CN102790517A - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力转换装置，不用追加复杂构成的电路，可有效地降低冲击电流，安全且稳定。本实施方式的电力转换装置(101)在预先按照辅助电源(109)的相位与主电源(102)一致的方式决定并制作三次线圈的构成的基础上，在接通主开关(104)之后断开与输入变压器(105)连接的辅助开关(111)，从而能够有效地抑制输入变压器(105)的励磁冲击电流。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及电力转换装置。

更详细而言，涉及在用于可变速控制感应电动机的电力转换装置中，用于对逆变器中包含的平滑电容器进行安全地充电，有效地降低在连接高电压的主电源时产生的冲击电流的技术。

背景技术

众所周知，在资源贫乏的我国(日本国)，节能是至高课题。尤其，在大型的电动机中要求严格的节能化。

例如，火力发电厂的IDF(Induced Draft Fan：从锅炉火炉中吸出燃烧废气的风扇)或者通风机(取入用于燃烧燃料的外部气体的风扇)使用几千kw规模的三相交流电动机。

作为使已有的高压三相交流电动机(3.3kV、6.6kV等)节能化的代表性技术，举出采用多重逆变器方式的多重电力转换装置的可变速控制。

例如以IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅型双极性晶体管)为代表的构成逆变器的半导体元件难以实现高耐压化，所以通过串联连接低电压输出的逆变器来多重化，由此对应于高电压输出。另外，多重逆变器方式因为多重化了低压的逆变器，所以也具有降低逆变器的输出电压的失真，防止因电动机线圈的高次谐波引起的绝缘劣化的效果。

这种的构成多重电力转换装置的各个低压逆变器，因为需要相互绝缘的电源，所以大多数情况都在输入侧设置将二次线圈分割相应低压逆变器的个数份后的变压器。

当从变压器的二次线圈供给三相交流电源时，各个低压逆变器通过二极管电桥等的整流电路暂且将其整流成直流。此时，在整流电路的输出侧并联连接着公知的平滑电容器。即便是低压逆变器，也是输入了几百V的电压的电容器，故平滑电容器中蓄積的电荷是相当大的电荷量。因为设置多个这种的低压逆变器来多重化，所以组合到所有的低压逆变器中的平滑电容器的总静电容量变得巨大，并且在这些平滑电容器组中蓄积的总电荷量变得巨大。

为此，针对于包含平滑电容器的低压逆变器与多个二次线圈连接的变压器，若突然向一次线圈供给高压三相交流电力，则为了充电平滑电容器，而产生巨大的冲击电流。该冲击电流从变压器等的构成部件的额定电流的几倍到几十倍，恐怕会破坏电路元件。

为了防止这种的电路元件的破坏，有下述方法：在向一次线圈供给高压三相交流电力之前，预先充电平滑电容器。为了一并对平滑电容器进行初始充电，应用了在电源变压器中追加初始充电用的线圈的方式。该方法在各个低压逆变器中不设置初始充电电路的方面，在低成本化方面，是有用的。

专利文献

专利文献1：日本特昭59-11730号公报

以往的高压电动机驱动用的多重逆变器，为了降低在向输入变压器的一次线圈施加高电压之际产生的冲击电流，对多个低压逆变器中包含的平滑电容器进行在施加高电压的前阶段的初始充电。由此，能够有效地抑制冲击电流之中的相对于平滑电容器的充电电流。

该初始充电的顺序是按照<1>、<2>、<3>的顺序实施的，其中<1>通过阻抗进行初始充电，<2>停止初始充电，<3>向一次线圈施加高电压。

可是，即便在该现有例中，在输入变压器的励磁电路中，在施加高压时也流动基于磁通饱和的冲击电流。针对将变压器与高压交流电源直接连结时的励磁冲击电流，在各种文献中被广泛地解说。由于该励磁冲击电流有时也达到额定电流的5倍～10倍，所以伴随着冲击电流的产生，恐怕会引起电源电压的变动，对与同一系统连接的其他设备也会带来不良影响。

