TWI485960B - 控制三相轉換器的功率因數的方法、控制三相轉換器之無效功率的方法及三相轉換器的控制器 - Google Patents

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Atsushi Takayanagi
Yoshihisa Hata
Tsuyoshi Okano
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Kyosan Electric Mfg
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Description

控制三相轉換器的功率因數的方法、控制三相轉換器之無效功率的方法及三相轉換器的控制器
本發明係有關根據三相轉換器的不平衡電壓補償，尤其是關於在將三相AC電力轉成DC電力的三相轉換器中增進功率因數及無效功率的功率因數控制及無效功率控制。
我們知道在電源端發生電壓降低，如瞬間的壓降(電壓驟降)及長時間的電壓降低，會影響從電源接收電力的負載端，如中止生產線及在所製造產品中的缺陷。尤其是，由於對半導體製造設備有顯著的影響，因此會考量電壓驟降來制定規範：「SEMI F47-0200」(無專利的文件1)、及「SEMI F47-0706」(無專利的文件2)。至於測試方法係描述於「SEMI F42-0600」中。
傳統下，已經提出這種形式的電壓驟降，例如，藉由設置如電壓驟降補償器的電子儲存裝置以及不斷電設備(UPS)，其使用一電容器及一蓄電池。使用電子儲存裝置的補償器可配置成在電源或負載任一端的並聯裝置。選擇性地，它可設置成在電壓驟降時會切換電力系統的串聯裝置，其安插在電源端及負載端之間。
我們也知道當在使三相AC電力轉成DC電力的(AC-DC)電力轉換器之三相AC輸入電壓中發生突然的中斷或瞬間的壓降時，電壓驟降補償器會維持提供給負載的電力(例如，請見專利文件1及專利文件2)。
第16圖係為一傳統電壓波動補償器102的結構實例。第16圖顯示以Y連接形式的一三相AC電源101，其具有對各自相位的AC電源101a、101b、及101c。然而，在使用電子儲存裝置的習知系統中，不用在意是使用哪種連接，Y連接或三角連接。電壓波動補償器102係設置在三相AC電源101及一DC負載(圖中未示)之間。這裡須注意具有電子儲存裝置的三相AC電源係適用於任何Y連接及三角連接。
在電壓波動補償器102中，關於三相AC的相位(a相位、b相位、及c相位)，各相位的電壓補償電路104a、104b、及104c會串聯起來，這些電壓補償電路分別設有電容器105a、105b、及105c作為能量儲存手段，且一控制電路103係提供來控制各相位的電壓補償電路104a、104b、及104c。
三相AC電源不只連接到三相等效負載，也連接到各種單一相位的負載。這些各種負載的應用或如天氣現象和意外現象的影響可能偶爾會導致電壓驟降，在此情況下的三相是平衡的或不平衡的。
各相位的電壓補償電路104a、104b、及104c會基於控制電路103的指令來對各相位輸出補償電壓，並補償電壓波動。電壓波動補償器102在正常操作期間再充電電容器105a、105b、及105c。在突然中斷或瞬間壓降的事件中，電容器105a、105b、及105c會放電來保持一固定輸出電壓，因此能繼續供電給DC負載。
在電壓驟降補償器中有如上所述的下列問題，即系統不只需要設備投資來設置大型的電子儲存裝置或電容器單元，還需要定期的維護。因此，已經需要不使用電子儲存裝置而採取轉換三相AC輸入功率的方式來穩定地供電，甚至在瞬間壓降的時候。也需要不使用電子儲存裝置來增進功率因數。
為了說明上述問題，建議下列事項：考慮到在瞬間壓降的情況下，在電壓驟降期間的三相之輸入電壓會變得不平衡，使用一三相PWM轉換器來補償電壓驟降，其在電壓驟降週期期間會控制三相不平衡輸入電壓，如此無須藉由使用儲存裝置的電壓波動補償器，便能達到電壓驟降補償。根據藉由使用三相PWM轉換器的電壓驟降補償，在持續提供電壓驟降狀態之前，已經在正常狀態下提供電力，甚至在發生電壓驟降之後也是。
以下，將解釋三相PWM轉換器如何控制三相不平衡輸入電壓。
第17圖係為在電壓驟降事件中的等效電路。在第17圖中，er 、es 、及et 表示在三相中平衡的傳輸線電壓，Z1 表示傳輸線阻抗，Z12 、Z23 、及Z31 係在電壓驟降時的相同阻抗，eab 、ebc 、及eca 表示在電壓驟降時所產生之三相中不平衡的線路電壓，e1o 表示零相序電壓，以及Za 、Zb 、及Zc 表示負載阻抗，其以藉由將DC負載Rdc (顯示於第18圖中)轉成三相AC輸入端所得到的負載阻抗之形式來表達。
當假設振幅為Em 時，在三相中平衡的傳輸線路電壓er 、es 、及et 分別以下列公式(1)到(3)來表示：e r =E m cosωt………(1)
e s =E m cos(ωt-2p/3)………(2)
e t =E m cos(ωt+2p/3)………(3)
由於er 、es 、及et 表示在三相中平衡的傳輸線電壓，負相序成分en(rst) 及零相序成分eo(rst) 便不會出現。因此，負相序成分en(rst) 及零相序成分eo(rst) 係以下列公式(4)來表示：e n(rst) =e o(rst) =0………(4)
在第17圖的例子中，發生電壓驟降的狀態相當於相同阻抗Z12 、Z23 、及Z31 被施加到傳輸線阻抗Z1 的狀態。在此刻，在端點a、b、及c之間的線路電壓eab 、ebc 、及eca 會進入三相不平衡狀態，並產生零相序電壓e1o ，如第17圖所示。
如第18圖所示，關於第17圖中的端點a、b、及c，左端係為三相AC電源100B，且右端係為三相轉換器200的主要電路單元。三相AC電源100B係以等同於三相平衡電壓er 、es 、et 及不平衡因數的方式來說明。在此說明中，如第17圖中的阻抗Z12 、Z23 、及Z31 之應用係以相同的方式來表達不平衡因數。
不平衡電壓補償器400係使用已知或可測得的三相不平衡輸入相電壓來產生補償信號。三相PWM轉換器200中設有一三相PWM電路200a及一三相PWM控制脈衝產生器200b。三相PWM控制脈衝產生器200b係基於在不平衡電壓補償器400中產生的三相不平衡輸入電壓來產生控制脈衝 信號，藉此在三相PWM電路200a上行使PWM控制。根據PWM控制，三相PWM轉換器200便提供已進行不平衡電壓補償的DC電壓給DC負載300。
如上所述，在電壓驟降期間，三相不平衡輸入電壓會被三相PWM轉換器控制，且無須藉由使用如電容器或蓄電池之電子儲存裝置的電壓波動補償器，便能對電壓驟降進行補償。
然而，一般來說，為了控制結合了PFC(功率因數校正)的三相PWM轉換器，必須得到彼此呈120°異相的Y連接三相不平衡相電壓。在將所得到的偵測信號轉成旋轉座標系統(dq軸)上的變數之程序之後，它們會被分成一正相序電壓、一負相序電壓、及一零相序電壓，且它們被作為控制所需的反饋信號。
例如，下列文件敘述了根據三相PWM轉換器控制的電壓驟降補償：無專利的文件3、無專利的文件4、及無專利的文件5。在這些無專利文件中所述的三相PWM轉換器控制中，彼此呈120°異相之Y連接的三相不平衡電壓都假設為已知或可測得的輸入相電壓。
另一方面，一通用的三相配電系統使用了三角連接。在三角連接三相配電上實際測量到的電壓是三角連接三相電壓。三角連接三相電壓是在三角連接之每個端點之間的線路電壓，且Y連接電壓及零相序電壓實際上是無法測出的。結果，為了藉由以往建議的三相PWM轉換器控制來補償在三角連接三相配電中的三相不平衡電壓，必須從所測 得的線路電壓得到彼此呈120°異相的Y連接三相不平衡相電壓。當三相PWM轉換器控制電壓驟降補償時，必須將收到的三相不平衡電壓之三角形式電壓轉成Y形式電壓，以便獲得控制參數。尤其是，這對取得零相序電壓是很重要的。
例如，專利文件3揭露了藉由根據三相PWM轉換器的控制來補償瞬間壓降的設備或方法。如在專利文件3中所述之瞬間壓降補償器具有一線相電壓轉換手段。線相電壓轉換手段將一線路電壓偵測手段偵測到的一線路電壓信號轉成一相電壓轉換信號，並從這個相電壓轉換信號產生一零相序電壓信號及相電壓信號。
線相電壓轉換手段偵測相電壓轉換信號的峰值(vr ’、vs ’、vt ’)，基於這三個峰值計算係數k1、k2、及k3，並基於所計算的係數k1、k2、及k3產生零相序電壓信號v0(=k1．vr ’+k2．vs ’+k3．vt ’)及相電壓信號(vr 、vs 、vt )。
此外，已知一種在電力系統中控制電壓及無效功率的方法，電力系統係連接到設備，如一電力電容器、一分路電抗器、及一靜止無功補償器(SVC)。在根據電力電容器及分路電抗器的無效功率控制中，會基於系統的容量來選擇單位容量。此外，在根據SVC的無效功率控制中，電抗器會連接至此，其根據連到一固定電容器的閘流器藉由相位控制來控制電流。
