CN1578094A

CN1578094A - 电力变换装置

Info

Publication number: CN1578094A
Application number: CN 200410063821
Authority: CN
Inventors: 永田浩一郎; 奥山俊昭; 秋田佳稔; 立川真; 根本治郎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-12
Also published as: JP2005033903A; JP4123082B2; CN100477469C

Abstract

本发明的电力变换装置，包括多台一相的电力变换器，每一相电力变换器具有1个或串联多个将来自交流电源的交流变换成可变电压、可变频率的非再生型的单相单元反相器，通过电阻或再生电力变换器，把将电力变换器的反负载侧互相连接的中性点与所述多相负载装置的中性点连接，控制所述电力变换装置的输出电压零相成分，用所述电阻消耗再生电力，或者向电源侧再生。从而可提供可使感应电动机再生或任意减速运转的电力变换装置。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及一种对感应电动机及同步电动机等多相负载装置进行制动运转的电力变换装置，特别是附加了将负载装置的再生电流、用电阻消耗或再生给电源的功能的电力变换装置。

背景技术

在高压(3/6KV)电动机的可变速运转中，为了增大反相器的容量、改善其输出波形，通常采用串联单相单元反相器的多重电力变换器。现有技术的多重电力变换器，如图10所示，各相分别拥有电力变换器11、12、13。电力变换器11、12、13中的每一个，具有n个串联多重连接的单相单元反相器111、112、…、11n。单相单元反相器111、112、…、11n中的每一个具有二极管整流器部21、平滑电容器22、IGBT部23。通过电源变压器2，将来自交流电源的一定频率的电压，用各相的电力变换器11、12、13变换成任意频率、任意大小的电压，外加给负载的感应电动机。在这里，将与负载连接的多重电力变换器的端子，作为负载侧，将离负载最远的端子，作为反负载侧。如图10所示，反负载侧相互与中性点连接。

在图10所示的多重电力变换器中，单相单元反相器111、112、11n使用二极管整流器，所以不能再生来自负载侧的能量。因此，特许文献1公开了用IGBT元件置换二极管整流器，能够再生能量的多重电力变换装置。

(特许文献1)

特开2001-103766公报

可是，这种附带再生功能的多重电力变换装置，与使用二极管整流器的非再生多重电力变换装置相比，IGBT元件的数量需要2倍以上，伴随着部件量的增多，导致单相单元反相器的大型化和复杂化。

发明内容

本发明的目的，就是要提供体积小、成本低、可使感应电动机进行再生运转或任意的减速运转的电力变换装置。

本发明的多重电力变换装置，用1个或串联多个将来自交流电源的交流电变换成可变电压、可变频率的非再生型的单相单元反相器，构成每一相的多重电力变换器，使用多台这种每一相的电力变换器，通过电阻或再生电力变换器，把将电力变换器的反负载侧互相连接的中性点与所述多相负载装置的中性点连接，控制所述电力变换装置的输出电压零相成分，用所述电阻消耗再生电力或向电源侧再生。

附图说明

图1是实施例1的电力变换装置的结构图。

图2是实施例1的电力变换器的单相单元反相器的说明图。

图3是实施例1的电力变换器的控制部的说明图

图4是实施例2的电力变换装置的结构图。

图5是实施例3的电力变换装置的结构图。

图6是实施例4的电力变换装置的结构图。

图7是实施例5的电力变换装置的结构图。

图8是实施例6的电力变换装置的结构图。

图9是实施例7的电力变换装置的结构图。

图10是现有技术的电力变换装置的结构图。

图中：1-交流电源；2-电源变压器；3-感应电动机；4-控制器部；11、12、13-电力变换器；21-二极管整流器部；22、42、54-平滑电容器；23、43、55-IGBT部；30-感应电动机中性点；31、72a、72b、72c-电阻；32-开关；33-再生电力运算部；34-零相电流指令运算部；35-零相电压指令运算部；36-门脉冲生成部；37-中性点取出用变压器；40、50、56-再生电力变换器；41、51-二极管整流器部；52、61、71-开关部；53-放电阻止用二极管；111、112、11n-单相单元反相器。