针对该问题，在专利文献1中提出了下述方式：具备用于在从其他电源经由阻抗对二次侧进行励磁，并且向一次侧施加电源的辅助励磁装置。可是，这种情况下，辅助励磁装置被作为追加部件而构成，成本变高。

发明内容

本发明是为了解决相应技术问题而提出的，其目的在于提供一种不追加复杂构成的电路，可以有效地降低冲击电流，安全且稳定的电力转换装置。

为了解决上述技术问题，本发明的电力转换装置具备：输入变压器，其一次线圈与交流的主电源连接，并且该输入变压器具有多个二次线圈和与辅助电源连接的一组三次线圈；主开关，其连接在主电源与一次线圈之间；辅助开关，其连接在辅助电源与三次线圈之间；限流部，其连接在辅助电源与辅助开关之间；第一单元逆变器，其在将由二次线圈供给的交流电源暂且转换成直流之后，通过第一选通脉冲信号的控制将该直流转换成可变频率的单相交流，并且一端与负载连接；第二单元逆变器，其与第一单元逆变器串联连接，并通过第一选通脉冲信号的控制转换成可变频率的单相交流；和控制装置，其控制为：闭合辅助开关，并在经过了规定时间之后闭合主开关，在经过了规定时间之后断开辅助开关。

电力转换装置预先对于三次线圈的线圈，在按照辅助电源的相位与主电源的相位一致的方式制作了输入变压器的基础上，在连接有主电源的主开关接通之后断开连接在辅助电源与输入变压器的三次线圈之间的辅助开关，从而能够有效地抑制输入变压器的励磁冲击电流。

发明效果

根据本发明能够提供一种不用追加复杂构成的电路，有效地降低冲击电流，安全且稳定的电力转换装置。

附图说明

图1是作为本发明的一实施方式的电力转换装置的框图。

图2是说明单元逆变器的连接形式的图和单元逆变器的电路图。

图3是控制装置的框图。

图4是表示控制装置的动作流程的流程图。

图5是现有例的电力转换装置中的各部分的电流波形的说明图。

图6是现有例的电力转换装置中的输入变压器的一次线圈的电压波形和在输入变压器产生的磁通的说明图。

图7是作为本发明的一实施方式的电力转换装置中的各部分的电流波形的说明图。

图8是作为本发明的一实施方式的电力转换装置中的输入变压器的一次线圈的电压波形和在输入变压器产生的磁通的说明图。

具体实施方式

[系统构成]

图1是作为本发明的一实施方式的电力转换装置的框图。

作为三相交流电源的主电源102供给用于驱动感应电动机103的电力。通过主开关104，输入变压器105的一次线圈106与主电源102连接。在输入变压器105中设置有多个二次线圈107a、107b、107c、107d、107e及107f，各个二次线圈107a～107f分别连接单元逆变器108a、108b、108c、108d、108e及108f。在图1的电力转换装置101中，每一相串联连接两个单元逆变器，两个单元逆变器以三组星形的形式连接，并输出三相交流电压。

另一方面，不同于主电源102的作为三相交流电源的辅助电源109，经由初始充电用电阻器110、辅助开关111和线圈连接部112而与输入变压器105的三次线圈113连接。

辅助电源109与主电源102相比，供给低压的三相交流电力。

初始充电用电阻器110是用于限制在单元逆变器108a～108f的内部所设置的平滑电容器中流过的电流的限流电阻。

线圈连接部112是用于使从主电源102输出的三相交流电压和从辅助电源109输出的三相交流电压的相位匹配的开关，根据需要也进行三角形/星形转换。

单元逆变器108a是第一单元逆变器的一例，将一端与感应电动机103这一负载连接，并生成可变频率的单相交流电压。

单元逆变器108b是第二单元逆变器的一例，与单元逆变器108a串联连接，并生成频率及相位与单元逆变器108a相等的单相交流电压。

单元逆变器108c是第三单元逆变器的一例，将一端与感应电动机103这一负载连接，并生成频率与单元逆变器108a相等且相位与单元逆变器108a不同的单相交流电压。

单元逆变器108d是第四单元逆变器的一例，与单元逆变器108c串联连接，并生成频率及相位与单元逆变器108c相等的单相交流电压。

单元逆变器108e是第五单元逆变器的一例，将一端与感应电动机103这一负载连接，并生成频率与单元逆变器108a及单元逆变器108c相等且相位与单元逆变器108a及单元逆变器108c不同的单相交流电压。