在無效功率控制中，係透過增進功率因數來減少無效功率，如此功率因數便能藉由減少電壓及電流之間的相差 而接近1，藉此控制功率與有效功率相同。當功率因數是1時，在相同功率條件下的電流值會變成最小量，且由於在傳輸線上的焦耳損失，可能會減少功率損失，並減少負載損失及在變壓器上的焦耳損失。因此，通常會進行功率因數增進來控制功率因數變成1。
通常，在電力系統中的負載主要是一感應負載，且電流係延遲於電壓之後。因此，一般來說，係藉由一電容型態的電容器(進相電容器)來進行功率因數增進。
在藉由進相電容器的功率因數增進中，因為功率耗損會依據季節、白天或晚上而變動，所以必須改變進相電容器補償的無效功率。在進相電容器之值是固定的情況中，由於功率耗損情況停止而發生過度補償無效功率，所以功率因數會變成一超前功率因數。因此，在負載端的電壓變得高於供電端的電壓時可能會發生傅倫第效應。為了防止傅倫第效應，必須依照無效功率來調整進相電容器之值。
此外，有建議一個調整不平衡電壓並增進三相AC電源之輸入功率因數的DC供電系統(例如，請見專利文件4)。這個DC供電系統偵測三相電壓的相電壓並調整每個相位的驅動脈衝相位。藉此，不平衡電壓會被調整且每相位的電流會保持平衡，因而維持高效能。反向器裝置(專利文件5)中建議將功率因數設為任何數值，而不限定成1。
先前技術文件 專利文件
[專利文件1]
日本未審查專利申請書公開第2003-274559號(第1圖，段落[0018])
[專利文件2]
日本未審查專利申請書公開第2004-222447號
[專利文件3]
日本未審查專利申請書公開第2008-141887號(段落[0043]、從[0055]到[0059])
[專利文件4]
日本未審查專利申請書公開第2006-262662號(段落[0012]及[0033])
[專利文件5]
日本未審查專利申請書公開第2003-009593號(段落[0008])
無專利文件
[無專利文件1]
「Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Immunity」，第859-864頁，於1999年9月發表第一版，並於2000年2月發表(SEMI 1999,2000)(SEMI 1999,2001)
[無專利文件2]
「Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Immunity」，第1-12頁，於1999 年9月發表第一版，並同意於2006年5月發表(SEMI 1999,2006)
[無專利文件3]
J.K.Kang,S.K.Sul,「Control of Unbalanced Voltage PWM Converter Using Instantaneous Ripple Power Feedback」，電力電子專家會議(PESC 97)，第503-508頁(1997-5)
[無專利文件4]
H.S.Kim,H.S.Mok,G.H.Choe,D.S.Hyun.S.Y.Choe,「Design of Current Controller for 3-phase PWM Converter with Unbalanced Input Voltage」，電力電子專家會議(PESC 98)，第503-509頁(1988-8)
[無專利文件5]
S.C.Ahn,D.S.Hyun,「New Control Scheme of Three-Phase PWM AC/DC Converter Without Phase Angle Detection Under the Unbalanced Input Voltage Conditions」，IEEE電力電子技術，第616-622頁(2009-9)
就補償三相不平衡而言，有以下的問題。根據專利文件3，線相電壓轉換手段將所測得的線路電壓信號轉成相電壓轉換信號，並基於相電壓轉換信號來產生一零相序電壓信號及相電壓信號。藉由這個結構，便可能基於一通用 三相配電系統的三相不平衡電壓(線路電壓)來控制三相PWM轉換器，並可進行三相不平衡補償。
然而，此線相電壓轉換手段偵測藉由轉換線路電壓所得到之相電壓轉換信號的峰值，並根據基於這三個峰值所計算出的係數來產生零相序電壓信號及相電壓信號。因此，為了產生零相序電壓信號及相電壓信號，就必須超過一次地重複測量線路電壓，以便獲得最理想的係數，而這有可能要耗費很長的時間來產生信號。
若Y相電壓的不平衡電壓及相位角是已知的，則根據標準化的方式可從那些Y相電壓確定不平衡的線路電壓。另一方面，即使知道線路電壓的不平衡電壓及相位角，仍無法根據標準化的方式從這些線路電壓確定Y相電壓。這是因為Y相電壓的參考點是無法被具體指定的，有無限多個具有相同不平衡電壓及相位角的Y相電壓之組合。
為了控制三相PWM轉換器，必須在Y相電壓之間具有呈120°異相的關係。因此，必須從無限多個Y相電壓之組合中選擇彼此呈120°異相的特定Y相電壓。當選擇這些彼此呈120°異相的特定Y相電壓時，正相序電壓會變成與Y相電壓的一特定相位(a相位)的相位相同，且根據之後的dq軸轉換程序可取得如同控制目標的一DC成分。因此，能方便地控制三相PWM轉換器。此外，關於正相序電壓的負相序電壓之相位角與零相序電壓之相位角係指在彼此相反方向上的相同角度，因而能夠獲得零相序電壓。
傳統下，為了從線路電壓獲得彼此呈120°異相的Y相 電壓，必須偵測電壓的不平衡狀態，並再從所測得的線路電壓選擇彼此呈120°異相的特定Y相電壓。因此，會耗費較長的處理時間。舉例來說，當在交流電中偵測到電壓的不平衡狀態時，就必須在至少1/2週期期間監控波動。
為了能藉由控制三相PWM轉換器來快速地補償電壓不平衡，就需要減少偵測電壓中的不平衡及產生一控制信號所須的時間，因而必須從瞬間線路電壓取得瞬間Y相電壓。請注意這裡的瞬間線路電壓是在某個時間點測得的線路電壓，而瞬間Y相電壓是基於在此時間點獲得的實際測得之線路電壓值所得到的線路電壓值。在測量時的Y相電壓係一對一地與線路電壓對應，且這表示可在一個測量時間點從所測之值獲得Y相電壓，而不需要在多個點測量。
為了能在負載端上快速地消除瞬間壓降所造成的影響，必須立即產生控制三相PWM轉換器所須的零相序電壓信號及相電壓信號，以回應在三相配電系統中的三相線路電壓之不平衡狀態的波動。在上述線路電壓轉換手段中，預料到會超過一次地重複實際測量線路電壓，以產生零相序電壓信號及相電壓信號。因此，有可能變得無法回應三相線路電壓之不平衡狀態中的波動。
關於對瞬間壓降的回應，舉例來說，已知SEMI F47-0200對電壓驟降免疫能力的規格。SEMI F47-0200對電壓驟降免疫能力的規格定義了一寬帶中的範圍(輸入電壓下降從0%到100%的範圍)來被電壓驟降補償控制。在這個電壓驟降免疫能力的規格中，定義了從發生電壓驟降起 0.2秒內的電壓下降率是50%，而從0.2秒到0.5秒的電壓下降率是70%，以此類推。
若不能夠回應瞬間壓降，則很難去滿足電壓驟降免疫能力的規格。
傳統下，已知下列技術，即，使用線路電壓的三相不平衡電壓來作為輸入電壓，會從瞬間線路電壓獲得瞬間Y相電壓，藉此控制三相PWM轉換器並補償不平衡電壓。
在控制三相轉換器中，對控制功率因數及無效功率有下列問題。在專利文件5中，知道功率因數是在反向器裝置中任意設定的。然而，此功率因數控制涉及一反向器的功率因數，其中此反向器進行以來自於一功率產生器之任意的功率因數來提供電功率給一商業供電系統的AC-AC轉換。因此，沒有已知技術能任意地設定功率因數來控制使三相AC電壓受到PWM轉換以輸出DC電壓的三相轉換器。
尤其是，在三相電壓是不平衡的情況下，還不知道能控制使用線路電壓之三相不平衡電壓作為輸入電壓的三相PWM轉換器之技術，以至任意地控制功率因數。
在一些情況中，需要在電力系統中任意設定功率因數。舉例來說，「Guidelines for ensuring the technical requirements for interconnection of power quality」(自然資源與能源署，2004年10月1日)、「Guideline for interconnection technique in dispersed power supply system」、等等都定義了下列事項：在互相連接配線中，「接收點的適當功率因數係設定等同獲高於85%，原則上 ，要防止當從系統端觀察時，功率因數會變成超前功率因數」。為了滿足這樣的定義，就必須能任意設定功率因數。
