CN104718695A - 电力转换装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

电力转换装置具备：逆变器部(40)，其能够通过反并联地连接有续流二极管且进行桥式连接的多个半导体开关元件的导通、截止来将直流电力与交流电力相互转换；以及交流发电机或交流电动机等旋转电机(50)，其与逆变器部(40)的交流端子连接，在该电力转换装置中，在旋转电机(50)启动时逆变器部(40)的直流电压小于规定值的情况下，在使逆变器部(40)的多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件断续地导通、截止来使逆变器部(40)的直流电压上升到旋转电机(50)的感应电压等规定值以上的状态下，执行旋转电机(50)的速度检测动作。由此，即使在逆变器部(40)的直流电压低于旋转电机(50)的感应电压的情况下，也能够正确地检测旋转电机(50)的速度来使旋转电机稳定地启动。

Description

电力转换装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种能够使交流电动机、交流发电机等旋转电机稳定地启动的电力转换装置及其控制方法。

背景技术

作为驱动作为旋转电机的永磁体型同步电动机(PMSM)的电力转换装置，已知专利文献1所记载的装置。

图5是表示专利文献1所记载的以往技术的图。在图5中，101是直流电源，102是包括半导体开关元件和续流二极管的三相电压型逆变器，M是永磁体型同步电动机，103是电流检测器，104是电流检测器增益，105是相数变换部，106是空转重启控制部，107是坐标变换部，108是磁极位置估计部，109是速度运算部，110是电流控制部，111是栅极信号切换部。

图5所示的所谓的无位置/速度传感器方式的电力转换装置在逆变器102停止而未对同步电动机M施加电压的状态下转子空转、从而同步电动机M的定子绕组中产生感应电压这样的情况下，能够使逆变器102迅速地重启。

即，在图5中，空转重启控制部106根据从相数变换部105输出的绕组电流的二相成分i_α、i_β来检测逆变器102停止而同步电动机M的电流为零的状态。当该空转重启控制部106生成使逆变器102的至少一个半导体开关元件导通(ON)的栅极信号并利用切换控制信号s将栅极信号切换部111切换到空转重启控制部106侧时，上述开关元件导通，同步电动机M的定子绕组中的至少一相被短路。此时，如果转子空转，则由于定子绕组的感应电压而短路电流经由导通的开关元件和另一相的续流二极管流过定子绕组，其流通期间依赖于磁极位置和旋转速度，因此能够基于上述短路电流来估计磁极位置和旋转速度。

如上所述，空转重启控制部106在绕组电流为零且转子空转时，进行动作使得同步电动机M的定子绕组短路来使由感应电压产生的短路电流流动。然后，磁极位置估计部108和速度运算部109根据此时的短路电流来运算磁极位置θ和旋转速度ω，电流控制部110生成电流指令等的初始值来控制逆变器102，由此执行装置的重启。

在这种电力转换装置中，例如在以下情况下有时逆变器102的直流电压不足：直流电源101产生异常，之后重启；在代替直流电源101而具备将商用电源和整流电路组合而成的整流电源的系统中，由于落雷等而商用电源停电(包括瞬时停电)，之后重启。

在该情况下，可以考虑使用另外设置的辅助电源、蓄电池等预备电源装置来补充不足电压，但是具备预备电源装置的控制系统因装置整体大型化而需要很多设置空间，而且价格变高。

另一方面，专利文献2中记载了以下的以往技术：将第一电力转换器和第二电力转换器连接于共同的直流母线，利用第三电力转换器将直流中间电路的直流电压转换为交流电压后提供给马达等辅机，其中，该第一电力转换器将商用电源电压整流来转换为直流电压，该第二电力转换器利用燃气发动机驱动同步电动机来使其作为发电机进行动作，将其输出电压转换为直流电压。

图6是表示专利文献2所记载的上述以往技术的图。

在图6中，201是商用电源，202是具有二极管整流电路203和电解电容器204等的第一电力转换器，205是交流端子上连接有同步电动机M、且与第一电力转换器202共用直流母线的第二电力转换器(PWM转换器)，206是驱动同步电动机M的燃气发动机，207是电压检测器，208是电流检测器。另外，209是主控制器，210是运算装置，211是驱动电路，212是马达控制器，213是与第一电力转换器202、第二电力转换器205并联连接的第三电力转换器(逆变器)，214是由电力转换器213驱动的马达等辅机，215是DC/DC转换器，216是充电控制装置，217是蓄电装置，218是起动机控制电路，219是燃气发动机206用的起动机(starter motor)。

