CN1018315B

CN1018315B - 带脉冲抑制器的电力转换器

Info

Publication number: CN1018315B
Application number: CN89106992.5A
Authority: CN
Inventors: 高原英明
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-08
Filing date: 1989-09-08
Publication date: 1992-09-16
Also published as: CN1041073A; US4978894A; EP0358225B1; DE68913399T2; JPH0274192A; EP0358225A2; EP0358225A3; DE68913399D1

Abstract

避免脉冲现象的电力转换器，包括：电力转换装置(COV)将单相AC变为脉波DC，滤波装置(CO)将脉波DC变为DC，然后DC/AC逆变器(INV)将DC变为三相AC供给负荷(IM)；还包括检测器(RFI，CI，PW-DET)用来检测AC变量信号3E，参考信号发生器(OS)用来产生参考信号(3J)，逆变控制器(CN，MP，AD，COMP)根据3E和3J使该DC/AC逆变器处于脉冲宽度控制方式而避免脉冲现象。

Description

本发明涉及到一种电力转换装置，该装置将单相交流（AC）电力输入先转换成直流（DC）电力，然后再将此直流电力通过一个直流/交流（DC/AC）逆变器转换成三相交流电力，藉此而驱动一台作为负荷的感应电动机。

输入单相交流电力而驱动一台诸如电气机车上用的交流感应电动机的一种电力转换装置，常见的这种类型的装置为，利用一个脉冲宽度调制（PWM）转换器将交流电力转换成直流电力，然后藉一台逆变器进一步转换成具有可变电压和可变频率的交流电力而加到一台感应电动机，图1即为常规的这种电力转换装置之例。从一个电车顶上的导电弓“PAN”接受单相交流电力，再经变压器“T”降压后通过一台电抗器“L”输到脉冲宽度调制转换器“COV”，即行变成直流电力。该转换器“COV”的输出端接有一个电容器“CO”，在该电容器上接入一台三相式DC/AC逆变器“INV”，于是，该逆变器“INV”即产生三相交流电力，藉此而驱动一台感应电动机“IM”。

这种类型的电力转换装置举例来说可见诸凯，纳卡姆拉（K·Nakamura）等发表的题为“转换逆变系统中脉冲现象的限制方法”《Restraint Method of Beat Phenomenon on Converter Invertor System》文，登载在1987年5月UDC（Unidirectional Current一直流电）第 109卷，第5号，363到369页。

但是，这种常规的电力转换装置具有如下所述的问题，即利用该脉冲宽度调制转换器“COV”将交流转变成直流，直流侧的电压和电流则用电容器CO来滤波，这除非该电容器CO的电容量为无限大，否则该直流电压即有脉动成份，当含有这种脉动成份的直流电压被用作输入电源并被DC/AC逆变器“INV”转换成期望的交流电力时，由于在这种脉动频率和被转换成的交流频率之间相互作用，即引起所谓的“拍频现象”并造成电动机电流的脉振。这种脉振现象不仅传给电动机转矩输出，而且也导致DC/AC逆变器“INV”中增加了瞬态电流。

虽然，DC/AC逆变器“INV”有能力同时控制该输出频率和输出电压，而输出电压是能够通过控制DC/AC逆变器“INV”内的一个开关元件的导通比得到控制，即利用调节其脉冲宽度来控制。

但是有一个问题，即逆变器“INV”输出电压波形的峰值由于受直流电压脉振的影响而增减，致使电压值波动，因而输出电流也受到波动。

在这种情况中，因为电压的峰值不能控制，所以实际上即以控制脉冲宽度作为控制手段，即，当输出电压的峰值高时，脉冲宽度被控制到变窄;当其峰值低时，则将脉冲宽度变宽，以这种方式，将平均值或有效值作为该电压面积的一项参数进行控制，结果即能抑制住电压的波动。

在应用这样一种常规的方法情况下，需要检测直流电压的脉振，和控制DC/AC逆变器的输出电压波形，但是，由于直流电路中用的电容器的电容量应当尽量地大，所以直流电压本身的脉振就显得相对地不大，以致造成检测的困难，最好是检测输入的交流电压作为衡量直流电压脉振的主要因素，并根据检测的交流输入电压来判定直流电压的波动，因而期望以所判定的波动来用作控制逆变器的电压。

