TWI403068B - 電力轉換裝置 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種轉換裝置，特別是指一種應用於能量回傳的電力轉換裝置。
如圖1所示，於文獻「V. Blasko,“Power conditions and control of a regenerative brake,”in IEEE Industry Applications Conference 33rd IAS Annual Meeting,1998,pp. 1504-1510.」中提出一種習知的電力轉換裝置1，適用於根據一馬達M加速或減速情況，而對應執行雙向電力轉換的其中之一。當馬達M加速時，來自一市電端E的一呈三相的市電電力經由一提供電流保護的電感L而產生一中間電力，該中間電力遭該電力轉換裝置1接收並進行交流至直流轉換後，再經由一馬達反流器M1進行直流至交流轉換後送到該馬達M。當該馬達M減速時，來自該馬達M藉由該馬達反流器M1所提供的一直流電力，遭該電力轉換裝置1接收並進行直流至交流轉換後回傳到該市電端E，其中該直流電力的電壓大於該中間電力的電壓。
該電力轉換裝置1包含：一整流器11、一直流鏈電容Cdc、一反流器12、一轉換電感Lf、一變壓器T，和一控制電路13。
整流器11電連接於該電感L，當馬達M加速時將來自該電感L的該中間電力進行整流，以得到一呈直流脈動的整流電力。
直流鏈電容Cdc電連接於該整流器11和該馬達反流器M1，並在馬達M加速及減速時分別儲存二種電力。當馬達M加速時，該直流鏈電容Cdc用以儲存來自該整流器11的該整流電力，更提供該整流電力給該馬達反流器M1，由該馬達反流器M1將該整流電力進行轉換後再提供給該馬達M，而當馬達M減速時，該直流鏈電容Cdc則用以儲存來自該馬達反流器M1的直流電力，而使直流鏈電容Cdc的兩端跨壓Vdc大於該中間電力的電壓，導致該整流器11不會進行整流。
反流器12電連接於該直流鏈電容Cdc，並受一組脈波調變信號控制，以在馬達M1減速時，將來自該直流鏈電容Cdc的該直流電力轉換成一呈三相的轉換電力，而在馬達M1加速時停止轉換。
變壓器T電連接於該反流器Lf以接收該轉換電力，並對該轉換電力的電壓進行升壓而得到一升壓電力，該升壓電力的電壓大於該市電電力之電壓。
轉換電感Lf電連接於該變壓器T和市電端E之間，而根據該升壓電力與市電電力之間的電壓差產生一呈三相的轉換電流If以提供到該市電端E。
控制電路13電連接於該市電端E、該轉換電感L和該馬達M，用於根據馬達M的操作情況以判斷馬達M加速或減速，且更根據該轉換電流If和該市電電力的電壓Uabc，並配合一期望實功值P*和一期望虛功值Q*進行運算，產生該組脈波調變信號對該反流器12進行控制。
習知電力轉換裝置1的缺點為：所使用的變壓器T將增加體積和重量。
因此，本發明之目的，即在提供一種減少體積和重量的電力轉換裝置。
該電力轉換裝置，適用於電連接到一馬達、一馬達反流器及一市電端，該馬達電連接到該馬達反流器，並在減速時，經由該馬達反流器提供一直流電力，該電力轉換裝置包含：一直流鏈電容，電連接於該馬達反流器，用以儲存該馬達反流器所提供的該直流電力；一反流器，電連接於該直流鏈電容，並在該馬達減速時遭致能以將該直流電力轉換成一呈三相的轉換電力；串聯的一轉換電感與一電容，電連接於該市電端和該反流器之間，並當馬達減速時，該轉換電感與該電容的共同接點電壓遭該轉換電力瞬間拉升，而使該轉換電感的兩端壓差實質上等於該轉換電力之電壓以產生一轉換電流而傳送到該市電端；及一控制電路，電連接於該馬達及該反流器，用於判斷該馬達是否減速，以決定是否將該反流器致能。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
