CN107343388A - 功率转换装置及其初始充电方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种功率转换装置及其初始充电方法，其控制在接通电源时的合闸相位角，以抑制直流电压的过电压，并且防止由过电压引起的过度充电和部件损坏的问题。将输入电压V2的峰值电压值V2m[V]、输入变压器10的初级侧和次级侧的总次级侧转换绕组电阻R[Ω]、输入变压器的初级侧和次级侧的总漏电感L[H]、电容器C[F]、电源频率f[Hz]代入数学表达式(6)中，并且从0至180°以每5°‑10°的间隔改变合闸相位角θ[°]，以获得在合闸相位角θ处的电容器电压Vc的第一半波峰值电压值(S1)。接下来，在横轴表示合闸相位角θ、纵轴表示电容器电压Vc的第一半波峰值电压值的图中，获取与输入电压V2的峰值电压值的交叉点的相位角(最佳合闸相位角θ1)(S2)。接下来，使用同步开关控制设备3，在最佳合闸相位角θ1闭合断路器1(S3)。

Description

功率转换装置及其初始充电方法
技术领域
本发明的实施例涉及一种功率转换装置及其初始充电方法。
背景技术
关于通过输入变压器从电源对逆变器进行初始充电的方法，采用使用限流电阻器或限流电抗器的传统方法。然而，从装置的紧凑化和成本降低的观点来看，采用了在不使用用于初始充电的这些部件的情况下接通电源以直接对逆变器进行充电的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开No.2004-266978
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在接通电源以直接对逆变器进行初始充电而不使用用于初始充电的上述部件的方法中，存在以下问题：在输入变压器的漏电感中产生的反电动势将不小于输入电压的峰值的电压施加到逆变器的平滑电容器，从而引起部件损坏。
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种功率转换装置及其初始充电方法，其在接通电源以直接对逆变器进行初始充电而不使用用于初始充电的部件的方法中，控制接通电源时的合闸相位角，以抑制直流电压的过电压，从而可以使用充电方法来防止过电压引起的过度充电，并且可以解决与上述的部件损坏有关的问题。
解决问题的手段
为了实现上述目的，本发明的功率转换装置的特征在于包括：输入变压器，所述输入变压器将高压电源的高压电力转换为逆变器设备所需的交流电力；断路器，所述断路器被设置在高压电源与输入变压器之间，并且闭合或断开用于将从高压电源提供的高压电力提供给输入变压器的电路；转换器部分，所述转换器部分将输入变压器所转换的交流电力转换为直流电力；平滑电容器，所述平滑电容器对转换器部分所转换的直流电力进行平滑；以及同步开关控制设备，所述同步开关控制设备检测高压电源的电压的相位角，并且在检测到的相位角达到规定的相位角的时刻控制闭合或断开断路器。
附图说明
[图1]用于说明根据本实施例的功率转换装置100的结构的图。
[图2]示出输入变压器10的次级侧等效电路和连接到输入变压器10的次级侧端子的逆变器设备20的电路结构的图。
[图3]用于说明图2所示的功率转换装置100的逆变器设备20的初始充电的图。
[图4]图3(3)所示的模型的仿真波形。
[图5]示出当“电容器电压Vc的第一半波峰值电压值>输入电压V2的峰值电压值”时，在初始充电时电容器C的直流电压Vdc、电容器电压Vc和输入电压V2之间的关系的图。
[图6]示出当“电容器电压Vc的第一半波峰值电压值＝输入电压V2的峰值电压值”时，在初始充电时电容器C的直流电压Vdc、电容器电压Vc和输入电压V2之间的关系的图。
[图7]示出当“电容器电压Vc的第一半波峰值电压值<输入电压V2的峰值电压值”时，在初始充电时电容器C的直流电压Vdc、电容器电压Vc和输入电压V2之间的关系的图。
[图8]示出获取根据本实施例的功率转换装置100中的最佳合闸相位角θ1的方法的图。
