CN100483913C - 用于检测pwm循环换流器的输入电压的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于检测PWM循环换流器的输入电压的方法和装置，即使在电源电压中出现了突然波动，该PWM循环换流器也可继续稳定的操作。该PWM循环换流器包括：输入电源电压相位检测器(41)，用于检测三相AC电源的相位；模拟DC总线电压检测器(42)，用于检测三相AC电源的强度；输入电压上限和下限计算器(43)，用于根据模拟DC总线电压检测器的输出，来计算输入电压的上限和下限；以及电压比较器(46)，用于比较由模拟DC总线电压检测器检测的电压值和由输入电压上限和下限计算器获得的上限和下限值。调节所述电压比较器的输出，使得通过模拟DC总线电压检测器检测的电压值落入通过输入电压上限和下限计算器获得的上限和下限值范围内。

Description

用于检测PWM循环换流器的输入电压的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制能够转换交流(AC)电源以任意频率进行输出的电力变换器的方法和装置，并且特别涉及一种用于控制采用了脉宽调制(PWM)控制系统的PWM循环换流器的方法和装置。

背景技术

可以引用专利文献1中披露的“PWM循环换流器及其控制方法”(“PWM cycloconverter and a control method therefor”)作为一种用于检测PWM循环换流器的输入电压的传统方法。通常，在PWM循环换流器中，当诸如失相、中断或电源不平衡等异常已经出现在输入电源中时，通过选通封锁(gate block)关断双向开关设备以便停止操作。根据专利文献1中的方法，在由于已经发生了电源异常，特别是由于瞬时停电引起操作停止的情况下，在供电恢复之后，可以立即继续进行操作。图14是一个计算流程图，其用于计算专利文献1中披露的PWM循环换流器的瞬时电压相位。当异常发生在用于PWM循环换流器的电源中时，通过采用输入电压的瞬时值来执行相位计算。如图14所示，360°的一个电源循环被除以12，每个30°。首先，为了区分相位区间1和相位区间2，确定输入电压Vr是正的还是负的，当Vr≥0时，确定Vs是正的还是负的。当Vs≥0时，就确定Vr—Vs是正的还是负的。结果，当Vr—Vs≥0时，就识别出相位是区间1。当Vr—Vs<0时，就识别出相位是区间2。类似地，基于Vr、Vs和Vt的关系，可以获得剩下的区间。通过采用这样获得的瞬时相位，控制定时，以便避免突流流动，直到在供电恢复之后开启了在瞬时停电时运行的选通封锁。

另一方面，例如，关于由于电源异常发生时选通封锁导致的大的浪涌电压，专利文献2中披露的“PWM循环换流器的保护装置及其保护方法”(“protection apparatus for a PWM cycloconverter and a protectionmethod therefor”)可以作为一个示例性的保护措施。图15是PWM循环换流器保护装置的结构图。电源电压检测器122接收电源电压，并输出电源电压的相位和瞬时值，控制器123准备用于单向开关103到120的选通信号Glxy和Glyx(x＝r、s和t；y＝u、v和w)。

另一方面，当用作故障检测装置的电压信息检测器130检测r、s和t相的最大值和最小值并确定已经发生了输入异常时，保护选通信号发生器150采用输入电压信息，以便准备保护过程选通信号G2xy和G2yx，选通信号合成器124输出G1(Glxy或Glyx)和G2(G2xy或G2yx)的逻辑和，并且门驱动器125接通或关断所述18个单向开关103到120。

通过这种布置，当由于操作出现异常而使得PWM变换器断开电源的情况下所述PWM变换器的输出侧解除时，例如，通过保护选通信号G2选择性地接通一部分单向开关，以便以假拟的方式产生和反相器主电路的再生电路相同的操作状态。因此，通过一个处理，例如用于在输入侧上再生输出侧的浪涌电压的处理，可以在断电时间执行保护处理。

专利文献1：JP-A-2003-309974(第3-4页，图9)

专利文献2：JP-A-2000-139076(第4-5页，图1)

发明内容

但是，由于当谐振或瞬时短路在输入电压里发生时，专利文献1、专利文献2等中所述的PWM循环换流器的传统输入电压检测方法采用输入电压的瞬时值，所以会产生这样的问题，即在计算输出电压的过程中会引起误差，电压实际输出不同于指令电压。