如圖2所示，本發明電力轉換裝置2之較佳實施例，適用於電連接到一馬達M、一馬達反流器M1、一電感L及一市電端E，該馬達M更電連接到該馬達反流器M1而該電感L更電連接於該市電端E，該電力轉換裝置2根據馬達M加速或減速情況，而對應執行雙向電力轉換的其中之一。當馬達M加速時，來自市電端E的一呈三相的市電電力經由提供電流保護的電感L而產生一中間電力，該中間電力遭該電力轉換裝置2接收並進行交流至直流轉換後，再經由一馬達反流器M1進行直流至交流轉換後送到該馬達M，當該馬達M減速時，來自該馬達M藉由該馬達反流器M1所提供的一直流電力，遭該電力轉換裝置2接收並進行直流至交流轉換後回傳到該市電端E，其中該直流電力的電壓大於該中間電力的電壓。
該電力轉換裝置2包含：一整流器21、一直流鏈電容Cdc、一反流器22、一轉換電感Lf、一電容Cf，和一控制電路23。整流器21電連接於該電感L。直流鏈電容Cdc電連接於該整流器21和該馬達反流器M1。反流器22電連接於該直流鏈電容Cdc，並受控制遭去能(disable)或致能(enable)。串聯的轉換電感Lf與電容Cf電連接於市電端E和該反流器22之間。控制電路23電連接於該市電端E、該轉換電感Lf、該電感L、該馬達M、該直流鏈電容Cdc及該反流器22，用於根據馬達M操作情況以判斷馬達M加速或減速，而對該反流器22進行去能或致能。
以下將分別針對馬達M加速或減速情況，來討論電力轉換裝置2的操作，其中，有作動的元件以實線表示而沒作動的元件則以虛線表示，並省略畫出控制電路23。
<馬達加速>
如圖3所示，當馬達M加速時，該整流器21將該中間電力進行整流，以得到一呈直流脈動的整流電力。
該直流鏈電容Cdc用以儲存來自該整流器21的該整流電力，更提供該整流電力給該馬達反流器M1，由該馬達反流器M1將該整流電力進行轉換後再提供給該馬達M。
反流器22遭該控制電路23去能而不會進行轉換，使轉換電感Lf與電容Cf的共同接點n1的電壓實質上等於市電電力Uabc的電壓。
<馬達減速>
如圖4所示，當馬達M減速時，該直流鏈電容Cdc則用以儲存來自該馬達反流器M1的直流電力，而使直流鏈電容Cdc的兩端跨壓Vdc大於該中間電力的電壓，導致該整流器21不會進行整流。
該反流器22遭該控制電路23致能，而將來自該直流鏈電容Cdc的該直流電力轉換成一呈三相的轉換電力。
因為轉換電力為低頻而使電容Cf產生近似開路的高阻抗，而將轉換電感Lf與電容的共同接點n1電壓瞬間拉升成市電電力之電壓Uabc加轉換電力之電壓，而使轉換電感Lf的兩端壓差實質上等於轉換電力之電壓以產生一轉換電流If來提供到該市電端E。
回到圖2，在本實施例中，該控制電路23除了根據馬達M加速或減速，更根據該中間電力之電流IL、市電電力之電壓Uabc及轉換電流If進行運算而產生一組脈波調變信號來控制該反流器22。
其中，如圖5所示，該控制電路23包括：一鎖相迴路器31、一功率計算器32、一實功命令產生器33、一虛功命令產生器34、一基頻電流命令產生器35、一諧頻電流命令產生器36、一轉換電流命令產生器37、一電流調節器38、一脈波寬度調變器39。
鎖相迴路單元31電連接於該市電端E，用以對該市電電力的電壓Uabc進行鎖相以得到一相關於該市電電力的電壓Uabc的角速度ω。
又鎖相迴路單元31的詳細做法可參考文獻「Arruda,L.N.;Silva,S.M.;Filho,B.J.C.,“PLL structures for utility connected systems,”in IEEE Industry Applications Conference,Thirty-Sixth IAS Annual Meeting.,vol. 4,pp. 2655-2660,2001.」，但不限於此做法。
功率計算器32電連接於該市電端E和轉換電感Lf，用以利用該市電電力的電壓Uabc和轉換電流If，計算反流器22輸出至該市電端E的一瞬時實功值P和一瞬時虛功值Q。
功率計算器32具有兩個三相至靜止框轉換單元321、322，和一瞬時功率計算單元323。該二個三相至靜止框轉換單元321、322將呈三相的該市電電力的電壓Uabc的大小和轉換電流If的大小分別轉換成靜止框座標軸上的一直流市電電壓值Us
