CN107852113A - 电力转换装置和电力转换装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种搭载了内置永磁体的旋转电机的失步检测功能的电力转换装置和使用它的设备(例如旋转电机驱动设备、冷冻设备等)。电力转换装置包括：频率检测部，其基于旋转电机在自由运转状态下的该旋转电机的感应电压来生成包含该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置的信息的数字信号；速度再现器，其基于由所述频率检测部生成的所述数字信号推测该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置；和失步判断部，其基于由所述速度再现器推测出的旋转速度、旋转方向和磁极位置判断该旋转电机的失步状态。

Description

电力转换装置和电力转换装置的控制方法

技术领域

本发明涉及电力转换装置和电力转换装置的控制方法。

背景技术

与现有的感应电动机相比效率更高的永磁体同步电动机，正在普及至工业领域和冷冻设备。此处，永磁体同步电动机通过以与转子内的永磁体的磁极位置同步的方式输入旋转磁场而旋转。在磁极位置与旋转磁场不同步的状态下不旋转，成为失步状态而无法控制。从而，为了对永磁体同步电动机进行运转控制，需要能够检测磁极位置的电力转换装置。作为磁极位置检测的手段，例如有磁极位置传感器。作为磁极位置传感器，有编码器、同步分解器、霍尔元件等。用磁极位置传感器检测转子每1转至少2次的位置信息，对电力转换装置输入而在识别磁极位置的同时进行运转控制。

另一方面，近年来也存在用省略了磁极位置传感器的无磁极位置传感器方式进行运转控制的情况。无磁极位置传感器方式的情况下，例如根据检测电流的相位推测磁极位置同时控制永磁体同步电动机，所以在负荷变动或重负荷时存在永磁体同步电动机的转子不能与电力转换装置生成的旋转磁场同步而成为失步状态的情况。在推测磁极位置的无磁极位置传感器方式中成为失步状态时，存在不能推测失步的情况，所以在使用无磁极位置传感器方式的情况下，需要能够可靠地检测失步的电力转换装置。

作为检测失步的现有技术，有公开了“检测基于所述磁极位置传感器的检测信号求出的所述转子的磁轴的角度位置与所述旋转磁场角的角度差是否超过了预先设定的设定值的失步检测部”的专利文献1(日本特开2000-295886号)，和公开了“一种电力转换装置，其包括：基于该电压指令和用所述电流检测器检测出的电流推测控制轴与该同步电动机的转子磁极轴的轴误差的轴误差推测器；提取用所述轴误差推测器推测出的轴误差的任意频率成分的频率成分提取器；和基于用所述频率成分提取器提取出的频率成分判断是否失步的失步判断部”的专利文献2(日本特开2014-147239号)。

另外，作为无磁极传感器的永磁体同步电动机的起动方法，有公开了“在起动时以对转子的位置能够发生最大转矩的相位的起动励磁模式励磁，使旋转速度逐渐增大之后，对于该通电使所述脉冲调制信号的占空比成为0％而使其停止并使所述无刷电动机的所述转子自由运转，根据自由运转中在电动机端子中发生的感应电压检测转子位置并决定励磁时序，得到较大的加速度而使转子稳定地起动的驱动装置”的专利文献3(日本特开2014-33616号)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-295886号

专利文献2：日本特开2014-147239号

专利文献3：日本特开2014-33616号

发明内容

发明要解决的课题

但是，根据专利文献1中公开的方法，为了检测失步而从磁极位置传感器检测Pu、Pv、Pw这3个信号，需要能够检测三相的磁极位置的传感器，所以成本提高不可避免。

另外，在专利文献2的技术中，例如在转子因施加电压指令频率的高次谐波成分而略微旋转的情况下，存在不能检测出失步的可能性。

另外，专利文献3的技术使起动稳定化，存在因起动时施加冲击负荷的情况和起动时以外的负荷变动而发生失步的可能性，但不具有其检测手段。另外，需要3个感应电压检测电路的比较器，成本提高。