在图6的以往技术中，如果燃气发动机206高速运转而同步电动机M的发电电力为规定值以上，则通过电力转换器205将该发电电力转换为直流电力后供给到电力转换器213，并转换为交流电压来驱动辅机214。另外，将上述直流电力的剩余部分输入到DC/DC转换器215，转换为规定大小的直流电压来通过充电控制装置216对蓄电装置217充电。此外，蓄电装置217的电力经由起动机控制电路218使用于起动机219的驱动。

并且，在如燃气发动机206低速运转时那样发电效率差而同步电动机M的发电电力小的情况下，不进行发电控制，将通过第一电力转换器202对商用电源201整流而得到的直流电力供给到电力转换器213、DC/DC转换器215，来进行辅机214的驱动、蓄电装置217的充电。

根据图6的以往技术，通过上述的动作，能够进行与燃气发动机206的运转状况相应的辅机214的高效的运转。

专利文献1：日本特开平11-75394号公报(段落[0011]、[0012]，图1等)

专利文献2：日本特开2007-17026号公报(段落[0024]～[0028]，图2等)

发明内容

发明要解决的问题

在图6所示的以往技术中，在同步电动机M的发电电力为规定值以上时，即使商用电源201停电也能够向辅机214供给电力，但是在该情况下存在如下问题。

首先，能够通过与专利文献1同样的原理来检测图6中的同步电动机M的旋转速度(即燃气发动机206的旋转速度)。即，在使电力转换器205的某一相的下臂的开关元件导通的情况下，如果同步电动机M的该相的感应电压(设忽略内部电阻，与端子电压相同含义)高于其它任一相的感应电压，则短路电流经由感应电压低的相的下臂的续流二极管流动。该短路电流流动的期间是使开关元件导通的相的感应电压高于其它相的感应电压的电角度120度的期间，因此能够基于短路电流流动或没有流动的时间来检测旋转速度。

然而，在由于商用电源201的停电等而直流中间电压(电解电容器204的两端电压)不足、从而同步电动机M的感应电压高于直流中间电压的状态下，即使不使电力转换器205的开关元件导通，定子绕组的短路电流也经由电力转换器205内的续流二极管和直流中间电路内的电解电容器204流动。

即，在感应电压高于电力转换器205的直流中间电压的情况下，在非预期的定时短路电流无控制地流动，因此无法与在速度检测时有意地使开关元件导通而流动的短路电流相区分。因此，存在如下问题等：难以正确地检测同步电动机M的旋转速度，由于无法检测或速度的误检测而启动失败，或者无法稳定地启动同步电动机M。

因此，本发明要解决的问题在于，提供一种即使在逆变器部等电力转换部的直流电压低于旋转电机的感应电压的情况下也能够正确地检测旋转电机的速度从而稳定地启动旋转电机的电力转换装置及其控制方法。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题，本发明所涉及的电力转换装置以具备逆变器部等电力转换部以及交流发电机或交流电动机等旋转电机的电力转换装置为对象，其中，上述电力转换部能够通过反并联地连接有续流二极管且进行桥式连接的多个半导体开关元件的导通、截止来将直流电力与交流电力相互转换，上述旋转电机与上述电力转换部的交流端子连接。

而且，第一发明所涉及的电力转换装置是如下的电力转换装置：在旋转电机启动时电力转换部的直流电压小于规定值的情况下，在使电力转换部的多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件断续地导通、截止来使电力转换部的直流电压上升到规定值以上的状态下，执行旋转电机的速度检测动作。

另外，第二发明所涉及的电力转换装置是如下的电力转换装置：在第一发明中，上述旋转电机是交流发电机，在电力转换部的直流电压低于由驱动源驱动的发电机的感应电压时，在使电力转换部的多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件断续地导通、截止来使电力转换部的直流电压上升到上述感应电压以上的状态下，执行交流发电机的速度检测动作。

第三发明所涉及的电力转换装置是如下的电力转换装置：在第一发明中，上述旋转电机是交流电动机，在电力转换部的直流电压低于电动机的感应电压时，在使电力转换部的多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件断续地导通、截止来使电力转换部的直流电压上升到上述感应电压以上的状态下，执行交流电动机的速度检测动作。

