CN101814851A - Pwm整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不使控制系统的响应性恶化地降低半导体元件的开关损失的PWM整流器。如果是PWM过调制的状态，则把调制方式设定为三相调制方式。在不是过调制的状态时，取得输入电流的振幅等切换条件，与切换水平比较。如果切换条件在切换水平以上，则即使是相同的PWM频率，也切换到开关次数减少到2/3的变形二相调制方式。

Description

PWM整流器
技术领域
本发明涉及通过用PWM(脉冲宽度调制)信号进行开关控制的半导体元件把三相交流变换为直流的PWM整流器。
背景技术
在驱动机床或者工业机械、机器人等的电动机控制装置中，使用了把工业电力变换为直流电力，并向驱动电动机的逆变换器(逆变器)供给电力的正变换器(变换器：整流器)。
近年来，从降低电源高次谐波·无效电力的要求出发，使用脉冲宽度调制(PWM)的整流器的应用日益广泛。在该PWM整流器中进行半导体元件的高速开关，所以产生开关损失。因此，与现有的二极管整流方式的整流器相比，存在电力变换装置的损失增大、装置的体积增大这样的问题。
目前，为解决该问题，使用了在电流的振幅大的区域中降低PWM频率的方法。通过该方法，能够抑制电力变换装置的损失以及装置的体积增大。
但是在现有的方法中，有因为伴随PWM频率的降低，反馈的采样周期变长，所以控制系统的响应性恶化这样的副作用。
在JP9-252581A中记载了切换正变换器(PWM变换器)的载波频率的方法。在JP2004-48885A以及JP63-290170A中记载了如下内容：在从直流电压进行脉冲调制并向电动机等负载供给电力的电力变换装置中，在三相调制方式和二相调制方式(正确地说是变形二相调制方式：参照「谷口勝則著、『PWM電力変换システム』、共立出版、pp96-98」)之间切换调制方式。在JP2008-259343A中记载了在变换器上连接了逆变器的变换器·逆变器装置中，作为变换器或者逆变器的一方的PWM调制方式采用变形二相调制方式。
发明内容
本发明的目的是，在PWM整流器中，不使控制系统的响应性恶化地降低半导体元件的开关损失。
根据本发明，提供一种PWM整流器，其通过用PWM(脉冲宽度调制)信号控制的半导体元件把三相交流变换为直流，具有：控制器，其遵照三相调制方式、或者变形二相调制方式来生成所述PWM信号，所述三相调制方式根据所述PWM整流器的输出电压与其目标值的差生成与所述三相交流同步的PWM电压指令，通过把该PWM电压指令与一定振幅一定频率的PWM载波进行比较来生成所述PWM信号，所述变形二相调制方式把一种PWM电压指令与所述PWM载波进行比较来生成所述PWM信号，这种PWM电压指令使从构成所述三相调制方式中的PWM电压指令的3相中选择的1相饱和到所述PWM载波的最大值或者最小值，并把为使其饱和所需要的增加或者减小的量也应用于其他两相中；检测器，其检测所述PWM整流器的输入电流、输出电流、输入功率、输出功率、以及所述半导体元件的温度中的至少一项；和调制方式切换部，其比较所述检测器的检测值与预定的阈值，如果检测值比阈值大，则把所述控制器中的调制方式从所述三相调制方式向所述变形二相调制方式切换。
在电流比较小时，为极力抑制电流波动而应用三相调制方式，在发热(开关损失)成为问题的电流振幅大的区域切换到变形二相调制方式，由此，即使是相同的PWM频率，开关次数也减少到2/3，降低开关损失。
附图说明
图1是表示本发明的一种实施方式的PWM整流器的结构的框图。
图2是说明通过PWM电压指令和PWM载波的比较来生成PWM信号的波形图。
图3是用于说明调制度以及过调制的波形图。
图4是用于说明变形二相调制方式的一例的波形图。
图5是调制方式设定处理的流程图。
图6是表示三相调制方式和变形二相调制方式中的调制度与高次谐波电流有效值的关系的图表。