于是，本申请目的在于提供一种不使用磁极位置检测传感器就能够进行可靠性高的失步检测的电力转换装置和电力转换装置的控制方法。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，例如采用要求的权利范围的结构。

一种电力转换装置，其特征在于，包括：频率检测部，其基于旋转电机在自由运转状态下的该旋转电机的感应电压来生成包含该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置的信息的数字信号；速度再现器，其基于由所述频率检测部生成的所述数字信号推测该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置；和失步判断部，其基于由所述速度再现器推测的旋转速度、旋转方向和磁极位置判断该旋转电机的失步状态。

发明效果

根据本发明，能够提供一种不使用磁极位置检测传感器就能够进行可靠性高的失步检测的电力转换装置和电力转换装置的控制方法。

附图说明

图1是本发明的电力转换装置的概略结构图。

图2是频率检测电路的概略结构图。

图3是频率检测电路的时序图。

图4是失步判断的时序图。

图5是失步判断部处理的流程图。

具体实施方式

本实施方式的电力转换装置例如适合用于旋转电机驱动设备、冷冻器等。以下说明具体的控制。

＜第一实施例＞

用图1至图4说明第一实施例。

在图1中示出电力转换装置的概略结构。本电力转换装置是将交流电源1转换为直流电源而对开关电路4提供直流电，上述开关电路4进行开关动作，由此使旋转电机5运转的装置。另外，为了判断上述旋转电机5是否失步，速度控制部11在上述旋转电机5加速时暂时成为停止状态从而使上述旋转电机5成为自由运转状态，根据自由运转的上述旋转电机的感应电压用频率检测部6、速度再现器12、失步判断部8和断路器9检测上述旋转电机5的失步并进行保护动作。此处，在不失步地进行运转的情况下再次从上述旋转电机5自由运转地旋转的速度起重新加速，继续运转。另外，作为检测失步的条件的失步判断处理设定值组13能够预先在存储部14中设定、或者从外部设定任意的值，其设定值根据上述旋转电机5和与其连接的负荷的大小和惯性矩适当调整。

(关于装置结构)

本电力转换装置包括：与交流电源1连接的整流器2；与上述整流器2的直流侧串联连接的平滑电容器3；将交流电力转换为直流电力的开关电路4；控制开关电路4的PWM控制器7；与将上述开关电路4和旋转电机5连接的3根电动机线分别连接的频率检测部6；根据上述频率检测部6的2个信号计算检测速度并输出的速度再现器12；基于上述速度再现器12输出的检测速度和预先在作为闪存等非易失性存储器的存储部14中设定或从外部设定的失步判断处理设定值组13判断失步，进行失步保护动作之后输出失步检测信号的失步判断部8；从外部设定任意的目标速度的速度指令设定器10；基于从上述速度指令设定器10输出的目标速度和从上述速度再现器12输出的检测速度以及上述存储部14中设定的失步判断处理设定值组13运算旋转速度指令值并将其输出的速度控制部11；和与从上述失步判断部8输出的失步检测信号相应地切断上述频率指令值，控制PWM控制器7的动作的断路器9。

(关于频率检测部)

图2是上述频率检测部6的电路结构图，图3是感应电压和数字信号的时序图。上述频率检测部6与上述旋转电机5自由运转地旋转时发生的3相的感应电压的大小关系相应地生成具有上述旋转电机5的旋转速度、旋转方向和磁极位置的信息的2个数字信号。具体而言，旋转电机自由运转地旋转的情况下由上述旋转电机5发生感应电压。在U相、V相、W相的线间观测该感应电压的情况下，电压波形如图3所示，是相位分别相差120deg的三相交流。通过如图2所示地用分压电阻15A、15B、15C对感应电压分压，上述比较器17A、17B的输出根据感应电压的大小关系成为数字信号。此处，在之后说明的上述速度再现器12中，能够根据上述比较器17A、17B的2个数字信号取得上述旋转速度、旋转方向和磁极位置的信息，所以删除了W相-U相电压的比较器。另外，输入滤波器16A、16B、16C和输出滤波器18A、18B的滤波器时间常数以成为能够除去噪声的时间常数的方式在观测数字信号的同时选定。另外，上拉电阻19A、19B在本装置的电源接入后直到上述比较器的电源起动的期间中，为了使数字信号不会抖颤(chattering)而使数字信号成为ON状态。