具体实施方式

下面，利用附图，讲述本发明的详细内容。

(实施例1)

首先利用图1，讲述本实施例的多重电力变换装置。在图1中，用电源变压器2将来自交流电源1的三相交流电压变压，通过U相、V相、W相的电力变换器11、12、13，向负载的感应电动机3外加任意频率、大小的电压。

此外，本发明作为多相负载装置，不仅可用于感应电动机，还可用于同步电动机。下面，以感应电动机作为负载的情况为例，进行讲述。在本实施例中，作为功率半导体开关元件，以IGBT为例进行讲述，但也可以使用功率MOSFFT、J-FET及双极性晶体管。另外，电力变换器11、12、13，以串联多个非再生型单相单元反相器为例进行讲述。但本申请的发明，在非再生型单相单元反相器为一个时同样可适用。

电力变换器11、12、13，具有n个(为自然数)单相单元反相器111、112、…、11n，各单相单元反相器111、112、11n，如图2所示，是具有二极管整流器部21、平滑电容器22、IGBT部23的单相单元反相器111、112、11n的非再生型电力变换器。在图1中，详细示出U相电力变换器11的结构，但V相电力变换器12、W相电力变换器13也和U相电力变换器11的结构相同，都由电源变压器输入电压(连接线未示出)，向感应电动机3施加高电压。

由控制器部4控制各单相单元反相器111、112、11n的IGBT部23，控制U相、V相、W相的各电力变换器11、12、13输出电压。在本实施示例中，将三相的电力变换器11、12、13的反负载侧的端子相互连接，将连接的中性点，通过电阻31和开关32与感应电动机3的感应电动机中性点30连接。在再生时，控制器部4使开关32成为ON状态，控制各电力变换器11、12、13的开关动作，以便能够流过用电阻31吸收、消耗相当于再生电能值的所需电流。在这里，开关32，例如，可以使用IGBT、MOSFET、J-FET、双极晶体管之类的功率半导体元件，以及继电器等机械接点开关。

现在，利用图3讲述具体的控制方法。控制部4，如图3所示，包括再生电力运算部33、零相电流指令运算部34、零相电压指令运算部35、门脉冲生成部36。再生电力运算部33，输入电压、电流检出值，使用(公式1)计算再生电力。

P＝3×(V_d×I_d+V_q×I_q) (公式1)

在(公式1)中，P是再生电力运算值，电压V、电流I的下标d、q，是将电动机磁通方向的成分作为d，将与之垂直的成分作为q时的值。

零相电流指令运算部34，使用(公式2)，计算流过电阻31的电流(≡零相电流)的指令值，以便用电阻31，将再生电能全部消耗。

I^*＝√(P/R) (公式2)

在(公式2)中，I^*是零相电流指令值，R是电阻31的电阻值。

另外，零相电压指令运算部35，输入由三相电流IU、IV、IW之和求出的零相电流与零相电流指令值之差，生成零相电压指令。将该零相电压指令加到交流电压指令VU^*、VV^*、VW^*上，在门脉冲生成部36生成控制IGBT部23的门脉冲。

这样，与零相电流指令值成正比地控制电阻31的电压。这时，零相电流被控制成与零相电流指令值一致，用电阻31将再生电能全部消耗。因此，本实施例中的多重电力变换器装置，可以使负载的电动机，迅速减速到所需的速度或停止。

零相电压指令值，例如，作为电力变换器的输出电压频率的3倍的频率(3次谐波)成分及直流电压而被给予。但其大小受零相电压指令值的控制。

另外，在本实施例中，由于伴随感应电动机3的旋转速度的下降，再生电能下降，零相电流变小，所以将电阻消耗电能设定成与再生电能匹配的最小值，就能防止无用的电力消耗，使电阻小型化。

(实施例2)

下面使用图4，讲述本实施例。对本实施例与实施例1不同之处进行讲述。在本实施例中，如图4所示，将中性点取出用变压器37，配置在电力变换器11、12、13的负载侧输出端子处。本实施例中的中性点取出用变压器37，具有数量与电力变换器11、12、13的个数对应的绕组，将各绕组的一端与电力变换器11、12、13的负载侧输出端子连接，将各绕组的另一端共同连接，取出中性点。通过电阻31和开关32，将如此取出的中性点与三相的电力变换器11、12、13的反负载侧的中性点连接。

