CN109643958B - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

电力转换装置具有二极管整流器(2)、进行交流/直流转换的升降压转换器(3)、从第1～第3臂的串联连接点(61～63)向电动机(7)供给驱动电流的逆变器(6)，升降压转换器(3)具有：转换器开关元件(3a)，其与二极管整流器(2)的正极侧连接；转换器无源元件(3b)，其阳极与逆变器(6)的各臂的负极侧和二极管整流器(2)的负极侧连接，阴极与转换器开关元件(3a)连接；逆变器(6)的第1臂；直流电抗器(4)，其连接在第1臂的串联连接点(61)与转换器无源元件(3b)的阴极之间，逆变器(6)的第1臂与升降压转换器(3)共享。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及电力转换装置，特别涉及附加了高次谐波抑制功能的电力转换装置。

背景技术

近年来，随着电气设备的普及，高次谐波电流量增加，电力系统的品质降低成为问题。因此，与各系统连接的电气设备对高次谐波产生量设置了限制。接受这种现实，在各电气设备中，提出了利用电抗器和有源元件等的高次谐波对策的方法。

作为针对电力系统侧的现有的高次谐波对策，主要存在下述2个方法。

第1方法是在电源侧设置三相交流用的电抗器的方法(例如，参照专利文献1)。

第2方法是电力转换装置的前级的整流器不由二极管整流器构成、而由PWM整流器构成的方法。但是，该情况下，需要如第1方法那样在电源侧设置三相交流用的电抗器。

专利文献1所记载的电力转换装置具有与电源供给源连接的转换器电路、以及经由平滑用电容器而与转换器电路连接且对驱动对象的电动机进行驱动的逆变器电路。在专利文献1所记载的电力转换装置中，在电源供给源与转换器电路之间连接有三相的交流用电抗器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-172152号公报

发明内容

发明要解决的课题

在上述第1和第2方法中，无论在哪种方法的情况下，都需要三相的交流用电抗器，由此，存在电力转换装置的安装体积大型化这样的课题。

本发明是为了解决该课题而完成的，其目的在于，得到能够通过简易的结构抑制高次谐波、并且实现小型化的电力转换装置。

用于解决课题的手段

本发明是一种电力转换装置，其具有：二极管整流器，其由第1二极管构成，对所输入的交流电力进行整流；转换器，其将由所述二极管整流器整流后的所述交流电力转换为直流电力；以及逆变器，其具有一个以上的由串联连接的第1半导体开关元件构成的臂，使用从所述转换器输入的所述直流电力，从各所述臂的所述第1半导体开关元件的串联连接点对驱动对象设备供给驱动电流，所述转换器具有：第2半导体开关元件，其一端与所述二极管整流器的输出的正极侧连接；第2二极管，其阳极与所述逆变器的各所述臂的负极侧连接、且与所述二极管整流器的输出的负极侧连接，阴极与所述第2半导体开关元件的另一端连接；所述逆变器的一个以上的所述臂中的一个臂；以及直流电抗器，其连接在所述一个臂的所述第1半导体开关元件的所述串联连接点与所述第2二极管的所述阴极之间，所述逆变器和所述转换器共享所述逆变器的所述一个臂。

发明效果

根据本发明的电力转换装置，利用二极管整流器和转换器构成斩波器电路，因此，能够通过简易的结构实现高次谐波对策，此外，将以往使用的三相的交流电抗器置换为一个直流电抗器，因此，实现电力转换装置的小型化。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的电力转换装置的结构的结构图。

图2是本发明的实施方式1的电力转换装置的电压和电流的波形图。

具体实施方式

实施方式1

图1是示出本发明的实施方式1的电力转换装置的结构的结构图。如图1所示，电力转换装置具有三相二极管整流器2、升降压转换器3、低通滤波器(LPF：Low-Pass Filter)5、三相电压型逆变器6。

如图1所示，电力转换装置与系统电源1连接。系统电源1由商用电源、即三相交流电源构成。电力转换装置将来自系统电源1的商用三相交流电力转换为电动机7要求的三相交流电力，由此对电动机7进行驱动。这里，设电力转换装置的驱动对象为电动机7来进行说明。

在系统电源1连接有三相二极管整流器2。三相二极管整流器2对来自系统电源1的交流电力进行全波整流。三相二极管整流器2是对6个整流二极管2a～2f进行桥接而构成的。即，如图1所示，三相二极管整流器2具有3对整流二极管(2a、2b)、(2c、2d)、(2e、2f)，构成各对的2个整流二极管串联连接。此外，在各对的串联连接点21、22、23连接有系统电源1的各相R、S、T。