dq和一直流轉換電流值Is
fdq。瞬時功率計算單元323電連接於該二個三相至同步框轉換單元321、322，用以根據該直流市電電壓值Us
dq和該直流轉換電流值Is
fdq進行計算以得到該瞬時實功值P和該瞬時虛功值Q。
又三相至靜止框轉換單元321、322的詳細做法可參考文獻「Zeng,Q.;Chang,L.,"A new method for three-phase voltage detection and protection based on reference frame transformation,"Power Electronics Specialists Conference,2004. PESC 04. 2004 IEEE 35th Annual,vol. 4,2489-2493,2004」，但不限於此。
又瞬時功率計算單元323的即時功率計算理論(Instantaneous Power Theory)可參考書「Instantaneous Power Theory And Applications To Power Conditioning,作者：Hirofumi Akagi,Edson Hirokazu Watanabe,Mauricio Aredes」，但不限於此做法。
實功命令產生器33電連接於該馬達M和該直流鏈電容Cdc，以接收來自該馬達M的一狀態信號，該實功命令產生器33根據該直流鏈電容的跨壓Vdc的大小和一期望電壓值V*dc進行運算以得到一期望實功計算值，並根據該狀態信號判斷馬達M加速或減速，而於馬達M加速及減速時，分別輸出0及該期望實功計算值作為一期望實功命令P*。
實功命令產生器33具有一減法單元331、一比例積分(Proportional-integral,PI)單元332、一多工單元333，和一判斷單元334。
該減法單元331將該期望電壓值V*dc減去該直流鏈電容的跨壓Vdc的大小以得到一差值。該比例積分單元332電連接於該減法單元331以接收該差值，並將該差值以比例積分方式轉換成該期望實功計算值。該多工單元333具有一接收該期望實功計算值的一第一端、一接收0的第二端、一輸出端。判斷單元334電連接於該馬達M和該多工單元333，並根據該狀態信號判斷馬達M加速或減速，以對應地控制該多工單元333由輸出端輸出0或該期望實功計算值作為該期望實功命令P*。
虛功命令產生器34電連接於該市電端E及該電感L，並利用該市電電力的電壓Uabc的大小和該中間電力的電流IL的大小以即時功率計算理論計算出一期望虛功命令Q*，又虛功命令產生器34的詳細做法與該功率計算器32類似，故不再重述。
值得注意的是：該期望虛功命令Q*的值實質上等同於市電端E流進整流器21的虛功，因此控制電路23能根據該期望虛功命令Q*，使該反流器22輸出至市電端E的虛功實質上等同於市電端E流進整流器21的虛功，以提升整流器21的功率因素(Power Factor)。
基頻電流命令產生器35電連接於該功率計算器32、實功命令產生器33、虛功命令產生器34，用以根據該瞬時實功值P、該瞬時虛功值Q、期望實功命令P*、期望虛功命令Q*進行運算後得到一實部基頻電流命令Ie
bd和一虛部基頻電流命令Ie
bq。
該基頻電流命令產生器35具有二個減法單元351、352和二個比例積分單元353、354。該二個減法單元351、352分別利用期望虛功命令Q*減去瞬時虛功值Q、期望實功命令P*減去該瞬時實功值P而得到一虛功差值和一實功差值。該二比例積分單元353、354分別電連接於該二減法單元351、352以接收該虛功差值和該實功差值，並將該虛功差值和該實功差值以比例積分方式轉換成該實部基頻電流命令Ie
bd和該虛部基頻電流命令Ie
bq。
諧頻電流命令產生器36電連接於該鎖相迴路器31和該電感L，用以根據該角速度ω將該中間電力的電流IL的大小進行轉換以得到一實部諧頻電流命令Ie
