CN101286708A - 转换器·逆变器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种转换器·逆变器装置，其可以实现直流部的平滑电容器的小电容化，并可以将转换器部和逆变器部的载波频率设置为不同的值。该转换器·逆变器装置具有：将交流变换为直流的转换器电路，其结构为：输入侧经由电抗器与三相交流电源相连接，在输出侧的直流端子之间连接有平滑电容器；连接在直流端子之间、并将直流变换为三相交流的逆变器电路；以及控制转换器电路和逆变器电路的控制单元，其中，通过PWM来驱动转换器电路和逆变器电路，并在转换器电路和逆变器电路之间使PWM频率同步，将转换器和逆变器中的一方的PWM频率设定成另一方的PWM频率的2倍，并且使设定成2倍的电路的PWM调制方式为2相调制方式。

Description

转换器·逆变器装置
技术领域
本发明涉及转换器·逆变器装置。
背景技术
目前，具有用于从三相交流变换为直流的PWM转换器装置和为了驱动三相交流电动机而将直流变换为交流的逆变器装置的电动机驱动系统得到广泛普及。
在这种系统中，为了抑制中间直流电压的变动，通常设置大电容的平滑电容器。作为平滑电容器使用的电解电容器的体积大，故成为装置小型化的障碍。另外，电解电容器的充放电电流大时，存在内部发热等现象，从而影响装置的使用寿命。
目前，为了实现平滑电容器的小电容化，例如象在专利文献1中记载的那样，提出了如下方法：通过检测来自转换器电路的直流电流和流向逆变器电路的直流电流、或者流向平滑电容器的电流，将电容器电流控制为0。
另外，专利文献2公开了如下方式：作为减小平滑电容器的瞬时充放电电流的方法，使转换器电路和逆变器电路的PWM载波同步。
专利文献1：日本特开2006-67754号公报
专利文献2：日本特开平4-121065号公报
发明内容
采用专利文献1的方式，可以降低流经平滑电容器的电流的平均值，但是无法减少脉冲状的瞬时充放电电流。换句话说，若采用上述方法，则在使平滑电容器小电容化的同时，虽然可以抑制平均的直流电压变动，但是无法解决由于瞬时充放电电流而导致的电容器的发热或寿命缩短等问题。
另外，采用专利文献2的方式可以减少平滑电容器的瞬时充放电电流，但是需要将转换器电路的PWM频率设定成与逆变器电路相同。
一般来讲，希望与转换器电路的交流侧连接的电抗器尽可能小，从而该电抗器被设计成比与逆变器连接的电动机的线圈电感还小。因此，为了减少纹波电流成分，需要将转换器电路的PWM频率设定成比逆变器电路的PWM频率高。
另外，在空调机的压缩机驱动中使用转换器·逆变器系统时，作为压缩机的电动机控制，希望通过降低PWM载波频率来提高效率，同时转换器侧为了实现AC电抗器的小型化，希望较高地设定载波频率。
另外，在交流电源电压高时(例如400V的电源)，希望将输出直流电压抑制得较低，为此作为PWM方式希望使用动作范围宽的2相调制方式。
如上所述，要求在转换器和逆变器之间设定成使载波频率不同，并且要求在转换器侧采用2相调制方式，同时，还非常期望可以减小平滑电容器的电容的技术。而对比文件2的方式无法应对这些需求。
本发明的目的在于实现如下的转换器·逆变器装置：通过减少流向平滑电容器的瞬时充放电电流，可以实现直流部分的平滑电容器的小电容化和低发热化，并且可以将转换器部分和逆变器部分的载波频率设定为不同的值。
本发明的一种转换器·逆变器装置具有：
将交流变换为直流的转换器电路，其结构为：输入侧经由电抗器与三相交流电源相连接，且输出侧的直流端子之间连接有平滑电容器；
连接在所述直流端子之间、并将直流变换为三相交流的逆变器电路；以及
控制所述转换器电路和逆变器电路的控制单元，
其中，通过PWM(脉宽调制)驱动所述转换器电路和所述逆变器电路，并在所述转换器电路和逆变器电路之间使所述PWM频率同步，将所述转换器或所述逆变器中的一方的PWM频率设定成另一方的PWM频率的2倍，并且使设定成2倍的电路的PWM调制方式为2相调制方式。
