CN104885358A - 逆变器装置 - Google Patents

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Abstract

逆变器装置具备3相逆变器，其各相包括高电位侧的开关元件以及低电位侧的开关元件；控制部，其能够对该开关元件的接通、断开的切换进行2相调制控制；功率因数运算部，其运算负载的功率因数；以及判定部，其判定由功率因数运算部运算出的功率因数是否比预先设定的阈值低。控制部输出向开关元件的接通、断开控制指令，以使得按照在运算出的功率因数在阈值以上的情况下，进行针对2相调制控制中的停止相以外的2相使接通期间或者断开期间的中心时刻移位180度的相移，在运算出的功率因数小于阈值的情况下，不进行相移的方式进行2相调制控制。

Description

逆变器装置
技术领域
本发明涉及逆变器装置，详细而言涉及适合以2相调制控制驱动感应电机的逆变器装置。
背景技术
在驱动3相交流电机情况下，一般进行利用将从直流电源供给的直流电流转换为3相(U相、V相、W相)的交流电流的逆变器装置，以开关控制(PWM(Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制)控制)进行驱动。在逆变器装置中，利用与直流电源并联连接于逆变器电路的输入侧的平滑电容器对输入电流进行平滑化。
在驱动3相交流电机的情况下，在总是进行各相的开关动作的3相调制控制中，开关损耗较大。为了降低开关损耗，存在总是不对某一相进行开关动作的2相调制控制方式。在基本的2相调制控制方式中，开关动作未停止的2相的开关元件接通的期间的中心时刻和断开的期间的中心时刻一致。例如，在停止W相的开关元件的开关动作而进行U相以及V相的开关元件的开关动作的情况下，控制电压的时间图如图4的(a)所示。
另外，在2相调制控制方式中，在将电压保持为高电位电平或者低电位电平的期间(开关动作停止期间)的开始和结束的时刻，各相的电压值急剧地变化，所以成为电流脉动(ripple)增大的重要因素。而且，在2相调制控制方式中，在电压的峰值时刻不进行开关动作的情况下和在电流的峰值时刻不进行开关动作的情况下，各相的电压的变化如图5以及图6所示那样不同。
若比较图5的在电压的峰值处不进行开关动作的情况和图6的在电流的峰值处不进行开关动作的情况，则与在电压的峰值处不进行开关动作的情况相比，在电流的峰值处不进行开关动作的情况下的开关动作停止期间的开始和结束的时刻的电压的变化比例较大。因此，在2相调制控制方式中尽量将不进行开关动作的期间(开关动作停止期间)设定在各相的电流峰值时刻。
另外，在驱动3相交流电机的2相调制控制方式的逆变器装置中，为了降低在平滑电容器产生的脉动电流，提案有使将进行PWM控制的2相中的一相的开关元件接通或者断开的期间的中心时刻如图4(b)所示那样相移π(180度)。参照专利文献1。此外，π为PWM载波周期2π的一半的值。
专利文献1:日本特开2003－33042号公报
在2相调制控制方式中，为了减少开关损耗，以尽量在各相的电流峰值时刻不进行开关动作的方式控制开关元件。如果功率因数为1则电流的峰值与电压的峰值变为相同时刻，但在功率因数较低时，电压与电流的峰值错开。
在3相交流电机为感应电机的情况下，在功率因数比1低的条件下、例如功率因数为0.7～0.8的范围内，也被频繁地使用。然而，在功率因数过低的情况下，若进行相移，则反而平滑电容器的脉动电流增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在以2相调制控制方式控制感应电机的情况下，能够降低在设置于逆变器电路的输入侧的平滑电容器产生的脉动电流，能够实现平滑电容器的小型化、低成本化的逆变器装置。
用于实现上述目的一方式是提供一种具备各相包括高电位侧的开关元件以及低电位侧的开关元件的3相逆变器、和能够对上述开关元件的接通、断开的切换进行2相调制控制的控制部的逆变器装置。逆变器装置具备运算负载的功率因数的功率因数运算部、和判定由上述功率因数运算部运算出的功率因数是否比预先设定的阈值低的判定部。上述控制部输出向上述开关元件的接通、断开控制指令，以使得按照在由上述判定部判定为上述运算出的功率因数在上述阈值以上的情况下，进行针对2相调制控制中的停止相以外的2相使接通期间的中心时刻或者断开期间的中心时刻移位180度的相移，在由上述判定部判定为上述运算出的功率因数小于上述阈值的情况下，不进行相移的方式进行2相调制控制。
附图说明
图1是一实施方式的逆变器装置的电路图。
