CN110266200A - 电力转换装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电力转换装置及其控制方法。电力转换装置(10)具备：整流器(12)，其基于PWM控制信号，将交流电力转换成直流电力；电压检测部(18)，其对连接在整流器(12)的直流侧的平滑电容器(14)的电压进行检测；电容推定部(30)，其推定平滑电容器(14)的电容；电压控制部(32)，其根据推定出的电容(C)算出电压环路增益，并根据指令电压同检测出的电压的偏差、以及电压环路增益，产生控制电压(Vc)；以及PWM控制部(34)，其使用控制电压(Vc)产生PWM控制信号来控制整流器(12)。

Description

电力转换装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种将从三相交流电源供给的交流电力转换成直流电力的电力转换装置及其控制方法。
背景技术
作为电力转换装置，公开了一种装置，具备：整流器，其具有开关元件；以及PWM控制部，其产生控制整流器的开关元件的开关动作的PWM控制信号(参照日本专利特开2016-059181号公报)。
日本专利特开2016-059181号公报的PWM控制部根据整流器的交流电源侧的交流电压值和交流电流值、以及连接在整流器的直流侧的平滑电容器的直流电压，产生PWM控制信号。
发明内容
然而，一般而言，对整流器的PWM控制采用反馈控制，该反馈控制的增益(环路增益)依存于平滑电容器的电容。因此，必须准确知晓平滑电容器的电容。
但是，众所周知，平滑电容器是随着反复充放电而其电容减少的劣化部件。另外，出于供给停电时的备用能源的目的，有时与平滑电容器独立地在整流器的直流侧连接外设的电容器组件，该情况下，平滑电容器的表观的电容增加。
像这样平滑电容器的电容变动的话，则担忧无法恰当地控制平滑电容器的电压。
于是，本发明的目的在于，提供一种电力转换装置及其控制方法，即使平滑电容器的电容变化也能够恰当地控制平滑电容器的电压。
本发明的第1形态是一种电力转换装置，其将从三相交流电源供给的交流电力转换成直流电力，具备：整流器，其基于PWM控制信号，将所述交流电力转换成所述直流电力；电压检测部，其对连接在所述整流器的直流侧的平滑电容器的电压进行检测；电容推定部，其推定所述平滑电容器的电容；电压控制部，其根据推定出的所述电容算出电压环路增益，并根据指令电压与检测出的所述电压的偏差、以及所述电压环路增益，产生控制电压；以及PWM控制部，使用所述控制电压产生所述PWM控制信号来控制所述整流器。
本发明的第2形态是一种电力转换装置的控制方法，该电力转换装置将从三相交流电源供给的交流电力转换成直流电力，且所述电力转换装置具备：整流器，其基于PWM控制信号，将所述交流电力转换成所述直流电力；以及电压检测部，其对连接在所述整流器的直流侧的平滑电容器的电压进行检测；该控制方法包含：电容推定步骤，推定所述平滑电容器的电容；算出步骤，根据推定出的所述电容算出电压环路增益；产生步骤，根据指令电压同检测出的所述电压的偏差、与所述电压环路增益，产生控制电压；以及PWM控制步骤，使用所述控制电压产生所述PWM控制信号来控制所述整流器。
本发明中，根据所推定出的平滑电容器的电容算出电压环路增益，基于该算出的电压环路增益产生PWM控制信号，因此，即使平滑电容器的电容变化也能够恰当地控制该平滑电容器的电压。
上述的目的、特征及优点应可从参照附图说明的以下的实施方式的说明容易地了解。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的电力转换装置的构成的示意图。
图2是表示平滑电容器的电压变化的图。
图3是表现图1的电力转换装置的电压环路的图。
图4是表示图1的控制部的处理顺序的流程图。
图5是表示变形例1所涉及的电力转换装置的构成的示意图。
具体实施方式
对本发明所涉及的电力转换装置及其控制方法，举出优选的实施方式，一边参照附图一边在以下详细地说明。
实施方式
图1是表示实施方式所涉及的电力转换装置10的构成的示意图。电力转换装置10是将从三相交流电源P供给的交流电力转换成直流电力的装置，具有整流器12、平滑电容器14、电流检测部16、电压检测部18、控制部20以及通知部22。