如上所述，若功率因數被控制為一任意值或被控制為1，根據接到電力系統之電力電容器或分路電抗器選擇的單位容量所控制的常見功率因數，會有需要能測量功率因數的程序或結構的問題。此外，有另一個問題是會變得無法在三相線路電壓中回應變動的功率因數，從響應率問題的觀點來看，用來選擇單位容量或之類的程序可能會阻礙快速回應。
此外，類似於上述不平衡電壓補償，若藉由控制使用線路電壓之三相不平衡電壓作為輸入電壓的三相PWM轉換器來進行功率因數控制及無效功率控制，則必須重複測量線路電壓，並以線相電壓轉換手段來產生零相序電壓信號及相電壓信號。因此，也會有變得無法回應變動功率因數的問題。
結果，三相轉換器的習知功率因數控制及無效功率因數會有下列問題：很難去任意控制功率因數、無法回應在三相線路電壓的變動功率因數、且在控制功率因素下，需要程序或結構來測量功率因數。
考慮到上述情況，本發明之一目的係在三相轉換器中任意設定並控制功率因數，且控制無效功率，以解決如上述之習知問題。
本發明之另一目的係不須用來測量在三相轉換器中之 功率因數的程序或結構，便能控制功率因數及無效因數。
本發明之另一目的係基於從實際測得之瞬間線路電壓得到的瞬間Y相電壓來控制三相PWM轉換器，且在補償不平衡電壓期間，是以一適合在三相線路電壓中變動之功率因數的響應率來控制功率因數及無效功率。
請注意在三相AC中，從線路電壓的一個實際測得之值有得到在三角連接中產生的三相不平衡電壓：正相序電壓、負相序電壓、及零相序電壓，以及得到在實際測量時彼此呈120°異相的Y連接三相不平衡電壓。根據這些得到的電壓，三相PWM轉換器會被控制來補償不平衡電壓，且更進一步地控制功率因數及無效功率。
本文中，瞬間的線路電壓值是在某個時間點實際測得的線路電壓值，而瞬間的Y相電壓值是基於實際測得之線路電壓值所得到的Y相電壓值。
在補償不平衡電壓中，不必使用在多個測量點得到的實際測量值，就能使用在某個時間點測得的線路電壓來得到在測量時間點時獲得的Y相電壓，且藉由使用所得到的Y相電壓來控制三相PWM轉換器。
第1圖係根據本發明之說明不平衡電壓補償及功率因數控制之示意圖。
[不平衡電壓補償]
首先，將說明不平衡電壓補償。不平衡電壓係藉由使用在端點a、b、及c上的線路電壓來補償，在此例中的三相不平衡電壓e1a 、e1b 、及e1c 是未知且無法直接測得，此外，彼此呈120°異相的Y連接之瞬間Y相電壓值係藉由使用在一個時間點實際測得的線路電壓來獲得，藉此進行不平衡補償。
在第17圖中，關聯於各端點a、b、及c，三相AC電源端100B係說明合併了平衡電壓er 、es 、及et 、一傳輸阻抗Z1 、在電壓驟降事件中的相同阻抗Z12 、Z23 、及Z31 之等效電路。在傳統，如第18圖所示，假設此三相AC電源100B之不平衡狀態係藉由使因數失衡來違反平衡電壓er 、es 、及et 所造成。因此，不平衡電壓補償400便能夠在三相不平衡電壓e1a 、e1b 、及e1c 皆為已知或可測得的條件下補償三相不平衡電壓。然而，若這些三相不平衡電壓e1a 、e1b 、及e1c 皆未知且不可測得，則無法進行不平衡電壓補償。
當如上所述違反傳統方式來操控不平衡狀態時，根據本發明的不平衡電壓補償中，如第1圖所示之三相AC電源100A包括不平衡電壓e1a 、e1b 、及e1c ，每個具有2p/3的相位角，且假設那些不平衡電壓有可能在端點a、b、及c上分別感應到感應電壓eab 、ebc 、及eca 。因此，感應電壓eab 、ebc 、及eca 可被視為在三相AC電源100A中的三相不平衡電壓所產生的電壓。換句話說，當不平衡電壓無法直接獲得時，會假設這些感應電壓來獲得那些不平衡電壓e1a 、 e1b 、及e1c 。
根據上述在本發明之不平衡電壓補償中操控不平衡狀態的概要，即使當三相不平衡電壓e1a 、e1b 、及e1c 皆未知且不可測得，也可能藉由使用感應電壓eab 、ebc 、及eca 來獲得三相不平衡電壓e1a 、e1b 、及e1c ，藉此補償不平衡電壓。本文中，感應電壓eab 、ebc 、及eca 分別相當於端點a、b、及c的線路電壓。
本發明之不平衡電壓補償係應用於補償三相AC的不平衡電壓，其中彼此呈120°異相的Y連接之瞬間Y相電壓值係根據不平衡電壓補償器1的線路電壓/三相不平衡電壓轉換單元1A從瞬間線路電壓值而獲得，藉此控制三相PWM轉換器去補償不平衡電壓。因此，即使在未知或難以測得三相不平衡輸入電壓的情況下，仍可能進行不平衡電壓補償。
本發明之不平衡電壓補償的焦點在於在通用三相配電系統中的輸入電壓係基於三角連接(線路電壓)而不是Y相連接(Y相電壓)，以及藉由使線路電壓受到向量運算來得到彼此呈120°異相的瞬間Y相電壓值及零相序電壓。為了控制三相轉換器，必須得到Y相電壓及零相序電壓。在本發明中，透過向量運算獲得的Y相電壓會受到dq軸轉換程序，並取出正相序的一DC成分來作為一反饋信號以控制三相轉換器。
本發明之不平衡電壓補償係預備用在通用三相配電系統之三相中的不平衡線路電壓，且根據藉由使用一質心向 量運算來將線路電壓轉成Y相電壓的方法，便從三相不平衡電壓之瞬間線路電壓值得到彼此呈120°異相的Y相電壓之瞬間三相不平衡電壓值及零相序電壓。
在如上所述之從線路電壓計算Y相電壓中，本發明的發明人已發現下列事項：一個三角形的頂點是由在三相AC電壓中的各自相位之端電壓所形成，當根據本發明之質心向量運算步驟來獲得關於每個連接兩端之線路電壓向量的質心向量時，這些質心向量的質心會符合每個彼此呈120°異相的Y相電壓之零相序成分的一參考點。
從線路電壓獲得的質心向量電壓雖然不包括零相序成分，但包括對稱成分電壓的一正相序成分及一負相序成分。因此，根據質心向量的質心符合零相序成分之參考點的關係，根據dq軸轉換程序就可能將質心向量電壓視為彼此呈120°異相的Y相電壓。
在計算對稱成分中，每個在質心向量運算中獲得的Y相電壓會受到dq軸轉換，計算一d軸電壓信號及q軸電壓信號，使計算出的d軸電壓信號及q軸電壓信號受到頻率分離，從一DC成分獲得一正相序電壓，以及從一AC成分計算一負相序電壓。
因為在質心向量運算中獲得的Y相電壓不包括零相序成分，所以藉由使用從負相序電壓算出的振幅及從正相序電壓及負相序電壓算出的一個相位來計算出零相序電壓，以計算在對稱成分計算中的零相序電壓。
[功率因數控制]
接著，將說明功率因數控制及無效功率控制。當平均有效功率是以Pave 來表示且平均無效功率是以Qave 來表示時，功率因數cosθ係定義如下：cosθ=P ave /(P ave 2 +Q ave 2 ) 1/2
在本發明中，功率因數控制及無效功率控制係根據功率因數cosθ、平均有效功率Pave 及平均無效功率Qave 之間的關係來進行。
根據本發明，一功率因數及無效功率控制器2任意設定功率因數cosθ，並基於三相轉換器的輸出來獲得平均有效功率Pave 。接著，根據所獲得的平均有效功率Pave 及任意配置的功率因數cosθ之設定值，來獲得一相關的平均無效功率Qave 。之後，根據以此方式獲得的平均有效功率及平均無效功率，產生用來控制三相轉換器的一控制信號。此這個結構，功率因數會被一組任意配置的功率因數控制，且無效功率被這組功率因數控制。
根據功率因數cosθ、平均有效功率Pave 及平均無效功率Qave 之間的關係，平均無效功率Qave 係以下列式子表達：Q ave =P ave . [1-(cosθ) 2 ] 1/2 /cosθ 這個等式表示平均無效功率Qave 係由平均有效功率Pave 及這組功率因數cosθ來決定。
在本發明中，上述功率因數、平均有效功率、及平均無效功率之間的關係指出功率因數及無效功率係鑑於下列 來控制：有可能使用關於平均有效功率之任意設定的功率因數來控制，且無效功率可被這組功率因數控制。
在本發明之功率因數控制中，平均有效功率Pave 係以下列式子表達：P ave =cosθ . 視在功率=cosθ . (P ave 2 +Q ave 2 ) 1/2 因此，藉由設定這組功率因數為「-1」並控制功率因數及無效功率，可能從三相轉換器的輸出在三相AC端上再生功率。
本發明包括以下觀點：一種控制三相轉換器之功率因數的方法、一種控制三相轉換器之無效功率的方法、及一種三相轉換器之控制器。任何的那些觀點通常具備下列技術要素：功率因數cosθ是任意設定，平均有效功率Pave 是從三相轉換器的輸出得到，基於所得到之平均有效功率Pave 及組功率因數cosθ之值來獲得關聯組功率因數cosθ的平均無效功率Qave 。以此結構，使用可任意設定的組功率因數來進行控制，且無效功率係依照組功率因數來控制。
此外，上述任何觀點通常具備關於不平衡電壓補償的技術要素，即，質心向量運算、對稱成分計算、及產生補償不平衡電壓的信號。
本發明之第一觀點係關於一種三相轉換器之功率因數控制方法，尤其是關於一種在使三相AC受到PWM轉換以輸出DC的功率轉換中，控制功率因數的方法。
