CN116802982A - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

电力转换装置(100)具备：开关信号生成器(7)，其以使从逆变电路(5)输出与指定的相位对应的交流电压的方式生成开关信号；速度推定器(8)，其基于在电动机(2)中流动的电流，来推定电动机(2)的转子的推定相位；以及抑制差拍控制器(10)，其将通过调整推定相位而得到的调整相位向开关信号生成器(7)输出，以便抑制与在电动机(2)中流动的电流重叠的差拍成分。

Description

电力转换装置
技术领域
本公开涉及电力转换装置。
背景技术
在具备将交流电压转换为直流电压的整流电路、和将直流电压转换为交流电压的逆变电路的电力转换装置中，在从整流电路输出的直流电压中产生被输入到整流电路的交流电压的频率的6倍的频率的脉动。通过增大设置于整流电路与逆变电路之间的直流链路部的电容器的容量来减少这样的脉动。例如，通过大容量的电解电容器来减少脉动。然而，若增大电容器的容量，则电容器的成本以及体积会增大。因此，公知有将允许脉动的小容量的薄膜电容器或陶瓷电容器设置于直流链路部的电力转换装置(以下也称为“无电解电容器逆变器”。)。
若在直流电压中产生脉动，则在从逆变电路输出的电流中重叠有与脉动频率对应的差拍成分。在与电力转换装置连接的负载为电动机的情况下，因差拍成分而在电动机产生振动或噪声。
在日本特开2013-85455号公报(专利文献1)中公开了一种控制方法，即、为了抑制在无电解电容器逆变器中产生的差拍成分，而根据直流电压的脉动成分，使电动机的d轴电压矢量以及q轴电压矢量的合成电压矢量的从q轴观察的相位脉动。
专利文献1：日本特开2013-85455号公报
在专利文献1记载的技术中，例如需要使用脉冲编码器、旋转变压器等位置传感器，来取得电动机的d轴电压矢量以及q轴电压矢量。因此，成本增大与位置传感器相当的量。此外，在电动机包括在空调机的压缩机中的情况下，由于压缩机成为高温高压状态，因此难以安装位置传感器。
发明内容
本公开是为了解决上述课题所做出的，其目的在于提供一种不增大成本，而能够抑制与在电动机中流动的电流重叠的差拍成分的电力转换装置。
本公开的一个方式的电力转换装置具备：将交流电压整流成直流电压的整流电路、逆变电路、直流链路电容器以及生成器。逆变电路将由整流电路整流后的直流电压转换为交流电压，并将转换后的交流电压向电动机输出。直流链路电容器连接在整流电路与逆变电路之间。生成器以使从逆变电路输出与指定的相位对应的交流电压的方式生成控制逆变电路的信号。电力转换装置还具备推定器和抑制差拍控制器。推定器基于在电动机中流动的电流，来推定电动机的转子的第一相位。抑制差拍控制器将通过调整第一相位而得到的第二相位作为上述指定的相位向生成器输出，以便抑制与在电动机中流动的电流重叠的差拍成分。
根据本公开，基于在电动机中流动的电流，来推定电动机的转子的第一相位。因此，如专利文献1记载的技术那样，不需要检测电动机的转子的位置的位置传感器。进而通过调整第一相位来生成第二相位，以便抑制与在电动机中流动的电流重叠的差拍成分。然后，以从逆变电路输出与第二相位对应的交流电压的方式控制逆变电路。由此，抑制差拍成分。根据以上所述，能够不增大成本而抑制与在电动机中流动的电流重叠的差拍成分。
附图说明
图1是表示实施方式1的电力转换装置的整体结构的一个例子的图。
图2是表示开关信号生成器以及抑制差拍控制器的内部结构的一个例子的图。
图3是表示不包括抑制差拍控制器的电力转换装置中的直流电压、电动机中流动的电流、以及与推定相位相加的脉动相位的波形的图。
图4是表示包括抑制差拍控制器的电力转换装置中的直流电压、电动机中流动的电流、以及与推定相位相加的脉动相位的波形的图。
图5是表示实施方式2的电力转换装置的结构的一部分的图。
图6是表示实施方式2的电力转换装置中的抑制差拍控制处理的流程的流程图。
图7是表示实施方式3的空调机的概略图。
具体实施方式
以下，一边参照附图、一边对本公开的实施方式进行详细地说明。另外，对与图中相同或相当的部分标注相同的附图标记，在原则上不重复其说明。在以下的图中各构成部件的大小的关系有时与实际情况不同。
实施方式1.