[图9]用于说明以在本实施例中设置的最佳合闸相位角θ1闭合断路器1的操作的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图来说明根据本实施例的功率转换装置100及其充电方法的操作。
实施例1
图1是用于说明根据本实施例的功率转换装置100的结构的图。功率转换装置100由断路器1、电压互感器2、同步开关控制设备3、输入变压器10、逆变器设备20等构成。
高压电源连接到断路器1的输入端子，其输出端连接到输入变压器10的初级侧端子。此外，在本实施例中，将在下面说明其中高压电源是单相交流电源的情况。
断路器1闭合或断开用于将从上述高压电源提供的高压电力提供给输入变压器10的电路。
输入变压器10的次级侧端子连接到逆变器设备20的输入端子，逆变器设备20构成根据本实施例的功率转换装置100。
同步开关控制设备3检测高压电源的电压的相位角，并且在相位角达到规定的相位角的时刻控制断路器1的闭合或断开。因此，将从高压电源提供的高压电力经由输入变压器10提供给逆变器设备20或者从逆变器设备20断开。
输入变压器10将高压电源的电压变换为低压电源的电压。以这种方式变换的电力被提供给逆变器设备20。
逆变器设备20向未示出的负载提供所需的电力。
图2示出了输入变压器10的次级侧等效电路以及连接到相关的输入变压器10的次级侧端子的逆变器设备20的电路结构。
逆变器设备20被配置为具有转换器部分21、平滑电容器C1、C2以及逆变器部分22。
转换器部分21由多个开关器件构成，并且将从输入变压器10的次级侧端子提供的交流电力转换为直流电力。构成转换器部分21的各个开关器件的栅极端子连接到控制器30，并且由相关控制器30控制，并且由此产生直流电力。
平滑电容器C1、C2是用于平滑由转换器部分21产生的直流电力的电容器，并且因此使用具有大电容的电容器。当上述转换器部分21将交流电力转换为直流电力时，构成相关转换器部分21的多个开关器件被切换，从而产生电压纹波。相关的平滑电容器C1、C2用于平滑电压纹波。
逆变器部分22以与转换器部分21相同的方式由多个开关器件构成，并且将从转换器部分21输出的直流电力转换为交流电力。构成逆变器部分22的各个开关器件的栅极端子连接到控制器30，并且由相关控制器30控制，并且由此产生负载所需的交流电力。此外，可以通过控制构成相关逆变器部分22的开关器件、根据负载基本上产生具有可选频率的交流电力。
图3是用于说明图2所示的功率转换装置100的逆变器设备20的初始充电的图。图3(1)是输入变压器10的次级侧等效电路的图和逆变器设备20的主要部分的电路图。
图3(2)是其中以上述图3(1)为模型的情况的等效电路图。R[Ω]是输入变压器10的次级绕组电阻和被转换为次级侧的初级绕组电阻的和。L[H]是输入变压器10的次级侧漏电感和被转换为次级侧的初级侧漏电感的和。结果，被转换为输入变压器10的次级侧的总阻抗ZL可以由下面描述的数学表达式(1)来表示。
ZL＝R+j·ω·L…(1)
此外，可以使用二极管电桥21a来表示转换器部分21。
图3(3)是其中通过省略上述图3(2)所示的二极管电桥21a来简化图3(2)的情况的等效电路图。输入变压器10的次级端电压V2可以使用该等效电路由下述数学表达式(2)来表示。
V2＝V2m·sin(ωL+θ)
＝L·(di/dt)+R·i+(1/C)·∫i(dt)…(2)
流过电容器C的电荷q与电容器C的电压Vc之间的关系由数学表达式(3-1)来表示，流过电容器C的电流I由下述数学表达式(3-2)来表示。
q＝C·Vc…(3-1)
Vc＝q/C
＝(1/C)·∫i(dt)
i＝C·(dVc/dt)…(3-2)
将数学表达式(3-2)代入数学表达式(2)中，由此得到下述数学表达式(4)。
V2＝L·C·(d2Vc/dt2)+R·C·(dVc/dt)+Vc…(4)