整流器12基于PWM控制信号，将从三相交流电源P供给的交流电力转换成直流电力。具体而言，整流器12具有开关元件，通过基于PWM控制信号开关该开关元件，将从三相交流电源P供给的交流电力转换成直流电力。另外，作为开关元件，可举出例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)、功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属-氧化物半导体场效应晶体管)、双极晶体管、或者晶闸管等。
平滑电容器14连接在整流器12的直流侧，用来将由整流器12转换成的直流电力平滑化。在本实施方式中，平滑电容器14的电压(以下，称为电容器电压)由逆变器24转换成用于驱动马达M的交流电压，并从逆变器24输出到马达M。
电流检测部16对从三相交流电源P流到整流器12的电流进行检测，并将检测到的电流输出到控制部20。电压检测部18对平滑电容器14的电容器电压进行检测，并将检测到的电容器电压输出到控制部20。
控制部20通过以由电压检测部18检测的电容器电压接近指令电压Vdc’的方式进行反馈控制而控制整流器12。该控制部20具有电容推定部30、电压控制部32以及PWM控制部34。
电容推定部30推定平滑电容器14的电容C。本实施方式的电容推定部30基于由电流检测部16检测的电流、与由电压检测部18检测的电容器电压，推定平滑电容器14的电容C。
例如如图2所示，平滑电容器14的电容C能够根据接通电源时的电容器电压V0、收敛到稳定值的收敛时的电容器电压V1、以及在该2个时刻期间积累到平滑电容器14的积累电荷推定。关于积累电荷，在将接通电源时的电荷设为Q0，将收敛时的电荷设为Q1，且将从接通电源时到收敛时为止由电压检测部18检测出的电流设为I时，则下述的式(1)成立。
Q1-Q0＝∫Idt=c△V=C(V1-V0)…(1）
如果将上述式(1)着眼于电容C而加以变化，则变成下述的式(2)。
因此，电容推定部30使用上述的式(2)，能够推定平滑电容器14的电容C。另外，使用上述的式(2)的平滑电容器14的电容C的推定方法为一例，也可使用其它推定方法。当推定出平滑电容器14的电容C时，电容推定部30将推定出的平滑电容器14的电容C输出到电压控制部32。
电压控制部32使用PI(Proportion-Integral：比例-积分)控制进行反馈控制。本实施方式的电压控制部32与由电容推定部30推定出的平滑电容器14的电容C相应地算出比例增益Kp以及积分增益Ki。另外，关于比例增益Kp以及积分增益Ki的算出方法在后文叙述。
当算出比例增益Kp以及积分增益Ki时，电压控制部32判断所算出的比例增益Kp以及积分增益Ki各自是否在规定范围内。此处，电压控制部32在判断为比例增益Kp以及积分增益Ki中的至少一个不在规定范围内的情况下，重试比例增益Kp以及积分增益Ki的计算。
电压控制部32在重试次数超过规定次数之前，判断到所算出的比例增益Kp以及积分增益Ki双方在规定范围内的情况下，将该比例增益Kp以及积分增益Ki决定为合适的电压环路增益。在该情况下，电压控制部32根据所决定的比例增益Kp和积分增益Ki、以及由电压检测部18检测出的电容器电压同指令电压Vdc’的偏差来产生控制电压Vc，并将所产生的控制电压Vc输出到PWM控制部34。
另一方面，电压控制部32在重试次数超过规定次数之前，不能判断到所算出的比例增益Kp以及积分增益Ki双方在规定范围内的情况下，产生异常信号并输出到PWM控制部34以及通知部22。
PWM控制部34使用从电压控制部32输出的控制电压Vc产生PWM控制信号来控制整流器12。在从电压控制部32输出了异常信号的情况下，PWM控制部34停止基于PWM控制信号的整流器12的控制。
通知部22通知平滑电容器14异常的主旨。该通知部22在从电压控制部32供给了异常信号的情况下，通知平滑电容器14异常的主旨。