根據本發明之在使三相AC受到PWM轉換以輸出DC的三相轉換器之功率轉換中，功率因數控制方法具備一對稱 成分計算步驟、一平均有效功率運算步驟、一功率因數控制步驟、一電流指令值產生步驟、及一固定電流控制步驟。
在對稱成分計算步驟中，從三相轉換器的三相AC輸入之Y相電壓計算出一三相平衡系統的對稱成分電壓值，及在平均有效功率運算步驟，使用三相轉換器的DC輸出之一輸出電壓值及一輸出電流值，來計算一平均有效功率值。接著，在功率因數控制步驟中，基於平均有效功率值、平均無效功率值以及功率因數之間的關係，從在平均有效功率運算步驟中計算出的平均有效功率值以及組功率因數計算關聯於組功率因數的一平均無效功率值。在電流指令值產生步驟中，從在平均有效功率運算步驟中計算出的平均有效功率值、在功率因數控制步驟中計算出的平均無效功率值、以及在對稱成分計算步驟中計算出的三相AC電壓的對稱成分電壓值，來計算一電流指令值。之後，在固定電流控制步驟中，基於電流指令值及三相轉換器的輸入電流值，對三相AC電壓之正相序電壓值進行固定電流控制，並計算一固定電流控制值。
基於在固定電流控制步驟中計算出的固定電流控制值，產生用來補償三相AC電壓之不平衡電壓的一補償信號，以及用來控制功率因數的一控制信號。隨後，基於所產生的補償信號及控制信號，獲得彼此呈120°異相且用來控制不平衡電壓及功率因數的Y相電壓。最後，基於所獲得的Y相電壓，使三相AC受到PWM轉換並產生用來輸出DC 的一PWM控制信號。請注意固定電流控制步驟產生一個合併不平衡電壓補償信號及功率因數控制信號的信號。
在本發明之對稱成分計算步驟中，從在質心向量運算步驟中的三相AC中的每個線路電壓獲得的Y相電壓係作為三相轉換器之三相AC輸入的Y相電壓，Y相電壓被用來計算三相不平衡系統的對稱成分電壓值，藉此從線路電壓計算出對稱成分。
質心向量運算步驟是用來從三相AC之每個線路電壓獲得彼此呈120°異相的Y相電壓。對從三相線路電壓中選出的兩線路電壓之所有組合進行一向量運算。根據此向量運算，獲得從一電壓端質心指向各電壓端的質心向量電壓。之後，使所獲得之向量電壓分別成為彼此呈120°異相的Y相電壓。在對稱成分計算步驟中，從轉換器的三相AC輸入之Y相電壓來計算三相平衡系統的對稱成分電壓值，其中Y相電壓係在質心向量運算步驟中獲得。
在本發明之平均有效功率運算步驟中，藉由將DC輸出之輸出電壓值與輸出電流值的一積分值加上藉由使輸出電壓值與一電壓指令值之間差異受到一比例-積分控制而獲得的一數值，來計算一平均有效功率值。
在本發明之功率因數控制步驟中，根據將平均有效功率值乘以[(1-(組功率因數)2 )1/2 /(組功率因數)]的運算，便能夠基於組功率因數來控制平均無效功率。
在本發明之功率因數控制步驟中，組功率因數係設定為一負數值，因此能夠從三相轉換器的DC輸出端再生平 均有效功率值的功率給三相轉換器的AC輸入端。
本發明之第二觀點係關於一種三相轉換器之無效功率控制方法，尤其是關於一種在使三相AC受到PWM轉換以輸出DC的功率轉換中，控制無效功率的方法。
本發明之在使三相AC受到PWM轉換以輸出DC的三相轉換器之功率轉換中，無效功率控制方法具備一對稱成分計算步驟、一平均有效功率運算步驟、一無效功率控制步驟、一電流指令值產生步驟、及一固定電流控制步驟。
在對稱成分計算步驟中，從三相轉換器的三相AC輸入之Y相電壓計算三相平衡系統的對稱成分電壓值。在平均有效功率運算步驟中，使用三相轉換器的DC輸出之一輸出電壓值及一輸出電流值來計算平均有效功率值。在無效功率控制步驟中，基於平均有效功率值、平均無效功率值以及功率因數之間的關係，從在平均有效功率運算步驟中計算出的平均有效功率值來計算關聯於組功率因數的一平均無效功率值。在電流指令值產生步驟中，從在平均有效功率運算步驟中計算出的平均有效功率值、在無效功率控制步驟中計算出的平均無效功率值、以及在對稱成分計算步驟中計算出的三相電壓之對稱成分電壓值，來計算一電流指令值。在固定電流控制步驟中，基於電流指令值及三相轉換器的一輸入電流值，使三相AC電壓之一正相序電壓值受到固定電流控制，藉此計算一固定電流控制值。
基於在固定電流控制步驟中計算出的固定電流控制值，產生用來補償三相AC電壓之不平衡電壓的一補償信號 ，以及用來控制無效功率的一控制信號，並根據那些補償信號及控制信號，獲得彼此呈120°異相且用來控制不平衡電壓及無效功率的Y相電壓。之後，基於所獲得的Y相電壓，產生用來使三相AC電壓受到PWM轉換以輸出DC的一PWM控制信號。請注意固定電流控制步驟產生一個合併不平衡電壓補償信號及無效功率控制信號的信號。
本發明之對稱成分計算步驟係使用從在質心向量運算步驟中的三相AC中的每個線路電壓獲得的Y相電壓來作為三相轉換器之三相AC輸入的Y相電壓，Y相電壓被用來計算三相不平衡系統的對稱成分電壓值，藉此從線路電壓計算出對稱成分。
質心向量運算步驟是一個用來從三相AC之每個線路電壓獲得彼此呈120°異相的Y相電壓之步驟。此步驟係對從線路電壓中選出的兩個線路電壓之所有組合進行一向量運算。根據向量運算，分別獲得從電壓端質心指向電壓端的質心向量電壓，並使所獲得的那些向量電壓分別成為彼此呈120°異相的Y相電壓。對稱成分計算步驟係從轉換器的三相AC輸入之Y相電壓來計算三相平衡系統的對稱成分電壓值，其中Y相電壓係在質心向量運算步驟中獲得。
本發明之平均有效功率運算步驟係將DC輸出之輸出電壓值與輸出電流值的一積分值加上藉由使輸出電壓值與電壓指令值之間差異受到比例-積分控制而獲得的一數值，藉此計算平均有效功率。
本發明之功率因數控制步驟係進行將平均有效功率值 乘以[(1-(組功率因數)2 )1/2 /(組功率因數)]的運算，藉此計算關聯於組功率因數的平均無效功率值。
本發明之第三觀點係關於一種三相轉換器之控制器，尤其是關於藉由使三相AC受到PWM轉換以輸出DC之三相轉換器來進行功率轉換的控制器。
根據本發明之三相轉換器之控制器係控制使三相AC電壓受到PWM轉換以輸出DC的三相轉換器，其具有一對稱成分計算單元，用來從三相轉換器的三相AC輸入之Y相電壓計算一三相平衡系統的對稱成分電壓值、一平均有效功率運算單元，係使用三相轉換器的一DC輸出之一輸出電壓值及一輸出電流值來計算一平均有效功率值、一功率因數及無效功率控制單元，基於平均有效功率值、平均無效功率值以及功率因數之間的關係，從在平均有效功率運算單元中計算出的平均有效功率值以及一組功率因數計算一關聯於組功率因數的平均無效功率值、一電流指令值產生器，用來從在平均有效功率運算單元中計算出的平均有效功率值、在功率因數及無效功率控制單元中計算出的平均無效功率值、以及在對稱成分計算單元中計算出的三相AC電壓之對稱成分電壓值，來計算一電流指令值、以及一固定電流控制單元，係基於電流指令值及三相轉換器的輸入電流值，使三相AC電壓之一正相序電壓值受到固定電流控制，以計算一固定電流控制值，其中，基於在固定電流控制單元中計算出的固定電流控制值，產生用來補償三相AC電壓之不平衡電壓的一補償信號，以及用來控制 功率因數的一控制信號，基於補償信號及控制信號，獲得彼此呈120°異相且用來控制不平衡電壓及功率因數的Y相電壓，以及根據所獲得的Y相電壓，產生用來使三相AC受到PWM轉換以輸出DC的一PWM控制信號。請注意固定電流控制單元產生一個合併不平衡電壓補償信號及功率因數控制信號的信號。
根據本發明之三相轉換器之控制器，在質心向量運算單元中，從三相AC的每個線路電壓獲得Y相電壓，且在對稱成分計算單元中，假設在質心向量運算單元中獲得的Y相電壓是三相轉換器的三相AC輸入之Y相電壓，並使用所獲得的Y相電壓來計算三相平衡系統的對稱成分電壓值。
質心向量運算單元係一個從三相AC之每個線路電壓獲得彼此呈120°異相的Y相電壓之運算單元。對從三相線路電壓中選出的兩個線路電壓之所有組合進行一向量運算。根據此向量運算，獲得從電壓端質心指向各電壓端的質心向量電壓。之後，使所獲得之向量電壓分別成為彼此呈120°異相的Y相電壓。在對稱成分計算單元中，從轉換器的三相AC輸入之Y相電壓來計算三相平衡系統的對稱成分電壓值，其中Y相電壓係在質心向量運算單元中獲得。
本發明之平均有效功率運算單元將DC輸出之輸出電壓值與輸出電流值的一積分值加上藉由使輸出電壓值與電壓指令值之間差異受到比例-積分控制而獲得的一數值，藉此計算平均有效功率值。
本發明之功率因數及無效功率控制單元設定一功率因 數，並根據將平均有效功率值乘以[(1-(組功率因數)2 )1/2 /(組功率因數)]之運算，便能夠計算平均無效功率，並基於組功率因數來控制平均無效功率。
在本發明之功率因數及無效功率控制單元中，組功率因數可設定為一負數值，藉此能夠從三相轉換器的DC輸出端再生平均有效功率值的功率給三相轉換器的AC輸入端。
