CN101166004B - 电力变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使在电源变动急剧且较大的情况下，也能防止输出电源的骤变，防止电动机的转矩脉动或过大电流等，进行稳定的电动机驱动的电流变换装置。本发明的电力变换装置，具备将电源电压变换为任意频率的交流，即使在电源变动时也将输出电压保持恒定的功能，在电源电压降低到规定以下时，降低输出电压，之后，在电源电压增加时，将该电压增加前的输出电压作为初始值，以规定的变化率使输出电压增加。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及基于电压指令值将电源电压变换为任意频率的交流的电力变换装置，尤其涉及在进行电动机的可变速运行时电源电压变动时的电压控制技术。

背景技术

采用图8对用于驱动例如电动机的电力变换装置的现有例进行说明。在图8中，采用二极管部2对来自工业电源1的三相交流电压进行整流，通过由平滑电容器3进行平滑而变换为直流电压Vdc。Vdc通过逆变器部4变换为交流电压。来自逆变器的输出电压被施加到电动机7，使电动机旋转。此外，作为控制逆变器部4的装置，在电压直流运算部8中，采用来自电流检测器5、电压检测器6的检测电流IFB、检测电压VFB，来计算与期望的速度指令值对应的输出电压指令V*。进而，在选通脉冲生成部9中，在将例如电压指令和载波波形进行比较的情况下，产生被PWM调制的选通脉冲，来控制逆变器部(inverter)4的开关元件的通断。由此，逆变器输出电压，与电压指令值和直流电压的积成比例。在此，在工业电源1的电压变动时，直流电压Vdc变动，逆变器输出电压受到其影响，而有产生过电流等的问题的可能性。在此，在现有技术中，例如如专利第3573028号公报所述，根据电源变动或Vdc的变动来补正电压指令V*，抑制逆变器输出电压的变动。这种技术为，通过在电压降低时增大电压指令值，在电压增加时减小电压指令值，从而抑制Vdc的变动所引起的影响，将逆变器输出电压保持为大致恒定。

但是，在现有方法中，随着电源变动时的电压降低，电压指令值变大。在电压降低减小的情况下，如图9(a)所示，电压指令值比载波振幅小，通过它们的大小关系由选通脉冲生成部9生成选通脉冲，输出电压成为如图所示的PWM波形。但是，在电压降低明显的情况下，如图9(b)所示所补正的电压指令值比载波振幅大，则逆变器输出电压处于饱和的状态。在这种方形波状电压的情况下，即使输出电压中所包括的基波成分最大，也只为方形波振幅的1.27倍，不能输出在其以上的电压。由此，在输出电压饱和的状态下，逆变器输出电压降低。此外，如果输出电压接近方形波，则会有电动机转矩产生脉动的可能性。

接下来，在该状态下电源电压增加(返回到原始状态)时，现有方法中按照其增加量降低电压指令值。因此，输出电压变为期望的电压指令相当的大小。但是，此时，变为输出电压从降低的状态急剧地变化(此时增加)，通过该电位差会有流过较大电流的可能性。

专利文献1：特许3573028号公报

发明内容

本发明的目的在于，提供一种即使在电源变动急剧且大的情况下，持续地输出电压，防止电动机的过大电流或转矩脉动等，进行稳定的电动机驱动的电力变换装置。

本发明的电力变换装置，具备将电源电压变换为任意频率的交流，即使在电源电压急剧且较大变动的情况下，也能使电力变换装置的输出电压连续地变化，防止电动机转矩脉动和过大电流，进行稳定的电动机驱动的功能，

在电源电压降低到规定值以下时，降低所述输出电压，之后，在电源电压增加时，以规定的变化率使所述输出电压增加，

关于在上述电源电压降低到规定值以下时，降低上述输出电压，之后，在电源电压增加时，以规定的变化率使上述输出电压增加是指，

在电源电压降低到规定值以下，由所述电力变换装置包含的电压指令运算部运算的电压指令值处于规定值以上时，将被补正并被输入到所述电力变换装置包含的选通脉冲生成部的输出电压指令值减小到该规定值以下，之后，在电源电压增加时，以电源电压增加前的输出电压为初始值，设定上述输出电压指令值，以规定的变化率使上述输出电压指令值增加。