通过采用本发明，可以实现如下的转换器·逆变器装置：可以实现直流部分的平滑电容器的小电容化和低发热化，并且可以将转换器部分和逆变器部分的载波频率设置成不同的值。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施例的转换器·逆变器装置的构成图。
图2是本发明的第一实施例的转换器控制框图。
图3是本发明的第一实施例的逆变器控制框图。
图4是逆变器和转换器的电压指令和载波波形。
图5是逆变器和转换器的电压指令、载波和电流波形。
图6是逆变器和转换器的电压指令、载波和电流波形。
图7是逆变器和转换器的电压指令、载波和电流波形。
图8是将转换器的载波相位转换180°的方法的说明图。
图9是示出本发明的第二实施例的转换器·逆变器装置的构成图。
图10是示出本发明的第二实施例的转换器·逆变器模块的构成图。
符号说明
1交流电源
2纹波滤波器
3电抗器
4转换器电路
5平滑电容器
6逆变器电路
7电动机
8控制部
9输入电流检测器
10输出电流检测器
11直流电压检测器
12电压控制器
13、16矢量控制器
14转换器的载波发生器
15电流控制器
17逆变器的载波发生器
18模块基板
具体实施方式
下面，利用图1至图8说明本发明的第一实施例。
(第一实施例)
图1中示出本发明的实施例的电动机驱动用转换器·逆变器装置的构成图。
如图1所示，转换器·逆变器装置具有：经由纹波滤波器2和电抗器3与三相交流电源1相连接的转换器电路4；与转换器的直流输出端子相连接的平滑电容器5和逆变器电路6；电动机7；控制所述转换器电路4和所述逆变器电路6的控制部8；检测输入电流和输出电流的电流检测器9a、9b、10a、10b；以及直流电压检测器11。另外，控制部8使用微型计算机或DSP(数字信号处理器)等半导体运算元件。
图2中示出所述转换器·逆变器装置中的控制部8内的与“转换器控制”相关的构成图。电压控制器12利用来自所述直流电压检测器11的电压信号(Ed)与直流电压指令值(Ed＊)的偏差生成q轴电流指令值(iq_cnv＊)。接着，将来自所述输入电流检测器9a、9b的检测信号变换为dq坐标轴上的值，求出与各自的指令值(id_cnv＊)、(iq_cnv＊)之间的偏差，并通过矢量控制器13算出dq轴上的指令电压。为了将输入电流的无效电流成分最小化，使d轴电流指令值(id_cnv＊)为0。最后，利用dq轴的指令电压和相位信息(θdc_cnv)生成转换器的三相电压指令，并通过与来自载波发生器14的载波相比较，输出各PWM脉冲信号。
图3示出所述转换器·逆变器装置中的控制部8内的与“逆变器控制”相关的构成图。与图2的构成相同，将来自所述输出电流检测器10a、10b的检测信号变换为dq坐标轴上的值，求出与各自的指令值(id_inv＊)、(iq_inv＊)之间的偏差，并通过电流控制器15a、15b以及矢量控制器16算出dq轴的指令电压。利用dq轴的指令电压和相位信息(θdc_inv)，生成三相输出电压指令，并通过与来自载波发生器17的载波相比较，输出各PWM脉冲信号。
这里，将所述转换器电路的PWM频率设定为所述逆变器电路的PWM频率的2倍。由此，转换器电路的PWM频率高，故可以实现所述纹波滤波器2和电抗器3的小型化并减小输入电流纹波。另外，为了减小切换损失，在转换器电路的PWM控制中采用2相调制。该2相调制方式是在基本波周期的1个周期期间中，在大致1/3个周期期间不进行1相的切换的方式，其用于减小切换损失。
另外，该2相调制方式如图4的上面部分所示，指令值的波形大致正负对称。
另外，逆变器电路的PWM控制可以采用3相调制或2相调制(线间调制)。在本实施例中利用3相调制(模式化调制)进行说明。