根據本發明之觀點，便可能將在三相轉換器中的功率因數設成一任意值，且功率因數會變得可控制，以及更可能基於組功率因數來控制無效功率。
根據本發明之觀點，功率因數係設成一負數值，藉此從三相轉換器的DC輸出端再生功率給AC輸入端。
根據本發明之從線路電壓獲得Y相電壓之觀點，基於在一個時間點實際測得的線路電壓便可能在一個測量時間點得到Y相電壓，而不必使用在多個測量點取得的線路電壓之實際所測之值。由於Y相電壓會基於在一個時間點實際測得之值來獲得，便可能減少偵測電壓中的不平衡及產生一控制信號的時間，因而從瞬間線路電壓取得Y相電壓。
此外，在三相不平衡電壓狀態下，根據轉換器控制便可能不使用儲存裝置來維持所定之輸出，並輸出三相平衡電流。
如上所述，根據本發明之每個觀點：控制三相轉換器之功率因數的方法、控制三相轉換器之無效功率的方法、 及三相轉換器之控制器，便可能控制功率因數為一任意設定值，並控制在三相轉換器中的無效功率。
根據本發明，不需要任何用來測量功率因數的程序及結構，便可能在三相轉換器中進行功率因數控制及無效功率控制。
根據本發明，係基於從實際測量之瞬間線路電壓所得到之瞬間Y相電壓來控制三相PWM轉換器，並可能以一適合在三相線路電壓中變動之功率因數的響應率來控制功率因數及無效功率，同時補償不平衡電壓。
以下，參考附圖將詳細說明本發明之較佳實施例。參考第2圖至第9圖，以一三相轉換器為例，將說明本發明之功率因數及無效功率控制，以及參考第10圖至第15圖將說明實施例之實驗結果。
參考第2圖，將說明本發明之功率因數及無效功率控制之概要結構。在第2圖中，一三相AC電源100供應三相AC電力，且三相轉換器200使三相AC電力受到PWM轉換，並輸出DC電壓至DC負載300。
根據本發明之三相轉換器具有不平衡電壓補償器1、及功率因數及無效功率控制器2。不平衡電壓補償器1補償在三相AC電力中的不平衡電壓，並抑制輸出至DC負載300的電壓波動。此外，功率因數及無效功率控制器2反饋輸入進DC負載300的電壓及電流，其為三相轉換器200的DC 輸出，並根據PFC(功率因數校正)控制來進行功率因數及無效功率控制。
不平衡電壓補償器1具有一質心向量運算單元10，其從線路電壓獲得彼此呈120°異相的Y相電壓、一對稱座標成分計算單元20，用來從質心向量運算單元10所獲得之Y相電壓計算一三相平衡系統的對稱成分電壓值、以及一固定電流控制單元40，用來產生一補償信號以補償在三相AC電壓中之不平衡電壓。
功率因數及無效功率控制器2具有一平均有效功率運算單元50，其基於三相轉換器200之DC輸出的一電壓值及一電流值根據一PI控制來獲得平均有效功率、一功率因數及無效功率控制單元90，其任意設定一功率因數並由這組功率因數來控制功率因數及無效功率，且固定電流控制單元40產生一控制信號以控制在三相AC電壓中之功率因數及無效功率。
固定電流控制單元40具有一個通常用來對不平衡電壓產生補償信號及對功率因數及無效功率產生控制信號的結構。一加法器30將零相序電壓及負相序電壓加上固定電流控制單元40之輸出，並在三相轉換器200中產生使三相AC電壓受到PWM轉換的一PWM控制信號。
三相轉換器200具有一三相PWM電路200a及一三相脈衝產生器200b，其產生一脈衝信號來控制三相PWM電路200a之運作以進行PWM控制。三相脈衝產生器200b係基於加法器30中產生的控制信號來產生脈衝信號。例如，三相 PWM電路200a可藉由由一切換元件組成的橋接電路來形成，且脈衝信號控制切換元件的開/關操作以進行PWM控制。
質心向量運算單元10對從線路電壓中選出的兩個線路電壓之所有組合進行向量運算。根據向量運算，獲得從為三相線路電壓之三角連接之電壓端質心指向各電壓端的質心向量電壓，且所獲得的那些向量電壓會輸出至對稱座標成分計算單元20，假設這些電壓是彼此呈120°異相的Y相電壓。
對稱座標成分計算單元20從在質心向量運算單元10中得到的Y相電壓來計算正相序電壓、負相序電壓、及零相序電壓，其為三相平衡系統的對稱成分電壓，且這些電壓會輸出至加法器30。
用來補償不平衡電壓及用來控制功率因數及無效功率的結構係由下列構成：固定電流控制單元40，係基於在對稱座標成分計算單元20中計算出的正相序電壓及導向負載端的輸入電力之反饋來進行固定電流控制，並產生一電流指令值、平均有效功率運算單元50，其基於輸入至三相轉換器200之輸入電流及輸入電壓根據PI控制來計算平均有效功率、一功率因數及無效功率控制單元90，其設定功率因數並基於這組功率因數來計算平均無效功率、及加法器30，其在進行固定電流控制之後，將負相序電壓及零相序電壓加上電流指令值。零相序電壓被加上以作為補償三相AC電壓之不平衡電壓的補償信號。
加法器30輸出彼此呈120°異相的Y相電壓，以補償不平衡電壓，並控制功率因數及無效功率。從加法器30輸出的Y相電壓會輸入在三相轉換器200中的三相PWM脈衝產生器200b，作為使三相AC電壓受到PWM轉換以輸出DC電壓的控制信號。
在平均有效功率運算單元50中會獲得作為固定電流控制單元40之反饋的輸入電力，例如，藉由基於在三相轉換器之DC輸出端或負載端上偵測到的電流及電壓來計算平均有效功率。
[藉由質心向量運算來算Y相電壓]
接下來，在本發明之不平衡補償中，參考第3圖與第4圖之流程圖、以及第5圖與第6圖之向量圖，將說明藉由使用質心向量運算來獲得彼此呈120°異相的Y相電壓之程序，以及從所獲得之Y相電壓來計算對稱成分電壓之程序。
在每個三相AC端點之間的線路電壓(eab 、ebc 、eca )會被測得。本文中，線路電壓eab 是端點「a」及端點「b」之間的向量電壓，線路電壓ebc 是端點「b」及端點「c」之間的向量電壓，及線路電壓eca 是端點「c」及端點「a」之間的向量電壓(S1)。
所測得的線路電壓(eab 、ebc 、eca )會受到向量運算，並計算出質心向量(e2a 、e2b 、e2c )。
e 2a =(e ab -e ca )/3………(5)
e 2b =(e bc -e ab )/3………(6)
e 2c =(e ca -e bc )/3………(7)
本發明之發明人已注意到在從線路電壓計算出的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )與彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )之間有一個關係，如下列等式(8)所示。
e 1a =e 2a +e 1o e 1b =e 2b +e 1o e 1c =e 2c +e 1o ………(8)
等式(8)表示彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )係由各線路電壓的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )與零相序電壓e1o 之向量總和來表示。根據等式(8)，本發明之發明人已發現藉由取得零相序電壓e1o ，有可能從線路電壓的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )來獲得彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )。另外，也發現根據這個關係，彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )之正相序電壓e1p 及負相序電壓e1n 可從線路電壓的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )獲得。
本發明係利用線路電壓的質心向量與Y相電壓之間的關係。透過使用藉由向量運算從為三角電壓之線路電壓(eab 、ebc 、eca )而輕易計算出的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )，而不是直接偵測彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )，這些質心向量(e2a 、e2b 、e2c )用來控制三相PWM轉換器，藉此易於補償三相AC不平衡電壓。
(質心向量與相電壓之間的關係)
以下，將說明由向量運算所獲得的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )係相當於彼此呈120°異相的Y相電壓。
第5圖係說明三角電壓與Y相電壓之間的關係。在第5圖中，三角電壓係由端點「a」與「b」、「b」與「c」、及「c」與「a」之間的線路電壓(eab 、ebc 、eca )來表示。Y相電壓(eka 、ekb 、ekc )係由從一任意點k到每個端點a、b、及c之向量電壓來表示。k點是在Y相電壓中任意決定的一參考點。