第四发明所涉及的电力转换装置是如下的电力转换装置：在第一发明～第三发明中的任一项发明中，具备商用电源以及将商用电源的交流电力转换为直流电力的转换器部，将转换器部的正负输出端子分别连接于在电力转换部的直流端子之间连接的电容器的两端。

第五发明所涉及的电力转换装置是如下的电力转换装置：在第四发明中，在上述电容器的两端分别连接电源提供端子，从该电源提供端子对外部的负载提供电源。

第六发明所涉及的电力转换装置是如下的电力转换装置：在第二发明中，在电力转换部的直流端子之间连接电容器，并且在电容器的两端分别连接电源提供端子，从电源提供端子对外部的负载提供电源。

第七发明所涉及的电力转换装置的控制方法与第一发明～第三发明中的任一项发明所记载的电力转换装置的控制方法有关，用于使构成电力转换部的多个半导体开关元件中的构成电力转换部的上臂或下臂的全部半导体开关元件同时且断续地导通、截止，来进行使上述电力转换部的直流电压上升到规定值以上的动作。

第八发明所涉及的电力转换装置的控制方法与第一发明～第三发明中的任一项发明所记载的电力转换装置的控制方法有关，其特征在于，旋转电机的速度检测动作是基于使电力转换部的多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件导通时在该开关元件和旋转电机的定子绕组中回流(日语：還流)的短路电流的流通期间来检测旋转速度的动作。

发明的效果

根据本发明，在逆变器部等电力转换部的直流电压低于旋转电机的感应电压而在直流电压不足的状态下启动旋转电机时，能够通过电力转换部的开关动作使上述直流电压上升，由此使得能够进行之后的速度检测动作来稳定地启动旋转电机。另外，不需要辅助电源、蓄电池等预备电源装置，因此能够使装置整体小型化、廉价化。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的电力转换装置的结构图。

图2是图1中的逆变器部的控制装置的功能框图。

图3是表示本发明的实施方式的动作的流程图。

图4是在本发明的实施方式中使上臂的开关元件导通、截止来升压时的动作说明图。

图5是专利文献1所记载的以往技术的整体结构图。

图6是专利文献2所记载的以往技术的整体结构图。

具体实施方式

下面，按照附图来说明本发明的实施方式。

图1是本发明的实施方式所涉及的电力转换装置的结构图。在图1中，10是三相的商用电源，该商用电源10与包括二极管21～26的作为桥式整流电路的转换器部20的交流输入端子连接。另外，充电电阻31与电容器33串联地连接在转换器部20的直流输出端子之间。并且，充电电阻31的两端能够通过开关32短路。在此，充电电阻31、开关32以及电容器33构成直流中间电路30。

此外，在电容器33的两端连接有电源提供端子70，该电源提供端子70用于根据需要对外部的负载(未图示)提供直流电源。

在电容器33的两端连接有逆变器部40的直流端子，该逆变器部40包括反并联地连接有续流二极管且进行桥式连接的半导体开关元件41～46。在该逆变器部40中，40u是包括开关元件41、44的U相臂，40v是包括开关元件42、45的V相臂，40w是包括开关元件43、46的W相臂。

在各相臂40u、40v、40w的交流端子上连接有旋转电机50，旋转电机50的转子上连结有驱动源或负载60。旋转电机50例如是永磁体型同步电动机(发电机)等交流发电机或交流电动机，驱动源或负载60是发动机等驱动源、由旋转电机50驱动的旋转负载。下面，说明利用发动机等驱动源60使作为旋转电机50的永磁体型同步电动机进行发电机动作的情况。

此外，81是检测直流中间电压(电容器33的电压)的电压检测器，82是检测旋转电机50的定子绕组的电流的电流检测器。

图2是图1中的逆变器部40的控制装置的功能框图。

该控制装置90具备：电压比较单元92，其将由电压检测器81检测出的直流中间电压与规定值进行比较；电流比较单元93，其将由电流检测器82检测出的电流与规定值进行比较；运算控制单元91，其基于电压比较单元92和电流比较单元93的比较结果以及利用计时器得到的测量时间来执行速度检测处理等；以及栅极信号生成单元94，其按照运算控制单元91的运算结果来生成针对逆变器部40的规定的开关元件的栅极信号。