数学表达式(4)表示在电阻器R、电感L和电容器C彼此串联的情况下与电容器C的电压Vc相关的微分方程式，并且该微分方程式的解是稳定电压Vc1和瞬变电压Vc2的和，由下述数学方程式(5)来表示。
Vc＝Vc1(稳定电压)+Vc2(瞬变电压)…(5)
稳定电压Vc1表示与输入电压V2同步的振动电压。另一方面，瞬变电压Vc2是在振动时衰减的电压。电容器电压Vc由作为上述稳定电压Vc1和瞬变电压Vc2之和的电压来表示，并由下述数学表达式(6)来表示。
Vc＝Vc1(稳定电压：A1·sin(ωt+x+y+θ))+Vc2(瞬变电压：eαt·(A2·cos(βt+x+θ)+A3·cos(βt-y–θ)))…(6)
数学表达式(6)中所示的A1、x、y、θ、α、β由下述数学表达式(7)来表示。
x＝tan-1(ω-β)/α,y＝tan-1(ω+β)/α
此外，数学表达式(6)表示电容器电压Vc，并且根据该数学表达式(6)显而易见的是，电容器电压Vc是稍后说明的电源合闸相位角(以下称为合闸相位角)θ的函数，并且合闸相位角θ变化，由此电容器电压Vc变化。在稍后说明的图5-图8等的说明中，由于上述原因，电容器电压Vc表示取决于合闸相位角θ的不同电压值。
图4示出了图3(3)所示的模型的仿真波形。仿真条件如下所述。
V2＝894[Vrms]
R＝44.9[mΩ]
L＝1.29[mH]
C＝3200[μF]
f＝50[Hz]
θ＝0°
图4(1)示出了在上述仿真条件时由数学表达式(4)表示的电容器电压Vc的电压波形，并且成为如上所述的作为稳定电压Vc1和瞬变电压Vc2之和的电压的波形。
图4(2)示出了在上述仿真条件时由数学表达式(2)表示的输入电压V2和由数学表达式(6)表示的稳定电压Vc1。
图4(3)示出了在上述仿真条件时由数学表达式(6)表示的瞬变电压Vc2。
图4(4)是紧接在开始充电之后图4(1)所示的电容器电压Vc的电压波形的放大图。稍后将描述关于图4(4)的说明。
图5是示出在下述条件下在初始充电时电容器C的直流电压Vdc、电容器电压Vc和输入电压V2之间的关系的图。
条件：电容器电压Vc的第一半波峰值电压值>输入电压V2的峰值电压值
通过构成二极管电桥的整流器二极管的操作，当初始充电时的直流电压Vdc等于电容器电压Vc时，在这种情况下的初始充电时的电容器C的直流电压Vdc变为半波峰值电压值，并且由于直流电压Vdc保持不变，所以直流电压Vdc变为大于输入电压V2的峰值的电压。
作为此时的输入电流i，充电电流仅在上述初始充电时间流动，但之后(t1或以后)，由于输入电压V2变为不大于电容器C的直流电压Vdc，输入电流i不流动。
图6是示出在下述条件下在初始充电时电容器C的直流电压Vdc、电容器电压Vc和输入电压V2之间的关系的图。
条件：电容器电压Vc的第一半波峰值电压值＝输入电压V2的峰值电压值
通过构成二极管电桥的整流器二极管的操作，当初始充电时的直流电压Vdc等于电容器电压Vc时，在这种情况下的初始充电时的电容器C的直流电压Vdc变为半波峰值电压值，并且由于直流电压Vdc保持不变，所以直流电压Vdc变为几乎等于输入电压V2的峰值。
作为此时的输入电流i，以与图5的情况相同的方式，充电电流仅在上述初始充电时间流动，但之后(t2或以后)，由于输入电压V2变为不大于电容器C的直流电压Vdc，输入电流i不流动。
图7是示出在下述条件下在初始充电时电电容器C的直流电压Vdc、容器电压Vc和输入电压V2之间的关系的图。
条件：电容器电压Vc的第一半波峰值电压值<输入电压V2的峰值电压值
在这种情况下，初始充电时的电容器C的直流电压Vdc被一次充电至电容器电压Vc的第一半波峰值电压值(时刻t3)，并且当输入电压V2的绝对值变为不小于初始充电时的电容器C的直流电压Vdc时(时刻t3-t4)被再次充电。由于该充电对应于图7中电压Vdc和Vc具有初始电压的情况，所以直流电压Vdc最终被充电至大于输入电压V2的峰值的值。
此外，在时刻t3-t4期间，输入电压V2显示为负电压，但是由于通过上述二极管电桥的操作，相对于电容器C恒定地在一个方向上将输入电压V2转换为电压，当输入电压V2的绝对值超过直流电压Vdc时，电容器C2成为由相关的输入电压V2充电。