作为通知部22的具体的通知方法，可举出例如在显示器显示的方法、从音响产生器发出警告声的方法、从警告灯发光的方法等。另外，通知部22既可具有显示器、音响产生器或警告灯，也可控制设置在外部的显示器、音响产生器或警告灯。另外，通知部22也可设为使用2种以上的通知方法进行通知。
接着，对电压控制部32的比例增益Kp以及积分增益Ki的算出方法进行说明。图3是表示电力转换装置10的电压环路的图。具体而言，图3所示的电压环路是电压控制部32、PWM控制部34以及平滑电容器14的电压的反馈环路。不过，为了简化，图3中显示为不存在干扰负载的环路。
另外，图3中，将电压控制部32分成输出指令电压Vdc’与反馈电压(电容器电压)vdc的偏差的输出器40、以及使用从输出器40输出的偏差产生控制电压Vc的PI控制部42。
在将图3所示的电压环路的传递函数设为G(s)，将电压环路的角频率设为ω[rad/s]，将阻尼系数(衰减系数)设为ξ的情况下，下述的式(3)成立。
此处，如将频率设为B，则频率B在与角频率ω的关系中成为ω/2π，依据上述的式(3)，由于变成K’p＝Kp/C＝ω，所以频率B能够像下述式(4)那样进行整理。
另外，依据上述式(3)，成为K’i＝Ki/C＝(ω/2ξ)2，且ω＝Kp/C，所以阻尼系数ξ能够像下述式(5)那样进行整理。
电压控制部32使用上述的式(4)以及式(5)，以频率B与阻尼系数ξ两者满足预设的设定值的方式，与由电容推定部30推定出的平滑电容器14的电容C相应地算出比例增益Kp以及积分增益Ki。
具体而言，电压控制部32以由电容推定部30推定出的电容C越小，则比例增益Kp以及积分增益Ki越变小的方式，算出比例增益Kp以及积分增益Ki。使用上述式(4)以及式(5)的比例增益Kp以及积分增益Ki的计算方法为一例，也可使用其它计算方法。
接着，对电力转换装置10的控制方法进行说明。图4是表示控制部20的处理顺序的流程图。
在步骤S1，电容推定部30推定平滑电容器14的电容C，进入步骤S2。在步骤S2，电压控制部32根据在步骤S1推定出的平滑电容器14的电容C算出比例增益Kp以及积分增益Ki作为电压环路增益，进入步骤S3。
在步骤S3，电压控制部32判断在步骤S2作为电压环路增益算出的比例增益Kp以及积分增益Ki各自是否在规定范围内。
此处，电压控制部32在步骤S3判断为比例增益Kp以及积分增益Ki各自在规定范围内的情况下，进入步骤S4，将该比例增益Kp以及积分增益Ki决定为合适的电压环路增益，并进入步骤S5。
在步骤S5，电压控制部32基于在步骤S4决定为合适的电压环路增益的比例增益Kp以及积分增益Ki来产生控制电压Vc，进入步骤S6。在步骤S6，PWM控制部34使用在步骤S5产生的控制电压Vc产生PWM控制信号来控制整流器12。
如此，控制部20通过根据所推定出的平滑电容器14的电容C算出电压环路增益，并基于该电压环路增益产生PWM控制信号，从而即使平滑电容器14的电容C变化也能够恰当地控制电容器电压。
另一方面，电压控制部32在步骤S3判断为比例增益Kp以及积分增益Ki中的至少一个不在规定范围内的情况下，进入步骤S7，判断步骤S3的判断是否已经进行过规定次数。电压控制部32在尚未进行过规定次数步骤S3的判断的情况下，为了重试比例增益Kp以及积分增益Ki的算出而返回步骤S1，在已进行过规定次数步骤S3的判断的情况下，进入步骤S8。
在步骤S8，控制部20执行异常时控制处理。即，电压控制部32产生异常信号，并将所产生的异常信号输出到PWM控制部34以及通知部22。PWM控制部34基于从电压控制部32供给的异常信号，停止基于PWM控制信号的整流器12的控制。通知部22基于从电压控制部32供给的异常信号，通知平滑电容器14异常的主旨。
如此，在即使重试了规定次数仍不能算出在规定范围内的比例增益Kp以及积分增益Ki时，控制部20停止整流器12的控制并且通知平滑电容器14异常。借此，控制部20能够一边避免整流器12在不稳定状态下继续运转，一边给予操作员更换平滑电容器14的机会。
变形例
以上，虽然作为本发明的一例说明了上述实施方式，但本发明的技术范围并不限于上述实施方式所记载的范围。当然可对上述实施方式加以多种变更以及改良。根据权利要求书的范围可明瞭，像这样施加了变更以及改良的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