本文中，若已知Y相電壓(eka 、ekb 、ekc )，則以標準化方式可確定三角電壓(eab 、ebc 、eca )。另一方面，甚至當已知三角電壓(eab 、ebc 、eca )時，參考點k也可定義在任何位置，因此可存在無數個點。因此，Y相電壓(eka 、ekb 、ekc )會以標準化方式來確定，且存在無限多個可表示Y相電壓(eka 、ekb 、ekc )的組合。請注意零相序電壓係根據Y相電壓(eka 、ekb 、ekc )來假設為eko ，且「o」點係假設成零相序電壓的參考點。
如第5圖所示，根據三角電壓(線路電壓)與Y相電壓之間的關係，會得到下列等式：e ab -e ca =e ka -e kb -(e kc -e ka )=3e ka -(e ka +e kb +e kc )=3e ka -3e ko ………(9)
根據等式(9)的關係，Y相電壓(eka 、ekb 、ekc )可藉由三角電壓(eab 、ebc 、eca )與零相序電壓eko 以下列等式(10)至(12)來表達。
e ka =(e ab -e ca )/3+e ko ………(10)
e kb =(e bc -e ab )/3+e ko ………(11)
e kc =(e ca -e bc )/3+e ko ………(12)
另一方面，至於彼此呈120°異相的Y相電壓，當a相位之相位角f1a 係以a表示時、三相位a相位、b相位、及c相位之相位角f1a 、f1b 、及f1c 會分別以下列表示：f 1a =a f 1b =a-2p/3 f 1c =a+2p/3………(13)
正相序電壓之相位角係與彼此呈120°異相的Y相電壓之a相位同相。根據這個關係，可藉由dq軸轉換來取得作為三相PWM轉換器的控制目標之DC成分，藉此易於控制三相PWM轉換器。
此外，在彼此呈120°異相的Y相電壓中，關於正相序電壓之負相序電壓的相位角及零相序電壓的相位角會位在相反方向上的相同角度上。
第6A圖說明彼此呈120°異相的Y相電壓與零相序電壓之參考點「o」之間的關係。第6B圖說明彼此呈120°異相的Y相電壓與質心向量(質心)之參考點之間的關係。在第6圖中，彼此呈120°異相的Y相電壓係以K=1來表示，且質心向量之參考點(質心)係以K=2來表示。
如第6A圖所示，彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )係由下列等式(14)來表達，假設在等式(10)至(12)中的K=1：e 1a =(e ab -e ca )/3+e 1o =e oa +e 1o e 1b =(e bc -e ab )/3+e 1o =e ob +e 1o e 1c =(e ca -e bc )/3+e 1o =e oc +e 1o ………(14)
另一方面，如第6B圖所示，質心向量(e2a 、e2b 、e2c )係藉由對三角電壓(eab 、ebc 、eca )中的兩線路電壓進行質心運算來獲得，且當質心向量的點係以K=2來表示時，會以下列等式(15)來表示質心向量(S2)：e 2a =(e ab -e ca )/3 e 2b =(e bc -e ab )/3 e 2c =(e ca -e bc )/3 e 2o =(e 2a +e 2b +e 2c )/3=0………(15)
根據第6B圖，當使用質心向量(e2a 、e2b 、e2c )來表示彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )時，可獲得上述等式(8)。
如上所述，等式(8)指出Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )係由各線路電壓的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )與零相序電壓e1o 之向量總和來表示。
另一方面，至於彼此呈120°異相的Y相電壓，當a相位之相位角係以a表示時、a相位、b相位、及c相位之相位角f1a 、f1b 、及f1c 會分別以下列表示：f 1a =a f 1b =a-2p/3 f 1c =a+2p/3………(16)
正相序電壓之相位角係與彼此呈120°異相的Y相電壓之a相位同相。
根據上述關係，可藉由dq軸轉換來取得作為三相PWM轉換器的控制目標之DC成分，藉此易於控制三相PWM轉換器(S3)。
在彼此呈120°異相的Y相電壓中，關於正相序電壓之 負相序電壓的相位角及零相序電壓的相位角會位在相反方向上的相同角度上。
因此，不是使用彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )，而是使用線路電壓的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )來從這些質心向量(e2a 、e2b 、e2c )取得正相序電壓ep 及負相序電壓eq ，藉此取出作為三相PWM轉換器的控制目標之DC成分，更可能藉由取出零相序電壓來補償不平衡電壓(S4)。
接著，在步驟(S2)中得到的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )會受到dq軸轉換程序，並獲得d軸成分e1d 及q軸成分e1q 。處理這個轉換以便藉由DC成分來控制三相PWM轉換器(S3)。
為了進行dq軸轉換，一空間向量被轉成一實數向量。當Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )與三相平衡電壓(er 、es 、et )之間的相位差假設為a時，Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )會等同於以空間向量表示的Y相電壓之一實數部份，且以下列等式(17)來表示：e 1a =E 1am COS(ωt+a) e 1b =E 1bm COS(ωt+a-2p/3) e 1c =E 1cm COS(ωt+a+2p/3)………(17)
當這些Y相電壓受到dq軸轉換時，會得到d軸、q軸及零相序成分。然而，在三角連接中，不可能直接偵測到彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )，且其也未知。因此，零相序電壓e1o 是不清楚的。
在本發明中，不是使用無法直接偵測出的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )，而是使用質心向量(e2a 、e2b 、e2c )，其藉由使可測得的線路電壓受到質心向量運算來得到。藉此，透過在一個時間測量時間點的線路電壓，便可能補償三相不平衡電壓。
當等式(8)的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )受到dq軸轉換時，便成立下列等式(18)：
當等式(15)的質心向量(e2a 、e2b 、e2c )受到dq軸轉換時，便成立下列等式(19)：
以等式(18)及(19)表示之在dq軸轉換之後的d軸成分e1d 、e2d 及q軸成分e1q 、e2q 不會受以等式(14)表示之零相序電壓e1o 的影響，且d軸成分之值會彼此相同，而q軸成分之值會彼此相同。
當使用等式(19)時，其係對等式(15)進行dq軸轉換而得到，等式(15)係表示在一個測量點上得到的瞬間線路電壓(eab 、ebc 、eca )，便可能藉由取得在一個測量點上的線路電壓快速地回應PFC控制，而無須使用在多個 測量時間點之值。
請注意若使用等式(19)來進行PFC控制，則零相序電壓e1o 不會在等式(19)中出現。因此，零相序電壓e1o 係使用正相序電壓及負相序電壓來計算出的。以下將敘述零相序電壓e1o 的計算(S3)。
接著，對稱成分電壓(正相序電壓、負相序電壓、及零相序電壓)係從藉由dq軸轉換取得之d軸成分e1d 及q軸成分e1q 來獲得。
(對稱成分電壓之計算)
以下參考第4圖所示之流程圖，將說明對稱成分電壓之計算。
關於彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )，當假設正相序電壓為e1p 、假設負相序電壓為e1n 、及假設零相序電壓為e1o ，則可由下列表示Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )：e 1a =e 1p +e 1n +e 1o e 1b =e 1p . e -j2p/3 +e 1n . e j2p/3 +e 1o e 1c =e 1p . e j2p/3 +e 1n . e-j2p/3 +e 1o e 1a =E 1pm cos(ωt+a)+E 1nm cos(ωt+f 1n )+E 1om cos(ωt+f 1o ) e 1b =E 1pm cos(ωt+a-2p/3)+E 1nm cos(ωt+f 1n +2p/3)+E 1om cos(ωt+f 1o ) e 1c =E 1pm cos(ωt+a+2p/3)+E 1nm cos(ωt+f 1n -2p/3)+E 1om cos(ωt+f 1o )………(20)
