專利名稱：交流電動機的控制設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及AC(交流)電動機的控制，尤其涉及一種能防止電動機過壓的交流電動機的控制設備，所述控制設備防止電動機過壓的方式是通過在逆變器和電動機之間插入具有條形鐵心的電抗器，使得在電動機起動或加速運行期間電抗器的功率消耗最小，在電動機高速運行期間限制由于逆變器高速切換以及電源線和電動機之間特性阻抗不匹配造成的電動機輸入端的電壓反射現(xiàn)象所引起的電動機線電壓急速增加。
通常，用PWM(脈寬調(diào)制)控制方法控制交流電動機。PWM控制方法在控制用于逆變器的功率切換設備的切換方面有很多優(yōu)勢。但是，當由于高速切換引起的電壓變化率dV/dt使加到電動機上的電壓急劇增加時，即當不利的過壓加到電動機上時，就會在電動機中產(chǎn)生絕緣、發(fā)熱和EMI(電磁干擾)。
在PWM控制方法中導致絕緣和發(fā)熱的原因可被分為兩個方面一是由于高速切換功率切換設備導致線電壓急劇增加以及電源線和電動機之間特性阻抗不匹配引起的電動機輸入端的電壓反射現(xiàn)象而產(chǎn)生的絕緣和發(fā)熱，另一方面是由于在PWM控制操作時瞬時電壓不平衡而在電動機機架和線圈之間產(chǎn)生的電壓(本文稱為‘共模電壓’)所引起的絕緣和發(fā)熱。
這里，電動機線電壓明顯受到線電壓的電壓發(fā)射現(xiàn)象所引起的絕緣和發(fā)熱的影響。為了克服這一缺陷，一直使用通過在PWM逆變器的輸出端和電動機之間設置閉式直線電抗器(closed type line reactor)和LRC(線圈阻容)濾波器來限制逆變器輸出電壓的快速增加。


圖1所示為現(xiàn)有的三相交流電動機控制設備的方框圖。如圖所示，交流三相電源1經(jīng)用于每一相的升壓電抗器LR、LS、LT由整流器2進行整流，并通過平滑電容器C1、C2進行平滑。因此，轉換后的直流電壓加到逆變器3。逆變器3將直流電壓轉換為變頻的三相交流電壓，即U、V和W相交流電壓，在脈寬調(diào)制信號發(fā)生器5的控制下將其輸出。三相U、V、W交流電壓經(jīng)閉式線電抗器(line reactor)6和電源線PL提供給電動機7。逆變器3包括多個功率晶體管(未示出)作為高速切換的功率切換設備，例如IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)。脈寬調(diào)制信號發(fā)生器5向逆變器3的功率晶體管輸出脈寬調(diào)制信號，控制器4控制脈寬調(diào)制信號發(fā)生器5。
圖2A至2D示出了現(xiàn)有閉式直線電抗器的結構。圖2A示出了單相閉式線電抗器。如圖所示，在閉式線電抗器的鐵心上形成窄的間隙。當通過線圈從逆變器3傳送電流或電壓時，通過鐵心以順時針或逆時針方向形成磁通。磁通的圖形根據(jù)逆變器輸出的電壓和電流的頻率是高還是低而變化?？偟膩碚f，低頻為100kHz以下，高頻為100kHz以上。圖2B示出了加到單相閉式電抗器上的電流為低頻的情況下的磁通圖形。如圖所示，低頻電流產(chǎn)生的磁通流過鐵心和間隙。即，磁通的閉路包括間隙。相反，圖2C示出了加到單相閉式線電抗器上的電流為高頻的情況下的磁通圖形。如圖所示，高頻電流產(chǎn)生的磁通大部分從纏繞線圈的部分泄漏，因此不通過間隙。即，以垂直于電流方向通過的磁通主要是漏磁通。另一方面，圖2D示出了三相閉式線電抗器。
圖3示出了圖1的等效電路。如圖所示，閉式線電抗器6由串聯(lián)的電感LL和電阻RL表示。電源線PL由串聯(lián)的電感LP和電容CP表示，電動機7由串聯(lián)的電容CM和電阻RM表示。