在考虑上述问题时，提供了本发明，本发明的目的是提供一种用于PWM循环换流器的输入电压检测方法和装置，虽然输入电压急剧波动，但是其操作可以稳定地继续进行。

为了解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供了一种用于PWM循环换流器的输入电压检测方法，所述PWM循环换流器是电力变换器，其中，通过采用双向半导体开关，将三相AC电源中的各个相直接连接到电力变换器的三相输出中的各个相上，所述双向半导体开关通过组合两个单向半导体开关而形成，仅仅沿着一个方向供应电流到所述单向半导体开关，且所述单向半导体开关能够独立地接通和关断，

所述输入电压检测方法包括如下步骤：

检测所述三相AC电源的输入电压的相位；

采用所述三相AC电源的输入电压的相位和输入电压，来检测模拟DC总线电压，所述模拟DC总线电压将所述三相AC电源的输入电压的量值表示为最大值和最小值之间的差值；

通过使用检测的模拟DC总线电压的有效值和所述输入电压的相位，计算理想输入电压值；

计算由相对于这样计算的理想输入电压值的上限和下限所限定的容许宽度；

比较所检测的模拟DC总线电压的电压值和所获得的由所述上限和下限限定的容许宽度；并且

将所检测的模拟DC总线电压的电压值调节到所获得的由所述上限和下限限定的容许宽度内。

根据本发明的第二方面，提供了如本发明第一方面所述的用于PWM循环换流器的输入电压检测方法，还包括如下步骤：

基于所检测的模拟DC总线电压和所检测的输入电压的相位，检测所述三相AC电源的输入电压的异常。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于PWM循环换流器的输入电压检测装置，所述PWM循环换流器是电力变换器，其中，通过采用双向半导体开关，将三相AC电源中的各个相直接连接到电力变换器的三相输出中的各个相上，所述双向半导体开关通过组合两个单向半导体开关而形成，仅仅沿着一个方向供应电流到所述单向半导体开关，且所述单向半导体开关能够独立地接通和关断，

所述输入电压检测装置包括：

输入电源电压相位检测器，用于检测所述三相AC电源的输入电压的相位；

模拟DC总线电压检测器，用于采用所述三相AC电源输入电压的和由所述输入电源电压相位检测器检测的相位，来检测模拟DC总线电压，该模拟DC总线电压将三相AC电源的输入电压的量值表示为最大值和最小值之间的差值；

理想输入电压计算器，用于基于所述模拟DC总线电压的有效值和所述输入电压的相位，计算理想输入电压值；

输入电压上限和下限计算器，用于计算所获得的理想输入电压值的由上限和下限限定的容许宽度；以及

电压比较器，用于比较由所述模拟DC总线电压检测器检测的电压值和由所述输入电压上限和下限计算器计算获得的所述上限和下限限定的容许宽度，

其中，调节所述电压比较器的输出，使得通过所述模拟DC总线电压检测器检测的电压值落入由所述输入电压上限和下限计算器计算获得的所述上限和下限限定的容许宽度内。

根据本发明的第四方面，提供了一种如本发明第三方面所述的用于PWM循环换流器的输入电压检测装置，还包括：

电源异常检测器，用于基于所述模拟DC总线电压检测器的输出和所述输入电源电压相位检测器的输出，检测所述三相AC电源中的异常，以便检测到所述输入电压中的异常。

根据本发明的第一方面，将检测的模拟DC总线电压的电压值与所获得的由上限和下限限定的容许宽度进行比较，并且调节检测的模拟DC总线电压，以便使其落入所获得的由上限和下限限定的容许宽度内。因此，可以提供PWM循环换流器输入电压检测方法，从而在输入电压发生急剧变化时可以稳定地继续所述操作。

此外，根据本发明的第二方面，基于模拟DC总线电压和检测的输入电源电压的相位，检测三相AC电源的输入电压中的异常。因此，可以提供输入电压检测方法，从而在输入电压急剧波动，使得可能破坏PWM循环换流器的主电路部分时，可以立即检测到输入电源电压里的异常。

此外，根据本发明的第三方面，包括了电压比较器，所述电压比较器比较由模拟DC总线电压检测器检测的电压值和由输入电压上限和下限计算器获得的上限和下限限定的容许宽度。这种电压比较器调节由模拟DC总线电压检测器检测的电压值，以便使其位于由输入电压上限和下限计算器获得的上限和下限限定的容许宽度内。因此，可以为PWM循环换流器提供输入电压检测装置，由于该装置，在输入电压发生急剧波动时可以稳定地继续进行操作。

此外，根据本发明的第四方面，包括了电源异常检测器，其用于基于模拟DC总线电压检测器的输出和输入电源电压相位检测器的输出，检测三相AC电源中的异常。因此，可以提供输入电压检测装置，当输入电压急剧波动，使得用于检测输入电压里的异常的PWM循环换流器的主电路部分可能受到破坏时，该输入电压检测装置可以立即检测到输入电源电压里的异常。

