CN1954482A - 使磁能量再生的交流电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使磁能量再生的交流电源装置，该交流电源装置可以进行交流负载的功率因数改善，实现低成本和小型化，并且使磁能量再生，该交流电源装置的特征在于，该交流电源装置具有：由4个逆向导通式半导体开关构成的桥电路；连接在所述桥电路的直流端子之间，储存所述电流切断时的磁能量的电容器；与所述感应性负载串联连接，并插入所述桥电路的交流端子之间的交流电压源；以及向所述各个逆向导通式半导体开关的栅极提供控制信号，进行所述各个逆向导通式半导体开关的接通/断开控制的控制电路，所述控制电路进行以下控制：使构成所述桥电路的4个逆向导通式半导体开关中、位于对角线上的对的逆向导通式半导体开关分别同时进行接通/断开动作，并且在两对中的一对接通时，使另一对断开，而且所述控制信号与所述交流电压源的电压同步地切换。

Description

使磁能量再生的交流电源装置
技术领域
本发明涉及一种可以改善交流负载的功率因数的交流电源装置，具体讲，涉及一种实现了低成本和小型化的交流电源装置，其代替以往的无功补偿电容器，与交流负载串联地插入使磁能量再生的双向电流开关，从而发挥无功补偿电容器的作用。
背景技术
在使交流电流流过具有电感器的负载时，需要在上升沿时施加大于直流电阻成分(正常时的电阻成分电压)的电压，功率因数因电流的相位延迟而降低，但为了改善该交流电流的功率因数，串联插入无功补偿电容器来减少电抗成分并增加电流，从而改善功率因数。
基于串联插入的无功补偿电容器方式的功率因数改善，存在不适合负载的功率因数因运转状态而变化的情况、或者电源频率大幅变化的电路的问题。
另一方面，在像感应电机那样从起动到转入正常运转的初期动作时，负载电流的功率因数变化，但为了对此进行补偿，使用采用了半导体开关的AC-DC-AC链接的逆变器·转换器单元(inverter/converterset)，降低频率和电压进行起动，在运转时进行转速控制，但是因成本高，基于PWM控制形成的高频干扰，及需要用于保持DC电压的大电解电容器，从而具有尺寸增大的缺点。
并且，存在以下问题，在感应电机的初期动作时，电感成分大，电流的功率因数恶化，在以较小的有效电流进行初期动作时，不能获得较大的转矩(起动转矩)。
发明内容
这种以往的功率因数改善方法具有限度，因此需要具有代替无功补偿电容器方式的功率因数改善电路的、实现了低成本和小型化的交流电源装置。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，提供一种可以改善交流负载的功率因数、并且实现了低成本和小型化的交流电源装置。
本申请的发明人着眼于以下内容的研究，将切断负载电流时残留在电路中的磁能量储存在电容器中，在下一次接通时把该能量释放给负载，使电流急速上升，由此可以提高功率因数。即，流过负载的电流在电流切断时将其磁能量储存在电容器中并停止，在下一次接通时再生提供给负载，从而使电流急速上升，结果，流过的电流增加，能够以更低的电压流过较大的电流，成为广义上的电源功率因数的改善。
由此，想到在交流电路中使用磁能量再生双向开关，在任意定时切断电流，将磁能量储存在电容器中，在任意定时再次使电流反方向流向负载，从而可以强制控制交流电流的电流相位。
另外，所述磁能量再生双向开关是无损耗的电流开关，并且已由本申请人作为专利申请的开关(参照日本特开2000-358359号公报)，该开关将切断负载电流时残留在电路中的磁能量储存在设于开关桥内的储存电容器中，在下一次接通时将该能量释放给负载，从而使电流急速上升。
本发明涉及可以改善交流负载的功率因数的交流电源装置，本发明的上述目的如上所述是通过交流电源装置实现的，该交流电源装置向感应性负载提供交流电流，并且使电流切断时的磁能量再生而用于向所述感应性负载提供电流，该交流电源装置的特征在于，具有：由4个逆向导通式半导体开关构成的桥电路；连接在所述桥电路的直流端子之间，储存所述电流切断时的磁能量的电容器；与所述感应性负载串联连接，并连接在所述桥电路的交流端子之间的交流电压源；以及向所述各个逆向导通式半导体开关的栅极提供控制信号，进行各个半导体开关的接通/断开控制的控制电路，所述控制电路进行以下控制，使构成所述桥电路的4个逆向导通式半导体开关中、位于对角线上的一对的逆向导通式半导体开关分别同时进行接通/断开动作，并且在两对中的一对接通时，使另一对断开，而且所述控制信号与所述交流电压源的电压同步地切换。
附图说明
图1表示本发明涉及的交流电源装置的实施例。
图2是表示本发明涉及的交流电源装置的电流电压波形的仿真结果的图。
图3表示本发明涉及的交流电源装置在感应电机中的应用示例。
图4是对比表示连接(有开关)及不连接(没有开关)本发明涉及的交流电源装置时的感应电机的起动电流和起动转矩的实测值的图。
图5是用于说明磁能量再生双向电流开关在交流时的动作原理的图。
具体实施方式
本发明为了提供结构简单且可以实现小型化和低成本的交流电源装置，利用了如下现象：对插入交流电压源和感应性负载之间的磁能量再生双向电流开关的脉冲电流产生功能，以与电源同步的定时进行接通/断开，可以控制交流电流的相位。以下，参照附图进行详细说明。