图2是说明控制部的作用的流程图。
图3是表示与控制方法对应的功率因数与电容器脉动电流之间的关系的图。
图4的(a)是表示2相调制控制中的3相的控制电压的时间图，(b)是表示2相调制以及相移控制中的3相的控制电压的时间图。
图5是表示在电压的峰值处不进行开关动作的情况下的电流以及电压的变化的图。
图6是表示在电流的峰值处不进行开关动作的情况下的电流以及电压的变化的图。
具体实施方式
以下，根据图1～图3，对逆变器装置的一实施方式进行说明。
如图1所示，逆变器装置10具备与作为直流电源的电池11连接的3相逆变器12和作为控制部的控制器13。3相逆变器12包括构成各相的高电位侧的开关元件Q1、Q3、Q5以及低电位侧的开关元件Q2、Q4、Q6。控制器13能够对高电位侧的开关元件Q1、Q3、Q5以及低电位侧的开关元件Q2、Q4、Q6的接通、断开的切换进行2相调制控制。
各开关元件Q1～Q6例如使用MOSFET。在3相逆变器12中，第1以及第2开关元件Q1、Q2串联连接，第3以及第4开关元件Q3、Q4串联连接，第5以及第6开关元件Q5、Q6串联连接。
第1、第3以及第5开关元件Q1、Q3、Q5的漏极与电源输入用的正输入端子14连接，第2、第4以及第6开关元件Q2、Q4、Q6的源极与电源输入用的负输入端子15连接。在正输入端子14以及负输入端子15间，平滑电容器16和电池11并联连接。
在开关元件Q1～Q6的漏极-源极间，分别反向并联连接有二极管D1～D6。第1、第3以及第5开关元件Q1、Q3、Q5以及与各第1、第3以及第5开关元件Q1、Q3、Q5连接的二极管D1、D3、D5的组分别被称为上臂。另外，第2、第4以及第6开关元件Q2、Q4、Q6以及与第2、第4以及第6开关元件Q2、Q4、Q6连接的二极管D2、D4、D6的组分别被称为下臂。
开关元件Q1、Q2之间的接合点与U相端子U连接，开关元件Q3、Q4之间的接合点与V相端子V连接，开关元件Q5、Q6之间的接合点与W相端子W连接。3相逆变器12经由U相端子U、V相端子V、W相端子W与3相感应电机30连接来被使用。
在3相逆变器12和经由U相端子U、V相端子V以及W相端子W与3相逆变器12连接的3相感应电机30之间设置有电流传感器17a、17b以及电压传感器18a、18b。电流传感器17a、17b对供给至3相感应电机30的3相的电流Iu、Iv、Iw中的2相(在该实施方式中为U相以及W相)的电流Iu、Iw的电流值进行检测。电压传感器18a对U相及V相间的线电压进行检测，电压传感器18b对V相及W相间的线电压进行检测。另外，在3相感应电机30中设置有对该电机30的旋转轴(未图示)的位置、即旋转角度进行检测的角度传感器19。
控制器13具备CPU20以及存储器21。控制器13构成对负载的功率因数进行运算的功率因数运算部、和判定由功率因数运算部运算出的功率因数是否比预先设定的阈值低(小)的判定部。另外，控制器13构成控制信号生成·输出部，该控制信号生成·输出部将U相、V相、W相中的1相的开关元件依次保持为接通或者断开，生成以及输出针对剩余的2相的开关元件的PWM控制信号。功率因数运算部、判定部、控制信号生成·输出部并不是由硬件构成，而是由基于存储在存储器21中的程序的软件构成。
CPU20使用电流传感器17a、17b以及电压传感器18a、18b的检测信号来对作为负载的3相感应电机30的功率因数进行运算。功率因数通过公知的方法来运算。
在存储器21中存储有在进行3相感应电机30的2相调制控制时，将停止相的停止期间设定成夹着电流的峰值来进行的控制程序。存储器21存储有对2相调制控制加入针对停止相以外的2相使开关元件的接通期间的中心时刻或者断开期间的中心时刻移位180度的相移后的2相调制控制的控制程序、和不进行相移的2相调制控制的控制程序。这些2相调制控制的控制程序与公知的控制程序基本相同。
另外，在存储器21中存储有如下的控制程序：在进行2相调制控制时，对负载的功率因数进行运算，判定运算出的功率因数是否比预先设定的阈值低(小)，按照如果功率因数在阈值以上，则进行针对2相调制控制中的停止相以外的2相使接通期间或者断开期间的中心时刻移位180度的相移，如果功率因数小于阈值，则不进行相移的方式进行2相调制控制。
将阈值的值设定成比较仅以2相调制控制来控制3相逆变器12的情况下和对2相调制控制加入相移来控制3相逆变器12的情况下的功率因数与电容器脉动电流之间的关系从而两情况下的电容器脉动电流的值变得相同的功率因数以上的值。而且，阈值的值例如根据逆变器装置10控制的负载即3相感应电机30的规格来设定。