发明效果

通过本发明，具有以下效果：在电动机的驱动时，即使在电源电压急剧且较大变动时，也能使输出电压连续地变化，防止电动机转矩脉动和过大电流，进行稳定的电动机驱动。

附图说明

图1为实施例1的电力变换装置的结构图。

图2为表示实施例1相关的电压指令补正用的波形的图。

图3为表示实施例1相关的电压指令补正值计算部B23的图。

图4为表示本发明的效果的模拟波形。

图5为表示实施例3的电压指令补正部相关的部分的图。

图6为实施例4的电力变换装置的结构图。

图7为实施例5的电力变换装置的结构图。

图8为现有技术的电力变换装置的结构图。

图9为表示输出电压饱和时的波形的图。

图中：1-工业电源；2-二极管部；3-平滑电容器；4-逆变器部；5-电流检测器；6、41-电压检测器；7-电动机；8、43-电压指令运算部；9-选通脉冲生成部；10、30-电压指令补正部；21-直流电压推定部；22-电压指令补正值运算部A；23-电压指令补正值运算部B；24-电压指令补正部A；25-电压指令补正部B；31-电压指令补正部C；42-电源变动运算部；51-多重绕组变压器；52-单相逆变器；101-饱和时电压指令补正项运算部；102-电压增加时电压指令补正项运算部；103-电压指令补正项运算部。

具体实施方式

以下，采用附图，对本发明的详细内容进行说明。

(实施例1)

采用图1到图4，对本实施例的电力变换装置与图8的现有例不同的部分进行说明。图1表示整体，图2表示动作，图3表示本实施例的构成的一部分。此外，在图4中针对电源变动时的电流，表示现有技术和本发明中的模拟结果。在图1中，在电压指令计算部8和选通脉冲生成部9之间设置电压指令补正部10。以下针对电压指令补正部10的内部进行说明。直流电压推定部21中，采用逆变器输出电压检测值VFB和最终的电压指令值V***，来运算直流电压推定值Vdc^(图2(a))。在图2中，作为一例，表示电源电压从额定(1倍)降低到1/1.3，其后返回到1倍的情况。例如Vdc^采用VFB和V***的大小的比|VFB|/|V***|，如式1那样进行运算。另外，大小为与各个成分的二次方和的平方根成比例的值。

Vdc^＝|VFB|/|V***|×Vdc额定值  (式1)

在电压指令补正值运算部A22中，采用Vdc^，来计算用于将输出电压保持为固定的电压指令补正值xV*(图2b)。例如，按照式2那样设定x V*，在图2(b)中，xV*＝1.3。

xV*＝Vdc额定值/Vdc  ^(式2)

在电压指令补正部A24中，采用xV*来补正电压指令V*，运算电压指令V**。由此，通过使电压指令V*为[电源电压规定值(本实施例中Vdc额定值)/所检测出的电源电压(本实施例中为Vdc^)]倍，从而根据电源电压的增减对电压指令进行补正，将输出电压保持为固定。

接下来，在电压指令补正值运算部B23中，在电源电压降低时V**变为比规定值(相当于最大输出电压)大，在输出电压要饱和时，输出用于降低补正V**的补正值xV**以使不饱和(图2(c))。在图2(c)中，在V*为1.1倍时，超过规定值(相当最大输出电压)，按照作为饱和、饱和时的电压指令值成为上述规定值相当那样，xV*＝1.1/1.3。此外，在该电源电压从降低的状态到电压增加时，为了防止输出电压的急剧的变化，将电压增加之前的x V**作为初始值，使x V**缓缓增加(图2(c))。作为具体例，在电压指令补正值运算部B23中，如图3所示，运算x V**。在图3中，在饱和时电压指令补正项运算部101中，在V**的大小|V**|比输出最大电压大时，判断输出电压饱和，作为补正项x V**，例如输出输出最大电压/|V**|(在不饱和时为1)。此外，电压增加时电压指令补正项运算部102中，例如V**降低时，判断为电压增加，输出与饱和时电压指令补正项运算部101所产生的降低量相同的补正量，之后以规定的变化率使上述补正量为0。该规定的变化率，也可为规定的时间常数或阶梯状地变化。此外，通过使该变化率比Vdc^增加时的变化率延迟，从而在逆变器和电动机之间不产生急剧的电位差，而防止过大电流。在电压指令补正项运算部103中，取得它们的和来运算x V**。之后，在图1的电压指令补正部B25中，采用V**和xV**来运算最终的电压指令值V***。