附图说明

图1是根据本发明的PWM循环换流器输入电压检测方法的框图；

图2是显示图1中所示的输入电源电压相位/电平检测器的详细框图；

图3是显示在图1里的输入电压的瞬时值、模拟DC总线电压和输入电压相位之间关系的图；

图4是显示图3中区间1处的输入电压的放大的波形图；

图5是显示采用如图3所示的模拟DC总线电压的输出电压生成方法的波形图；

图6是接线图，其显示了这样的状态，其中多个电力变换器和其负载连接到单个三相电源上；

图7是波形图，其显示了这样的状态，其中图3里显示的电源电压发生了畸变；

图8是波形图，其显示了这样的状态，其中图3里显示的电源电压发生了畸变；

图9是在出现了图8中的电源畸变的情况下模拟DC总线电压的波形图；

图10是由图2所示的输入电压上限和下限计算器获得的上限电压值和下限电压值的波形图；

图11是显示在出现了如图8所示的电源畸变的情况下，由电压值比较器限制了上限值和下限值的输入电压值的波形图；

图12是根据本发明的第二实施例的PWM循环换流器输入电压检测方法的框图；

图13是PWM循环换流器的传统输入电源电压相位/量值检测器的内部框图；

图14是用于计算传统循环换流器的瞬时电压相位的计算流程图；以及

图15是显示传统PWM循环换流器的结构的框图。

参考数字和符号的说明

1：三相电源

2：输入滤波器

3：双向开关组

4：输入电源电压相位/量值检测器

5：输入电压值

6：输入电压相位

7：控制器

8：驱动电路

9：电源电压异常信号

11：闸流晶体管输入滤波器

12：闸流晶体管

13：PWM变换器输入滤波器

14：PWM变换器

15：反相器

41：输入电压相位检测电路

42：模拟DC总线电压检测电路

43：输入电压有效值检测电路

44：理想输入电压计算器

45：输入电压上限和下限计算器

46：电压值比较器

47：输入电压异常检测电路

S1到S9：双向开关

L1到L5：负载

VR、VS、VT：输入电压

VMAX：最大输入电压值

VMIN：最小输入电压值

具体实施方式

现在将参考附图说明本发明的实施例。

实施例1

图1是根据本发明的PWM循环换流器输入电压检测方法的框图。

在图1中，输入滤波器2设置在三相电源1和由双向开关S1到S9形成的双向开关组3之间，并且双向开关组3的输出侧连接到负载L1到L3上。输入滤波器2和双向开关组3构成了PWM循环换流器的主电路。在输入滤波器2的输入侧(主侧)上检测电压，被要求控制PWM循环换流器的输入电压值5和输入电压相位6通过输入电源电压相位/量值检测器4进行检测，并被传送到控制器7。控制器7计算双向开关S1到S9的开关时间，并把开关时间传送到驱动电路8。

驱动电路8驱动双向开关S1到S9。应该注意的是，输入电源电压相位/量值检测器4、控制器7和驱动电路8构成了PWM循环换流器控制单元9。

图2是如图1所示的输入电源电压相位/量值检测器的详细框图。

在图2中，输入是图1中所示的电源电压，输出是输入电压值5和输入电压相位6。基于电源电压，输入电压相位检测电路41检测输入电压相位6。

根据由输入电压相位检测电路41获得的相位和电源电压，模拟DC总线电压检测电路42检测模拟DC总线电压。通过采用模拟DC总线电压，输入电压有效值检测电路43计算输入电压有效值，并且理想电压计算器44采用输入电压有效值和输入电压相位6以便计算理想输入电压值。

输入电压上限和下限计算器45计算相对于理想输入电压值限定特定宽度的上限值和下限值。电压值比较器46比较由模拟DC总线电压检测电路42获得的模拟DC总线电压和由输入电压上限和下限计算器45获得的相对于理想输入电压值限定特定宽度的上限和下限值。然后，电压值比较器46将模拟DC总线电压限制在理想输入电压值内，并输出该电压作为输入电压值5。

参考图3到5，现在将对作为本发明的主题的基本PWM循环换流器控制方法给出说明。

图3是显示了输入电压的瞬时值、模拟DC总线电压和输入电压相位之间关系的波形图。在图3中，在输入电压项目中显示了三相电压VR、VS和VT。在接下来的输入电压的最大值和最小值的项目中，在输入电压项目中表示的电压中，最大相位表示为最大值VMAX，而最小相位表示为最小值VMIN。