(关于速度再现器)

图3所示的上述数字信号与因上述旋转电机5自由运转地旋转而发生的感应电压的相位相应地ON/OFF，所以能够用上述速度再现器12推测旋转速度、旋转方向和磁极位置。

首先，关于旋转速度，例如每次检测上述数字信号的上升(ON)时刻，测定从上次检测出到本次检测出的时间差ΔT。此处，用信号的下降(OFF)或者上升和下降双方测定时间差也没有问题。在用上升和下降双方测定时间差的情况下，上述旋转电机5旋转1周时的检测次数成为2倍，所以能够提高上述速度再现器12的检测精度。基于此处测定得到的时间差ΔT计算频率并作为上述旋转电机5的检测速度Ffb输出。接着，关于旋转方向的推测，通过测定2个上述数字信号的上升(ON)和下降(OFF)时刻的时间而进行推测。例如，以U-V间数字信号的上升(ON)时刻为起点时，正转的情况下到下一次检测的W-V间数字信号的下降(OFF)的时间差Δt1、和从W-V间数字信号的下降(OFF)到下一次检测的U-V间数字信号的下降(OFF)的时间差Δt2中，时间差Δt1>时间差Δt2。另一方面，反转的情况下以U-V间数字信号的上升(ON)时刻为起点时，到下一次检测的W-V间数字信号的下降(OFF)的时间差Δt1’和从W-V间数字信号的下降(OFF)到下一次检出的U-V间数字信号的下降(OFF)的时间差Δt2’中，时间差Δt1’<时间差Δt2’。用上述速度再现器12根据时间差Δt1、时间差Δt2或者Δt1’时间差Δt2’的大小关系推测旋转方向。

接着说明磁极位置的推测。上述旋转电机5的感应电压相位与磁极位置联动，所以如图3所示，与感应电压的相位联动的上述2个数字信号的上升和下降的时刻在上述旋转电机5的转子在电角上旋转1周的期间中共计4次。例如，该检出时刻是上述旋转电机5的磁极位置角度30deg、150deg、210deg、330deg的情况下，微机在该上升或下降的时刻直接地进行在微机内部运算的内部位置信息的更新处理。然后，在上升和下降的时刻以外的时间，微机与上述检测速度Ffb相应地以任意的运算周期在每个周期加上更新内部位置信息的位置更新量θstep，由此总是更新与上述旋转电机5的磁极位置同步的内部位置信息。另外，在上升或下降的时刻直接更新内部位置信息的情况下，存在发生与微机以任意的运算周期在内部更新的内部位置信息的位置偏差Δθ的情况。该情况下，以使位置偏差Δθ成为“0”的方式用PI控制对位置更新量θstep进行修正，在自由运转中总是推测磁极位置。在非自由运转的运转中不推测磁极位置。理由是因为上述开关电路4正在工作，所以不能观测上述旋转电机5的感应电压。

(关于速度控制部)