图4中示出使用上述PWM调制方法时的转换器电路的载波和1相的指令值、以及逆变器电路的载波和1相的指令值波形。
在图5中，示出使用上述PWM调制方法时的(a)逆变器电路的载波和逆变器的三相电压指令；(b)从平滑电容器流向逆变器电路的放电电流；(c)转换器电路的载波和转换器的三相电压指令；(d)从转换器电路流向平滑电容器的充电电流；以及(e)流向平滑电容器的充放电电流波形。
如图5所示，来自转换器电路的充电电流和流向逆变器电路的放电电流利用PWM控制信号成为脉冲状的电流。另外，从平滑电容器流向逆变器电路的放电电流脉冲对应于逆变器电路的电压指令的最大值或最小值与载波的交点。同样，从转换器电路流向平滑电容器的充电电流脉冲对应于转换器电路的电压指令的最大值或最小值与载波的交点。
如图5所示，通过采用上述PWM控制方法，可以使两个电流脉冲(充电电流脉冲、放电电流脉冲)同步，因此可以减少流向平滑电容器的充放电电流。由此，可以实现平滑电容器的小电容化和长寿命化。
但是，在上述PWM控制方法中，有时会由于条件的原因而无法使充电电流脉冲和放电电流脉冲始终同步。图6中示出仅使用上述PWM控制方法时的(a)逆变器电路的载波和逆变器电路的三相电压指令；(b)转换器电路的载波和转换器电路的三相电压指令；(c)从转换器电路流向平滑电容器的充电电流；(d)从平滑电容器流向逆变器电路的放电电流；以及(e)流向平滑电容器的充放电电流波形。
如图6所示，在两个电流脉冲同步时(右边部分)，流向平滑电容器的充放电电流小，而在不同步时(左边部分)，流向平滑电容器的充放电电流大。
这个问题起因于转换器电路的PWM控制中的2相调制方式。在2相调制方式中，相对于一个周期期间存在大致1/3个期间的中止切换的期间。为了实现该“切换的中止”，使各相的电压指令交互饱和。在达到该饱和状态的相转换的时刻，电流脉冲的相位发生变化，无法取得流向平滑电容器的充放电电流脉冲的同步。
因此，为了使上述充电电流脉冲和放电电流脉冲始终同步，采用在转换器电路的2相调制的电压饱和的转换点(转换作为2相调制方式的特征的中止切换的相的点)，将转换器电路的PWM载波信号的相位转换180°的方法。
为了比较，在图7中示出采用上述转换方法的情况下的波形。与图6的电流波形相比可知，平滑电容器的充电电流脉冲和放电脉冲始终同步，并且流向平滑电容器的充放电电流变小。
作为改变在PWM控制中使用的载波信号的相位的方法，如图8所示，具有六个图形。在图8(a)和(b)中，示出通过修正转换器电路的载波的相位(实际上是将微型计算机的PWM输出计时器的周期计数值设为0或对其进行预设)，将相位转换180°的方法。
在图8(c)和(d)中，示出通过缩短或延长转换器电路的载波的1个周期，来将相位转换180°的方法(实际上是通过调整微处理器的计时器或计数器的周期(缩短或延长)，来调节载波信号的周期)。
在图8(e)和(f)中，示出通过缩短或延长逆变器电路的载波的1个周期，来将相位转换180°的方法。在实际的使用时，只要根据控制电路的规格来选择容易实现的图形即可。可以每次选择使用多个图形。
在将本发明的转换器·逆变器装置适用于空调机的压缩机电动机驱动的情况下，通过将转换器电路的三角波载波频率设定为逆变器电路的2倍，并将转换器侧设为上述的2相调制方式，来实现可以减小平滑电容器电容的系统。这种情况下，转换器的载波频率是逆变器的2倍，但是由于采用2相调制，故在1/3个期间中止切换，其结果成为1.33倍(＝2×2/3)的平均切换频率。实际上，在转换电压饱和相时，由于切换次数不同，因此可以考虑1.2-1.5倍左右的差异。
在本实施例中，将转换器电路的三角波载波频率设定为逆变器电路的2倍，但是也可以根据实际的应用，与上述设定方法相反地将逆变器电路的三角波载波频率设定为转换器电路的2倍。这种情况下，若使上述的转换器电路的逆变器电路的控制方法相反，则可以得到相同的减少纹波电流的效果。