Lhd和一虛部諧頻電流命令Ie
Lhq。
諧頻電流命令產生器36具有一個三相至同步框轉換單元361，和二個高通濾波單元362、363。該三相至同步框轉換單元361根據該角速度ω將該中間電力的電流IL的大小轉換成同步框座標軸上的一實部降頻電流命令Ie
Ld和一虛部降頻電流命令Ie
Lq。又三相至同步框轉換單元361的詳細做法可參考文獻「Zeng,Q.;Chang,L.,"A new method for three-phase voltage detection and protection based on reference frame transformation,"Power Electronics Specialists Conference,2004. PESC 04. 2004 IEEE 35th Annual,vol. 4,2489-2493,2004」，但不限於此。
該二高通濾波單元362、363電連接於該三相至同步框轉換單元361，用以分別對該實部降頻電流命令Ie
Ld和該虛部降頻電流命令Ie
Lq濾除低頻成分而取出諧波成分而得到該實部諧頻電流命令Ie
Lhd和該虛部諧頻電流命令Ie
Lhq。
轉換電流命令產生器37電連接於該基頻電流命令產生器35和該諧頻電流命令產生器36，用以根據實部基頻電流命令Ie
bd、虛部基頻電流命令Ie
bq、該實部諧頻電流命令Ie
Lhd和該虛部諧頻電流命令Ie
Lhq執行運算和座標轉換，以得到一呈三相的轉換電流命令I*f。
轉換電流命令產生器37具有一減法單元371、一加法單元372、一同步至三相框轉換單元373。該減法單元371利用該實部諧頻電流命令Ie
Lhd減去該實部基頻電流命令Ie
bd以產生一實部轉換電流命令。該加法單元372對該虛部基頻電流命令Ie
bq和該該虛部諧頻電流命令Ie
Lhq進行加法運算後產生一虛部轉換電流命令。同步至三相框轉換單元373電連接於該減法單元371和該加法單元372，用以對該實部轉換電流命令和該虛部轉換電流命令進行三相框座標轉換後產生該呈三相的轉換電流命令I*f。
電流調節器38電連接於該轉換電流命令產生器37和該轉換電感Lf，並根據該轉換電流命令I*f和該轉換電流If的大小的差值，以一預設比例進行轉換以產生一三相參考電壓V*abc。
該電流調節器38包括一減法單元381和一比例電流控制單元382。該減法單元381利用該轉換電流命令I*f減去該轉換電流If的大小以得到一電流差值。
比例電流控制單元382電連接於減法單元381，用以將該電流差值放大以產生三相參考電壓V*abc。
脈波寬度調變器39電連接於該電流調節器38，用以將該三相參考電壓V*abc分別與三個相位臨界值比較以得到該組脈波調變信號。
又脈波寬度調變器39的詳細做法可參考文獻「D. Grahame Holmes and T. A. Lipo,”Pulse Width Modulation for Power Converters:Principles and Practice,”IEEE PRESS,NJ,2003」，但不限於此。
綜上所述，將本發明之較佳實施例應用於能量回傳具有以下優點：
1.使用電容C取代先前技術的變壓器T，可減少硬體的體積和重量。
2.利用諧頻電流命令產生器36根據該中間電力的電流IL以提供實部諧頻電流命令Ie
Lhd和該虛部諧頻電流命令Ie
Lhq，而使轉換電流If具有諧波補償的功能。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
E．．．市電端
M．．．馬達
L．．．電感
M1．．．馬達反流器
1．．．電力轉換裝置
11．．．整流器
12．．．反流器
13．．．控制電路
T．．．變壓器
Lf．．．轉換電感
Cdc．．．直流鏈電容
2．．．電力轉換裝置
21．．．整流器
22．．．反流器
23．．．控制電路
Cf．．．電容
31．．．鎖相迴路器
32．．．功率計算器