图1是表示本发明涉及的交流电源装置10的基本结构的图，在交流电压源20和具有电感器的感应性负载50之间插入磁能量再生双向电流开关30(桥式连接4个逆向导通式半导体开关31而构成。)，利用控制单元40以与交流电压源20的电压同步的信号控制功率MOSFET31(逆向导通式半导体开关的一例)的各个栅极(G1～G4)，使电流接通/断开。
所述磁能量再生双向电流开关30内置有用于储存电流断开时的磁能量的电容器32，因此在下一次接通时，可以借助于电容器32的放电再生与断开时相同的电流。
感应性负载50在电流接通/断开时被施加脉冲电压，电压的大小可以通过选择电容器32的静电容量而控制在功率MOSFET31和感应性负载50的耐电压允许范围内，结果，与以往的串联功率因数改善电容器不同，具有可以使用直流电容器的优点。
控制单元40控制4个功率MOSFET31的栅极，对峙的对即顺时针方向电流的对(G1和G2)或逆时针方向的对(G3和G4)，可以根据想要使电流流过的方向进行导通/截止，而在电容器32具有电压的期间，需要注意不要使顺时针方向电流的对和逆时针方向的对同时导通。
栅极控制与交流电压源20的电压同步进行，但例如在改善电流的功率因数的示例中，如果在电压为正的期间，导通顺时针方向的栅极(G1、G2)，在电压为负的期间，导通逆时针方向的栅极(G3、G4)，则方向与电压完全相同的电流流过，不仅如此，该开关将电流断开时的磁能量储存在电容器32中，本次利用该能量进行逆向放电，使电流急速上升，从而增加负载供给电流。关于交流电压源20的电压和栅极的状态关系如下面表1所示。
             表1
栅极     电源电压
    正     负
  G1、G2     ON     OFF
  G3、G4     OFF     ON
以下，参照图5说明磁能量再生双向电流开关在交流时的动作原理。
(1)在SW1和SW2接通的期间，电流从图中的下方流向上方(正的方向)，形成两个并联导通状态(图2中电流较平直的状态时)。
(2)在交流电压源20的电压从正翻转为负之前(在本实施例中约为2ms前)，使SW1和SW2断开时(此时，SW3和SW4变为接通)，按照(1)的路径向电容器充填磁能量。
(3)在充电结束后电流被断开、电压翻转时(正→负)时，(3)在充电结束后电流被断开、电压翻转时(正→负)时，SW3和SW4已经接通，所以开始按照(2)的路径放电(电流从上方流向下方。)。在放电结束后，形成两个并联导通状态。
(4)在交流电压源20的电压从负翻转为正之前(在本实施例中约为2ms前)，使SW3和SW4断开时(此时，SW1和SW2变为接通。)，按照(3)的路径向电容器充填磁能量。
(5)在充电结束后电流被断开、电压翻转时(负→正)时，SW1和SW2已经接通，所以开始按照(4)的路径放电(电流从下方流向上方。)。在放电结束后，形成两个并联导通状态，返回上述(1)的状态。以后重复该动作。
如上所述，将切断负载电流时残留在电路中的磁能量储存在电容器中，在下一次接通时将该能量释放给负载，使电流急速上升，从而可以提高功率因数。
图2是表示本发明涉及的交流电源装置的动作仿真结果的图，得知在具有磁能量再生双向电流开关30时，电流的相位与电压同步，电流增加，这除了改善负载的功率因数外，该装置还作为广义上的功率因数改善装置发挥作用。
如果使栅极信号的相位更超前，相位超前的电流流过，如果使之延迟，还可以减少电流，但再延迟180度，则电流停止。
另外，作为所述逆导通式半导体开关的实施例使用功率MOSFET进行了说明，但是，使用逆导通式GTO晶闸管或并联连接二极管和IGBT等半导体开关构成的单元，也可以获得相同效果。
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明涉及的使磁能量再生的交流电源装置，可以强制使电流的相位与和电源相位相同的相位同步，所以能够改善电流的功率因数，与以往的DC链接方式相比，可以实现低成本且小型化的交流电源装置。
通过把本发明涉及的交流电源装置用作感应电机的电源，可以增大起动时的起动转矩。图3表示用于实测起动转矩的实验电路，图4是对比表示该起动转矩的实测值和使用以往的交流电源时的起动转矩的曲线图。根据该图可知，使用本发明涉及的交流电源装置时，可以在相同相电压下获得约4倍的起动转矩。

Claims (2)

1.一种使磁能量再生的交流电源装置，该交流电源装置向感应性负载提供交流电流，并且使电流切断时的磁能量再生而用于向所述感应性负载提供电流，该交流电源装置的特征在于，该交流电源装置具有：
由4个逆向导通式半导体开关构成的桥电路；
连接在所述桥电路的直流端子之间，储存所述电流切断时的磁能量的电容器；
与所述感应性负载串联连接，并连接在所述桥电路的交流端子之间的交流电压源；以及
向所述各个逆向导通式半导体开关的栅极提供控制信号，进行所述各个逆向导通式半导体开关的接通/断开控制的控制电路，
所述控制电路进行以下控制：使构成所述桥电路的4个逆向导通式半导体开关中、位于对角线上的对的逆向导通式半导体开关分别同时进行接通/断开动作，并且在两对中的一对接通时，使另一对断开，而且所述控制信号与所述交流电压源的电压同步地切换。
2.根据权利要求1所述的使磁能量再生的交流电源装置，其中，所述各个逆向导通式半导体开关是功率MOSFET、逆向导通式GTO晶闸管、或者通过并联连接二极管和IGBT等半导体开关构成的单元中的任一种。
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