如等價電路圖所示，為具有電感LP和電容CP的電源線PL提供具有電感LL和電阻RL的閉式線電抗器6，由此，閉式線電抗器6和電源線PL用作LRC串聯(lián)電路。這里，閉式線電抗器6的電感LL和電動機7的電容CM變?yōu)闆Q定線電壓上升時間的參數(shù)，閉式線電抗器6的電阻RL變成決定線電壓最大值的參數(shù)。
如上所述，將閉式線電抗器6的電感LL元件加到電源線PL中，從而減小了電壓上升時間增加所引起的電壓反射現(xiàn)象，即控制逆變器3輸出電壓的上升。此外，將閉式線電抗器6的電阻RL元件加到電源線PL中，由此執(zhí)行阻尼操作。因此，線電壓的最大值得以降低。結果，當通過適當選擇電感LL和電阻RL來設計閉式線電抗器時，可以限制逆變器輸出電壓的升高，且可以降低線電壓的最大值。
但是，閉式線電抗器6具有以下缺陷。
首先，總的來說，閉式線電抗器的阻抗最好約為電動機阻抗的3-5％。閉式線電抗器的阻抗值越大，越增加了對輸出電壓的限制作用。但是，增加阻抗值有極限。隨著電流量的增加，必須增加閉式線電抗器的橫截面積，即鐵心的橫截面積，這樣，其尺寸和重量也增加，導致不期望的大尺寸和高成本。特別地，當以高頻驅(qū)動電動機時，磁通僅在閉式線電抗器中纏繞線圈的部分以垂直于電流的方向通過。因此，磁通不垂直于電流方向通過的部分是不必要的。
其次，由于閉式線電抗器必須串聯(lián)連接到電動機，通過閉式線電抗器來降低逆變器的輸出電壓。因此，除了用于驅(qū)動電動機的電壓之外，逆變器必須提供消耗在閉式線電抗器中的電壓。特別地，在達到額定速度時通過高頻交流電流來運行電動機。當通過高頻交流電流運行電動機時，整個鐵心未纏繞線圈的部分所產(chǎn)生的電壓被損失掉了。
圖4示出了電動機受到驅(qū)動時每個單元的電壓和電流特性。如圖所示，在起動和加速期間T，在電動機中流動著大電流量IM。逆變器必須提供驅(qū)動電動機的電壓VM和消耗在閉式線電抗器中的電壓VL，因此，必須增加逆變器的輸出電壓VI。但是，逆變器輸出電壓VI的最大值由直流連接電壓確定。因此，當以額定電壓驅(qū)動時，如果電動機高速或高轉矩運行，則有大電流量流動。結果，閉式線電抗器壓降增加，因此，驅(qū)動整個系統(tǒng)的電壓必須大于逆變器輸出電壓。在這種情況下，電動機不能輸出期望的輸出。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種交流電動機的控制設備，該設備能在電動機高速運行時防止由電動機線電壓的電壓反射現(xiàn)象所引起的絕緣和發(fā)熱。
本發(fā)明的另一目的是通過降低交流電動機起動或加速運行期間消耗在電抗器中的電壓、通過提供能在其整個鐵心上以垂直于電流方向通過磁通的電抗器來提高系統(tǒng)效率。
本發(fā)明的再一目的是提供一種交流電動機的控制設備，該設備通過使用小型電抗器使系統(tǒng)尺寸達到最小。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，提供一種交流電動機的控制設備，該設備包括交流電源，用于向交流電動機提供交流電；轉換器，用于將電源提供的交流轉換為直流；電容器，用于對轉換器輸出的直流進行平滑；逆變器，用于將來自電容器的直流轉換為交流，且具有多個功率切換設備；脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，用于提供切換功率切換設備的控制信號；控制器，用于控制脈寬調(diào)制信號發(fā)生器的控制信號的產(chǎn)生；以及電抗器，設置在逆變器和電動機之間，用于在電動機起動或加速運行期間使電壓消耗達到最小，且具有至少一個用于在電動機高速運行期間限制電動機過壓的條形鐵心。