本实施例的多重电力变换装置再生时的动作，与实施1相同。在本实施例中，即使在已有的电动机等电器中不容易取出中性点时，也只要将中性点取出用变压器37设置在负载和电力变换器11、12、13之间即可，能够和实施例1一样，将电阻消耗电能设定成与再生电能匹配的值，使电阻小型化。

(实施例3)

下面使用图5，讲述本实施例。对本实施例与实施例1不同之处进行讲述。在本实施例中，如图5所示，将三相的电力变换器11、12、13的反负载侧端子互相连接，在其连接中性点和感应电动机3的感应电动机中性点30之间，连接再生电力变换器40。再生电力变换器40，包括二极管整流器部41、平滑电容器42和IGBT部43。

产生由感应电动机3向电力变换器11、12、13侧的再生电力时，通过再生电力变换器40吸收的电力，向电源变压器2侧再生。本实施例也和实施例1一样，控制电力变换器11、12、13的输出电压的零相电压。

另外，在非再生时，将再生电力变换器40的平滑电容器42的电容器电压，设定为比电力变换器11、12、13和感应电动机3的中性点电位差高的值，以便控制电流不从再生电力变换器40流入电源变压器2。

在本实施例中，能使再生电力向电源侧再生，还和实施例1一样，根据零相电流指令值再生电力，所以能使负载的电动机迅速减速到所需的速度或者停止。

另外，在本实施例中，能够减小再生时的发热量，使再生电力变换器40小型化。此外，如图5所示，用一个再生电力变换器40即可，所以能减少部件的数量和装置占用的空间，实现小型化。

(实施例4)

下面使用图6，讲述本实施例。对本实施例与实施例3不同之处进行讲述。在本实施例中，如图6所示，将中性点取出用变压器37，配置在电力变换器11、12、13的负载侧输出端子处。中性点取出用变压器37的结构与实施例2相同。将再生电力变换器40与如此取出的中性点，和三相的电力变换器11、12、13的反负载侧的中性点连接。本实施例的多重电力变换装置的动作与实施例子相同。

在本实施例中，即使在已有的电动机等电器中不容易取出中性点时，也只要将中性点取出用变压器37设置在负载和电力变换器11、12、13之间即可，能够和实施例3一样，减少部件的数量和装置占用的空间，实现小型化。

(实施例5)

下面使用图7，讲述本实施例。对本实施例与实施例1不同之处进行讲述。在本实施例中，如图7所示，将再生电力变换器50，配置在反负载侧的端子处，再生电力变换器50，包括二极管整流器部51、开关部52、放电阻止用二极管部53、平滑电容器54和IGBT部55。

在本实施例中，产生由感应电动机3向电力变换器11、12、13侧的再生电力时，使开关部52成为OFF(非导通)状态，通过再生电力变换器50，向电源变压器2侧再生。另外在再生时，通过电力变换器11、12、13的输出电压控制，将来自感应电动机3的再生电力，向再生电力变换器50侧传递。此外，再生电力变换器50的开关部52，只要是能够控制成在非再生时成为ON(导通)状态，再生时成为OFF(非导通)状态的半导体元件即可，例如，可以使用IGBT、功率MOSFET及双极晶体管等。

在本实施例中，和实施例3、实施例4一样，能够在再生时，将再生电力向电源变压器2再生，而且用一个再生电力变换器50即可，所以能减少部件的数量和装置占用的空间，实现小型化。

(实施例6)

下面使用图8，讲述本实施例。对本实施例与实施例5不同之处进行讲述。在本实施例中，如图8所示，通过开关部61，将三相的电力变换器11、12、13的反负载侧的端子连接。另外，将再生电力变换器56，配置在三相的电力变换器11、12、13的反负载侧的端子处，再生电力变换器56，包括二极管整流器部51、平滑电容器54和IGBT部55。

非再生时，使开关部61成为ON(在图8中，将与各相的电力变换器连接的开关全部ON)状态。由感应电动机3产生再生电力时，使开关部61成为OFF(在图8中，将与各相的电力变换器连接的开关全部OFF)状态，通过控制电力变换器11、12、13的开关动作，将来再生电力，向再生电力变换器56传递，向电源变压器2再生。