图8是示出获取根据本实施例的功率转换装置100中的最佳合闸相位角θ1的方法的图。在此，图8是其中计算了初始充电时的电容器电压Vc和电容器C的直流电压Vdc与输入电压V2的合闸相位角θ[°]的关系的图。
通过上述说明发现，直流电压Vdc变为最低值的情况是图6所示的情况，其中电容器电压Vc的第一半波峰值电压值＝输入电压V2的峰值电压值。电容器电压Vc的第一半波电压值根据电源合闸相位角θ而变化。因此，电容器电压Vc的第一半波峰值电压值＝输入电压V2的峰值电压值的情况下的θ成为最佳合闸相位角θ1。
由于难以通过分析获取最佳合闸相位角θ1，所以在θ的范围(0°≤θ≤180°)内使用上述数学表达式(6)针对合闸相位角θ的每5°来计算电容器电压Vc的第一半波峰值电压值，并且根据图8所示的曲线图获取最佳合闸相位角θ1。另外，仿真条件如下所述。
V2＝894[Vrms]
R＝44.9[mΩ]
L＝1.29[mH]
C＝3200[μF]
f＝50[Hz]
θ＝0°-180°
在本实施例的情况下，使用上述数学表达式(6)计算的在各个合闸相位角θ时的电容电压Vc的第一半波峰值电压值与输入电压V2的峰值电压值的交叉点(时刻t5)成为最佳合闸相位角θ1。在图中所示的示例的情况下，最佳合闸相位角θ1为103°。具体说明如下。
输入电压V2的峰值电压值与通过绘制电容器电压Vc的第一半波(θ＝0°-180°)的峰值电压值而获得的曲线图的交叉点(时刻t5)的相位角θ1成为最佳合闸相位角。在本实施例的情况下，如上所述，最佳合闸相位角θ1为103°。
图9是用于说明用于在本实施例中设置的最佳合闸相位角θ1下闭合断路器1的操作的流程图。
首先，将输入电压V2的峰值电压值V2m[V]、输入变压器10的初级侧和次级侧的总次级侧转换绕组电阻R[Ω]、输入变压器10的初级侧和次级侧的总漏电感L[H]、电容器C[F]、电源频率f[Hz]代入上述数学表达式(6)中，并且从0°至180°以每5°-10°的间隔改变合闸相位角θ[°]，以获得在各个合闸相位角θ[°]处的电容器电压Vc的第一半波峰值电压值(S1)。此外，合闸相位角θ[°]表示数学表达式(6)中的θ[°]。
接下来，绘制其中横轴表示合闸相位角θ、纵轴表示电容器电压Vc的第一半波峰值电压值的图，获取与输入电压V2的峰值电压值的交叉点。交叉点的合闸相位角θ为最佳合闸相位角θ1(S2)。
接下来，使用同步开关控制设备3，在最佳合闸相位角θ1闭合被连接到输入变压器10的初级侧的断路器1。在接收到闭合命令之后，同步开关控制设备3依据诸如断路器1的温度和控制电压之类的状态通过添加闭合操作时间和延迟时间来闭合断路器1(S3)。
在上述处理之后，断路器1以最佳合闸相位角θ1闭合，并且将输入电压V2提供给输入变压器10。
如上所述，根据本实施例，可以防止由超过输入电压V2的直流电压Vdc引起的过度充电，从而可以提供能够解决“本发明要解决的问题”的功率转换装置及其初始充电方法。
实施例2
已经描述了关于向断路器1供电的高压电源是单相交流电源的情况的实施例1。然而，本发明可以应用于上述高压电源是U相、V相、W相的三相交流电源的情况下的功率转换装置，其被提供有用于U相、V相、W相中的每一相的在实施例1中所述的断路器1、输入变压器10、逆变器设备20、同步开关控制设备3和控制器30。
在这种情况下，上述同步开关控制设备3针对U相、V相、W相中的每一相检测高压电源的电压的相位角，并且控制在达到每一相的规定相位角的时刻闭合或断开为上述相中每一相提供的断路器1。
断路器1的控制方法与实施例1相同。即，被连接到输入变压器10的初级侧的断路器1以每一相的上述最佳合闸相位角θ1闭合。
在上述处理之后，断路器1以最佳合闸相位角θ1闭合，并且将输入电压V2提供给输入变压器10。
如上所述，根据本实施例2，可以防止由超过输入电压V2的直流电压Vdc引起的过度充电，从而可以提供能够解决“本发明要解决的问题”的功率转换装置及其初始充电方法。