(第二实施例)
图9中，作为本发明的第二实施例，示出电动机驱动用的转换器·逆变器装置的另一个例子的构成图。在图10中，作为本发明的产品的最终形态的一个例子，示出将图9的转换器·逆变器装置模块化的构成。在控制部基板21上配置控制电路的电源、控制微型计算机、检测电路、功率系统的开关元件(IGBT模块)，若将其模块化，则可以实现小型化，同时可以削减装置成本。
上述装置与图1示出的装置的不同部分在于交流电流的检测方法。这里，代替直接检测三相电流，通过分流电阻检测转换器电路和逆变器电路的两个母线电流，并在考虑到各变换器的开关状态后，在微型计算机内分别进行三相交流电流的再现处理。另外，图9示出的方法利用分流电阻检测母线电流，但实际上并不局限于分流电阻，也可以利用电流传感器等。根据本实施方式，与第一实施例相比，可以省略电流传感器。
在上述电流检测方法以外，其他的控制部分采用与第一实施例相同的方法。

Claims (11)

1.一种转换器·逆变器装置，其特征在于，具有：
将交流变换为直流的转换器电路，其结构为：输入侧经由电抗器与三相交流电源相连接，在输出侧的直流端子之间连接有平滑电容器；
连接在所述直流端子之间、并将直流变换为三相交流的逆变器电路；以及
控制所述转换器电路和逆变器电路的控制单元，
其中，通过PWM、即脉宽调制来驱动所述转换器电路和所述逆变器电路，并在所述转换器电路和逆变器电路之间使所述PWM频率同步，将所述转换器或所述逆变器中的一方的PWM频率设定成另一方的PWM频率的2倍，并且使设定成2倍的电路的PWM调制方式为2相调制方式。
2.如权利要求1所述的转换器·逆变器装置，其特征在于，
2相调制方式是在基本波周期的1个周期期间中，设置在大致1/3个周期期间不进行1相切换的期间的方式。
3.如权利要求1所述的转换器·逆变器装置，其特征在于，
将所述转换器的PWM频率设定为所述逆变器的PWM频率的2倍。
4.如权利要求1所述的转换器·逆变器装置，其特征在于，
在转换作为2相调制方式的特征的中止切换的相时，与该转换的定时一致地，将用于所述PWM的载波信号的相位改变180°。
5.如权利要求4所述的转换器·逆变器装置，其特征在于，
所述将相位改变180°的载波信号是转换器的载波信号。
6.如权利要求4所述的转换器·逆变器装置，其特征在于，
作为用于所述PWM的载波信号的发生单元，利用微处理器的内部计时器或计数器，并将所述计时器或计数器设置为0，或对其进行预先设置。
7.如权利要求1所述的转换器·逆变器装置，其特征在于，
在转换2相调制方式的中止切换的相时，与该转换的定时相一致地，改变用于所述PWM的载波信号的周期。
8.如权利要求7所述的转换器·逆变器装置，其特征在于，
所述改变周期的载波信号是转换器的载波信号。
9.如权利要求7所述的转换器·逆变器装置，其特征在于，
作为所述PWM载波信号的发生单元，利用微处理器的内部计时器或计数器，并调整所述计时器或计数器的周期。
10.如权利要求3所述的转换器·逆变器装置，其特征在于，
在转换作为2相调制方式的特征的中止切换的相时，与该转换的定时相一致地，改变用于逆变器的PWM的载波信号的周期。
11.一种转换器·逆变器装置，其特征在于，具有：
将交流变换为直流的转换器电路，其结构为：输入侧经由电抗器与三相交流电源相连接，在输出侧的直流端子之间连接有平滑电容器；
连接在所述直流端子之间、并将直流变换为三相交流的逆变器电路；以及
控制所述转换器电路和逆变器电路的控制单元，
其中，相对于切换所述逆变器电路的PWM脉冲的平均切换频率，切换所述转换器电路的PWM脉冲的平均切换频率在1.2-1.5倍的范围内。
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