CN101615849B - 使磁能量再生的交流电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的使磁能量再生的交流电源装置可以进行交流负载的功率因数改善，实现低成本和小型化，该交流电源装置具有交流电压源、和功率因素改善电路，且对提供给感应性负载的交流电流的功率因素进行改善，该交流电源装置的特征在于，该功率因素改善电路由如下部分组成：磁能量再生双向电流开关，其具有：桥电路、以及电容器；以及控制单元，并且，所述控制单元进行以下控制：使构成桥电路的4个逆向导通式半导体开关中、位于对角线上的对的逆向导通式半导体开关分别同时进行接通/断开动作，并且在两对中的一对接通时，使另一对断开，而且控制信号与交流电压源的电压同步地切换。
Description
本申请是申请日为2004年05月12日，申请号为200480043035.8，发明名称为“使磁能量再生的交流电源装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种可以进行交流负载的功率因数改善的交流电源装置，具体讲，涉及一种实现了低成本和小型化的交流电源装置，其代替以往的无功补偿电容器，与交流负载串联地插入使磁能量再生的双向电流开关，从而发挥无功补偿电容器的作用。
背景技术
公知有如下事实：在使交流电流流过具有电感器的负载时，需要在上升沿时施加大于直流电阻成分(正常时的电阻成分电压)的电压，相比于电压的相位，电流的相位延迟，从而功率因素降低。以往，为了改善该交流电流的功率因数，作为一个方法，串联插入无功补偿电容器来减少电抗成分并增加电流，从而改善功率因数。
基于串联插入的无功补偿电容器方式的功率因数改善，存在不适合负载的功率因数因运转状态而变化的情况、或者电源频率大幅变化的电路的问题。
另一方面，在像感应电机那样从起动到转入正常运转的初期动作时，负载电流的功率因数变化。为了对负载电流的功率因数进行补偿，使用采用了半导体开关的AC-DC-AC链接的逆变器·转换器单元(inverter/converterset)，但如果降低频率和电压进行起动，在运转时进行转速控制，则成本变高，基于PWM控制形成的高频干扰，及需要用于保持DC电压的大电解电容器，从而具有尺寸增大的缺点。
并且，存在以下问题，在感应电机的初期动作时，电感成分大，电流的功率因数恶化，在以较小的有效电流进行初期动作时，不能获得较大的转矩(起动转矩)。
发明内容
这种以往的功率因数改善方法具有限度，因此需要具有代替无功补偿电容器方式的具备功率因数改善电路的、实现了低成本和小型化的交流电源装置。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，提供一种可以进行交流负载的功率因数改善、并且实现了低成本和小型化的交流电源装置。
本申请的发明人着眼于以下内容的研究，在切断负载电流时残留在电路中的磁能量储存在电容器中，在下一次接通时把该能量释放给负载，使电流急速上升，由此可以提高功率因数。即，关于流过负载的电流，在切断电流时，该磁能量被储存在电容器中而停止，当下一次接通时，再生到负载而使电流急速上升，结果，流过电路的电流增加，能够以更低的电压流过较大的电流，可成为广义上的电源功率因数的改善。
由此，想到在交流电路中使用磁能量再生双向开关，在任意定时切断电流，将磁能量储存在电容器中，在电流的方向为逆时针方向的任意定时再次使电流反方向流向负载，从而可以强制控制交流电流的电流相位。
另外，上述的磁能量再生双向开关为，将切断了负载电流时电路中残留的磁能量储存在设置于开关桥内的储存电容器中，在下一次接通时，将该能量释放给负载而使电流迅速上升的无损耗的电流开关，已由本申请人提出了专利申请(参照日本特开2000-358359号公报)。