单元逆变器108f是第六单元逆变器的一例，与单元逆变器108e串联连接，并生成频率及相位与单元逆变器108e相等的单相交流电压。

第一相位检测器116连接在主电源102与主开关104之间。同样地，第二相位检测器114也连接在辅助电源109与初始充电用电阻器110之间。

第一相位检测器116及第二相位检测器114与控制装置115连接。控制装置115控制主开关104、辅助开关111、线圈连接部112和单元逆变器108a～108f。

在稳定状态下，电力转换装置101的主开关104闭合，辅助开关111断开。并且，控制装置115通过向单元逆变器108a～108f供给选通脉冲信号，由此向感应电动机103施加三相交流电压，感应电动机103被旋转驱动。

图2(a)及(b)是说明单元逆变器的连接形式的图和单元逆变器的电路图。

如图2(a)所示，输出相同相位的交流电压的单元逆变器108h、108i、……108n被串联连接，由此作为整体能够输出高电压的交流电压。此时，某一单元逆变器的第一输出端子201和相邻的单元逆变器的第二输出端子202连接。正好与输出直流电压的电池的极性匹配是相同意义。

在被串联连接的各个单元逆变器108h、108i、……108n中，为使各个单元逆变器输出的交流电压的频率及相位一致，由控制装置115供给共同的选通脉冲信号。

图2(b)是单元逆变器108的电路图。

由输入变压器105的二次线圈107供给的三相交流电压被施加至由二极管D203a、D203b、D203c、D203d、D203e及D203f构成的桥式整流电路，从而被转换成脉动电流的直流电压。桥式整流电路与平滑电容器C204并联连接。由此获得的直流电压被供给至由IGBT205a、205b、205c及205d构成的全桥逆变器。从控制装置115向IGBT的栅极供给选通脉冲信号，并输出PWM控制的交流电压。

此外，在IGBT的集电极-发射极之间，为了防止由感应电动机103产生的反电动势而导致的电路元件的破坏事故，并联连接了被称为续流二极管或回流二极管的二极管D206a、D206b、D206c及D206d。

这样，从第一输出端子201和第二输出端子202生成通过选通脉冲信号控制了输出电压及频率的单相交流电压。

由以上说明可知，向被串联连接的单元逆变器供给相同相位的选通脉冲信号。

返回到图1来看，单元逆变器108a和单元逆变器108b被串联连接，形成了星型三相交流电源的第一个相。

同样地，单元逆变器108c和单元逆变器108d被串联连接，形成了星型三相交流电源的第二个相。

同样地，单元逆变器108e和单元逆变器108f被串联连接，形成了星型三相交流电源的第三个相。

为了形成三相交流的各个相，不同相位的选通脉冲信号被给予至形成相的单元逆变器。

即、向单元逆变器108a和单元逆变器108b供给的第一选通脉冲信号、向单元逆变器108c和单元逆变器108d供给的第二选通脉冲信号、以及向单元逆变器108e和单元逆变器108f供给的第三选通脉冲信号，相位分别不同。

图3是控制装置115的框图。

第一相位检测器116和第二相位检测器114的输出信号分别被供给至相位差检测部301。相位差检测部301检测主电源102输出的三相交流电压与辅助电源109输出的三相交流电压之间的相位差。连接控制部302输出对线圈连接部112的连接状态进行控制的控制信号。

控制部303接受相位差检测部301输出的相位差检测信号，并向连接控制部302输出最佳的连接图案的信息。另外，一边由计时器304进行计时，一边进行辅助开关111及主开关104的接通/断开控制。并且，在闭合主开关104之后，向选通脉冲生成部305输出用于生成适当电力的控制指令信息。