在模拟DC总线电压的项目中，从最小值VMIN的观点显示了最大值VMAX，而最小值VMIN被用作参考电位。模拟DC总线电压变为具有六倍供电频率的波形。此外，因为随后的VMAX—VMIN对应于在普通二极管整流型反相器进行整流之后获得的DC总线电压，在这种情况下，这称为模拟DC总线电压。在输入电压相位的项目中，显示了相对于输入电压的相位关系。在这种情况下，采用VR的顶点作为参考点，但是也可以采用任何点。

图4是显示图3中所示的区间1处的输入电压的放大波形的曲线图。

如图4所示，在很短时间期间内(通常是几十微秒到几百微秒)，输入电压的变化很小，因此模拟DC总线电压可以认为是基本恒定的。当然，可以计算很短时间期间上的平均值，并可以将该平均值用作模拟DC总线电压。

图5是显示采用图3所示的模拟DC总线电压的输出电压生成方法的波形图。在图5中，对于由最大值VMAX—最小值VMIN表示的模拟DC总线电压，将载波与电压指令的量值进行比较，当电压指令的量值更大时，控制双向开关S1到S9，以便输出输出线间电压。因为模拟DC总线电压不是恒定的，所以对于相同的电压指令，输出线间电压的宽度是不同的。

现在将分析PWM循环换流器的通常使用形式。图6是接线图，其显示了这样的状态，其中多个电力变换器和用于其的负载连接到单个三相电源1上。如图6的例子中所示那样的多个电力变换器连接到单个电源上，可以说是经常采用的使用形式。

在图6里，在上级的PWM循环换流器、在中间状态的闸流晶体管12以及在下级的PWM变换器14和反相器15连接到共同使用的三相电源1上。对于各个电力变换器，滤波器(分别为输入滤波器2、闸流晶体管输入滤波器11和PWM变换器输入滤波器13)设置在输入级中，负载(分别为负载L1到L3、闸流晶体管负载L4和反相器负载L5)设置在输出级中。

根据这种接线配置，取决于电力变换器的输入级所提供的滤波器电路结构和电路常数，输入电源电压将会发生畸变。

图7和8中的波形对应于电源电压发生畸变的状态。

在图7的例子中，在整个电源周期期间发生了畸变。在图8的例子中，仅仅在一个电源周期的一部分里发生了畸变。

导致如图7所示在整个周期期间发生畸变的因素可以是这样的例子，其中在输入级中提供的滤波器变得相对彼此发生谐振。导致如图8所示在周期的一部分中发生畸变的因素是，当每个电力变换器接通电源时，或者当闸流晶体管12换向或者PWM变换器14的开关发生时，电源发生短路。

图13是显示PWM循环换流器的传统输入电源电压相位/量值检测器4的内部框图，用于与如图2所示的本发明的结构相比较。

根据如图13所示的传统例子，基于电源电压，直接计算输入电压值5和输入电压相位6。因此，在如图13所示的情况下，在模拟DC总线电压的波形里出现了类似于如图8所示的电源畸变的图9里示出的畸变。如图5所示，为了控制PWM循环换流器，对于输入电压和电压指令，在很短区间里，基于模拟DC总线电压的量值准备输出电压。在此时，对于图9里的(A)处获得的模拟DC总线电压，输入电压被检测为大于实际值的值，同时，对于图9里的(B)处获得的模拟DC总线电压，输入电压被检测为小于实际值的值。结果，在(A)处，输出比指令电压低的输出电压，而在(B)处，输出比指令电压高的输出电压。

另一方面，根据本发明，如图2所示，电压比较器46比较由模拟DC总线电压检测电路42获得的模拟DC总线电压和由输入电压上限和下限计算器45获得的相对于理想输入电压值限定了特定宽度的上限值和下限值。电压值比较器46将模拟DC总线电压限制到输入电压理想值，并采用该电压作为输入电压值5。在图10中，显示了通过输入电压上限和下限计算器45获得的上限电压值和下限电压值的波形。进一步，在图11中，显示了当发生了图8中示出的电源畸变时由电压值比较器45限制了上限和下限值的输入电压值5的波形。由此，可以吸收诸如(A)和(B)这样的瞬时畸变。

应该注意的是，可以采用预定的固定值取代由输入电压上限和下限计算器45计算的上限和下限值，或者所述值可以根据连接到相同电源上的电力变换器的输入电压的谐振程度或电源状况进行改变。

