[发明专利]交流电动机的控制设备

说明书

本发明涉及AC(交流)电动机的控制，尤其涉及一种能防止电动机过压的交流电动机的控制设备，所述控制设备防止电动机过压的方式是：通过在逆变器和电动机之间插入具有条形铁心的电抗器，使得在电动机起动或加速运行期间电抗器的功率消耗最小，在电动机高速运行期间限制由于逆变器高速切换以及电源线和电动机之间特性阻抗不匹配造成的电动机输入端的电压反射现象所引起的电动机线电压急速增加。    

通常，用PWM(脉宽调制)控制方法控制交流电动机。PWM控制方法在控制用于逆变器的功率切换设备的切换方面有很多优势。但是，当由于高速切换引起的电压变化率dV/dt使加到电动机上的电压急剧增加时，即当不利的过压加到电动机上时，就会在电动机中产生绝缘、发热和EMI(电磁干扰)。

在PWM控制方法中导致绝缘和发热的原因可被分为两个方面：一是由于高速切换功率切换设备导致线电压急剧增加以及电源线和电动机之间特性阻抗不匹配引起的电动机输入端的电压反射现象而产生的绝缘和发热，另一方面是由于在PWM控制操作时瞬时电压不平衡而在电动机机架和线圈之间产生的电压(本文称为‘共模电压’)所引起的绝缘和发热。

这里，电动机线电压明显受到线电压的电压发射现象所引起的绝缘和发热的影响。为了克服这一缺陷，一直使用通过在PWM逆变器的输出端和电动机之间设置闭式直线电抗器(closed type line reactor)和LRC(线圈阻容)滤波器来限制逆变器输出电压的快速增加。

图1所示为现有的三相交流电动机控制设备的方框图。如图所示，交流三相电源1经用于每一相的升压电抗器L_R、L_S、L_T由整流器2进行整流，并通过平滑电容器C1、C2进行平滑。因此，转换后的直流电压加到逆变器3。逆变器3将直流电压转换为变频的三相交流电压，即U、V和W相交流电压，在脉宽调制信号发生器5的控制下将其输出。三相U、V、W交流电压经闭式线电抗器(line reactor)6和电源线PL提供给电动机7。逆变器3包括多个功率晶体管(未示出)作为高速切换的功率切换设备，例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。脉宽调制信号发生器5向逆变器3的功率晶体管输出脉宽调制信号，控制器4控制脉宽调制信号发生器5。

图2A至2D示出了现有闭式直线电抗器的结构。图2A示出了单相闭式线电抗器。如图所示，在闭式线电抗器的铁心上形成窄的间隙。当通过线圈从逆变器3传送电流或电压时，通过铁心以顺时针或逆时针方向形成磁通。磁通的图形根据逆变器输出的电压和电流的频率是高还是低而变化。总的来说，低频为100kHz以下，高频为100kHz以上。图2B示出了加到单相闭式电抗器上的电流为低频的情况下的磁通图形。如图所示，低频电流产生的磁通流过铁心和间隙。即，磁通的闭路包括间隙。相反，图2C示出了加到单相闭式线电抗器上的电流为高频的情况下的磁通图形。如图所示，高频电流产生的磁通大部分从缠绕线圈的部分泄漏，因此不通过间隙。即，以垂直于电流方向通过的磁通主要是漏磁通。另一方面，图2D示出了三相闭式线电抗器。

图3示出了图1的等效电路。如图所示，闭式线电抗器6由串联的电感L_L和电阻R_L表示。电源线PL由串联的电感L_P和电容C_P表示，电动机7由串联的电容C_M和电阻R_M表示。

如等价电路图所示，为具有电感L_P和电容C_P的电源线PL提供具有电感L_L和电阻R_L的闭式线电抗器6，由此，闭式线电抗器6和电源线PL用作LRC串联电路。这里，闭式线电抗器6的电感L_L和电动机7的电容C_M变为决定线电压上升时间的参数，闭式线电抗器6的电阻R_L变成决定线电压最大值的参数。

如上所述，将闭式线电抗器6的电感L_L元件加到电源线P_L中，从而减小了电压上升时间增加所引起的电压反射现象，即控制逆变器3输出电压的上升。此外，将闭式线电抗器6的电阻R_L元件加到电源线P_L中，由此执行阻尼操作。因此，线电压的最大值得以降低。结果，当通过适当选择电感L_L和电阻R_L来设计闭式线电抗器时，可以限制逆变器输出电压的升高，且可以降低线电压的最大值。