(电力转换装置的整体结构)
图1是表示实施方式1的电力转换装置100的整体结构的一个例子的图。如图1所示，在电力转换装置100连接有交流电源1和作为负载的电动机2。交流电源1例如为三相的商用电源。电动机2例如为永磁同步马达。
电力转换装置100具备：整流电路3、直流链路电容器4、逆变电路5、电流检测器6、以及开关信号生成器7。
整流电路3将从交流电源1输入的交流电压进行整流并转换为直流电压。由整流电路3整流后的直流电压包含以交流电源1的电压频率的6倍的频率进行脉动的低次谐波成分(以下，称为“脉动成分”。)。整流电路3例如是具备6个整流用二极管的全桥电路。另外，整流电路3也可以使用晶体管等开关元件来代替整流用二极管。
逆变电路5将由整流电路3整流后的直流电压转换为交流电压，并将转换后的交流电压向电动机2输出。逆变电路5例如为具备6个IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)的全桥电路。在各IBGT以逆并联的方式连接有环流用二极管。各IGBT按照从开关信号生成器7输出的开关信号，被独立地控制为导通状态以及截止状态的任一状态。通过该控制，逆变电路5将直流电压转换为交流电压。另外，逆变电路5也可以使用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应管)等开关元件来代替IGBT。
直流链路电容器4连接在整流电路3与逆变电路5之间。直流链路电容器4的容量小至不会使从整流电路3输出的直流电压的脉动成分平滑的程度。但是直流链路电容器4的容量大至使由逆变电路5的开关动作引起的高次谐波成分平滑的程度。直流链路电容器4例如为薄膜电容器或陶瓷电容器。
电流检测器6检测电动机2中流动的电流，并输出表示检测到的电流的电流信息。电流检测器6例如是使用了被称为CT(Current Transformer：电流互感器)的仪器用电流互感器的电流传感器。另外，电流检测器6也可以使用单分流电流检测方式或三分流电流检测方式来检测电动机2中流动的电流。单分流电流检测方式是使用设置于电力转换装置100的负侧直流母线的分流电阻的方式。三分流电流检测方式是使用与逆变电路5的下侧的开关元件串联设置的分流电阻的方式。
开关信号生成器7基于从外部输入的速度指令、扭矩指令等运转指令，生成控制逆变电路5的开关信号。开关信号生成器7以从逆变电路5输出与指定的相位对应的交流电压的方式生成开关信号。所生成的开关信号被输出到逆变电路5。
作为速度、扭矩的控制方法可以采用矢量控制，该采用矢量例如使用dq坐标系对在电动机2流动的电流进行反馈控制。在电动机2流动的电流由从电流检测器6输出的电流信息表示。开关信号生成器7通过使用了从电流检测器6输出的电流信息的矢量控制，来计算dq坐标系的电压指令。然后，开关信号生成器7使用指定的相位，将由dq坐标系计算出的电压指令转换为三相坐标系。由此，从逆变电路5输出与指定的相位对应的交流电压。
另外，开关信号生成器7也可以使用输出与电动机2的运转频率成比例的电压的V/f一定控制、或控制电动机2的磁通以及扭矩的直接扭矩控制，来生成开关信号。
如上述的那样，由整流电路3整流后的直流电压中包含以交流电源1的电压频率的6倍的频率进行脉动的脉动成分。该脉动成分不会被直流链路电容器4平滑化。因此，由脉动成分引起的差拍成分可以与在电动机2流动的电流重叠。在脉动成分的频率(以下，称为“脉动频率”。)与从逆变电路5输出的交流电压的频率(以下，称为“电动机2的运转频率”。)之差小的情况下，容易产生大的差拍成分。本实施方式的电力转换装置100还具备速度推定器8、脉动检测器9以及抑制差拍控制器10，作为用于抑制差拍成分的结构。
速度推定器8使用从电流检测器6输出的电流信息和由开关信号生成器7计算出的电压指令，来推定电动机2的转子的旋转速度和磁极位置。速度推定器8使用公知的推定方法，来推定电动机2的转子的旋转速度和磁极位置。作为推定方法，通常为根据电动机2的速度电动势进行计算的方法。例如，可以采用反正切法或自适应磁通观测器方式等方法。速度推定器8向抑制差拍控制器10输出推定出的磁极位置、即推定相位。