实施例2

图12是根据本发明的第二实施例的PWM循环换流器输入电压检测方法的框图。

根据电压值比较器46，用于控制PWM循环换流器而采用的输入电压值5可以不同于实际输入电压。例如，当施加了超过双向开关S1到S9的耐压的输入电压时，从保护电力变换器的观点看，操作必须立即停止。因此，由模拟DC总线电压检测电路42检测的输入电压值被传送到输入电压异常检测电路47，并检测到输入电压中的异常。基于输入电压相位检测电路41检测的相位，输入电压异常检测电路47计算输入电源频率。当输入电源频率超过预定的上限或下限频率时，输出电源电压异常信号9。

此外，当模拟DC总线电压检测电路42检测的电压值超过了预定的上限或下限电压值时，也输出电源电压异常信号9。

应该注意的是，输入电压相位检测电路41通过采用以下三种方法中的一种方法检测输入电压的相位：(1)方法，三相电源的两个电压通过变压器传送到比较器，并通过相位频率比较器(PFD)、滤波器、压控振荡器(VCO)和计数器获得相位数据；(2)方法，采用定时器测量比较器输出的矩形波的一个边缘到另一边缘的长度；以及(3)方法，由CPU通过AD转换提取输入电压的瞬时值，并通过软件检测相位。

根据本发明，为了相对于输入电压中的急剧变化而执行用于控制PWM循环换流器所需的输入电压检测，操作可以稳定地继续进行，在输入电压中出现急剧波动可能破坏PWM循环换流器的主电路部分时，可以立即检测到输入电源电压中的异常。

Claims (4)

1.一种用于PWM循环换流器的输入电压检测方法，所述PWM循环换流器是电力变换器，其中，通过采用双向半导体开关，将三相AC电源的各个相直接连接到电力变换器的三相输出的各个相，所述双向半导体开关通过组合两个单向半导体开关而形成，仅仅沿着一个方向供应电流到所述单向半导体开关，且所述单向半导体开关能够独立地接通和关断，

所述输入电压检测方法包括如下步骤：

检测所述三相AC电源的输入电压的相位；

采用所述三相AC电源的输入电压的相位和输入电压，来检测模拟DC总线电压，所述模拟DC总线电压将所述三相AC电源的输入电压的量值表示为最大值和最小值之间的差值；

通过使用所检测的模拟DC总线电压的有效值和所述输入电压的所述相位，计算理想输入电压值；

计算相对于这样计算的理想输入电压值由上限和下限所限定的容许宽度；

比较所检测的模拟DC总线电压的电压值和所获得的由所述上限和下限限定的容许宽度；并且

将所检测的模拟DC总线电压的所述电压值调节到所获得的由所述上限和下限限定的容许宽度内。

2.如权利要求1所述的用于PWM循环换流器的输入电压检测方法，还包括如下步骤：

基于所检测的模拟DC总线电压和所检测的输入电压的相位，检测所述三相AC电源的输入电压的异常。

3.一种用于PWM循环换流器的输入电压检测装置，所述PWM循环换流器是电力变换器，其中，通过采用双向半导体开关，将三相AC电源的各个相直接连接到电力变换器的三相输出的各个相，所述双向半导体开关通过组合两个单向半导体开关而形成，仅仅沿着一个方向供应电流到所述单向半导体开关，且所述单向半导体开关能够独立地接通和关断，

所述输入电压检测装置包括：

输入电源电压相位检测器，用于检测所述三相AC电源的输入电压的相位；

模拟DC总线电压检测器，用于采用所述三相AC电源的输入电压和由输入电源电压相位检测器检测的所述相位，来检测模拟DC总线电压，所述模拟DC总线电压将所述三相AC电源的输入电压的量值表示为最大值和最小值之间的差值；

理想输入电压计算器，用于基于所述模拟DC总线电压的有效值和所述输入电压的所述相位，计算理想输入电压值；

输入电压上限和下限计算器，用于计算所获得的理想输入电压值的由上限和下限限定的容许宽度；以及

电压比较器，用于比较由模拟DC总线电压检测器检测的电压值和由所述输入电压上限和下限计算器计算获得的所述上限和下限限定的所述容许宽度，

其中，调节所述电压比较器的输出，使得通过模拟DC总线电压检测器检测的电压值落入由所述输入电压上限和下限计算器计算获得的所述上限和下限限定的所述容许宽度内。

4.如权利要求3所述的用于PWM循环换流器的输入电压检测装置，还包括：

电源异常检测器，用于基于所述模拟DC总线电压检测器的输出和所述输入电源电压相位检测器的输出，检测所述三相AC电源中的异常，以便检测到所述输入电压中的异常。

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