接下来，对如上述那样构成的逆变器装置10的作用进行说明。
逆变器装置10例如被搭载于叉车。分别利用配线将3相逆变器12的正输入端子14与电池11的正端子连接，将负输入端子15与电池11的负端子连接。逆变器装置10以输出端子、即U相端子U、V相端子V、W相端子W与3相感应电机30连接的状态被使用。
控制器13以将停止相的停止期间设定成夹着电流的峰值的2相调制控制、和对该2相调制控制加入相移后的2相调制控制中的任意一个来控制3相逆变器12并驱动3相感应电机30。而且，进行哪个控制根据3相感应电机30的驱动时的功率因数来决定。2相调制控制的方法以及对2相调制控制加入相移后的控制方法本身能够使用公知的方法来进行。
接下来，根据图2的流程图，对控制方法进行说明。
控制器13在步骤S1中根据在3相感应电机30中流动的电流以及电压来运算功率因数。功率因数的运算使用电流传感器17a、17b的检测信号以及电压传感器18a、18b的检测信号来进行。控制器13在步骤S2中进行功率因数是否在预先设定的阈值以上的判定。如果功率因数在阈值以上，则控制器13进入步骤S3，进行相移控制、即加入相移后的2相调制控制。如果在步骤S2中功率因数小于预先设定的阈值，则控制器13进入步骤S4，控制器13进行不进行相移的2相调制控制。
控制器13基于由角度传感器19检测出的3相感应电机30的旋转角和电流传感器17a、17b的检测信号，运算进行2相调制控制的情况下的停止相的停止期间、停止相以外的其它2相的2相调制电压指令值。而且，控制器13在进行步骤S3的相移控制的情况下，对一个相的开关元件基于通常的2相调制电压指令值来输出输出电压指令，对另一相的开关元件，使相位相对于一个相错开180度(π)后输出输出电压指令。另外，控制器13在进行步骤S4的不进行相移的2相调制控制的情况下，运算停止相以外的其它2相的2相调制电压指令值，基于该2相调制电压指令值对各相输出输出电压指令。
图3表示将停止相的停止期间设定在电流的峰值时刻来进行2相调制控制的情况下(无相移)、和进行对该2相调制控制加入相移后的2相调制控制的情况下(有相移)的、功率因数与电容器脉动电流之间的关系。此外，作为参考，进行对不将停止相的停止期间设定在电流的峰值时刻的2相调制控制加入相移后的2相调制控制的情况下的、功率因数与电容器脉动电流之间的关系也示于图3。此外，在图3中，单点划线表示有相移的情况，双点划线表示无相移的情况，实线表示参考例。
如在图3中作为参考例表示的那样，示出不将2相调制的不进行开关动作的期间、即停止相的停止期间设定在电流的峰值时刻来进行进行了180度相移的2相调制控制的情况下的电容器脉动电流。在该情况下，可知电容器脉动电流在功率因数为1的情况下最小，伴随着功率因数的降低(减少)，电容器脉动电流增加。
另一方面，利用双点划线示出将2相调制的不进行开关动作的期间、即停止相的停止期间设定在电流的峰值时刻来进行不进行相移的2相调制控制的情况下的电容器脉动电流。在该情况下，可知电容器脉动电流在功率因数为1的情况下最大，伴随着功率因数的降低(减少)而减少。而且，可知功率因数为1的情况下的电容器脉动电流比参考例的情况下的电容器脉动电流大，但若功率因数从大致0.9起变小，则变得比参考例的情况小。
另外，在将停止相的停止期间设定在电流的峰值时刻来进行进行了180度相移的2相调制控制的情况下，电容器脉动电流在功率因数1处与参考例相同，并且伴随着功率因数的降低而增加。然而，功率因数从1至大致0.8，电容器脉动电流几乎不增加，若功率因数从大致0.8起变低，则增加比例变大。而且，可知若与将停止相的停止期间设定在电流的峰值时刻来进行不进行相移的2相调制控制的情况相比，则功率因数从1至大致0.66，与不进行相移的2相调制控制相比，电容器脉动电流较小。
因此，能够确认在将停止相的停止期间设定在电流的峰值时刻来进行2相调制控制的情况下，根据功率因数来判定是否进行相移，判定功率因数是否比预先设定的阈值低，如果功率因数在阈值以上，则进行相移，如果小于阈值，则不进行相移即可。
根据该实施方式，能够获得以下所示的效果。
(1)逆变器装置10具备3相逆变器12、和能够对3相逆变器12的各相的高电位侧的开关元件Q1、Q3、Q5以及低电位侧的开关元件Q2、Q4、Q6的接通、断开的切换进行2相调制控制的控制部(控制器13)。另外，逆变器装置10具备对负载的功率因数进行运算的功率因数运算部、和判定由功率因数运算部运算出的功率因数是否比预先设定的阈值低的判定部。控制部输出向开关元件的接通、断开控制指令，以使得按照如果运算出的功率因数在阈值以上，则进行针对2相调制控制中的停止相以外的2相使接通期间的中心时刻或者断开期间的中心时刻移位180度的相移，如果运算出的功率因数小于阈值，则不进行相移的方式进行2相调制控制。因此，在以2相调制控制方式控制感应电机的情况下，能够使在设置于3相逆变器12的输入侧的平滑电容器16产生的脉动电流减少，能够实现平滑电容器16的小型化、低成本化。