图4所示的旋转电机的时序图示出了上述速度控制部11与从上述速度指令设定器10输出的速度指令Fref和从上述速度再现器12输出的检测速度Ffb相应地使上述旋转电机5从停止状态加速至用上述速度指令设定器10设定的旋转速度的过程。上述旋转电机5从停止状态逐渐加速至设定的旋转速度(设定频率)，但在加速时、减速时和定速运转时因为急剧的负荷变动等的影响，存在本电力转换装置控制上述开关电路4而生成的旋转磁场与上述旋转电机5的磁极偏离、成为不能控制的状态(失步状态)的情况。因此，在上述速度控制部11中，在加速时暂时在到达预先在存储部14或者从外部在上述存储部14中设定的失步判断处理设定值组13的失步判断频率的阶段使上述开关电路4成为OFF，使上述旋转电机5成为自由运转状态。之后，经过了同样在上述存储部14或者从外部在上述存储部中设定的失步判断处理设定值组13的失步判断时间之后再次从自由运转地旋转的转速开始加速，加速至上述设定频率，由此在加速途中生成自由运转的时间段。由此，能够用上述速度再现器12推测旋转速度、旋转方向和磁极位置。此处，在不是自由运转、而是上述开关电路4进行开关的上述旋转电机5运转中的情况下，上述速度再现器12不能正常工作，所以仅在上述旋转电机5自由运转时工作。此处，上述失步判断频率和上述失步判断时间与上述旋转电机5、和与其连接的负荷的大小以及惯性矩相应地适当设定即可。例如，上述失步判断频率在负荷大、惯性矩小的情况下如果不设定为较高则暂时自由运转会立刻停止。反之，在负荷小、惯性矩大的情况下即使降低上述失步判断频率也能够确保自由运转的时间段。另一方面，上述失步判断时间需要以最少能够确保共计5次上述数字信号的上升和下降时刻的方式设定。作为其理由，因为为了推测上述旋转方向需要使磁极位置角度旋转1个周期，所以例如以U-V间数字信号的上升(ON)时刻作为起点(第一次)时，下一次检测1个周期后的U-V间数字信号的上升(ON)时刻是第五次。另外，反之如果上述失步判断时间设定为较长，则数字信号的检出次数增加，但自由运转的时间段变长，所以存在上述旋转电机5停止的情况，所以在设定中需要注意。

(关于失步判断部)

在图5中示出失步判断部的流程图。图5是关于图1所示的失步判断部8的范围的流程图。在失步判断部8中例如具有检测图1所示的频率检测部6的数字信号从ON成为OFF的上升而判断失步、使上述开关电路4停止或工作的功能。具体而言，首先，在图5的设定值读取20中读取上述存储部14中设定的上述失步判断频率A、有无重试设定B、重试恢复时间设定C和重试允许次数设定D，接着在旋转速度换算21中将上述速度再现器12输出的旋转速度换算为频率，之后为了在上述旋转电机5反转的情况下也可以进行与正转同样的处理而进行绝对值运算。然后，与上述失步判断频率A减去容许值a得到的阈值进行比较，在旋转速度更大的情况下不进行任何处理，在旋转速度更小的情况下判断为上述旋转电机5失步而未旋转，在Err输出23中输出失步信号。此处，上述容许值a考虑从上述旋转电机5成为自由运转的时间到上述判断22的处理的期间中减速来预先设定。接着，在判断24中判断重试设定的有无，有的情况下在重试时间计数25中对重试时间计数值进行计数。重试设定为无的情况下在重试时间计数值清零31中将在上次以前的处理周期中进行的重试时间计数25中计数得到的重试时间计数值清零，然后在重试次数计数值清零32中将重试次数计数值清零，在等待错误状态复位33中设为等待错误状态复位的状态。此处，等待错误状态复位指的是直到使系统的主电源OFF并再次ON、或者从外部输入复位命令解除错误，都不转移至其他处理。接着，在判断26中对重试时间计数25中计数得到的重试时间计数值与重试恢复时间设定C进行比较，在重试恢复时间设定C更大的情况下不进行任何处理。反之，在重试恢复时间设定C更小的情况下在重试时间计数值清零27中将重试时间计数25中计数得到的重试时间计数值清零。接着，在重试次数计数28中对重试次数进行计数。接着，在判断29中对于重试次数计数28中计数得到的重试次数计数值与重试允许次数设定D进行比较，在重试允许次数设定D更大的情况下在Err输出清除30中将失步检测信号Err输出清除。反之，在重试允许次数设定D更小的情况下在重试次数计数值清零32中将重试次数计数值清零，在等待错误状态复位33中设为等待错误状态复位的状态。由此，能够提供一种不安装磁极位置传感器就能够进行可靠性高的失步检测的电力转换装置和电力转换装置的控制方法。