图7是用于说明变形二相调制方式的第二例的波形图。
图8是用于说明变形二相调制方式的第三例的波形图。
图9是用于说明变形二相调制方式的第四例的波形图。
具体实施方式
图1是表示本发明的一种实施方式的PWM整流器的结构的框图。
该PWM整流器的主电路部10由如图示这样连接的晶体管12～17、二极管18～23以及滤波电容器24构成。在主电路部10的输入侧，通过交流电抗器26以及变流器28连接三相交流电源30，在输出侧连接PWM逆变器等负载32。
加法器36输出PWM整流器的输出电压、即滤波电容器24的电压离开电压指令的偏差(电压偏差)。电压控制器34，根据加法器36输出的电压偏差和三相交流电源30的电压，输出作为与三相交流电源同步、并具有与电压偏差成比例的振幅的信号的电流指令。加法器38输出在变流器28中检测出的电流的、离开电流指令的偏差(电流偏差)。
电流控制部40，在由调制方式设定部42设定的调制方式是三相调制方式时，把该电流偏差原样不变地作为PWM电压指令，与一定振幅一定频率的PWM载波比较，把其比较结果作为用于控制晶体管12～17的PWM信号来输出。在由调制方式设定部42设定的调制方式是变形二相调制方式时，把遵照变形二相调制方式后述那样生成的PWM电压指令与PWM载波比较，把比较结果作为PWM信号来输出。
参照图2，说明通过PWM电压指令和PWM载波的比较生成PWM信号。在图2中，用实线表示三相调制方式中的R相、S以及T相的PWM电压指令，用虚线表示与它们比较的PWM载波。将各相的PWM电压指令与三角波的PWM载波进行比较，在PWM电压指令较大的情况下，使图1中的上侧的晶体管12、14或者16导通，使下侧的晶体管13、15或者17截止，在PWM电压指令较小的情况下，使下侧的晶体管13、15或者17导通，使上侧的晶体管12、14或者16截止。与各相的PWM电压指令的值的变化一起，各相的晶体管导通的期间的比例变化，当PWM电压指令的值接近PWM载波的最大值时，该相的上侧的晶体管导通的期间变长，当接近最小值时，该相的下侧的晶体管导通的期间变长。
使用下式定义PWM调制中的调制度(PWM调制度)。
PWM调制度(％)＝(PWM电压指令的振幅)/(PWM载波的振幅)×100…(1)
如图3所示，在该PWM调制度超过100％的PWM过调制的区域中，因为在PWM电压指令超过PWM载波的最大值的区间以及小于最小值的区间内开关动作停止，所以开关动作的次数减少。在图3的例子中，例如因为R相的PWM电压指令在相位60～120°的区间内超过最大值、在240～300°的区间内小于最小值，所以开关动作停止。
下面说明变形二相调制方式。在变形二相调制方式中，把使上述三相调制中的3相的PWM电压指令中的某一相饱和到PWM载波的最大值或者最小值，并在其他两相中也同样应用为此而增加或者减小的量的指令作为PWM电压指令。在图4表示的例子中，在相位0～60°的区间内，(b)栏的S相的PWM电压指令被饱和到PWM载波的最小值，在相位60～120°的区间内，(a)栏的R相的PWM电压指令被饱和到PWM载波的最大值。这样，因为在3相中总是使某1相饱和到PWM载波的最大值或者最小值，使开关动作停止，所以晶体管12～17的开关的次数减少到三相调制方式的2/3，降低了开关损失。
图5表示调制方式设定部42(图1)中的调制方式设定处理的一例。在初始状态下，作为调制方式而应用电流波动小的三相调制方式。在调制方式设定处理中，首先检查是否处于PWM过调制的状态、即用(1)式定义的调制度超过100％的状态(步骤1000)，在处于PWM过调制的状态时，把调制方式设定为通常的三相调制方式(步骤1002)。
在不处于PWM过调制的状态时，接着取得向变形二相调制的切换条件(步骤1004)，把取得的切换条件与切换水平进行比较(步骤1006)。如果取得的切换条件在切换水平以上，则把调制方式设定为变形二相调制方式(步骤1008)。接着，把切换条件与(切换水平-滞后)进行比较(步骤1010)，如果在切换水平-滞后以下，则把调制方式设定为三相调制方式。即，在通过切换条件的判定所进行的切换中具有滞后。