本发明涉及可以进行交流负载的功率因数改善的交流电源装置(10)，本发明的上述目的如上所述是通过交流电源装置(10)实现的，该交流电源装置(10)具有交流电压源(20)、和插入到该交流电压源(20)和感应性负载(50)之间的功率因素改善电路(30、40)，且该交流电源装置(10)对提供给所述感应性负载(50)的交流电流的功率因素进行改善，该交流电源装置(10)的特征在于，该功率因素改善电路(30、40)由如下部分组成：磁能量再生双向电流开关(30)，其具有：由4个逆向导通式半导体开关(31)构成的桥电路、以及连接在所述桥电路的直流端子之间，储存残留磁能量的电容器(32)；以及向各个逆向导通式半导体开关的栅极提供控制信号，进行各个逆向导通式半导体开关的接通/断开控制的控制单元(40)，所述控制单元进行以下控制：使构成桥电路的4个逆向导通式半导体开关中、位于对角线上的一对的逆向导通式半导体开关分别同时进行接通/断开动作，并且通过重复进行以下(1)至(5)的动作，进行如下控制：通过使所述控制信号的相位相比于所述交流电压源的电压的相位超前，来使提供给所述感应性负载的交流电流的相位超前，或者通过使所述控制信号的相位相比于所述交流电压源的电压的相位延迟，来使提供给所述感应性负载的交流电流减少，且使所述控制信号与所述交流电压源的电压同步地切换，该(1)至(5)的动作如下：(1)在所述一对(SW1，SW2)接通的期间，方向与所述交流电压源的电压相同的电流流过，形成两个并联导通状态；(2)在所述交流电压源的电压从正翻转为负之前，使所述一对断开时，所述另一对(SW3，SW4)变为接通，向所述电容器进行磁能量的充电；(3)在对所述电容器的充电结束后流过所述电容器的电流停止、所述交流电压源的电压从正翻转为负时，所述电容器开始放电，在放电结束后，形成两个并联导通状态；(4)在所述交流电压源的电压从负翻转为正之前，使所述另一对断开时，所述一对变为接通，向所述电容器进行磁能量的充电；以及(5)在对所述电容器的充电结束后流过所述电容器的电流停止、所述交流电压源的电压从负翻转为正时，所述电容器开始放电，在放电结束后，形成两个并联导通状态，返回所述(1)的状态。
附图说明
图1表示本发明涉及的交流电源装置的实施例。
图2是表示本发明涉及的交流电源装置的有开关和没有开关时的交流电流控制的电流电压波形的仿真结果的图。
图3表示本发明涉及的交流电源装置在感应电机中的应用示例。
图4是对比表示连接(有开关)及不连接(没有开关)本发明涉及的交流电源装置时的感应电机的起动电流和起动转矩的实测值的图。
图5是用于说明磁能量再生双向电流开关在交流时的动作原理的图。
具体实施方式
本发明为了提供结构简单且可以实现小型化和低成本的交流电源装置，在交流电压源和感应性负载之间插入功率因素改善电路，该功率因素改善电路具有：磁能量再生双向电流开关，其具有：由4个逆向导通式半导体开关构成的桥电路、以及连接在桥电路的直流端子之间，储存残留磁能量的电容器；以及向各个逆向导通式半导体开关的栅极提供控制信号，进行各个逆向导通式半导体开关的接通/断开控制的控制单元，控制单元进行以下控制：使构成桥电路的4个逆向导通式半导体开关中、位于对角线上的一对的逆向导通式半导体开关分别同时进行接通/断开动作，并且在两对中的一对接通时，使另一对断开，而且按照与交流电压源的电压相位同步的定时进行接通/断开控制，从而控制交流电流的相位，改善交流负载的功率因素。以下，参照附图进行详细说明。
图1是表示本发明涉及的交流电源装置10的基本结构的图，在交流电压源20和具有电感器的感应性负载50之间插入由磁能量再生双向电流开关30和控制单元40构成的功率因素改善电路。
磁能量再生双向电流开关30具有：由4个逆向导通式半导体开关31构成的桥电路、以及连接在桥电路的直流端子之间，储存残留磁能量的电容器32。