选通脉冲生成部305生成PWM控制信号并输出至构成单元逆变器108a～108f的IGBT205a、205b、205c及205d。

控制部303通过操作部306接受操作命令，通过显示部307显示动作状态。

[控制装置115的主电源102接通处理的流程]

图4是表示控制装置115的动作流程的流程图。

控制部303由操作者通过操作部306接受启动指令，开始处理(S401)，然后控制部303通过相位差检测部301检测当前的主电源102输出的三相交流电压与辅助电源109输出的三相交流电压之间的相位差，并将该相位差信息提供给控制部303(S402)。控制部303基于相位差信息，通过连接控制部302控制线圈连接部112，进行输入变压器105中的相位匹配(S403)。

若相位匹配完成，则控制部303接着对辅助开关111进行接通控制(S404)。然后启动计时器304(S405)，确认是否经过了从辅助电源109流出的电流变得充分小所需的规定时间(例如1sec)(S406)。

若在步骤S406中确认出经过了规定时间(S406的“是”)，则控制部303复位计时器304，进行断开控制(S407)，接着对主开关104进行接通控制(S408)。然后，再次启动计时器304(S409)，确认是否经过了输入变压器105同时连接(重叠)主电源102和辅助电源109所需的规定时间(例如20msec)(S410)。

若在步骤S410中确认出经过了规定时间(S410的“是”)，则控制部303对辅助开关111进行断开控制(S411)，接着复位计时器304，进行断开控制(S412)。然后，控制选通脉冲生成部305，开始电动机的控制(S413)，从而结束一系列的处理(S414)。

即、本实施方式的电力转换装置101将辅助电源109与输入变压器105连接起来(S404)，在对单元逆变器108a～108f内的平滑电容器C204进行了充电(S406的“是”)之后，不切断辅助电源109，将主电源102与输入变压器105连接起来(S408)，若经过了重叠所需的规定时间(S410的“是”)，则切断辅助电源109(S411)。

[电力转换装置101的动作]

图5是现有例的电力转换装置101中的各部分的电流波形的说明图。

图6是现有例的电力转换装置101中的输入变压器105的一次线圈106的电压波形和在输入变压器105中产生的磁通的说明图。

在现有例的电力转换装置101中，在断开辅助开关111之后，直至主开关104闭合为止留有时间(P501)。为此，在闭合主开关104时，瞬间在输入变压器105中流动较大的励磁冲击电流(P502)。

流动该励磁冲击电流的原因在于，输入变压器105的磁通饱和。参照图6说明该原理。图6的上半部分是在输入变压器105的一次线圈106中出现的电压波形，下半部分是在输入变压器105中产生的磁通的波形。

在辅助开关111闭合的期间，由于经由初始充电用电阻器110励磁，所以辅助电源109的电压(P601)被设定得比主电源102的电压(P602)略低。磁通波形比电压波形延90°。

若辅助开关111断开(P603)，则磁通在因内部时间常数而略有下降之后被保持，而维持固定值(P604)。

若以残留该磁通的状态闭合主开关104(P605)，则从此时刻起产生基于主电源102的电压的磁通(P606)，与残留的磁通(P604)进行相加运算。

通过残留磁通与基于主电源102的电压的磁通的相加运算所产生的合成磁通，在以主电源102的电压为零的定时接通了主开关104之时，表示最大值(P607)。在图6的例子中，为正常时的2倍以上。这样一来，若磁通变大，则在由通常设计作成的输入变压器105中引起磁通饱和。于是，励磁电路的阻抗急剧减少，因而结果冲击电流变大。

图7是本实施方式的电力转换装置101中的各部的电流波形的说明图。

图8是本实施方式的电力转换装置101中的输入变压器105的一次线圈106的电压波形和在输入变压器105产生的磁通的说明图。

本实施方式的电力转换装置101与现有例的不同点在于，将断开辅助开关111的定时设定在闭合主开关104之后(P701)。这样一来，能够降低闭合主开关104之后的磁通增加。参照图8说明该原理。