这里，所谓切换条件，理想的是用图1的变流器取得的输入电流的振幅。在输入电流的振幅超过振幅的切换水平时，切换到变形二相调制方式，在(切换水平-滞后)以下时，切换到三相调制方式。或者也可以把从输入电流的振幅、通过设置在晶体管12～17附近的温度传感器(未图示)取得的温度、通过未图示的电流传感器取得的输出电流、输入功率以及输出功率中选择的一个或者多个的组合作为切换条件。在用多个判定条件的组合进行判定时，优选构成为其中任何一个判定条件超过各自的判定水平时切换到变形二相调制方式，在所有判定条件都在各自的(判定水平-滞后)以下时切换到三相调制方式。
在该例中，在电流振幅小的区域内应用通常的三相调制方式，但是也可以应用把具有电压指令频率的3倍的频率的补偿信号与电压指令重叠的方式、即所谓的三次谐波注入方式。
图6表示通过模拟得到的、三相调制方式和变形二相调制方式中的调制度与高次谐波电流有效值的关系。因为在变形二相调制方式中开关次数减少到通常的三相调制方式的2/3，所以PWM频率6kHz的变形二相调制方式的开关次数与PWM频率4kHz的三相调制方式的开关次数相同。但是如图6所示，在调制度达到100％以上的PWM过调制区域内，与三相调制方式相比，变形二相调制方式的特性更加恶化。另一方面，在PWM过调制区域内，如参照图3所说明的那样，即使是三相调制方式，开关次数也减少。
因此，如参照图5说明的那样，希望即使在PWM过调制区域内切换条件超过切换水平也维持三相调制方式。
图7～图9表示变形二相调制方式的其他例子。图7表示的例子是使R相、S相以及T相的PWM电压指令中最大的一相饱和到PWM载波的最大值的水平、将其增加量也应用于其他两相中的例子。图8表示的例子是使R相、S相以及T相的PWM电压指令中最小的一相饱和到PWM载波的最小值的水平、将其减少量也应用于其他两相中的例子。图9表示的例子是，交替重复图7的使最大的PWM电压指令饱和到PWM载波的最大值的水平、以及图8的使最小的PWM电压指令饱和到PWM载波的最小值的水平这样的操作。在图9中描绘为，重复的周期成为载波的周期的2倍且二者同步，但是重复的周期既不需要是载波的周期的2倍，也不需要是整数倍，二者也不需要同步。

Claims (2)

1.一种PWM整流器，其通过用PWM信号控制的半导体元件把三相交流变换为直流，其特征在于，
具有：
控制器，其遵照三相调制方式、或者变形二相调制方式，生成所述PWM信号，所述三相调制方式根据所述PWM整流器的输出电压与其目标值的差生成与所述三相交流同步的PWM电压指令，通过把该PWM电压指令与一定振幅一定频率的PWM载波进行比较来生成所述PWM信号，所述变形二相调制方式把一种PWM电压指令与所述PWM载波进行比较来生成所述PWM信号，这种PWM电压指令使从构成所述三相调制方式中的PWM电压指令的3相中选择的1相饱和到所述PWM载波的最大值或者最小值，并把为使其饱和所需要的增加或者减小的量也应用于其他两相中；
检测器，其检测所述PWM整流器的输入电流、输出电流、输入功率、输出功率、以及所述半导体元件的温度中的至少一项；和
调制方式切换部，其比较所述检测器的检测值与预定的阈值，如果检测值比阈值大，则把所述控制器中的调制方式从所述三相调制方式向所述变形二相调制方式切换。
2.根据权利要求1所述的PWM整流器，其特征在于，
在把所述三相调制方式中的PWM电压指令的振幅相对于所述PWM载波的振幅的比设为PWM调制度时，所述调制方式切换部，在该PWM调制度在预定值以上时，不管所述检测值和阈值的比较结果，把所述控制器中的调制方式设为三相调制方式。
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