变形例1
图5是表示变形例1所涉及的电力转换装置10的构成的示意图。该图5中，对与上述实施方式中所说明的构成同等的构成标注相同的符号。另外，在变形例1中，省略重复说明。
在变形例1的电力转换装置10中，与上述实施方式的不同点在于，取代对从三相交流电源P流到整流器12的电流进行检测的电流检测部16，设置对从整流器12流到平滑电容器14的电流进行检测的电流检测部16A。
即使像这样电流的检测部位与上述实施方式不同，电容推定部30仍然能够与上述实施方式同样，基于由电流检测部16A检测出的电流、以及由电压检测部18检测出的电容器电压，推定平滑电容器14的电容C。
变形例2
上述实施方式中，电容推定部30使用上述的式(2)推定平滑电容器14的电容C。不过，例如，电容推定部30也可使用日本专利特开2016-59181号公报或日本专利特开2016-167948号公报所揭示的推定方法来推定平滑电容器14的电容C。
另外，例如，电容推定部30也可基于根据由电流检测部16或16A检测出的电流以及由电压检测部18检测出的电压计算出的电力(来自马达M的输出值)，来推定平滑电容器14的电容C。
简而言之，作为电容推定部30的推定方法并不特别限定，能够广泛应用各种方法。
变形例3
上述的实施方式中，电压控制部32使用PI控制进行反馈控制，但是既可使用PID(Proportion-Integral-Differential：比例-积分-微分)控制进行反馈控制，也可使用P控制进行反馈控制，还可使用PD控制进行反馈控制。简而言之，只要包含P控制、I控制以及D控制中的至少1种来进行反馈控制即可。
另外，使用PID控制的情况下，电压环路增益变成比例增益Kp、积分增益Ki、以及微分增益Kd，使用P控制的情况下，电压环路增益变成比例增益Kp，使用PD控制的情况下，电压环路增益变成比例增益Kp以及微分增益Kd。
变形例4
在上述实施方式中，在整流器12的直流侧没有连接外设的电容器组件，但也可连接该电容器组件。在整流器12的直流侧连接外设的电容器组件的情况下，电容推定部30变成推定平滑电容器14与电容器组件的总电容。该情况下，通知部22在从电压控制部32供给了异常信号时，通知平滑电容器14或电容器组件异常的主旨。
如此，即使在整流器12的直流侧连接有外设的电容器组件的情况下，也能够一边避免整流器12在不稳定的状态下继续运转，一边给予操作员更换平滑电容器14或电容器组件的机会。
变形例5
上述实施方式以及上述变形例1～4可在不产生矛盾的范围内任意组合。
技术构思
关于从上述实施方式及变形例能够掌握的技术构思，记载如下。
第1技术构思
电力转换装置(10)是将从三相交流电源(P)供给的交流电力转换成直流电力的装置。该电力转换装置(10)具备：整流器(12)，其基于PWM控制信号，将交流电力转换成直流电力；电压检测部(18)，其对连接在整流器(12)的直流侧的平滑电容器(14)的电压进行检测；电容推定部(30)，其推定平滑电容器(14)的电容(C)；电压控制部(32)，其根据推定出的电容(C)算出电压环路增益，并根据指令电压(Vdc’)同检测出的电压的偏差、以及电压环路增益，产生控制电压(Vc)；以及PWM控制部(34)，其使用控制电压(Vc)产生PWM控制信号来控制整流器(12)。
该电力转换装置(10)中，根据所推定出的平滑电容器(14)的电容(C)算出电压环路增益，基于该算出的电压环路增益产生PWM控制信号。因此，即使平滑电容器(14)的电容(C)变化，也能够恰当地控制该平滑电容器(14)的电压。
电压控制部(32)也可设为在判断为电压环路增益不在规定范围内的情况下，输出异常信号。如此一来，能够给予操作员更换平滑电容器(14)的机会。
也可设为，电容推定部(30)在由电压控制部(32)判断为电压环路增益不在规定范围内达到规定次数之前，且直到由电压控制部(32)判断为电压环路增益在规定范围内为止，推定电容(C)，；电压控制部(32)在判断为电压环路增益不在规定范围内达到规定次数时，输出异常信号。如此一来，能够避免在因为偶发性因素等导致算出在规定范围外的电压环路增益的情况下输出异常信号。