本实施方式的电力转换装置101在闭合主开关104的时刻(P801)，有相位与主电源102的电压同步的辅助电源109所引起的磁通(负值)(P802)。因此，即便产生了基于主电源102的磁通(P803)，也能将合成磁通(P804)抑制得比现有例低。因此，冲击电流也变小(P702)。

在本实施方式的电力转换装置101中，在向三次线圈113施加了辅助电源109时，需要使在一次线圈106中出现的电压相位与主电源102的电压的相位一致。若预先调查设备侧的辅助电源109与主电源102之间的相位关系，则可以通过三次线圈113的线圈构成使两者一致。因此，设置了第一相位检测器116、第二相位检测器114和线圈连接部112，在预先将辅助电源109与输入变压器105连接起来之前，通过控制装置115实施相位匹配。另外，在使相位匹配这一观点下，作为其前提条件而言需要使频率也一致。

在本实施方式中可实现以下的应用例。

(1)主电源102也可以是单相交流。这种情况下，在辅助电源109与输入变压器105之间，除了线圈连接部112之外，还可以通过公知的斯科特变压器等进行三相二相转换或者三相单相转换。

(2)也能由主电源102生成辅助电源109。不同于输入变压器105，另行准备输出电压低的辅助变压器，经由初始充电用电阻器110将输入变压器105的三次线圈113与辅助变压器的二次线圈连接。

(3)在前述的实施方式涉及的电力转换装置101中，在将辅助电源109与输入变压器105的三次线圈113连接起来之前，通过第一相位检测器116及第二相位检测器114检测主电源102与辅助电源109之间的相位差，为了使主电源102与辅助电源109之间的相位差在输入变压器105匹配，控制了线圈连接部112。

由共同的电源生成主电源102和辅助电源109，在直到达到输入变压器105为止介于之间的负载没有大幅度变动的情况下，能够期待主电源102与辅助电源109之间的相位差始终固定。这种情况下，不需要根据相位差来变更三次线圈113的连接状态的线圈连接部112，也可以利用与预先判明的相位差匹配的接线图案，连接辅助电源109和三次线圈113。

这种情况下，图1的线圈连接部112、图3的相位差检测部301及连接控制部302、并且图4的步骤S402及步骤S403变得不需要了(图1的省略对象A120、图3的省略对象A320及图4的省略对象A420)。

(4)也能够取代初始充电用电阻器110而设置基于斩波控制的限流电路。初始充电用电阻器110和基于斩波控制的限流电路也被称为限流部。

(5)如至今为止所说明的那样，可知条件是：辅助电源109相对于主电源102而言位相几乎一致。只要满足该条件，就可根据单相交流电源或直流电源作成辅助电源109。若是单相交流电源，则能够直接使用图2(b)的单元逆变器108。若是直流电源，则能够使用图2(b)的单元逆变器108的省略了桥式整流电路及平滑电容器C204的构成。此时，基于从第一相位检测器116获得的输出信号，作成相位与主电源102相等的三相交流电源、即辅助电源109。

在本实施方式中公开了电力转换装置101。

本实施方式的电力转换装置101预先在使辅助电源109的相位与主电源102匹配的基础上，通过在连接了主开关104之后断开与输入变压器105连接的辅助开关111，由此能够有效地抑制输入变压器105的励磁冲击电流。

以上，对本发明的实施方式例进行了说明，但是本发明并不限定于上述实施方式例，只要不脱离权利要求书记载的本发明的主旨，就包括其他变形例及应用例。

符号说明

101…电力转换装置、102…主电源、103…感应电动机、104…主开关、105…输入变压器、106…一次线圈、107…二次线圈、107a…二次线圈、108、108a、108b、108c、108d、108e、108f、108h…单元逆变器、109…辅助电源、110…初始充电用电阻器、111…辅助开关、112…线圈连接部、113…三次线圈、114…第二相位检测器、115…控制装置、116…第一相位检测器、201…第一输出端子、202…第二输出端子、205a、205b、205c、205d…IGBT、301…相位差检测部、302…连接控制部、303…控制部、304…计时器、305…选通脉冲生成部、306…操作部、307…显示部、C204…平滑电容器、D203a、D203b、D203c、D203d、D203e、D203f、D206a、D206b、D206c、D206d…二极管。