321．．．三相至靜止框轉換單元
322．．．三相至靜止框轉換單元
323．．．瞬時功率計算單元
33．．．實功命令產生器
331．．．減法單元
332．．．比例積分單元
333．．．多工單元
334．．．判斷單元
34．．．虛功命令產生器
35．．．基頻電流命令產生器
351．．．減法單元
352．．．減法單元
353．．．比例積分單元
354．．．比例積分單元
36．．．諧頻電流命令產生器
361．．．三相至同步框轉換單元
362．．．高通濾波單元
363．．．高通濾波單元
Cdc．．．直流鏈電容
37．．．轉換電流命令產生器
371．．．減法單元
372．．．加法單元
373．．．同步至三相框轉換單元
38．．．電流調節器
381．．．減法單元
382．．．比例電流控制單元
39．．．脈波寬度調變器
圖1是一種習知電力轉換裝置的電路圖；
圖2是本發明電力轉換裝置之較佳實施例的電路圖；
圖3是說明該較佳實施例於馬達加速時之動作的電路圖；
圖4是說明該較佳實施例於馬達減速時之動作的電路圖；及
圖5是該較佳實施例之一控制電路的電路圖。
E．．．市電端
M．．．馬達
L．．．電感
M1．．．馬達反流器
Lf．．．轉換電感
Cdc．．．直流鏈電容
2．．．電力轉換裝置
21．．．整流器
22．．．反流器
23．．．控制電路
Cf．．．電容
Claims (12)
- 一種電力轉換裝置，適用於電連接到一馬達、一馬達反流器及一市電端，該馬達電連接到該馬達反流器，並在減速時，經由該馬達反流器提供一直流電力，該電力轉換裝置包含：一直流鏈電容，電連接於該馬達反流器，用以儲存該馬達反流器所提供的該直流電力；一反流器，電連接於該直流鏈電容，並在該馬達減速時遭致能以將該直流電力轉換成一呈三相的轉換電力；串聯的一轉換電感與一電容，電連接於該市電端和該反流器之間，並當馬達減速時，該轉換電感與該電容的共同接點電壓遭該轉換電力瞬間拉升，而使該轉換電感的兩端壓差實質上等於該轉換電力之電壓以產生一轉換電流而傳送到該市電端；及一控制電路，電連接於該馬達及該反流器，用於判斷該馬達是否減速，以決定是否將該反流器致能。
- 依據申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，更電連接於一電感，該電感電連接到該市電端，且該電力轉換裝置更包含：一整流器，電連接於該電感及該直流鏈電容，當該馬達加速時，用於接收該市電端經由該電感所產生的一中間電力，並將該中間電力進行整流，以得到一呈直流脈動的整流電力而儲存到該直流鏈電容；該直流鏈電容更提供該整流電力給該馬達反流器，由該馬達反流器將該整流電力進行轉換後再提供給該馬達。
- 依據申請專利範圍第2項所述之電力轉換裝置，其中，當該馬達減速時，該直流鏈電容的兩端跨壓遭該直流電力充電，而產生大於該中間電力的電壓，導致該整流器不會進行整流。
- 依據申請專利範圍第3項所述之電力轉換裝置，其中，該控制電路更判斷該馬達是否加速，以決定是否將該反流器去能，當該反流器被去能而不會進行轉換時，該轉換電感與該電容的共同接點的電壓實質上等於該市電端提供到該電感之一市電電力的電壓。
- 依據申請專利範圍第4項所述之電力轉換裝置，其中，該控制電路更電連接於該市電端、該電感、該轉換電感和該直流鏈電容，且是根據該馬達加速或減速、該中間電力之電流、該市電電力的電壓及該轉換電流進行運算，以產生一組脈波調變信號來控制該反流器。