參考附圖可以更好地理解本發(fā)明，附圖僅以圖示方式給出，因此不限制本發(fā)明，在附圖中圖1所示為現(xiàn)有三相交流電動機控制設備的方框圖；圖2A至2D所示為現(xiàn)有閉式線電抗器的結構；圖3是圖1的等效電路圖；圖4所示為當現(xiàn)有電動機受到控制時，依據(jù)時間畫出的電動機速度、在現(xiàn)有電動機中流動的電流特性和逆變器輸出電壓特性的波形圖；圖5所示為根據(jù)本發(fā)明一最佳實施例的三相交流電動機控制設備的方框圖；圖6A和6B是圖5的等效電路圖；圖7A(a)，(b)至7E示出了根據(jù)本發(fā)明的具有條形鐵心的電抗器的不同實施例；以及圖8是根據(jù)現(xiàn)有技術和本發(fā)明中逆變器的交流輸出頻率比較電抗器的電阻值和電感值的波形圖。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明一最佳實施例的三相交流電動機控制設備的方框圖。如圖所示，三相交流電動機的控制設備包括轉換器2，對交流三相電源1進行整流；平滑電容器C1、C2，平滑整流后的電壓；逆變器3，具有多個高速切換的功率晶體管(未示出)，接收平滑后的直流電壓，并將其轉換為交流電壓；由逆變器3驅(qū)動的電動機7；具有條形鐵心的電抗器60，串聯(lián)連接在逆變器3和電動機7之間；脈寬調(diào)制信號發(fā)生器5，將用于切換的脈寬調(diào)制信號輸出到逆變器3的功率晶體管；以及控制器，控制脈寬調(diào)制信號發(fā)生器5。
圖6A和6B是圖5的等效電路圖。圖6A示出了由纏有線圈的條形鐵心構成的電抗器6A，圖6B示出了將并聯(lián)連接的電阻和電容器加入圖6A中的電抗器構成低通濾波器的實施例。電阻Rf和電容器Cf并聯(lián)連接在電抗器6A和電源線PL之間。根據(jù)圖6B的實施例，通過將并聯(lián)連接的電阻和電容器加入電抗器形成低通濾波器，由此，防止逆變器輸出電壓的頻率超過預定高頻。因此，電動機7不會過壓。
圖7A(a)、(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的單相電抗器及其等效電路的結構。如圖所示，電阻Rs表示線圈電阻，電阻RI表示在鐵心上產(chǎn)生的鐵心損耗，‘LI’表示纏繞在鐵心上的線圈電感。
與圖2A所示的現(xiàn)有單相閉式線電抗器相比，圖7A(a)、(b)所示的單相電抗器的結構不包括未纏繞線圈的鐵心部分。被去掉的鐵心部分是在逆變器3以高頻運行時與磁通路徑無關的部分，即磁通不垂直于電流方向通過的部分。圖7B示出當根據(jù)本發(fā)明加到單相電抗器的電流是高頻時的磁通形狀。假設水平切開后的條形電抗器鐵心的橫截面與水平切開后的現(xiàn)有閉式電抗器鐵心的橫截面相同，則根據(jù)本發(fā)明的電抗器尺寸等于或小于現(xiàn)有閉式電抗器尺寸的一半。
圖7C示出了根據(jù)本發(fā)明的三相電抗器的結構。如圖所示，三相電抗器包括三個單相電抗器。圖7D示出了根據(jù)本發(fā)明的三相電抗器的結構，該結構是通過將圖7C所示的三個單相條形電抗器支承在鋼支承構件上形成的。與圖7C所示的三相條形電抗器相比，圖7D所示的三相電抗器具有更大的電感和電阻。圖7E示出了兩相電抗器的結構，所示兩相電抗器包括一個纏有兩相線圈的條形鐵心。
另一方面，盡管未在圖中示出，但也可以在圖7E所示的一個條形鐵心上纏繞三相線圈。
總的來說，在逆變器的功率晶體管為絕緣柵雙極型晶體管IGBT的情況下，線電壓的上升時間約為50至200nsec(納秒)。當假設線電壓的上升時間為100nsec時，與上升時間相對應的電動機7的電壓和電流的頻率約為100kHz至10MHz。即，在電動機7起動后，當逆變器3的輸出頻率逐漸提高以加速且超過100nsec時，即當電動機7在起動和加速運行的過濾期之后恒速運行時，電動機7線電壓的頻率達到運行頻率(500kHz至1MHz)。
