[发明专利]电动机的控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及适合控制电车驱动用的交流电动机、特别是永磁同步电动机的电动机的控制装置。 

背景技术

近年来，在产业设备、家电领域、汽车领域等交流电动机应用领域中，取代用逆变器来驱动控制感应电动机的以往方式，用逆变器来驱动控制永磁同步电动机的方式的事例不断增加。 

永磁同步电动机与感应电动机相比，由于通过永磁体建立磁通，因此不需要励磁电流，由于在转子中没有电流流动，因此不会产生二次铜损，除通过永磁体的磁通产生的转矩之外，还通过利用转子的磁阻差异而产生的磁阻转矩，可以高效得到转矩等，由此已知是一种高效率的电动机，近年来，还探讨将其用于电车驱动用的功率转换装置。 

专利文献1：日本专利特开平7-227085号公报 

发明内容

本发明要解决的问题 

构成驱动控制永磁同步电动机的电动机的控制装置的问题之一在于，对于最佳控制永磁同步电动机所产生的电动机端子间电压变化的处理。作为永磁同步电动机的最佳控制，可以例举有以某一电流产生最大的转矩的最大转矩/电流控制、或将电动机的效率维持在最大的最大效率控制等。这些最佳控制方法，是调整对电动机施加的电流振幅与相位、使其成为计算式或预先储存在表格中的最佳值的控制方法，由于其内容在各种文献中都有所披露，因此此处省略详细的说明。然而，在实施上述最佳控制时，由于根据电动机的旋转速度及输出转矩的大小，将转矩分量电流(q轴电流)、磁通分量电流(d轴 电流)都调整为最佳值，因此电动机的最佳的交链磁通根据电动机的旋转速度及输出转矩的大小而变化，电动机端子间电压(等于逆变器输出电压)会大幅变化。 

与之不同的是，在以往的驱动控制感应电动机的电动机的控制装置中，一般在起动电动机后，进行使电动机的二次磁通为一定的恒转矩运转，直至到达基础速度，在基础速度以上时，通过将逆变器输出电压固定在最大值，并使二次磁通与逆变器输出频率的增加大致呈反比例地减少，来进行恒功率运转。因此，在基础速度以上时，逆变器以可以得到最大输出电压的所谓单脉冲模式运转。这在电车以外的电动汽车等的动力运行用途或一般产业用途也是一样的。即，二次磁通在恒功率运转区域仅与逆变器输出频率呈反比例变化，不会根据输出转矩的大小而变化。虽然可以根据输出转矩来调整二次磁通，但如以下所述，由于输出转矩的过渡特性会恶化，因此一般不使用。 

感应电动机从其原理上，通过将可从外部控制的定子侧的电流(一次电流)和转差频率控制为期望的值，可以在转子侧感应电流，产生二次磁通。这一点与在转子中埋入永磁体、磁通本来就建立的永磁同步电动机有较大不同。在感应电动机的情况下，由于一次电流与二次磁通的关系是具有由二次电阻与二次电感构成的二次时间常数的一阶延迟的关系，因此即使根据输出转矩的大小要使二次磁通变化而使一次电流变化，但到二次磁通稳定在期望的值为止也需要二次时间常数相应的时间(在电车的感应电动机的情况下，一般为大致500ms左右)，其间输出转矩会不稳定。因此，转矩会产生过冲，或转矩变得易于振动，转矩的过渡响应会产生劣化。因此，在感应电动机中，一般不使用根据输出转矩来调整二次磁通。 

即，在以往的驱动控制感应电动机的电动机的控制装置中，由于电动机的旋转速度与电动机的二次磁通的值的关系是唯一地决定的，因此电动机的旋转速度与逆变器输出电压的大小的关系也是唯一地决定的。另外，在基础速度以上时，由于要使二次磁通减少使得逆变器输出最大电压，因此无论输出转矩的大小如何，逆变器输出电压固定为最大值(例如参照专利文献1)。 

然而，在驱动控制永磁同步电动机的电动机的控制装置的情况下，由于电动机的旋转速度与逆变器输出电压的大小的关系是根据输出转矩而变化，因此 在构成电动机的控制装置时需要考虑到这一点。 

另外，作为与上述不同的问题，可以例举有用于电动机驱动用的逆变器的开关元件的开关频率与电动机的极数的关系。一般作为电车用的逆变器的输入的直流电源的电压是1500V至3000V左右的高压，使用具有3300V至6500V左右的耐压的高耐压的开关元件。然而，高耐压的开关元件的开关损耗、导通损耗都较大，若考虑到冷却器或冷却风扇等开关元件的冷却装置不过多，则可容许的开关频率最大为1000Hz左右，与例如家电产品或产业用逆变器、电动汽车用的开关频率比较，是其1/10至1/20左右的较低值。 

另一方面，关于逆变器驱动的永磁同步电动机的极数，从电动机的小型化、轻量化的观点而言，6极或8极比较合适，考虑到以往的感应电动机几乎都是4极，极数增加为1.5至2倍。