脉动检测器9根据施加到直流链路电容器4的两端的直流电压来检测脉动频率，并且向抑制差拍控制器10输出检测结果。如上述那样，由于直流链路电容器4为小容量，因此施加到直流链路电容器4的两端的直流电压以交流电源1的电压频率的约6倍的脉动频率进行脉动。脉动检测器9检测该脉动频率。例如，脉动检测器9通过使直流电压的值通过带通滤波器来检测脉动频率。或者脉动检测器9也可以通过从原始直流电压的值减去使直流电压的值通过陷波滤波器而得到的结果，来检测脉动频率。
抑制差拍控制器10将通过调整从速度推定器8输出的推定相位而得到的调整相位向开关信号生成器7输出，以便抑制与在电动机2流动的电流重叠的差拍成分。开关信号生成器7使用调整相位作为指定的相位。
(开关信号生成器以及抑制差拍控制器的内部结构)
图2是表示开关信号生成器7以及抑制差拍控制器10的内部结构的一个例子的图。如图2所示，开关信号生成器7包括转换器11。转换器11使用指定的相位θ，按照以下的转换式，将dq坐标系的电压指令Vd＊，Vq＊转换为三相坐标系的电压指令Vu＊、Vv＊、Vw＊。开关信号生成器7使用电压指令Vu＊、Vv＊、Vw＊，生成控制逆变电路5的开关信号。
[公式1]
抑制差拍控制器10包括放大器12、积分器13、以及加法器14。放大器12将增益K乘以从脉动检测器9输出的脉动频率。增益K根据交流电源1的电压频率以及直流链路电容器4的两端间的直流电压的大小来决定。增益K也可以为预先决定的固定值。或者，增益K也可以是根据交流电源1以及电动机2的状态而决定的可变的值。
积分器13输出放大器12的输出的积分值。积分值表示直流电压所包含的脉动成分的相位(以下，称为“脉动相位”。)。
加法器14将通过使从速度推定器8输出的推定相位与从积分器13输出的脉动相位相加而得到的相位作为调整相位输出。这样，抑制差拍控制器10使用脉动频率的积分值亦即脉动相位来调整推定相位。
(差拍成分的抑制)
图3是表示不包括抑制差拍控制器10的电力转换装置中的直流电压、在电动机流动的电流、以及与推定相位相加的脉动相位的波形的图。图4是表示包括抑制差拍控制器10的电力转换装置100中的直流电压、在电动机流动的电流、以及与推定相位相加的脉动相位的波形的图。在图3以及图4中，上段的曲线的纵轴表示直流电压，中段的曲线的纵轴表示电动机2中流动的电流，下段的曲线的纵轴表示脉动相位。各曲线的横轴表示经过时间。
如图3所示，在不包括抑制差拍控制器10的电力转换装置的情况下，与推定相位相加的脉动相位为零。在该情况下，开关信号生成器7使用推定相位，将dq坐标系的电压指令转换为三相坐标系的电压指令。因此，在电动机2流动的电流受到直流电压所包含的脉动成分的影响，如图3的中段所示，包含差拍成分。特别是在脉动频率与电动机2的运转频率接近时，出现较大的差拍成分。
如图4所示，在包括抑制差拍控制器10的电力转换装置100的情况下，开关信号生成器7使用通过将下段所示的脉动相位与推定相位相加而得到的调整相位，将dq坐标系的电压指令转换为三相坐标系的电压指令。由此，由从逆变电路5输出的交流电压抵消直流电压所包含的脉动成分的影响。因此如中段所示，在电动机2流动的电流不出现差拍成分。
这样，根据实施方式1的电力转换装置100，基于电动机2中流动的电流，来推定电动机2的转子的推定相位。因此，如专利文献1记载的技术那样，不需要检测电动机2的转子的位置的位置传感器。此外，通过调整推定相位来生成调整相位，以便抑制与在电动机2流动的电流重叠的差拍成分。然后，控制逆变电路5，以使从逆变电路5输出与调整相位对应的交流电压。由此，抑制差拍成分。根据以上所述，能够不增大成本而抑制与在电动机2流动的电流重叠的差拍成分。
此外，在专利文献1公开的技术中，需要dq坐标系中的电压的相位信息。例如利用反正切函数(Arctan)，根据d轴电压Vd和q轴电压Vq来计算相位信息。然而，反正切函数的计算中运算负载大并且需要高性能的微机，从而导致成本增大。然而，在实施方式1的电力转换装置100中，减轻运算负载，从而抑制微机所需的成本的增大。
实施方式2.
