[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，由于通过永磁体建定磁通，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。 

作为驱动控制永磁同步电动机的方法，例如可以举出有以某一电流产生最大的转矩的最大转矩/电流控制、和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。另外，关于最大转矩/电流控制，例如在下述专利文献1中有所披露。 

专利文献1：日本专利特开2003-33097号公报 

然而，在实施如上所述的最佳控制方法时，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)会大幅变动。 

另外，成为用于电车驱动的功率转换装置内置的逆变器的输入的直流电源 的电压为1500V至3000V左右，与一般工业用途比较，电压较高，逆变器使用具有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，它们的和即逆变器损耗为几KW至十几KW的数量级，用于冷却该损耗的由冷却器或冷却风扇等构成的冷却装置的尺寸、重量、成本会占据功率转换装置的相当部分。 

因此，优选将开关频率在不产生电动机的电流振荡、转矩脉动、噪声、振荡的范围内设计得尽可能低，使逆变器损耗为最低限度，从而使冷却装置小型化。具体而言，优选结构为：常用的开关频率为750Hz左右，冷却装置具有可以冷却该开关频率所导致的逆变器损耗的能力。另外，由于在冷却器、开关元件存在热容，因此在短时间可以使开关频率提高至1000Hz左右。 

另一方面，关于逆变器的控制对象即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，在电车驱动用途中，优选为6极或者8极，与以往的感应电动机几乎都是4极相比，极数较多。在8极机的情况下，逆变器输出频率的最大值(电车的设计最高速度下的逆变器输出频率)为400Hz左右，成为使用以往的感应电动机时的2倍左右。 

例如在开关频率为750Hz的状态下，使逆变器输出频率为400Hz进行运转时，逆变器输出电压半周期中所包含的脉冲数是将载波频率(等于开关频率)除以逆变器输出频率，成为1.875，变得非常少。若在这样的状态下驱动电动机，则逆变器输出电压的正的半周期和负的半周期中分别包含的脉冲数或脉冲位置会变得不平衡，施加在电动机的电压的正负对称性被破坏，在电动机中会产生电流振荡或转矩脉动，成为噪声或振荡的原因。 

为了避免这样的现象，考虑在脉冲数减少的区域即逆变器输出频率较高的区域中，与逆变器输出频率同步决定载波频率，逆变器输出电压的正的半周期和负的半周期中分别包含的脉冲数或脉冲位置相同，以确保施加在电动机的电压的正负对称性。 

例如，考虑所谓同步3脉冲模式，该同步3脉冲模式可以调整逆变器的输出电压振幅，且作为可以尽可能为最低的开关频率的设定，是将载波频率选定为逆变器频率3倍。此时，在逆变器输出频率为400Hz的条件下，载波频率(开关频率)成为1200Hz。 

发明内容

本发明要解决的问题 

然而，若考虑到冷却装置的尺寸、重量、成本，则用于电车用的高耐压的开关元件优选为始终在750Hz左右的开关频率下使用，若如上所述在1200Hz的开关频率下使用，则存在的问题是：逆变器损耗过大，需要使冷却装置大型化，无法以小型、轻量、低成本构成功率转换装置。 

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种电动机的控制装置，该电动机的控制装置在构成用于驱动电车用的电动机的功率转换装置时，可以避免冷却装置的大型化，可以使其以小型、轻量、低成本构成。 

用于解决问题的方法