藉由對那些元素進行dq軸轉換，便得到下列等式(21 )。
在等式(21)中的正相序電壓(e1dp 、e1qp )相當於DC成分，而在等式(21)中的負相序電壓(e1dn 、e1qn )相當於AC成分。因此，根據頻率分離便可取出正相序電壓(e1dp 、e1qp )及負相序電壓(e1dn 、e1qn )。
藉由使用一帶通濾波器或一低通濾波器可進行頻率分離。例如，正相序電壓(e1dp 、e1qp )可被低通濾波器取出，並得到(E1pm cosa、E1pm sina)。此外，藉由將以受到dq軸轉換的原始信號減去所取出之正相序電壓(e1dp 、e1qp )便可取出負相序電壓(e1dn 、e1qn )，並得到(E1nm cos(2ωt+f1n )、-E1nm sin(2ωt+f1n ))(S41、S42)。
當假設測量點的時鐘時間為「ts 」，可分別藉由等式(22)及等式(23)來得到正相序電壓之相位角a及負相序電壓之相位角f1n ：a=tan -1 (e 1qp /e 1dp )………(22)
f 1n =-2ωt s -tan -1 (e 1qn /e 1dn )………(23)
根據等式(24)，可以等式(25)及等式(26)來表示負相序電壓e1n ：3e 1n =E 1am cos(ωt+a)+E 1bm cos(ωt+a+2p/3)+E 1cm cos(ωt+a-2p/3)………(24)
此外，以等式(27)來表示零相序電壓e1o ：
在上面等式中，根據下列關係：E 1om =E 1nm
f 1n =a+f'
f 1o =a-f'
會發現下列關係：f 1o =2a-f 1n ………(28)
因此，零相序電壓e1o 之相位f1o 係以下列等式(29)來表示：f 1o =2ωt s +2tan -1 (e 1qp /e 1dp )+tan -1 (e 1qn /e 1dn )………(29)(S43)
根據負相序電壓(e1dn 、e1qn )，零相序電壓e1o 之振幅E1om 係表示如下：E 1on =(e 1dn 2 +e 1qn 2 ) 1/2 ………(30)(S44)
於是，零相序電壓e1o 會表示如下：e 1o =(e 1dn 2 +e 1qn 2 ) 1/2 ．cos(ωt+f 1o )………(31)(S45)
藉此，彼此呈120°異相的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )會以下列等式(32)至(34)來表示：e 1a =(e ab -e ca )/3+(e 1dn 2 +e 1qn 2 ) 1/2 ．cos(ωt+f 1o )………(32)
e 1b =(e bc -e ab )/3+(e 1dn 2 +e 1qn 2 ) 1/2 ．cos(ωt+f 1o )………(33)
e 1c =(e ca -e bc )/3+(e 1dn 2 +e 1qn 2 ) 1/2 ．cos(ωt+f 1o )………(34)
接下來，零相序電壓被用來補償不平衡電壓並同時進行PFC控制(S5)。之後，得到Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )，其係彼此呈120°異相且已被進行過不平衡電壓補償及功率因數控制(S6)，並基於所得到的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )產生一控制信號來補償三相PWM轉換器。
[三相轉換器之控制器的結構實例]
然後，參考第7圖，將說明不平衡電壓補償器及功率因數及無效功率控制器的一更詳細結構實例，其中不平衡電壓補償器及功率因數及無效功率控制器係根據本發明配置在三相轉換器之控制器中。
如第7圖所示，在不平衡電壓補償器之結構實例中，其類似於如第2圖所示之概要結構，三相AC電源100供應三相AC電力給使三相AC電力之三相AC電壓受到PWM轉換以獲得DC電壓的三相轉換器200，並輸出DC電壓至DC負載300。
如同用來補償不平衡電壓的不平衡電壓補償器1之結構，根據本發明之三相轉換器之控制器具有下列元件：質心向量運算單元10，用來從配線三相平衡電壓ea 、eb 、及ec 之每個線路電壓(eab 、ebc 、eca )獲得彼此呈120°異相 的Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )、對稱座標成份計算單元20，用來從在質心向量運算單元10中獲得之Y相電壓(e1a 、e1b 、e1c )計算三相平衡系統的對稱成份電壓值(e1dp 、e1qp 、e1dn 、e1qn )、以及固定電流控制單元40，用來產生一補償信號以補償不平衡電壓。
如同用來控制功率因數及無效功率的功率因數及無效功率控制器1之結構，根據本發明之三相轉換器之控制器具有下列元件：平均有效功率運算單元50、功率因數及無效功率控制單元90、及固定電流控制單元40。本文中，固定電流控制單元40具有一個通常用來對不平衡電壓產生補償信號及對功率因數及無效功率產生控制信號的結構。
輸出加法器30將零相序電壓及負相序電壓加上在固定電流控制單元40中產生的補償信號及控制信號，於是便在三相轉換器200中產生使三相AC電壓受到PWM轉換的PWM控制信號。
此外，在配線上，三相PWM轉換器200之輸入端設有用來偵測線路電壓的接觸點61、用來測量一電流值的感測器63、及AC電抗器60。再者，三相PWM轉換器200之輸出端設有一用來偵測DC電壓的接觸點67、一用來測量DC電流的感測器65、及一能使輸出順暢的電容器69。
在三相PWM轉換器之輸入端上，接觸點61係接到一線路電壓偵測器62，且線路電壓偵測器62測量三相電壓的線路電壓。感測器63係接到一電流偵測器64，且電流偵測器64測量三相電壓的電流。
此外，三相PWM轉換器200之輸出端上，一電壓偵測器68接到接觸點67，且電壓偵測器68測量輸出電壓。另外，感測器65接到一電流偵測器66，且電流偵測器66測量輸出電流。
三相AC電源輸出三相輸入電力，電壓Va 、Vb 、及Vc 。電壓Va 、Vb 、及Vc 分別是a相位、b相位、及c相位的相電壓。接觸點61具有端點能分別與a相位線路、b相位線路、及c相位線路接觸。感測器63係分別設置在a相位線路及c相位線路上，且那些感測器偵測從三相AC電源輸入的AC輸入電流。AC電抗器60係分別設置在a相位線路、b相位線路、及c相位線路上，以便阻擋高頻電流。
不平衡電壓補償器1具有dq軸轉換器81、82、83、及84，用來從三軸轉到兩軸或從兩軸轉到三軸。dq軸轉換器81將在質心向量運算單元10中得到的Y相電壓(e2a 、e2b 、e2c )轉成d軸電壓e1d 及q軸電壓e1q ，dq軸轉換器82將二軸的負相序電壓(e1dn 、e1qn )轉成三軸的負相序電壓(e1an 、e1bn 、e1cn )，dq軸轉換器83將從電流偵測器64得到的ia 、ib 、及ic 轉成d軸電流id 及q軸電流iq ，以及在進行固定電流控制之後，dq軸轉換器84將二軸的正相序電壓(Vdp *r 、Vqp *r )轉成三軸的正相序電壓(e1ap 、e1bp 、e1cp )。
此外，一同步信號產生器70係接到質心向量運算單元10，並基於在質心向量運算單元10中得到的Y相電壓(e2a 、e2b 、e2c )，產生一同步信號來同步dq軸轉換器81、82、及83。
三相轉換器200中設有一三相PWM電路200a及一三相PWM脈衝產生器200b，用來產生一脈衝信號來控制三相PWM電路200a之運作，以便進行PWM控制。三相PWM脈衝產生器200b係基於加法器30所產生的相電壓(Vd 、Ve 、及Vf )來產生脈衝信號。三相PWM電路200a可藉由由一切換元件組成的橋接電路來構成，且脈衝信號控制切換元件的開/關操作以進行PWM控制。
例如，三相PWM電路200a可由一如IGBT(絕緣柵雙極電晶體)及二極體的半導體切換元件組成，並控制半導體切換元件的每個閘開和關，藉此將所輸入的三相AC電力轉成DC電力並輸出DC電力。
電容器69、感測器65、及接觸點67係設置在三相轉換器200的輸出端上。電容器69使從三相轉換器200輸出的DC電壓順暢。感測器65是一個用來偵測從三相轉換器200輸出之DC輸出電流的電流感測器，且一電流偵測器66偵測DC輸出電流的電流值Idc 。接觸點67是與三相轉換器200之DC輸出線路接觸的端點，且電壓偵測器68偵測DC輸出電壓的電壓值Vdc 。