本发明即为解决这种常规的电力逆变器中存在的问题而进行的，故本发明的一个目的即为提供出一种这样的电力转换装置，它能减少电动机电流中的脉振现象，以及避免因上述缺陷而引起DC/AC逆变器的不稳定运行。

为了达到上述本发明目的，提供的一种电力转换装置包括有：电力转换器装置，用于将一单相交流输入电压转换成具有脉动分量的直流输入电压;滤波装置，用于将从该电力转换装置提供的直流输入电压中脉动分量滤除，以便获得一项输入直流电压;DC/AC转换装置，用于将输入的直流电压逆变成三相的交流电压，以应用于一三相负荷上;以及参考信号发生装置，用于产生一参考信号，其中，该电力转换装置包括：检测器装置，用于检测含于单相交流输入电压中与脉动分量成比例的各电压变量，以获得单相交流输入电压变量的一个相分量;一个电力校正单元，用于响应所述负荷状态校正所述单相交流输入电压变量的所述相分量;逆变器指令校正装置，用于根据该单相交流输入电压变量的该相分量校正具有一个频率指令和一个电压指令的逆变器指令，以便产生一个调制信号;以及调制器装置，用于以该调制信号来调制该参考信号的载波，以获得一个控制信号，用于控制所述DC/AC逆变器装置处于一脉冲宽度调制控制方式。

按照本发明的一种电力转换装置，一个电源电压检测部件测出输入的交流电压，并用一整流部件进行整流，整流后电压中的直流分量由一个电容器电路滤除，藉此而仅分出该波动的交流分量。在一般情况中，由于在大负荷时消耗的电压使直流电压波动增大，所以在一个电源校正部件中藉负荷电功率的因素来校正该波动值。

一个逆变器控制器接受一电压指令和一频率指令，发出一门控制信号，使逆变器主电路中的一个开关元件在所期望的时间操作，通常，时间信号是通过比较参考的三相正弦波和一项三角波而产生的，该三角波作用如从一个三角波振荡器来的各次谐波，直流电压脉振值的校正信号是通过电源校正部件，逆变器电路，和乘法器输出的，该信号通过一个加法器而加到从逆变器控制器导出的每个正弦波上，加法器的输出信号与从三角波振荡器来的该三角波由一个比较器进行比较，因此提供给交流电源为校正该直流脉振分量用的该开关时间信号即作为门信号而输出。

为更好地了解本发明，现结合附图进行说明以供参考。

图1是常规电力转换装置的接线方框图;

图2是按本发明中一个最佳实施例进行的电力转换装置的接线方框图;

图3A到3K为示于图1中电力转换装置的电转换操作的波形图;以及

图4A到4K为示于图2中电力转换装置的电力转换操作的波形图。

本发明的一种电力转换装置是根据下述的基本构思做出的。

本发明的一种电力转换装置包括有：一个电力转换部件，用于将单相交流电源转换成直流电源;一个滤波电容器连接在该电力转换部件的输出上;一个DC/AC逆变器，用于将从滤波电容器传来的直流电源转换成脉冲宽度调制方式中的三相交流电源;一台交流电动机作为负荷;一个电源电压检测部件，用于检测单相交流电源的电压;一个整流部件，用于将电源电压检测部件的输出进行整流;一个电容器电路，用于滤除整流部件输出中的直流分量;一个电力校正部件，用于将电动机功率所造成的一项校正值提供到电容器电路的输出上;一个逆变电路，用于将该电力校正部件的输出进行逆变换;一个逆变器控制器，用于执行该逆变器的门控制;多个乘法器电路，用于将作为逆变器控制器输出的相应于三相电压的每一方波信号乘以由该DC/AC逆变电路输出的一项信号;多个加法器电路，用于将逆变器控制器输出的三相电压的每一正弦波形信号和乘法电路的每一输出信号相加;一个三角波振荡器;以及多个比较器，用于将从三角波振荡器输出的三角波信号和每一加法电路的输出进行比较，并用于将它们的输出置成该逆变器的门控制信号。

本发明的特征归纳如下。单相输入电力被整流而形成直流输入电力，然后，此直流输入电力由DC/AC逆变器进行DC/AC逆变换而形成三相的输出电力。检测出含在该单相输入电力的交流电压中的各变量，根据所测出的各变量，藉该参考信号来控制该DC/AC逆变器，也就是说，该逆变后的交流电压的脉冲宽度是在DC/AC逆变器中受到该逆变器控制器的控制。