符号说明

1 交流电源

2 整流器

3 平滑电容器

4 开关电路

5 旋转电机

6 频率检测部

7 PWM控制部

8 失步判断部

9 断路器

10 速度指令设定器

11 速度控制器

12 速度再现器

13 失步判断处理设定值组

14 存储部

15A，15B，15C 分压电阻

16A，16B，16C 输入滤波器

17A，17B 比较器

18A，18B 输出滤波器

19A，19B 上拉电阻

20 设定值读取

21 旋转速度绝对值运算

22 判断(旋转速度<A-a？)

23 Err输出

24 判断(B＝有？)

25 重试时间计数

26 判断(重试时间>C？)

27 重试时间计数清零

28 重试次数计数

29 判断(重试次数>D？)

30 Err输出清除

31 重试时间计数值清零

32 重试次数计数值清零

33 等待错误状态复位。

Claims (12)

1.一种电力转换装置，其特征在于，包括：

频率检测部，其基于旋转电机在自由运转状态下的该旋转电机的感应电压来生成包含该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置的信息的数字信号；

速度再现器，其基于由所述频率检测部生成的所述数字信号推测该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置；和

失步判断部，其基于由所述速度再现器推测出的旋转速度、旋转方向和磁极位置判断该旋转电机的失步状态。

2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在所述频率检测部中，基于该旋转电机与该电力转换装置之间的三相的感应电压的大小关系生成所述数字信号。

3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在所述速度再现器中，基于所述数字信号的ON或OFF状态推测该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置。

4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在所述速度再现器中，基于所述数字信号的ON、OFF时刻的时间差推测旋转速度、旋转方向和磁极位置中的任意者。

5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在所述频率检测部中，基于在该旋转电机达到第一频率后使开关电路OFF且在之后经过第一时间后再次使该旋转电机加速的情况下的该旋转电机的感应电压，生成包含该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置的信息的数字信号。

6.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

在所述失步判断部中，通过对预先设定的阈值与由所述速度再现器推测出的旋转速度、旋转方向和磁极位置进行比较来判断失步状态。

7.一种电力转换装置的控制方法，其特征在于：

频率检测步骤，基于旋转电机在自由运转状态下的该旋转电机的感应电压来生成包含该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置的信息的数字信号；

速度再现步骤，基于在所述频率检测步骤中生成的所述数字信号推测该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置；和

失步判断步骤，基于在所述速度再现步骤中推测出的旋转速度、旋转方向和磁极位置判断该旋转电机的失步状态。

8.如权利要求7所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于：

在所述频率检测步骤中，基于该旋转电机与该电力转换装置之间的三相的感应电压的大小关系生成所述数字信号。

9.如权利要求7所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于：

在所述速度再现步骤中，基于所述数字信号的ON或OFF状态推测该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置。

10.如权利要求7所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于：

在所述速度再现步骤中，基于所述数字信号的ON、OFF时刻的时间差推测旋转速度、旋转方向和磁极位置中的任意者。

11.如权利要求7所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于：

在所述频率检测步骤中，基于在该旋转电机达到第一频率后使开关电路OFF且在之后经过第一时间后再次使该旋转电机加速的情况下的该旋转电机的感应电压，生成包含该旋转电机的旋转速度、旋转方向和磁极位置的信息的数字信号。

12.如权利要求7所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于：

在所述失步判断步骤中，通过对预先设定的阈值与在所述速度再现步骤中推测出的旋转速度、旋转方向和磁极位置进行比较来判断失步状态。