圖8示出了本發(fā)明開式電抗器的電感LO和電阻RO與現(xiàn)有閉式電抗器的電感LC和電阻RC的比較結果。如圖所示，低頻時，現(xiàn)有閉式電抗器的電感LC比本發(fā)明的開式電抗器的電感LI大，高頻時，本發(fā)明的開式電抗器的電感LI比現(xiàn)有閉式電抗器的電感LC大。另一方面，電感LO和電感LC在電動機為恒速狀態(tài)頻率為100kHz至1MHz之間時是相似的，因此，在驅(qū)動電動機時可獲得相似的性能。
在根據(jù)本發(fā)明的具有條形鐵心的開式電抗器中，通過開式電抗器和電源線得到LRC線圈，電阻和電容諧振特性，這樣，在產(chǎn)生電動機過壓的高頻區(qū)域得到與現(xiàn)有閉式電抗器相類似的特性。此外，與閉式電抗器相比，本發(fā)明在低頻區(qū)域具有低阻抗特性。結果，電壓損耗得以減小。
此外，現(xiàn)有閉式電抗器鐵心的尺寸大，因此，為了限制輸出電壓不能增加鐵心的橫截面積。但是，根據(jù)本發(fā)明，如果必要，可以增加具有條形鐵心的開式電抗器的橫截面積。由此，減小了其阻抗值，從而改善了輸出電壓的限制作用。
本發(fā)明在不背離其主題和實質(zhì)特征的情況下可以通過幾種形式來體現(xiàn)，也應當理解，上述實施例在不特殊說明的情況下不限于前述說明中的任何具體描述，而是可以在權利要求書限定的主題和范圍內(nèi)廣泛地構建本發(fā)明，因此，落在權利要求或其等同物的范圍和界限內(nèi)的所有變形和修改都包括在權利要求中。
權利要求
1.一種交流電動機的控制設備，包括交流電源，用于為電動機提供交變電流；轉換器，用于將電源提供的交變電流轉換為直流電；電容器，用于對轉換器輸出的直流進行平滑；逆變器，用于將來自電容器的直流轉換為交變電流，且具有多個功率切換設備；脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，用于提供切換功率切換設備的控制信號；控制器，用于控制脈寬調(diào)制信號發(fā)生器的控制信號的發(fā)生；以及電抗器，設置在逆變器和電動機之間，具有至少一個條形鐵心，以便在電動機起動和加速運行期間使電壓消耗達到最小以及在電動機高速運行期間限制將過壓加到電動機上。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制設備，其中，電抗器在電動機起動和加速運行期間使壓降達到最小，且包括三個條形鐵心以便在電動機高速運行期間限制將過壓加到電動機上，每個鐵心與提供給電動機的三相交變電流中的每一相相對應。
3.根據(jù)權利要求1所述的控制設備，其中，電抗器包括與提供給電動機的三相交變電流中的每相電流相對應的三個條形鐵心；以及三個線圈繞組，每個繞組纏繞在三個條形鐵心的每個鐵心上。
4.根據(jù)權利要求1所述的控制設備，其中，電抗器包括條形鐵心；以及纏繞在條形鐵心上的三個線圈繞組，每個繞組對應于三相交變電流中的每相電流。
5.根據(jù)權利要求1所述的控制設備，還包括設置在電抗器和電動機之間的低通濾波器，用于限制加到電動機上的高頻電壓超過預定電平。
全文摘要
本發(fā)明涉及交流電動機的控制,尤其涉及能防止過壓加到電動機上以及在電動機起動和加速運行期間使其電抗器的電壓消耗最小的交流電動機控制設備,上述功能的實現(xiàn)是這樣的:通過在逆變器和電動機之間插入具有條形鐵心的電抗器,在電動機高速運行期間限制由于逆變器高速切換以及電源線和電動機之間特性阻抗不匹配造成的電動機輸入端的電壓反射現(xiàn)象所引起的電動機線電壓急速增加。
文檔編號H02P27/06GK1252645SQ9912241
公開日2000年5月10日 申請日期1999年10月7日 優(yōu)先權日1998年10月7日
發(fā)明者金翰鐘 申請人:Lg產(chǎn)電株式會社