图2是按照本发明中最佳实施例构成的一台电力逆变装置100的方框图。并且它的主要电路部分是与图1所示常规的电力转换装置具有相同结构，从导电弓“PAN”来的单相交流电力通过变压器“T”降压，然后，通过电抗器“L”输入到PWM转换器“COV”。

在另一方面，从单相转换器“COV”传来的直流电力通过滤波电容器“CO”输入到三相DC/AC逆变器“INV”，该直流电力输入被控制成具有可变电压和可变频率，然后成为三相交流电力输到感应电动机“IM”。三相感应电动机的一般功率被选择为从100到300千瓦（对电车），以及从500到1000千瓦（电气火车）。

在交流输入部件中设有一个电压检测器“VD”，用于上述主要电路;一个整流器“RFI”、一个滤除直流分量电容器“C₁”、一个电力校正乘法器“PC”以及一个逆变电路“RV”都被接于该电压校正器“VD”。

电流变换器“CTV”、“CTV”和“CTW”分别接于感应电动机“IM”的各输入线上，一个整流器“RF2”和一个电力检测器“PD”连接于这些电流变换器上，该电力检测器“PD”的输出接到电力校正乘法器“PC”的输入上。

一项电压指令信号和一项频率指令信号被送到一个逆变器控制器“CN”，其输出侧分别接于三相U、V和W的各方波U₁、V₁和W₁，以及接到正弦波U₂、V₂和W₂。

方波U₁、V₁和W₁的输出被接于乘法器“MP1”、“MP2”和“MP3”，然后输出到各加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”。在另一方面，正弦波U₂、V₂和W₂的输出被接到各加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”的输入端。

加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”的输出接到比较器“COMP1”、“COMP2”和“COMP3”，并与从三角波振荡器“OS”来的三角波进行比较。

比较器“COMP1”、“COMP2”和“COMP3”的输出被整定为三相U、V和W的门信号，去控制DC/AC逆变器“INV”中各可控硅的栅极。

现参照图3说明具有上述电路布置的电力转换装置100的运行。

电压检测器“VD”的输入波形是正弦波形，如图3A所示，（图2中电路图所示，加到其它波形上的也是同一波形），由整流器RF1整流后的输入电压呈图3B所示形状，该直流分量被滤除直流分量电容器“C1”滤除，并且它的输出波波形变成图3C所示，且被输入到电力校正电路“PC”。

该电力校正电路“PC”的输出变成如图3D所示，并被逆变电路“RV”逆变成如图3E所示。

该电力校正器电路“PC”的输出按照作为负荷的感应电动机“IM”所消耗的功率变化。当负荷消耗功率大时，并因此当负荷电流也大时，则上述输出的峰值就大。

在另一方面，由于逆变器控制器“CN”的输出，方波U₁、V₁和W₁的信号和正弦波U₂、V₂和W₂的信号即分别按照三相U、V和W而输出，例如，U相输出的方波U₁即变成图3F所示，

图3F的波形与从逆变电路“RV”来的图3E波形的乘积是由乘法器“MP1”、“NP2”和“NP3”的输出中求得，并变成图3G所示，这些方波U₂，V₂和W₂被加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”加到乘法器“MP1”、“NP2”和“MP3”的输出中，于是最后求得如图3H和3I所示的输出波形。

将加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”的各输出通过比较器“COMP1”、“COMP2”和“COMP3”与从三角波振荡器“OS”输出的三角波进行比较，如图35所示，它们的输出即成为被调制的门信号，如图3K所示。

虽然图3和图4所表示的分别为同一部分的信号波形，而在图4的情况中，在电源侧的频率和电动机上的频率之间的关系则与图3情况不同，尽管在图3中电动机频率低于电源频率，而它们两者在图4的情况中则几乎相等。

如上所述，这里有一个特性，以至不仅该逆变器控制器“CN”用将三相方波U₁、V₁和W₁和正弦波U₂、V₂和W₂（这些波是按照电压指令信号和频率指令信号输出的）与从三角波振荡器“OS”来的三角波进行比较的方法实行该调制，而且该逆变器控制器“CN”也对负荷功率的波动进行修正，并藉助于该三角波对此进行的调制，而使负荷功率的波动得以补偿，以及脉波振动受到抑制。