接着，按照图3的流程图来说明本实施方式中的旋转电机50启动时的动作。首先，为了防止启动时的涌流而断开图1的开关32来将充电电阻31插入到直流中间电路30，利用转换器部20的输出电压对电容器33充电。另一方面，利用驱动源60驱动旋转电机50，使旋转电机50的端子之间产生感应电压。

如图3所示，在启动时，利用电压检测器81检测直流中间电压(步骤S1)，利用电压比较单元92将检测出的直流中间电压与规定值进行比较(步骤S2)。在此，上述规定值被设定为大于旋转电机50的感应电压的值。

在直流中间电压为规定值以上的情况下(步骤S2“是”)，不会由于旋转电机50的感应电压而流过经由逆变器部40内的续流二极管和电容器33的回流电流(旋转电机50的定子绕组的短路电流)。因而，运算控制单元91执行速度检测处理(步骤S3)，检测旋转电机50的磁极位置和旋转速度。即，运算控制单元91决定逆变器部40内的应该导通的开关元件，栅极信号生成单元94按照该信息来生成栅极信号。由此，旋转电机50的定子绕组经由导通的相的开关元件和其它相的续流二极管而短路，因此能够通过前述的专利文献1、2等所记载的方法来基于短路电流流动的期间或没有流动的时间检测旋转速度。

另外，在由于商用电源10的停电等而直流中间电压小于规定值的情况下(步骤S2“否”)，运算控制单元91判断利用内部的计时器得到的测量时间是否从启动时起经过了第一规定时间T₁(步骤S4)。如果经过了规定时间T₁(步骤S4“是”)，则估计为在该期间通过后述的逆变器部40的升压动作而直流中间电压变为规定值以上，因此转移到速度检测处理(步骤S3)。

在从启动时起未经过规定时间T₁的情况下(步骤S4“否”)，使逆变器部40的U相臂40u、V相臂40v、W相臂40w的下臂的开关元件(与逆变器部40的负侧直流端子连接的开关元件)44、45、46全部导通(步骤S5)。然后，在经过了比第一规定时间T₁短的第二规定时间T₂之后(步骤S6)，使开关元件44、45、46全部截止(步骤S7)。

通过如上所述那样使开关元件断续地导通、截止的动作，旋转电机50的电感成分中蓄积的能量经由上臂的续流二极管被放出到电容器33，因此电容器33被充电。由此，能够使直流中间电压上升。

之后，再次待机规定时间T₂(步骤S8)，利用电压检测器81和电流检测器82检测直流中间电压和电流(步骤S9)。如果通过步骤S5～S7的升压动作而直流中间电压变为规定值以上(步骤S10“是”)，则转移到速度检测处理(步骤S3)。

另外，在检测出的直流中间电压仍然小于规定值的情况下(步骤S10“否”)，再次判断是否从启动时起经过了第一规定时间T₁(步骤S11)。如果经过了规定时间T₁(步骤S11“是”)，则估计为通过步骤S5～S7的升压动作而直流中间电压变为规定值以上，因此转移到速度检测处理(步骤S3)。

此外，在从启动时起未经过规定时间T₁的情况下(步骤S11“否”)，以流过旋转电机50的电流为与过电流相当的规定值以下为条件来执行步骤S1以后的处理(步骤S12“是”)，在超过规定值的情况下(步骤S12“否”)，不进行升压动作而重复执行步骤S8以后的处理。

在执行这种速度检测处理来检测旋转电机50的速度之后，进行旋转电机50的启动。由此，即使在逆变器部40的直流电压低于旋转电机50的感应电压的情况下，也能够正确地检测旋转电机50的速度来使旋转电机50稳定地启动。

在该实施方式中，使三相的逆变器部40的全部下臂的开关元件44、45、46同时且断续地导通、截止来进行升压动作，但是也可以使全部上臂的开关元件41、42、43同时且断续地导通、截止。或者，也可以是不限于全部上臂或下臂，而使构成逆变器部40的开关元件41～46中的至少一个开关元件断续地导通、截止。