PWM控制部(34)可设为在由电压控制部(32)判断为电压环路增益不在规定范围内的情况下，停止基于PWM控制信号的整流器(12)的控制。如此一来，能够避免整流器(12)在不稳定的状态下继续运转。
电压控制部(32)可设为以所推定出的电容(C)越小，电压环路增益越变小的方式，算出电压环路增益。如此一来，能够恰当地控制平滑电容器(14)的电压。
也可设为具备：电流检测部(16、16A)，其对从三相交流电源(P)流到整流器(12)的电流、或者对从整流器(12)流到平滑电容器(14)的电流进行检测，电容推定部(30)基于所检测出的电流与所检测出的电压、或者基于根据电流和电压计算的电力，推定电容(C)。如此一来，易于高精度地推定电容(C)。
电压环路增益也可为比例增益(Kp)和积分增益(Ki)，或者，为比例增益(Kp)、积分增益(Ki)以及微分增益(Kd)。
第2技术构思
电力转换装置(10)的控制方法是将从三相交流电源(P)供给的交流电力转换成直流电力的电力转换装置(10)的控制方法。电力转换装置(10)具备：整流器(12)，其基于PWM控制信号，将交流电力转换成直流电力；以及电压检测部(18)，其对连接在整流器(12)的直流侧的平滑电容器(14)的电压进行检测。电力转换装置(10)的控制方法包含：电容推定步骤(S1)，推定平滑电容器(14)的电容(C)；算出步骤(S2)，根据推定出的电容(C)算出电压环路增益；产生步骤(S5)，根据指令电压(Vdc’)同检测出的电压的偏差、以及电压环路增益，产生控制电压(Vc)；以及PWM控制步骤(S6)，使用控制电压(Vc)产生PWM控制信号来控制整流器(12)。
该电力转换装置(10)的控制方法中，根据所推定出的平滑电容器(14)的电容(C)算出电压环路增益，基于该算出的电压环路增益产生PWM控制信号。因此，即使平滑电容器(14)的电容(C)变化，也能够恰当地控制该平滑电容器(14)的电压。
电力转换装置(10)的控制方法可设为包含：输出步骤(S8)，在判断为电压环路增益不在规定范围内的情况下，输出异常信号。如此一来，能够给予操作员更换平滑电容器(14)的机会。
也可设为，容量推断步骤(S1)在判断为电压环路增益不在规定范围内达到规定次数之前，且直到判断为电压环路增益在规定范围内为止，推定电容(C)，；输出步骤(S8)在判断为电压环路增益不在规定范围内达到规定次数时，输出异常信号。如此一来，能够避免在因为偶发性因素等导致算出在规定范围外的电压环路增益的情况下输出异常信号。
PWM控制步骤(S6)可设为在判断为电压环路增益不在规定范围内的情况下，停止基于PWM控制信号的整流器(12)的控制。如此一来，能够避免整流器(12)在不稳定的状态下继续运转。
算出步骤(S2)可设为以所推定出的电容(C)越小，电压环路增益越变小的方式，算出电压环路增益。如此一来，能够恰当地控制平滑电容器(14)的电压。
电力转换装置(10)也可设为具备：电流检测部(16、16A)，对从三相交流电源(P)流到整流器(12)的电流、或者对从整流器(12)流到平滑电容器(14)的电流进行检测；且电容推定步骤(S1)基于所检测出的电流与所检测出的电压、或者基于根据电流和电压计算的电力，推定电容(C)。如此一来，易于高精度地推定电容(C)。
电压环路增益也可为比例增益(Kp)和积分增益(Ki)，或者，为比例增益(Kp)、积分增益(Ki)以及微分增益(Kd)。

Claims (14)

1.一种电力转换装置，将从三相交流电源供给的交流电力转换成直流电力，其特征在于，具备：
整流器，其基于PWM控制信号，将所述交流电力转换成所述直流电力；
电压检测部，其对连接在所述整流器的直流侧的平滑电容器的电压进行检测；
电容推定部，其推定所述平滑电容器的电容；
电压控制部，其根据推定出的所述电容算出电压环路增益，并根据指令电压同检测出的所述电压的偏差、以及所述电压环路增益，产生控制电压；以及
PWM控制部，其使用所述控制电压产生所述PWM控制信号来控制所述整流器。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电压控制部在判断为所述电压环路增益不在规定范围内的情况下，输出异常信号。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电容推定部在由所述电压控制部判断为所述电压环路增益不在所述规定范围内达到规定次数之前，且直到由所述电压控制部判断为所述电压环路增益在所述规定范围内为止，推定所述电容，