并且，控制单元40向各个逆向导通式半导体开关31的栅极提供控制信号，进行各个逆向导通式半导体开关31的接通/断开控制，以与交流电压源20的电压相位同步的控制信号控制功率MOSFET31(逆向导通式半导体开关的一例)的各个栅极(G1～G4)，使流过功率MOSFET31的电流接通/断开。
所述磁能量再生双向电流开关30内置有用于储存感应性负载50的残留磁能量的电容器32，因此在电流的方向为逆时针方向的任意定时，可以使电容器32放电，由此再生与功率MOSFET31断开时相同的电流。
对于感应性负载50，在功率MOSFET31接通/断开时，将脉冲电压叠加到交流电压源20的电压后进行施加。交流电压源20的电压和叠加了脉冲电压的电压大小可以通过选择电容器32的静电容量而控制在功率MOSFET31和感应性负载50的耐电压允许范围内。此时，与以往的串联功率因数改善电容器不同，用于储存感应性负载50的残留磁能量的电容器32具有可以使用直流电容器的优点。
控制单元40控制4个功率MOSFET31的栅极(G1～G4)。此时，位于桥电路的对角线位置的对即顺时针方向电流的对(G1和G2)或逆时针方向的对(G3和G4)，可以根据想要使电流流过的方向进行导通/截止，以使一对导通时，另一对截止。然而，在电容器32具有电压的期间，需要注意不要使顺时针方向电流的对(G1和G2)和逆时针方向的对(G3和G4)同时导通。
而且，控制单元40与交流电压源20的电压同步地控制栅极。但例如在改善电流的功率因数的示例中，如果在电压为正的期间，导通顺时针方向的栅极(G1、G2)，在电压为负的期间，导通逆时针方向的栅极(G3、G4)，则方向与电压完全相同的电流流过。不仅如此，磁能量再生双向电流开关30将残留磁能量储存在电容器32中，本次利用该能量使电流的方向为逆时针方向而进行放电，使电流急速上升，从而增加负载供给电流。关于交流电压源20的电压和各栅极(G1～G4)的状态关系如下面表1所示。
表1
以下，参照图5说明磁能量再生双向电流开关在交流时的动作原理。
(1)在SW1和SW2接通的期间，电流从图中的下方流向上方(正的方向)，形成两个并联导通状态(图2中电流较平直的状态时)。
(2)在交流电压源20的电压从正翻转为负之前(在本实施例中约为2ms前)，使SW1和SW2断开时(此时，SW3和SW4变为接通)，按照(1)的路径向电容器进行磁能量的充电。
(3)在充电结束后流过电容器的电流停止、电压翻转时(正→负)时，SW3和SW4已经接通，所以开始按照(2)的路径放电(电流从上方流向下方。)。在放电结束后，形成两个并联导通状态。
(4)在交流电压源20的电压从负翻转为正之前(在本实施例中约为2ms前)，使SW3和SW4断开时(此时，SW1和SW2变为接通。)，按照(3)的路径向电容器充填磁能量。
(5)在充电结束后流过电容器的电流停止、电压翻转时(负→正)时，SW1和SW2已经接通，所以开始按照(4)的路径放电(电流从下方流向上方。)。在放电结束后，形成两个并联导通状态，返回上述(1)的状态。以后重复该动作。
如上所述，将残留磁能量储存在电容器中，将该能量释放给负载，使电流急速上升，从而可以提高功率因数。
图2是表示本发明涉及的交流电源装置的动作仿真结果的图。由图2得知，在具有磁能量再生双向电流开关30时，电流的相位与电压同步，电流增加。这除了改善负载的功率因数外，该装置还作为广义上的功率因数改善装置发挥作用。
如果使栅极信号的相位更超前，相位超前的电流流过，如果使之延迟，还可以减少电流，但再延迟180度，则电流停止。
另外，作为所述逆导通式半导体开关的实施例使用功率MOSFET进行了说明，但是，使用逆导通式GTO晶闸管或并联连接二极管和IGBT等半导体开关构成的单元，也可以获得相同效果。