另一方面，三相电压型逆变器6与电动机7连接。三相电压型逆变器6由6个半导体开关元件6a～6f(以下设为逆变器开关元件6a～6f。)和平滑电容器8构成。逆变器开关元件6a、6c、6e设置在上侧，逆变器开关元件6b、6d、6f设置在下侧。此外，逆变器开关元件6a、6b串联连接，构成第1臂。同样，逆变器开关元件6c、6d串联连接，构成第2臂。此外，同样，逆变器开关元件6e、6f串联连接，构成第3臂。这3个臂并联连接。此外，从第1～第3臂的串联连接点61～63向电动机7供给驱动电流。另外，第1臂、第2臂、第3臂分别对应于电动机7的U相、V相、W相。平滑电容器8的一端与各臂的正极侧连接，平滑电容器8的另一端与各臂的负极侧连接。此外，第1～第3臂也可以由1个半导体开关模块形成。

升降压转换器3经由低通滤波器5而与三相二极管整流器2连接。升降压转换器3将由三相二极管整流器2整流后的三相交流电力转换为直流电力。此外，升降压转换器3对从三相二极管整流器2输入的交流电压进行升降压。如图1所示，升降压转换器3由转换器开关元件3a、转换器无源元件3b、直流电抗器(DCL)4、平滑电容器8、第1臂的逆变器开关元件6a、6b构成。

这样，本实施方式1的电力转换装置的一个特征在于，在升降压转换器3和三相电压型逆变器6中共享第1臂。这样，在本实施方式1中，第1臂具有转换器的功能和逆变器的功能。

在升降压转换器3中，转换器无源元件3b由二极管构成。转换器无源元件3b的阳极与第1臂的负极侧连接。进而，转换器无源元件3b的阳极还经由低通滤波器5而与三相二极管整流器2的输出的负极侧连接。转换器无源元件3b的阴极与转换器开关元件3a的一端连接。转换器开关元件3a的另一端经由低通滤波器5而与三相二极管整流器2的输出的正极侧连接。转换器开关元件3a例如由MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等半导体功率器件构成。此外，直流电抗器4连接在转换器无源元件3b的阴极与第1臂的串联连接点61之间。

在本实施方式1中，三相二极管整流器2、直流电抗器4、升降压转换器3的转换器开关元件3a和三相电压型逆变器6的逆变器开关元件6b构成斩波器电路部。

此外，如图1所示，电力转换装置具有对三相电压型逆变器6的逆变器开关元件6a～6f和转换器开关元件3a的接通/断开进行控制的开关控制电路11。

接着，使用图1和图2对本发明的实施方式1的电力转换装置的动作进行说明。图2是使实施方式1的斩波器电路部进行动作的情况下的动作波形图。

在图1中，系统电源1的交流电力由三相二极管整流器2进行整流，该整流后的交流电力被输入到斩波器电路部。在斩波器电路部中，通过升降压转换器3的转换器开关元件3a的开关、三相电压型逆变器6的第一臂的下侧的逆变器开关元件6b的开关对上述交流电力的输入电压进行升降压，上述交流电力被转换为直流电力。该直流电力被输出到平滑电容器8。

通过输出到平滑电容器8的直流电力对三相电压型逆变器6进行驱动。即，通过开关控制电路11对逆变器开关元件6a～6f的接通/断开进行控制，由此产生交流电力。这样，该交流电力被输出到电动机7，对电动机7进行驱动。

如图2所示，针对系统电源1的各相的相电压9，设相电流10为120°通电电流波形，由此实现实施方式1的高次谐波抑制方法。

作为该方法，对升降压转换器3的转换器开关元件3a的接通/断开的开关进行控制，由此，对施加给直流电抗器4的电压进行控制，将流过直流电抗器4的电流控制成直流固定量。

当流过直流电抗器4的电流成为固定电流时，虽然包含高频成分，但是，关于针对升降压转换器3的输入电流，流过直流成分为支配性的电流。因此，三相二极管整流器2的输出侧的电流在低通滤波器5中通过，去除高频成分，因此，成为与流过直流电抗器4的电流相似形的直流固定电流。下面，对其进行详细说明。