图4是例如仅使V相的上臂的开关元件42断续地导通、截止来进行升压动作的情况下的动作说明图。此外，设事先使其它开关元件截止。

作为与前述的图3的步骤S5相当的动作，如图4的(a)那样使开关元件42导通，由此电流经由开关元件42和U相的开关元件41的续流二极管流动，在旋转电机50的电感成分中蓄积能量。接着，作为与图3的步骤S7相当的动作，如图4的(b)那样使上述开关元件42截止，由此旋转电机50的电感成分中蓄积的能量经由开关元件41的续流二极管和V相的下臂的开关元件45的续流二极管被放出到电容器33，因此电容器33被充电。由此，能够与上述同样地使直流中间电压上升。

此外，逆变器部和旋转电机不限于三相，在逆变器部和旋转电机是单相的情况下，也能够通过使构成逆变器部的开关元件中的至少一个开关元件断续地导通、截止来进行电容器33的升压动作。

另外，在该实施方式中，说明了旋转电机50为发电机的情况，但是在逆变器部40停止运转而作为旋转电机50的电动机空转的状态下启动电动机的情况下，也能够应用本发明。

产业上的可利用性

在图1的实施方式中，说明了具备将商用电源10的交流电压转换为直流电压的转换器部20的电力转换装置。然而，本发明也能够用作如下的自立型电源装置：该电源装置不具备商用电源10和转换器部20，利用逆变器部40将作为旋转电机50的发电机的交流输出电压转换为直流电压，将电容器33的两端的直流电压作为电源提供给外部的负载。

附图标记说明

10：商用电源；20：转换器部；21～26：二极管；30：直流中间电路；31：充电电阻；32：开关；33：电容器；40：逆变器部；40u：U相臂；40v：V相臂；40w：W相臂；41～46：半导体开关元件；50：旋转电机；60：驱动源或负载；70：电源提供端子；81：电压检测器；82：电流检测器；90：控制装置；91：运算控制单元；92：电压比较单元；93：电流比较单元；94：栅极信号生成单元。

Claims (8)

1.一种电力转换装置，具备：电力转换部，其能够通过反并联地连接有续流二极管且进行桥式连接的多个半导体开关元件的导通、截止，来将直流电力与交流电力相互转换；以及旋转电机，其与上述电力转换部的交流端子连接，该电力转换装置的特征在于，

在上述旋转电机启动时上述电力转换部的直流电压小于规定值的情况下，在使上述多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件断续地导通、截止来使上述电力转换部的直流电压上升到上述规定值以上的状态下，执行上述旋转电机的速度检测动作。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

上述旋转电机是交流发电机，在上述电力转换部的直流电压低于由驱动源驱动的上述交流发电机的端子电压时，在使上述多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件断续地导通、截止来使上述电力转换部的直流电压上升到上述端子电压以上的状态下，执行上述交流发电机的速度检测动作。

3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

上述旋转电机是交流电动机，在上述电力转换部的直流电压低于上述交流电动机的端子电压时，在使上述多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件断续地导通、截止来使上述电力转换部的直流电压上升到上述端子电压以上的状态下，执行上述交流电动机的速度检测动作。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的电力转换装置，其特征在于，

具备商用电源以及将上述商用电源的交流电力转换为直流电力的转换器部，

上述转换器部的正负输出端子分别连接于在上述电力转换部的直流端子之间连接的电容器的两端。

5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于，

在上述电容器的两端分别连接电源提供端子，从上述电源提供端子对外部的负载提供电源。

6.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，

在上述电力转换部的直流端子之间连接电容器，并且在上述电容器的两端分别连接电源提供端子，从上述电源提供端子对外部的负载提供电源。

7.一种电力转换装置的控制方法，是根据权利要求1～3中的任一项所述的电力转换装置的控制方法，该电力转换装置的控制方法的特征在于，

使构成上述电力转换部的多个半导体开关元件中的构成上述电力转换部的上臂或下臂的全部半导体开关元件同时且断续地导通、截止，来进行使上述电力转换部的直流电压上升到上述规定值以上的动作。

8.一种电力转换装置的控制方法，是根据权利要求1～3中的任一项所述的电力转换装置的控制方法，该电力转换装置的控制方法的特征在于，

上述速度检测动作是基于使上述多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件导通时在该开关元件和上述旋转电机的定子绕组中回流的短路电流的流通期间来检测上述旋转电机的旋转速度的动作。