符号说明
1 断路器
2 电压互感器
3 同步开关控制设备
10 输入变压器
20 逆变器设备
21 转换器部分
22 逆变器部分
30 控制器
100 功率转换装置

Claims (6)

1.一种功率转换装置，其特征在于包括：
输入变压器，所述输入变压器将高压电源的高压电力转换为逆变器设备所需的交流电力；
断路器，所述断路器设置在所述高压电源与所述输入变压器之间，并且闭合或断开用于将从所述高压电源提供的所述高压电力提供给所述输入变压器的电路；
转换器部分，所述转换器部分将所述输入变压器所转换的所述交流电力转换为直流电力；
平滑电容器，所述平滑电容器对所述转换器部分所转换的所述直流电力进行平滑；以及
同步开关控制设备，所述同步开关控制设备检测所述高压电源的电压的相位角，并且在检测到的相位角达到规定的相位角的时刻控制闭合或断开所述断路器。
2.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于：
当所述规定的相位角是所述平滑电容器的第一半波峰值电压值与所述输入变压器的输入电压的峰值电压值一致的相位角时，所述同步开关控制设备控制闭合所述断路器。
3.根据权利要求1所述的功率转换装置，特征在于：
所述高压电源是单相交流电源。
4.一种功率转换装置，其特征在于，对于U相、V相、W相中的每一相，包括：
输入变压器，所述输入变压器将高压电源的高压电力转换为逆变器设备所需的交流电力；
所述高压电源为所述U相、所述V相、所述W相的三相交流电源；
断路器，所述断路器设置在所述高压电源与所述输入变压器之间，并且闭合或断开用于将从所述高压电源提供的所述高压电力提供给所述输入变压器的电路；
转换器部分，所述转换器部分将所述输入变压器所转换的交流电力转换为直流电力；
平滑电容器，所述平滑电容器对所述转换器部分所转换的所述直流电力进行平滑；以及
同步开关控制设备，所述同步开关控制设备检测所述高压电源的电压的相位角，并且在检测到的相位角达到规定的相位角的时刻控制闭合或断开所述断路器；
所述同步开关控制设备控制闭合或断开为所述U相、所述V相、所述W相中的每一相所提供的所述断路器。
5.一种功率转换装置的初始充电方法，所述功率转换装置包括输入变压器，所述输入变压器将高压电源的高压电力转换为逆变器设备所需的交流电力；断路器，所述断路器设置在所述高压电源与所述输入变压器之间，并且闭合或断开用于将从所述高压电源提供的所述高压电力提供给所述输入变压器的电路；转换器部分，所述转换器部分将所述输入变压器所转换的所述交流电力转换为直流电力；平滑电容器，所述平滑电容器对所述转换器部分所转换的所述直流电力进行平滑；以及同步开关控制设备，所述同步开关控制设备检测所述高压电源的电压的相位角，并且在检测到的相位角达到规定的相位角的时刻控制闭合或断开所述断路器，所述功率转换装置的初始充电方法的特征在于包括：
使用所述输入变压器的输入电压V2、所述输入变压器的初级侧和次级侧的总次级侧转换绕组电阻R[Ω]、所述输入变压器的所述初级侧和所述次级侧的总漏电感L[H]、所述平滑电容器C[F]、电源频率f[Hz]，基于规定的计算表达式，以合闸相位角θ为参数，计算在所述合闸相位角θ在0°至180°之间以规定的间隔变化时所述平滑电容器C的电压Vc；
计算所述输入电压V2的峰值电压值与所述平滑电容器C的所述电压Vc一致的合闸相位角θ1；以及
由所述同步开关控制设备在所计算的合闸相位角θ1的时刻闭合所述断路器。
6.根据权利要求5所述的功率转换装置的初始充电方法，其特征在于：所述规定的计算表达式由以下表达式(8)给出：
Vc＝A1·sin(ωt+x+y+θ)+eαt·(A2·cos(βt+x+θ)+A3·cos(βt-y-θ))...(8)
α＝-(R/2·L)，
x＝tan-1(ω-β)/α，y＝tan-1(ω+β)/α
。
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