所述电压控制部在判断为所述电压环路增益不在所述规定范围内达到规定次数时，输出所述异常信号。
4.根据权利要求2或3所述的电力转换装置，其特征在于，
所述PWM控制部在由所述电压控制部判断为所述电压环路增益不在所述规定范围内的情况下，停止基于所述PWM控制信号的所述整流器的控制。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电压控制部以所推定出的所述电容越小，所述电压环路增益越变小的方式，算出所述电压环路增益。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的电力转换装置，其特征在于，具备：
电流检测部，其对从所述三相交流电源流到所述整流器的电流、或者对从所述整流器流到所述平滑电容器的电流进行检测，
所述电容推定部基于所检测的所述电流和所检测的所述电压、或者基于根据所述电流与所述电压计算的电力，推定所述电容。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电压环路增益为比例增益和积分增益，或者，为比例增益、积分增益以及微分增益。
8.一种电力转换装置的控制方法，该电力转换装置将从三相交流电源供给的交流电力转换成直流电力，所述控制方法的特征在于，
所述电力转换装置具备：
整流器，其基于PWM控制信号，将所述交流电力转换成所述直流电力；以及
电压检测部，其对连接在所述整流器的直流侧的平滑电容器的电压进行检测；
所述控制方法包含：
电容推定步骤，推定所述平滑电容器的电容；
算出步骤，根据推定出的所述电容算出电压环路增益；
产生步骤，根据指令电压同检测出的所述电压的偏差、以及所述电压环路增益，产生控制电压；以及
PWM控制步骤，使用所述控制电压产生所述PWM控制信号来控制所述整流器。
9.根据权利要求8所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于，包含：
输出步骤，在判断为所述电压环路增益不在规定范围内的情况下，输出异常信号。
10.根据权利要求9所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于，
所述电容推定步骤在判断为所述电压环路增益不在所述规定范围内达到规定次数之前，且直到判断为所述电压环路增益在所述规定范围内为止，推定所述电容，
所述输出步骤在判断所述电压环路增益不在所述规定范围内达到规定次数的情况下，输出所述异常信号。
11.根据权利要求9或10所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于，
所述PWM控制步骤在判断为所述电压环路增益不在所述规定范围内的情况下，停止基于所述PWM控制信号的所述整流器的控制。
12.根据权利要求8-11中的任一项所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于，
所述算出步骤以所推定出的所述电容越小，所述电压环路增益越变小的方式，算出所述电压环路增益。
13.根据权利要求8-12中的任一项所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于，
所述电力转换装置包含：电流检测部，其对从所述三相交流电源流到所述整流器的电流、或者对从所述整流器流到所述平滑电容器的电流进行检测；且
所述电容推定步骤基于所检测的电流和所检测的电压、或者基于根据所述电流与所述电压计算的电力，推定所述电容。
14.根据权利要求8-13中的任一项所述的电力转换装置的控制方法，其特征在于，
所述电压环路增益为比例增益和积分增益，或者，为比例增益、积分增益以及微分增益。
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