图5是表示实施方式2的电力转换装置的结构的一部分的图。如图5所示，实施方式2的电力转换装置100A与实施方式1的电力转换装置100相比较，不同点在于具备抑制差拍控制器10A来代替抑制差拍控制器10。
抑制差拍控制器10A与抑制差拍控制器10相比较，不同点在于代替积分器13而包括积分器13A，并且包括切换器15。积分器13A与积分器13同样地，通过对放大器12的输出进行积分来输出积分值(即脉动相位)。积分器13A根据复位信号的输入而使积分值复位为零。
切换器15对将调整相位向开关信号生成器7输出的第一模式、和将推定相位向开关信号生成器7输出的第二模式进行切换。切换器15根据满足预先决定的操作条件的情况而从第二模式切换到第一模式，并且根据不满足操作条件的情况而从第一模式切换到第二模式。
操作条件例如是电动机2不处于加减速中这样的条件。或者，操作条件也可以为直流链路电容器4的两端间的直流电压所包含的脉动的大小(振幅)为基准值以上这样的条件。或者，操作条件也可以包含多个条件。在操作条件包含多个条件的情况下，可以在满足全部该多个条件时判断为满足操作条件，也可以在满足该多个条件中的至少一个时判断为满足操作条件。
抑制差拍控制器10A在由切换器15从第二模式向第一模式切换之前，将用于使脉动相位复位为零的复位信号输入到积分器13A。具体而言，抑制差拍控制器10A在切换器15选择第二模式期间，将复位信号输入到积分器13A。
图6是表示实施方式2的电力转换装置100A中的抑制差拍控制处理的流程的流程图。反复执行图6所示的步骤S1～S6。
在步骤S1中，抑制差拍控制器10A通过对增益K乘以脉动频率而得的值进行积分，来计算脉动相位。接下来，在步骤S2中，抑制差拍控制器10A通过将脉动相位与推定相位相加来生成调整相位。
接下来，在步骤S3中，切换器15判断是否满足操作条件。在满足操作条件的情况下(在步骤S3中为是)，切换器15选择第一模式，将调整相位向开关信号生成器7输出(步骤S4)。在步骤S4之后，电力转换装置100A结束抑制差拍控制处理。
在不满足操作条件的情况下(在步骤S3中为是)，抑制差拍控制器10A将复位信号向积分器13A输入(步骤S5)。切换器15将推定相位向开关信号生成器7输出(步骤S6)。在步骤S6之后，电力转换装置100A结束抑制差拍控制处理。
在电动机2处于加减速中的情况下，速度推定器8的输出值不稳定。因此，若开关信号生成器7进行使用了调整相位的转换，则可能无法充分发挥差拍成分的抑制效果、或控制发散。通过在操作条件中包含电动机2不处于加减速中这样的条件，从而在电动机2处于加减速中的情况下推定相位被输出到开关信号生成器7。其结果，能够防止控制的发散。
在直流电压所包含的脉动成分较小的情况下，差拍成分难以与在电动机2中流动的电流重叠，因此不需要进行使用了调整相位的差拍成分的抑制。因此，通过在操作条件中包含直流链路电容器4的两端间的直流电压所包含的脉动的大小为基准值以上这样的条件，从而在直流电压所包含的脉动成分较小的情况下，不实施使用了调整相位的差拍成分的抑制。
若从第二模式切换到第一模式时输入到开关信号生成器7的相位的值变化大，则可能在电动机2中产生失步。失步是指电动机2不能跟随脉冲信号而变得不旋转的现象。
如上述那样，在步骤S5中复位信号被输入到积分器13A，由此在第二模式中，从积分器13A输出的脉动相位被复位为零。即，在从第二模式向第一模式切换之前，脉动相位被复位为零。因此，在从第二模式向第一模式切换时，抑制输入到开关信号生成器7的相位的值的变化量。由此，在从第二模式向第一模式切换时，抑制电动机2中的失步的产生，逐渐发挥抑制差拍效果。
实施方式3.