此外，开关部61，只要在非再生时成为ON(导通)状态，再生时成为OFF(非导通)状态即可，例如，可以使用IGBT、功率MOSFET、双极晶体管等半导体元件及继电器之类的机械接点。在本实施例中，和实施例5一样，能够在再生时，将再生电力向电源变压器2再生，而且用一个再生电力变换器56即可，所以能减少部件的数量和装置占用的空间，实现小型化。

(实施例7)

下面使用图9，讲述本实施例。对本实施例与实施例5不同之处进行讲述。本实施例的电力变换装置，如图9所示，通过开关部71，将三相的电力变换器11、12、13的反负载侧的端子连接进而给各相设置电阻72a、72b、72c。

非再生时，使开关部71全部ON，通过控制电力变换器11、12、13的开关动作，将再生电力，传递给开关部71侧，用各相的电阻72a、72b、72c消耗再生电力。

在本实施例中，不需要取出感应电动机的中性点。还可以取代开关部71，给各电阻并联设置开关。这些开关，例如，可以使用IGBT、NOSFET、J-FET、双极晶体管等半导体元件以及继电器等机械接点。

采用本发明后，可以使非再生型电力变换器的体积减小、成本降低，可以用电阻消耗感应电动机及同步电动机等多相负载装置的再生电力，或者向电源再生，从而使电动机迅速制动减速。

Claims

1、一种电力变换装置，其特征在于：包括1个或串联多个将来自交流电源的电力变换成可变电压、可变频率的多相交流电的非再生型单相单元反相器的电力变换器；

还包括一端与将所述电力变换器的反负载侧互相连接的中性点连接，另一端与多相负载装置的中性点连接的再生电力吸收部。

2、如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：包括控制所述电力变换装置的输出的零相电压，进而控制所述再生电力吸收部吸收的电力的控制部。

3、如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：所述再生电力吸收部，包括电阻和与该电阻串联连接的开关。

4、如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：所述再生电力吸收部，是再生电力变换器。

5、如权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于：所述再生电力变换器，包括二极管整流器、平滑电容器和反相器部。

6、一种电力变换装置，其特征在于：包括1个或串联多个将来自交流电源的电力变换成可变电压、可变频率的多相交流的非再生型单相单元反相器的电力变换器；

还包括一端与将所述电力变换器的反负载侧互相连接的中性点连接，另一端与配置在所述电力变换器的负载侧的中性点取出用变压器的中性点连接的再生电力吸收部。

7、如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于：包括控制所述电力变换装置的输出的零相电压，进而控制所述再生电力吸收部吸收的电力的控制部。

8、如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于：所述再生电力吸收部，包括电阻和与该电阻串联连接的开关。

9、如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于：所述再生电力吸收部，是再生电力变换器。

10、如权利要求9所述的电力变换装置，其特征在于：所述再生电力变换器，包括二极管整流器、平滑电容器和反相器部。

11、一种电力变换装置，其特征在于：包括1个或串联多个将来自交流电源的电力变换成可变电压、可变频率的多相交流的非再生型单相单元反相器的电力变换器；

还包括连接所述电力变换器的各自的反负载侧的再生电力吸收部。

12、如权利要求11所述的电力变换装置，其特征在于：包括控制所述电力变换装置的输出的零相电压，进而控制所述再生电力吸收部吸收的电力的控制部。

13、如权利要求11所述的电力变换装置，其特征在于：所述再生电力吸收部，是再生电力变换器。

14、如权利要求13所述的电力变换装置，其特征在于：所述再生电力变换器，包括二极管整流器、平滑电容器和反相器部。

15、如权利要求11所述的电力变换装置，其特征在于：所述再生电力吸收部，包括一端与所述各反负载侧的输出端子连接，另一端互相连接的电阻。

16、如权利要求15所述的电力变换装置，其特征在于：在所述各反负载侧的输出端子之间，分别设置开关。

17、如权利要求15所述的电力变换装置，其特征在于：开关与所述各电阻并联连接。