即在图4的情况中，由于直流电压脉动频率是电动机侧频率两倍，如果实行标准的调制，则直流电压的高电平部分就与该交流电压的峰值吻合。因此，电压波形变大，而电流也增高，但是利用实行校正那些与三角波进行比较的各波形，以及利用将脉冲宽度变窄，窄于本最佳实施例中标准调制情况下所产生的波宽，则平均电压值能够降低，结果，电流被减小，含在负荷功率中的脉波振动即能受到抑制。

综上所述，按照本发明，直流电压的脉波振动是从输入的交流电压波形中检测，且逆变器输出电压的脉冲宽度受检测信号的修正。因此，将从DC/AC逆变器输出电压的脉冲宽度加宽或变窄，以改变成相反于该逆变器输出电压的峰值，所以能够获得含有较少脉振的电动机电流。

Claims

1、一种电力转换装置包括：

电力转换器装置(COV)，用于将一单相交流输入电压转换成具有脉动分量的直流输入电压；

滤波器装置(CO)，用于将从该电力转换装置(COV)提供的直流输入电压中的脉动分量滤除，以便获得一项输入直流电压；

DC/AC逆变器装置(INV)，用于将输入的直流电压逆变成三相的交流电压，以应用于一个三相的负荷；以及

参考信号发生装置(OS)，用于产生一次参考信号(3J)，其特征为包括：

检测器装置(VD，RF1，C1)，用于检测所述单相交流输入电压中与所述脉动分量成比例的各电压变量，以获得该单相交流输入电压变量(3C)的一个相分量；

一个电力校正单元(PC)，用于响应所述负荷状态校正所述单相AC输入电压变量的所述相分量；

逆变器指令校正装置(CN，MP1至MP3，AD1至AD3)，用于根据所述单相AC输入电压变量的所述相分量校正具有一个频率指令(F-指令)和一个电压指令(V-指令)的逆变器指令；以及

调制器装置(COMP1至COMP3)，用于以所述调制信号调制所述参考信号的载波，以获得一个控制信号(3K)，用于控制所述DC/AC逆变器装置处于一个脉冲宽度调制控制方式下。

2、如权利要求1的一种电力转换装置，其特征为，所述装置包括：

一个电压分压器（VD），用于将单相交流输入电压细分成细分的交流电压（3A）;

一个整流器（RF1），用于将该细分的交流电压（3A）整流，去激励出具有与所述脉动分量成比例的所述变量的一个脉动直流电压（3B），以及

一个电容器（C1），用于消除含在所述脉动直流电压中的直流分量，以获得所述单相交流输入电压变量的所述相分量。

3、如权利要求1的一种电力转换装置，其特征为，所述DC/AC逆变器装置（INV）包括多个接成三相连接方式的可控硅。

4、如权利要求4的一种电力转换装置，其特征为，所述的逆变器指令校正装置包括乘法器电路（MP1，MP2，MP3）和加法器电路（AD1，AD2，AD3）;和所述调制器装置包括比较器电路（COMP1，COMP2，COMP3），以及根据从所述检测器装置和所述参考信号得来的所述相分量产生门控制信号（3K），藉此使所述各可控硅的栅极响应所述门控制信号而被控制在所述脉冲宽度调制控制方式。

5、如权利要求5的一种转换装置，其特征为，所述的逆变器指令校正装置在响应所述电压指令和频率指令中产生方波信号（U1，V1，W1）和正弦波信号（U2，V2，W2）;

所述的乘法器电路（MP1，MP3），用于以所述的相分量乘所述方波信号（U1，V1，X1），以获得被乘过的变量检测信号（3G）;

所述的加法器电路用于加所述乘过的变量检测信号（3G）到所述正弦波信号（U2，V2，X2），以获得加过的变量检测信号（3I）;以及

所述的比较器电路用于将所述加过的变量检测信号与所述参考信号比较，以便最终产生所述门控制信号。

6、如权利要求1的一种电力转换装置，其特征为，所述参考信号发生装置是一个三角波振荡器（OS）。

7、如权利要求1的一种电力转换装置，其特征为，所述负荷是一个三相感应电动机（IM）。