在此，x V*和x V**的积、xV***成为V*直接被变换为V***时的补正项(图2(d))。xV***，在电压降低时，按照其降低量增加，但其增加量变大而输出电压要饱和时，进行降低补正以使不饱和。在图2(d)中，由于xV***比1.1倍大而饱和，因此xV***＝1.1。由此，输出电压下降到变动前的1.1/1.3倍(图2(e))。此外，如上那样，在电源电压从下降的状态返回到原始状态时，xV***以1.1/1.3为初始值而缓缓变为1(图2(d))，输出电压不急剧变动，而以电源电压增加前的值作为初始值而缓缓增加(图2(e))。

如上所述，在本实施例中，为了将输出电压保持为恒定而对电压指令进行补正，但在电压降低时输出电压要饱和的情况下，对电压指令进行降低控制来防止输出电压饱和，在之后的电压增加时，使输出电压连续地增加。由此，不会产生现有的课题中所述的过大电流或转矩脉动。为了在图4中表示本发明的效果，针对直流电压通过电源变动而从80％变动到110％时的电流，表示进行模拟的结果。在现有方法(图4(a))中，能够针对电流以额定值的250％流动的条件，而通过采用本发明的方法来降低到150％。

(实施例2)

接下来，针对本发明的第二实施例与第一实施例不同的点进行说明。在第一实施例中，分别运算xV*和xV**，分别对V*进行乘法运算，来运算最终的电压指令V***，但除此之外，也可直接求出相当于x V*×xV**的值，也可根据V*直接运算V***。此外，也可求出x V*、xV**作为对V*的补正比，不对V*进行乘法运算，而对V*进行加法运算进行补正的方式来求出补正项。此外，V*、V**也可不是交流，此外，也可为对一般的d轴、q轴矢量控制的直流的电压指令值。V***为d、q轴的直流电压时，V***坐标变换为交流而输出。在本实施例中，可得到与第一实施例相同的效果。

(实施例3)

接下来，采用图5，对本发明的第三实施例的电压指令补正部30中的动作进行描述。在本实施例中，关于电源电压推定以及电压指令运算，与实施例1相同，采用直流电压推定部21、电压指令补正值运算部A22、电压指令补正部A24，来运算用于将输出电压保持为固定的电压指令V**。在电压指令补正部C31中，按照电源电压降低时输出电压不饱和的方式降低电压指令V**。作为与第一实施例不同的点为，在电压指令补正部C31中，按照在电源电压增加时将电压增加之前的|VFB|作为初始值，之后使输出电压缓缓增加的方式补正V**，输出V***。该增加变化率只要比Vdc^的增加变化率延迟即可。

如上所述，在本实施例中，以采用电压检测值VFB，使电源电压增加时的输出电压连续地变化为特征，与实施例1相同，在电源电压降低时，防止输出电压的饱和，在电源电压增加时防止输出电压的急剧的变动的情况下，有防止过大电流或转矩脉动的效果。

(实施例4)

接下来，对本发明第四实施例与第一实施例不同点进行说明。图6中，采用电压检测器41，对工业电源1的电压进行检测。采用该电压检测值，在电压指令补正部10内的电源变动运算部42中，检测工业电源的变动。在本实施例中，认为Vdc与所检测的工业电源的变动呈比例地变动，在电压指令运算部43中，在进行与实施例1相同的控制的情况下，与实施例1相同，具有防止电源变动时的过大电流的效果。另外，即使不对工业电源电压进行检测，而直接检测出Vdc也能得到同样的效果。

(实施例5)