Claims (6)

1.一种电力转换装置，具备：

输入变压器，其一次线圈与交流的主电源连接，并且该输入变压器具有多个二次线圈和与辅助电源连接的一组三次线圈；

主开关，其连接在所述主电源与所述一次线圈之间；

辅助开关，其连接在所述辅助电源与所述三次线圈之间；

限流部，其连接在所述辅助电源与所述辅助开关之间；

第一单元逆变器，其在将由所述二次线圈供给的交流电源暂且转换成直流之后，通过第一选通脉冲信号的控制将该直流转换成可变频率的单相交流，并且一端与负载连接；

第二单元逆变器，其与所述第一单元逆变器串联连接，并通过所述第一选通脉冲信号的控制转换成可变频率的单相交流；和

控制装置，其控制为：闭合所述辅助开关，并在经过了规定时间之后闭合所述主开关，在经过了规定时间之后断开所述辅助开关。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，

所述主电源及所述辅助电源是三相交流电源，

所述输入变压器的所述三次线圈利用相位与连接到所述一次线圈的所述主电源一致的接线图案来与所述辅助电源连接，

所述限流部是初始充电用电阻器。

3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中，

所述电力转换装置还具备：

第三单元逆变器，其在将由所述二次线圈供给的交流电源暂且转换成直流之后，通过不同于所述第一选通脉冲信号的第二选通脉冲信号的控制将该直流转换成可变频率的单相交流，并且一端与负载连接；

第四单元逆变器，其与所述第三单元逆变器串联连接，并通过所述第二选通脉冲信号的控制转换成可变频率的单相交流；

第五单元逆变器，其在将由所述二次线圈供给的交流电源暂且转换成直流之后，通过不同于所述第一选通脉冲信号及所述第二选通脉冲信号的第三选通脉冲信号的控制将该直流转换成可变频率的单相交流，并且一端与负载连接；和

第六单元逆变器，其与所述第五单元逆变器串联连接，并通过所述第三选通脉冲信号的控制转换成可变频率的单相交流。

4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，

所述电力转换装置还具备：

线圈连接部，其连接在所述辅助开关与所述三次线圈之间，并使所述主电源和所述辅助电源的相位一致；

第一相位检测器，其检测所述主电源的相位；和

第二相位检测器，其检测所述辅助电源的相位，

所述主电源及所述辅助电源是三相交流电源，

所述限流部是初始充电用电阻器，

所述第二单元逆变器是与第一单元逆变器相同的构成，并且输出与所述第一单元逆变器相等的频率及相位的单相交流，

所述控制装置控制为：基于从所述第一相位检测器和所述第二相位检测器得到的相位比较信号，在按照所述主电源和所述辅助电源的相位在所述一次线圈中一致的方式控制了所述线圈连接部之后闭合所述辅助开关，在经过了规定时间之后闭合所述主开关。

5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其中，

所述电力转换装置还具备：

第三单元逆变器，其在将由所述二次线圈供给的交流电源暂且转换成直流之后，通过不同于所述第一选通脉冲信号的第二选通脉冲信号的控制将该直流转换成可变频率的单相交流，并且一端与负载连接；

第四单元逆变器，其与所述第三单元逆变器串联连接，并通过所述第二选通脉冲信号的控制转换成可变频率的单相交流；

第五单元逆变器，其在将由所述第二线圈供给的交流电源暂且转换成直流之后，通过不同于所述第一选通脉冲信号及所述第二选通脉冲信号的第三选通脉冲信号的控制将直流转换成可变频率的单相交流，并且一端与负载连接；和

第六单元逆变器，其与所述第五单元逆变器串联连接，并通过所述第三选通脉冲信号的控制转换成可变频率的单相交流。

6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，

所述辅助电源基于所述第一相位检测器的输出信号，由单相交流电源或直流电源作成。

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