- 依據申請專利範圍第5項所述之電力轉換裝置，其中，該控制電路包括：一鎖相迴路器，電連接於該市電端，用以對該市電電力的電壓進行鎖相以得到一相關於該市電電力的電壓的角速度；一功率計算器，電連接於該市電端和該轉換電感，用以利用該市電電力的電壓和該轉換電流，計算該反流器輸出至該市電端的一瞬時實功值和一瞬時虛功值；一實功命令產生器，電連接於該馬達和該直流鏈電容，以接收來自該馬達的一狀態信號，該實功命令產生器根據該直流鏈電容的跨壓的大小和一期望電壓值進行運算以得到一期望實功計算值，並根據該狀態信號判斷該馬達加速或減速，而於該馬達加速及減速時，分別輸出0及該期望實功計算值作為一期望實功命令；一虛功命令產生器，電連接於該市電端及該電感，並利用該市電電力的電壓的大小和該中間電力的電流的大小以即時功率計算理論計算出一期望虛功命令；一基頻電流命令產生器，電連接於該功率計算器、該實功命令產生器、該虛功命令產生器，用以根據該瞬時實功值、該瞬時虛功值、該期望實功命令、該期望虛功命令進行運算後得到一實部基頻電流命令和一虛部基頻電流命令；一諧頻電流命令產生器，電連接於該鎖相迴路器和該電感，用以根據該角速度將該中間電力的電流的大小進行轉換以得到一實部諧頻電流命令和一虛部諧頻電流命令；一轉換電流命令產生器，電連接於該基頻電流命令產生器和該諧頻電流命令產生器，用以根據該實部基頻電流命令、該虛部基頻電流命令、該實部諧頻電流命令和該虛部諧頻電流命令執行運算和座標轉換，以得到一呈三相的轉換電流命令；一電流調節器，電連接於該轉換電流命令產生器和該轉換電感，並根據該轉換電流命令和該轉換電流的大小的差值，以一預設比例進行轉換以產生一個三相參考電壓；及一脈波寬度調變器，電連接於該電流調節器，用以將該三相參考電壓分別與三個相位臨界值比較以得到該組脈波調變信號。
- 依據申請專利範圍第6項所述之電力轉換裝置，其中，該功率計算器具有：兩個三相至靜止框轉換單元，將呈三相的該市電電力的電壓的大小和該轉換電流的大小分別轉換成靜止框座標軸上的一直流市電電壓值和一直流轉換電流值；及一瞬時功率計算單元，電連接於該二個三相至同步框轉換單元，用以根據該直流市電電壓值和該直流轉換電流值進行計算以得到該瞬時實功值和該瞬時虛功值。
- 依據申請專利範圍第6項所述之電力轉換裝置，其中，該實功命令產生器具有：一減法單元，將該期望電壓值減去該直流鏈電容的跨壓的大小以得到一差值；一比例積分單元，電連接於該減法單元以接收該差值，並將該差值以比例積分方式轉換成該期望實功計算值；一多工單元，電連接於該比例積分單元，且具有一接收該期望實功計算值的一第一端、一接收0的第二端、一輸出端；及一判斷單元，電連接於該馬達和該多工單元，並根據該狀態信號判斷該馬達加速或減速，以對應地控制該多工單元由輸出端輸出0或該期望實功計算值作為該期望實功命令。
- 依據申請專利範圍第6項所述之電力轉換裝置，其中，該基頻電流命令產生器具有：二個減法單元，分別利用該期望虛功命令減去該瞬時虛功值、該期望實功命令減去該瞬時實功值P而得到一虛功差值和一實功差值；及二個比例積分單元，分別電連接於該二減法單元以接收該虛功差值和該實功差值，並將該虛功差值和該實功差值以比例積分方式轉換成該實部基頻電流命令和該虛部基頻電流命令。
- 依據申請專利範圍第6項所述之電力轉換裝置，其中，諧頻電流命令產生器具有：一個三相至同步框轉換單元，根據該角速度將該中間電力的電流的大小轉換成同步框座標軸上的一實部降頻電流命令和一虛部降頻電流命令；及二個高通濾波單元，電連接於該三相至同步框轉換單元，用以分別對該實部降頻電流命令和該虛部降頻電流命令濾除低頻成分而取出諧波成分而得到該實部諧頻電流命令和該虛部諧頻電流命令。
- 依據申請專利範圍第6項所述之電力轉換裝置，其中，該轉換電流命令產生器具有：一減法單元，利用該實部諧頻電流命令減去該實部基頻電流命令以產生一實部轉換電流命令；一加法單元，對該虛部基頻電流命令和該該虛部諧頻電流命令進行加法運算後產生一虛部轉換電流命令；及一同步至三相框轉換單元，電連接於該減法單元和該加法單元，用以對該實部轉換電流命令和該虛部轉換電流命令進行三相框座標轉換後產生該呈三相的轉換電流命令。
- 依據申請專利範圍第6項所述之電力轉換裝置，其中，該電流調節器包括：一減法單元，利用該轉換電流命令減去該轉換電流的大小以得到一電流差值；及一比例電流控制單元，電連接於該減法單元，用以將該電流差值放大以產生該三相參考電壓。
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