如上所述，第1臂的逆变器开关元件6a、6b在升降压转换器3和三相电压型逆变器6中共享。这样共享的臂的逆变器开关元件6a、6b通过正弦波比较PWM控制，非对称地进行接通/断开动作，以进行针对电动机7的交流电压输出。即，在逆变器开关元件6a接通时，逆变器开关元件6b断开，在逆变器开关元件6a断开时，逆变器开关元件6b接通。伴随该动作，在逆变器开关元件6b接通时，在直流电抗器4中蓄积磁能。另一方面，在开关元件6a接通时，该磁能经由开关元件6a的逆并联连接的二极管供给到平滑电容器8。该动作是对施加给转换器无源元件3b的平均电压进行升压并将其供给到平滑电容器8的动作，依赖于逆变器开关元件6b的导通比来决定升压比。

另一方面，施加给转换器无源元件3b的平均电压由转换器开关元件3a的导通比来决定。因此，通过对转换器开关元件3a的导通比进行控制，施加给转换器无源元件3b的平均电压成为对三相二极管整流器2的直流输出平均电压进行降压后的值。

根据以上内容，由转换器开关元件3a和转换器无源元件3b构成的臂进行降压动作，由逆变器开关元件6a、6b构成的臂进行升压动作，因此，通过这2个臂的动作，实现输入电压的升降压动作。此外，各个臂的动作是独立动作，不需要对接通/断开的定时进行同步。

通过对升降压转换器3的转换器开关元件3a的接通/断开的开关进行控制，从而对施加给直流电抗器4的电压进行控制，并对流过直流电抗器4的电流进行控制，由此，进行高次谐波抑制。

即，当进行转换器开关元件3a的接通/断开的开关控制时，升降压转换器3的输入电流成为在流过直流电抗器4的电流量中加入开关频率等各种成分而得到的电流值。因此，通过前级的低通滤波器5使直流成分以外的频率成分截止，对流过直流电抗器4的电流进行控制，以使得三相二极管整流器2的输出电流能够成为固定直流电流量。

这样，当三相二极管整流器2的输出侧的电流成为直流固定电流时，三相二极管整流器2进行与负载为固定电流源的情况相同的动作。因此，各相的输入电流成为120°通电波形。即，如图2所示，系统电源1的各相的相电流10在系统电源1的各相的相电压9最大或最小附近的120°区间内导通，在导通时，流过与母线电流(直流电抗器4的电流)相同的电源电流。因此，通过对母线电流进行控制，能够对系统电源1的各相的相电流10进行控制。因此，与仅使用三相二极管整流器2的电容器输入型相比，能够减少高次谐波。

此外，在本实施方式中，通过提高开关频率，由于转换器开关元件3a的开闭而产生的电流波纹较小，因此，能够更加细致地对电流波形进行控制。

另外，这里，在本实施方式中，仅在120°区间内导通的理由是，在本实施方式中，使用对二极管进行桥接而得到的三相二极管整流器2作为整流器。在使用由二极管构成的整流器的情况下，电源的各相与有无斩波器电路无关，在相电压最大或最小附近的120°区间内通电，但是，在除此以外的60°区间即零交叉附近的±30°内不通电。另一方面，作为整流器，在使用对IGBT这种开关元件进行桥接而得到的整流器的情况下，电源的各相的电流波形被控制成大致正弦波，因此，在零交叉附近也通电，在180°区间内通电。此外，例如，在如感应马达那样不对三相电源进行整流而加以利用的情况下，也在180°区间内通电。

如上所述，在以抑制高次谐波为目的的情况下，在现有的电力转换装置中，一般使用三相的交流电抗器，但是，在本实施方式1中，代替设置三相的交流电抗器，而仅使用一个直流电抗器4即可，因此，实现电力转换装置的小型化。

此外，在本实施方式1中，在斩波器电路部中使用升降压转换器3。升降压转换器3与一般的反转型的升降压斩波器相比，施加给转换器开关元件3a和转换器无源元件3b的电压较低，因此，能够使用低耐压器件。由此，使用本实施方式1所示的电力转换装置，例如在设计电梯驱动用控制盘时，能够期待安装面的小型化。