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明涉及的使磁能量再生的交流电源装置，可以强制使电流的相位与和电源相位相同的相位同步，所以能够改善电流的功率因数，与以往的DC链接方式相比，可以实现低成本且小型化的交流电源装置。
通过把本发明涉及的交流电源装置用作感应电机的电源，可以增大起动时的起动转矩。图3表示用于实测起动转矩的实验电路，图4是对比表示该起动转矩的实测值和使用以往的交流电源时的起动转矩的曲线图。根据该图可知，使用本发明涉及的交流电源装置时，可以在相同相电压下获得约4倍的起动转矩。
Claims (5)
1.一种使磁能量再生的交流电源装置(10)，该交流电源装置(10)具有交流电压源(20)、和插入到该交流电压源(20)和感应性负载(50)之间的功率因素改善电路(30、40)，且该交流电源装置(10)对提供给所述感应性负载(50)的交流电流的功率因素进行改善，该交流电源装置(10)的特征在于，
该功率因素改善电路(30、40)由如下部分组成：
磁能量再生双向电流开关(30)，其具有：由4个逆向导通式半导体开关(31)构成的桥电路、以及连接在所述桥电路的直流端子之间，储存残留磁能量的电容器(32)；以及
向各个所述逆向导通式半导体开关的栅极提供控制信号，进行各个所述逆向导通式半导体开关的接通/断开控制的控制单元(40)，并且，
所述控制单元(40)进行以下控制：使构成所述桥电路的4个所述逆向导通式半导体开关中、位于对角线上的对的所述逆向导通式半导体开关分别同时进行接通/断开动作，并且通过重复进行以下(1)至(5)的动作，进行如下控制：通过使所述控制信号的相位相比于所述交流电压源的电压的相位超前，来使提供给所述感应性负载的交流电流的相位超前，或者通过使所述控制信号的相位相比于所述交流电压源的电压的相位延迟，来使提供给所述感应性负载的交流电流减少，且使所述控制信号与所述交流电压源的电压同步地切换，该(1)至(5)的动作如下：
(1)在所述一对(SW1，SW2)接通的期间，方向与所述交流电压源的电压相同的电流流过，形成两个并联导通状态；
(2)在所述交流电压源的电压从正翻转为负之前，使所述一对断开时，所述另一对(SW3，SW4)变为接通，向所述电容器进行磁能量的充电；
(3)在对所述电容器的充电结束后流过所述电容器的电流停止、所述交流电压源的电压从正翻转为负时，所述电容器开始放电，在放电结束后，形成两个并联导通状态；
(4)在所述交流电压源的电压从负翻转为正之前，使所述另一对断开时，所述一对变为接通，向所述电容器进行磁能量的充电；以及
(5)在对所述电容器的充电结束后流过所述电容器的电流停止、所述交流电压源的电压从负翻转为正时，所述电容器开始放电，在放电结束后，形成两个并联导通状态，返回所述(1)的状态。
2.根据权利要求1所述的使磁能量再生的交流电源装置，其特征在于，所述控制单元进行如下控制：通过使所述控制信号的相位相比于所述交流电压源的电压的相位延迟180度，来使提供给所述感应性负载的交流电流停止。
3.根据权利要求1或2所述的使磁能量再生的交流电源装置，其特征在于，所述电容器是直流电容器。
4.根据权利要求1或2所述的使磁能量再生的交流电源装置，其特征在于，各个所述逆向导通式半导体开关是功率MOS FET、逆向导通式GTO晶闸管、或者通过并联连接二极管和IGBT等半导体开关构成的单元中的任一种。
5.一种感应电机的控制系统，该控制系统通过将权利要求1所述的再生磁能量的交流电源装置和作为所述感应性负载的感应电机连接而成，该控制系统的特征在于，
所述控制单元进行控制，以增大所述感应电机起动时的转矩。
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