(2)2相调制控制中的停止相的停止期间被设定成夹着电流的峰值时刻。阈值被设定成比较仅以2相调制控制来控制3相逆变器12的情况下和对2相调制控制加入相移来控制3相逆变器12的情况下的功率因数与电容器脉动电流之间的关系从而两情况下的电容器脉动电流变得相同的功率因数的值以上的值。因此，在设定阈值时，通过试验或仿真利用逆变器装置10驱动负载来进行设定，所以即使在功率因数较低的状态下驱动负载也能够减少电容器脉动电流。
实施方式并不限定于上述实施方式，例如也可以如下那样具体化。
○为了使成为进行2相调制控制时是否进行相移的判定基准的阈值具有滞后，而可以设定为阈值具有死区。“具有死区”意味着：夹着阈值且在规定范围，在一旦达到阈值从而控制方法被切换了的情况下，即使切换后的功率因数小于阈值，从阈值至超过规定范围为止不进行控制方法的切换。在负载的功率因数在2相调制控制的条件切换的阈值的附近进行的情况下，若单纯通过功率因数是否在阈值以上来切换2相调制控制和加入了相移的控制，则产生振荡，因而不优选。然而，在阈值被设定为具有死区的情况下，能够抑制或避免振荡的产生。
○也可以使存储器21存储3相感应电机30的转速以及电流量的变化和功率因数的变动经过，根据过去的变动历史记录和在当前时刻所检测出的电机30的转速以及检测电流值来运算功率因数。
○功率因数的运算并不限于每次使用电流传感器17a、17b以及电压传感器18a、18b的检测信号来运算功率因数的方法。例如，也可以通过试验或者仿真求出功率因数、3相感应电机30的转速和电流的关系，并作为映射预先存储于存储器21，根据电流传感器17a、17b以及角度传感器19的检测信号和映射来运算功率因数。
○也可以利用功率因数传感器来检测功率因数。
○阈值未必一定要设定成在表示功率因数与电容器脉动电流之间的关系的图中，与有相移和无相移的曲线的交点相比功率因数高的值。如果与功率因数对应的电容器脉动电流值在允许范围内，则也可以将阈值设定成与有相移和无相移的曲线的交点相比功率因数低的值。
○在使阈值具有死区的情况下，可以根据3相感应电机30的转速、电流值或者电压值来变更(增减)死区的范围(宽度)。
○逆变器装置10并不局限于在叉车中所使用的3相感应电机30的控制，也可以使用于其它电气设备中所使用的3相感应电机30的控制。

Claims (5)

1.一种逆变器装置，其中，具备：
3相逆变器，其各相包括高电位侧的开关元件以及低电位侧的开关元件；
控制部，其能够对所述开关元件的接通、断开的切换进行2相调制控制；
功率因数运算部，其运算负载的功率因数；以及
判定部，其判定由所述功率因数运算部运算出的功率因数是否比预先设定的阈值低，
所述控制部输出向所述开关元件的接通、断开控制指令，以使得按照在由所述判定部判定为所述运算出的功率因数在所述阈值以上的情况下，进行针对2相调制控制中的停止相以外的2相使接通期间或者断开期间的中心时刻移位180度的相移，在由所述判定部判定为所述运算出的功率因数小于所述阈值的情况下，不进行相移的方式进行2相调制控制。
2.根据权利要求1所述的逆变器装置，其中，
所述2相调制控制中的所述停止相的停止期间被设定成夹着电流的峰值时刻，所述阈值被设定成比较仅以2相调制控制来控制所述3相逆变器的情况下和对所述2相调制控制加入所述相移来控制所述3相逆变器的情况下的功率因数与电容器脉动电流之间的关系从而两情况下的电容器脉动电流的值变得相同的功率因数的值以上的值。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器装置，其中，
考虑滞后来设定所述阈值。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的逆变器装置，其中，
所述阈值具有死区。
5.根据权利要求4所述的逆变器装置，其中，
所述死区被设定成在一旦所述功率因数达到所述阈值从而控制方法被切换了的情况下，即使切换后的功率因数小于阈值也不进行控制方法的切换的夹着所述阈值的规定范围。
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