此外，能够通过升降压转换器3进行升降压动作，因此，能够结合电动机7的额定电压对三相电压型逆变器6的输出进行PAM控制，三相电压型逆变器6的输出控制的自由度提高。

此外，在实施方式1中，为了进一步附加高次谐波抑制功能，也可以在电源系统侧追加连接LPF。

实施方式1的电力转换装置例如能够应用于电梯的驱动装置、自动扶梯等乘客输送机的驱动装置、空调机、产业用工作设备等各种领域的装置。

如上所述，本实施方式1的电力转换装置具有：三相二极管整流器2，其由多个整流二极管2a～2f(第1二极管)构成，对所输入的交流电力进行整流；升降压转换器3，其将由三相二极管整流器2整流后的交流电力转换为直流电力；以及三相电压型逆变器6，其具有第1～第3臂，该第1～第3臂分别由串联连接的2个逆变器开关元件6a～6f(第1半导体开关元件)构成，该三相电压型逆变器6使用从升降压转换器3输入的直流电力，从各臂的逆变器开关元件的串联连接点61～63向驱动对象设备的电动机7供给驱动电流。此外，升降压转换器3具有：转换器开关元件3a(第2半导体开关元件)，其一端与三相二极管整流器2的输出的正极侧连接；转换器无源元件3b(第2二极管)，其阳极与三相电压型逆变器6的各臂的负极侧和三相二极管整流器2的输出的负极侧连接，阴极与转换器开关元件3a的另一端连接；三相电压型逆变器6的第1臂；以及直流电抗器4，其连接在第1臂的串联连接点61与转换器无源元件3b的阴极之间。

这样，三相电压型逆变器6的第1臂在三相电压型逆变器6和升降压转换器3中共享。部件数量相应减少，能够缩小电力转换装置的基板，实现电力转换装置整体的小型化。

此外，在本实施方式1中，利用三相二极管整流器2、直流电抗器4、升降压转换器3的转换器开关元件3a和三相电压型逆变器6的逆变器开关元件6b构成PFC升高压斩波器电路部，因此，能够通过简易的结构实现针对电力系统侧的高次谐波对策。

此外，在本实施方式1中，将以往使用的三相的3个交流电抗器置换为一个直流电抗器4，因此，能够缩小电力转换装置的基板，实现电力转换装置整体的小型化。

此外，在本实施方式1中，作为转换器，使用具有升降压功能的升降压转换器3，因此，能够在转换器中进行升降压，因此，不需要以往系统电压所需要的变压用变压器，进一步实现小型化。

进而，在本实施方式1中，使用升降压转换器3，因此，升降压转换器与一般的反转型的升降压斩波器相比，施加给转换器开关元件3a和转换器无源元件3b的电压较低，因此，能够使用低耐压器件，因此实现成本削减。

此外，在本实施方式1中，也可以将三相电压型逆变器6的第1～第3臂构成为一个半导体开关模块。该情况下，实现电力转换装置的进一步小型化。

本实施方式1的电力转换装置如上所述实现小型化，因此，在安装于电梯等的各种系统的情况下，能够使安装空间具有自由度。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，其具有：

二极管整流器，其由第1二极管构成，对所输入的交流电力进行整流并输出整流后的电力；

转换器，其将由所述二极管整流器整流后的所述整流后的电力转换为升降压后的电力；以及

逆变器，其具有一个以上的由串联连接的第1半导体开关元件构成的臂，并具有连接一个以上的所述臂的两端的平滑电容器，使用由所述转换器升降压并输出到所述平滑电容器的直流电力形成交流电力，从各所述臂的所述第1半导体开关元件的串联连接点对驱动对象设备供给驱动电流，

所述转换器具有：

第2半导体开关元件，其一端与所述二极管整流器的输出的正极侧连接；

第2二极管，其阳极与所述逆变器的各所述臂的负极侧连接、且与所述二极管整流器的输出的负极侧连接，阴极与所述第2半导体开关元件的另一端连接；

所述逆变器的一个以上的所述臂中的一个臂；以及

直流电抗器，其连接在所述一个臂的所述第1半导体开关元件的所述串联连接点与所述第2二极管的所述阴极之间，

所述逆变器和所述转换器共享所述逆变器的所述一个臂；

其中，由所述第2半导体开关元件和所述第2二极管构成的臂进行降压动作，由所述逆变器的所述一个臂进行升压动作；通过对所述第2半导体开关元件的接通/断开的开关进行控制，从而对施加给所述直流电抗器的电压进行控制，并对流过所述直流电抗器的电流进行控制。

2.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有开关控制电路，该开关控制电路对所述第1半导体开关元件和所述第2半导体开关元件的接通/断开动作进行控制，

所述开关控制电路通过所述第2半导体开关元件的开关控制，对施加给所述直流电抗器的电压进行控制，将流过所述直流电抗器的电流控制成直流固定量。

3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，

一个以上的所述臂由一个半导体开关模块构成。

4.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，

所述转换器由升降压转换器构成，该升降压转换器对通过所述二极管整流器整流后的交流电压进行升降压。

5.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中，

所述转换器由升降压转换器构成，该升降压转换器对通过所述二极管整流器整流后的交流电压进行升降压。

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