接下来，对本发明的实施例5与第一实施例不同的点进行说明。在图7中，表示采用多重绕组变压器51，对单相逆变器52进行多重连接的多重电力变换装置。单相逆变器52对各相设置一个以上。进而，与实施例1相同，按照电压变动所引起的直流电压的变动，来运算电压指令V***。另外，采用VFB，检测Vdc^的平均值，来控制V***。此外，如实施例3所述那样，也可根据工业电源1的电压检测值检测出电源变动，也可直接检测出全部或多个Vdc，用于V***运算。在实施例1中，表示三相输出的2级逆变器的结构，但如本实施例那样，即使多重型的变换器，通过适用本发明，也能得到与实施例1相同的效果。此外，除此之外，如果为将电源电压变换为任意频率的交流的变换器，则也可适用于例如中性点钳位型的3级逆变器或矩阵转换器(matrix converter)等。此外，虽然交流→直流变换部图示了二极管整流，但也可位采用开关元件的转换器。此外，作为开关元件的记号用IGBT表示，但除此之外如果为在GTO、SiC的功率电子设备中所采用的开关元件，能够得到相同的效果。

Claims (7)

1.一种电力变换装置，具备将电源电压变换为任意频率的交流，即使在电源电压急剧且较大变动的情况下，也能使电力变换装置的输出电压连续地变化，防止电动机转矩脉动和过大电流，进行稳定的电动机驱动的功能，

该电力变换装置包括：

电压指令运算部，其运算电压指令值；

电压指令补正部，其对所述电压指令运算部运算出的电压指令值进行补正；和

选通脉冲生成部，其被输入通过上述补正而得到的输出电压指令值，

在电源电压降低到第1规定值以下时，降低所述输出电压，之后，在电源电压增加时，以规定的变化率使所述输出电压增加，

关于在上述电源电压降低到第1规定值以下时，降低上述输出电压，之后，在电源电压增加时，以规定的变化率使上述输出电压增加是指，

在电源电压降低到第1规定值以下，由所述电压指令运算部运算出的电压指令值处于第2规定值以上时，将被输入到所述选通脉冲生成部的所述输出电压指令值减小到该第2规定值以下，之后，在电源电压增加时，以电源电压增加前的输出电压为初始值，设定上述输出电压指令值，以规定的变化率使上述输出电压指令值增加。

2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

上述规定的变化率是以规定的时间常数变化或以阶梯状变化的。

3.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

上述电源电压从交流电源检测出。

4.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

关于上述电源电压处于第1规定值以下，是指所述电力变换装置包含的平滑电容器的直流电压处于第1规定值以下，并且

关于电源电压增加时，是指所述直流电压增加时。

5.根据权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，

上述直流电压，是直接检测出所述电力变换装置包含的平滑电容器的直流电压。

6.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

所述电压指令补正部包括直流电压推定部，

关于上述电源电压在第1规定值以下，是指由所述直流电压推定部推定的直流电压推定值在第1规定值以下，上述直流电压推定值，根据所述电力变换装置包含的与所述电压指令运算部连接的电压检测器检测的输出电压检测值和被输入到所述选通脉冲生成部的输出电压指令值之比而求出，并且

关于电源电压增加时，是指所述直流电压推定值增加时。

7.一种多重电力变换装置，具备将电源电压变换为任意频率的交流，即使在电源电压急剧且较大变动的情况下，也能使多重电力变换装置的输出电压连续地变化，防止电动机转矩脉动和过大电流，进行稳定的电动机驱动的功能，

该多重电力变换装置包括：

电压指令运算部，其运算电压指令值；

电压指令补正部，其对所述电压指令运算部运算出的电压指令值进行补正；和

选通脉冲生成部，其被输入通过上述补正而得到的输出电压指令值，

在电源电压降低到第1规定值以下时，降低所述输出电压，之后在电源电压增加时，以规定的变化率使所述输出电压增加，

关于在上述电源电压降低到第1规定值以下时，降低上述输出电压，之后，在电源电压增加时，以规定的变化率使上述输出电压增加是指，

在电源电压降低到第1规定值以下，由所述电压指令运算部运算出的电压指令值处于第2规定值以上时，将被输入到所述选通脉冲生成部的所述输出电压指令值减小到该第2规定值以下，之后，在电源电压增加时，以电源电压增加前的输出电压为初始值，设定上述输出电压指令值，以规定的变化率使上述输出电压指令值增加。