图7是表示实施方式3的空调机400的概略图。空调机400具备制冷循环装置300和送风机401。制冷循环装置300包括制冷剂压缩装置200、冷凝器301、膨胀阀302以及蒸发器303。制冷剂压缩装置200具有压缩机201和上述电力转换装置100。
如图7所示，压缩机201与冷凝器301通过配管连接。同样地，冷凝器301与膨胀阀302通过配管连接，膨胀阀302与蒸发器303通过配管连接，蒸发器303与压缩机201通过配管连接。由此，制冷剂在压缩机201、冷凝器301、膨胀阀302以及蒸发器303中循环。
图7所示的电动机2设置在空调机400的压缩机201内，由电力转换装置100进行可变速控制，以便将制冷剂气体压缩而成为高压的气体。在制冷循环装置300中，反复进行制冷剂的蒸发、压缩、冷凝、膨胀这样的工序。制冷剂从液体向气体变化，进一步从气体向液体变化，由此在制冷剂与机外空气之间进行热交换。因此，通过将制冷循环装置300与使机外空气循环的送风机401进行组合，而构成空调机400。
在近年的空调机中不仅要求舒适性，而且由于节能限制的强化而要求高效率化。另外，发展中国家对空调机的需要也在提高。因此，廉价地提供使用电力转换装置对电动机进行可变速控制的空调机是有意义的。电力转换装置100由于具备廉价的小容量的直流链路电容器4，因此能够满足这些要求。
若在电动机2的运转频率与直流电压的脉动频率接近时，在电动机2流动的电流出现差拍成分，则能够从连接到压缩机201或压缩机201的配管产生振动以及噪声。其结果，损害用户的舒适性。此外，由于在电动机2进行的作功量中重叠有脉动，因此制冷剂气体的压缩效率也降低。另外，在避开产生差拍成分的运转频率而进行运转的情况下，无法进行制冷循环装置的最佳的运转，从而导致周期效率的降低。然而，通过使用具备抑制差拍控制器10的电力转换装置100，从而抑制差拍成分的产生。其结果解决了这些问题。
如以上那样，空调机400具备电力转换装置100，该电力转换装置100具备小容量的直流链路电容器4以及抑制差拍控制器10。由此，提供廉价、舒适且高效率的空调机400。另外，空调机400也可以具备电力转换装置100A来代替电力转换装置100。在该情况下，也能提供廉价、舒适且高效率的空调机400。
在上述的说明中，作为电力转换装置100、100A的应用例，对空调机400进行了说明，但当然也可以用于其他机械。例如，也可以将电力转换装置100、100A应用于风扇、泵之类的机械装置。
本次公开的实施方式全部的点应被认为是例示而并非是限制性的。本公开的范围由权利要求书表示而非上述的实施方式的说明，意在包括与权利要求书等同的意思以及在其范围内的全部的变更。
附图标记说明
1...交流电源；2...电动机；3...整流电路；4...直流链路电容器；5...逆变电路；6...电流检测器；7...开关信号生成器；8...速度推定器；9...脉动检测器；10、10A...抑制差拍控制器；11...转换器；12...放大器；13、13A...积分器；14...加法器；15...切换器；100、100A...电力转换装置；200...制冷剂压缩装置；201...压缩机；300...制冷循环装置；301...冷凝器；302...膨胀阀；303...蒸发器；400...空调机；401...送风机。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，其特征在于，具备：
整流电路，其将交流电压整流成直流电压；
逆变电路，其将由所述整流电路整流后的直流电压转换为交流电压，并将转换后的交流电压向电动机输出；
直流链路电容器，其连接在所述整流电路与所述逆变电路之间；
生成器，其以使从所述逆变电路输出与指定的相位对应的交流电压的方式生成控制所述逆变电路的信号；
推定器，其基于在所述电动机中流动的电流，来推定所述电动机的转子的第一相位；以及
抑制差拍控制器，其将通过调整所述第一相位而得到的第二相位作为所述指定的相位向所述生成器输出，以便抑制与在所述电动机中流动的电流重叠的差拍成分。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
还具备检测器，其检测所述整流后的直流电压的脉动频率，
所述抑制差拍控制器使用所述脉动频率的积分值来调整所述第一相位。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述抑制差拍控制器包括切换器，该切换器对将所述第二相位作为所述指定的相位向所述生成器输出的第一模式、和将所述第一相位作为所述指定的相位向所述生成器输出的第二模式进行切换。
4.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述抑制差拍控制器包括切换器，该切换器对将所述第二相位作为所述指定的相位向所述生成器输出的第一模式、和将所述第一相位作为所述指定的相位向所述生成器输出的第二模式进行切换，
所述抑制差拍控制器在通过所述切换器从所述第二模式向所述第一模式切换前，将所述积分值复位为零。
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，
所述电力转换装置应用于空调机。
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