以下將說明不平衡電壓補償器1的每個元件。
線路電壓偵測器62偵測在接觸點61上的三相AC輸入電壓之線路電壓(eab 、ebc 、eca )。質心向量運算單元10從在線路電壓偵測器62中偵測到的線路電壓(eab 、ebc 、eca )信號來計算並得到質心向量電壓(e2a 、e2b 、e2c )，且所得到的質心向量電壓(e2a 、e2b 、e2c )被用來作為彼 此呈120°異相之相電壓(e1a 、e1b 、e1c )的代替信號。
dq軸轉換器(從三相轉到兩相)81將在質心向量運算單元10中得到的質心向量電壓(e2a 、e2b 、e2c )轉成d軸及q軸(兩相)的電壓信號(e1d 、e1q )。同步信號產生器70使用在質心向量運算單元10中得到的質心向量電壓(e2a 、e2b 、e2c )來產生同步信號「s」。藉由dq軸轉換器81的dq轉換可基於如上所述之等式(21)來處理。
電流偵測器64得到a相位及c相位AC輸入電流的偵測信號，其係由感測器63測得，並產生三相AC輸入電流的信號(ia 、ib 、ic )。電流偵測器64係利用a相位、b相位、及c相位之AC輸入電流之總和變成零來產生三相AC輸入電流信號。因此，若配置成可偵測到a相位、b相位、及c相位的至少兩個AC輸入電流，則可取得三相的輸入電流。
dq軸轉換器(從三相轉到兩相)83將在電流偵測器64中偵測到的三相AC輸入電流信號(ia 、ib 、ic )轉成一d軸電流信號及一q軸電流信號(id 、iq )(兩相)。
對稱座標成份計算單元20具有一正相序電壓計算機21、一負相序電壓計算機22、一f1o 計算機23、以及一零相序電壓計算機24，輸入dq軸轉換器81所轉換的d軸及q軸(兩相)之電壓信號(e1d 、e1q )，並計算正相序電壓(e1dp 、e1qp )、負相序電壓(e1dn 、e1qn )、及零相序電壓(e1o )，其為對稱成分電壓。
在上述等式(21)中，在藉由使質心向量(e2a 、e2b 、e2c )受到dq軸轉換所得到的d軸電壓e1d 及q軸電壓e1q 中 ，DC成分(E1pm cosa、E1pm sina)等於正相序電壓(e1dp 、e1qp )，AC成分(E1nm cos(2ωt+f1n ))、-E1nm sin(2ωt+f1n )等於負相序電壓(e1dn 、e1qn )。因此，根據頻率分離，便能取出正相序電壓(e1dp 、e1qp )及負相序電壓(e1dn 、e1qn )。
正相序電壓計算機21藉由使用一帶通濾波器或一低通濾波器便能夠取出正相序電壓(e1dp 、e1qp )。此外，進行dq軸轉換之後，負相序電壓計算機22將原始信號減去在正相序電壓計算機21中取出之正相序電壓(e1dp 、e1qp )，藉此取出負相序電壓(E1nm cos(2ωt+f1n )、-E1nm sin(2ωt+f1n ))。
如上所述，可以等式(31)來表示零相序電壓e1o ，且以等式(29)來表示零相序電壓e1o 的相位f1o 。零相序電壓e1o 之振幅E1om 係以等式(30)來表示。
接著，f1o 計算機23使用正相序電壓(e1dp 、e1qp )及負相序電壓(e1dn 、e1qn )來計算相位f1o ，並輸入計算出的相位f1o 到零相序電壓計算機24。隨後，零相序電壓計算機24使用f1o 計算機23所計算的相位f1o 及負相序電壓計算機22所計算的負相序電壓(e1dn 、e1qn )，藉此得到零相序電壓e1o 。
正相序電壓計算機21所計算的正相序電壓(e1dp 、e1qp )會受到在固定電流控制單元40中固定電流控制，產生用來控制不平衡電壓補償及功率因數(無效功率)的一指令值，在dq軸轉換器84中的二至三軸轉換將電壓轉成分 別與正相序電壓(e1ap 、e1bp 、e1cp )相關的正相序電壓(V1ap 、V1bp 、V1cp )，且那些電壓之後都輸入至加法器30。
負相序電壓計算機22中計算的負相序電壓(e1dn 、e1qn )係在dq軸轉換器82中從兩軸轉成三軸，且在轉成負相序電壓(e1an 、e1bn 、e1cn )之後便輸入進加法器30。在零相序電壓計算機24中計算的零相序電壓e1o 會輸入到加法器30。
加法器30將所輸入之正相序電壓(V1ap 、V1bp 、V1cp )、負相序電壓(e1an 、e1bn 、e1cn )、及零相序電壓e1o 相加，隨後輸出相電壓(ed 、ee 、ef )。這些相電壓(ed 、ee 、ef )是在已進行不平衡補償及固定電流控制之後的信號。三相PWM轉換器200的三相PWM控制脈衝產生器200b係基於相電壓(ed 、ee 、ef )來產生脈衝信號以控制三相PWM電路200a。
以下將說明固定電流控制的結構。為了進行三相PWM轉換器的固定電流控制，必須知道輸入功率與輸入電壓之間的關係。
如下所示，根據正相序電流振幅Ipm 及負相序電流振幅Inm ，空間向量Ia 表示a相位電流ia ，並成立下面等式：I a =I pm e j(ωt+β) +I nm e -j(ωt+β) ………(35)
另一方面，等式(20)所表示的a相序電壓e1a 被轉成空間向量V1a ，且當得到輸入功率Pin 時，下列等式便成立：
在進行零電流控制之後，負相序電流Inm 會變成零(Inm =0)。
在「Inm =0」的條件下，由等式(36)表示之輸入功率Pin 中的「P」及「Q」更可表示如下：
本文中，請注意下列：
至於在等式(36)中的Pin ，當進行負相序電流的平均值功率控制及零控制時，會消去等式(37)及(38)中的「2ωωt」項。若假設P的平均有效功率為「Pave 」，則得到下列等式：
另一方面，根據PI控制會以下列等式來給定Pin 的平均有效功率Pave ，這裡假設一電壓指令值為Vdc *r 。
如第7圖所示之平均有效功率運算單元50表示一種執行如上所述之PI控制的結構實例。
至於用來控制等式(40)中的平均有效功率Pave 及平均無效功率Qave 的電流指令值，idp *r 及iqp *r 分別代替等式(40)中的電流項，並成立下列等式：
至於用來對等式(40)中的Qave 進行零控制之電流指令值，idp *r 及iqp *r 分別代替等式(40)中的電流項，並成立下列等式：
上述之那些等式(42)及(43)表示電流指令值，其由三相AC的正相序電壓及三相轉換器的功率決定。根據使用電流指令值的固定電流控制，由下列式子給定輸出信號vdp *r 及vqp *r ：
電流偵測器66獲得感測器65偵測到的DC輸出電流之偵測信號，並產生一DC輸出電流信號dc。電壓偵測器68 偵測在接觸點67上的DC輸出電壓，並產生一DC輸出電壓信號vdc 。
平均有效功率運算單元50具有一乘法器51、一減法器52、一DC電壓控制單元53、及一加法器54。
減法器52將一DC電壓指令值信號vdc *r 減去電壓偵測器68偵測到的DC輸出電壓信號vdc ，其中DC電壓指令值信號vdc *r 指出某組固定電壓值作為電壓指令值，並輸出所得到的一偏差信號。乘法器51將電流偵測器66測到的DC輸出電流信號idc 乘以電壓偵測器68測到的DC輸出電壓信號vdc ，並計算出一瞬間功率信號Pdc 。
DC電壓控制單元53基於減法器52計算出的偏差信號，產生一DC電壓控制信號作為控制DC輸出電壓信號vdc 變成一固定電壓值的PI(比例積分)控制之結果。加法器54將乘法器51計算出的瞬間功率信號Pdc 加上DC電壓控制單元53產生的DC電壓控制信號，因而產生平均有效功率信號Pave 。
功率因數及無效功率控制單元90具有一功率因數設定單元90a，用來任意地設定功率因數，以及一平均無效功率運算單元90b，用來計算無效功率。
功率因數設定單元90a透過一輸入手段或一控制手段(圖中未示)來輸入一組功率因數。平均無效功率運算單元90b基於在平均有效功率運算單元50中得到的平均有效功率Pave 以及在功率因數設定單元90a中設定的組功率因數(cosθ)，來計算平均無效功率Qave 。
功率因數cosθ是由[Pave /(Pave 2 +Qave 2 )1/2 ]來定義。根據下列等式，本發明之功率因數及無效功率控制器2係使用在功率因數設定單元90a中設定的功率因數cosθ以及在平均有效功率運算單元50中得到的平均有效功率Pave ，來計算平均無效功率Qave ：Q ave =P ave . [1-(cosθ) 2 ] 1/2 /cosθ
根據功率因數cosθ、平均有效功率Pave 、及平均無效功率Qave 之間的關係，功率因數及無效功率控制單元90控制功率因數為一任意值，並依照組功率因數來控制平均無效功率。
固定電流控制單元40具有一用來產生電流指令值的固定電流指令值產生器41、及固定電流控制輸出單元42a及42b，用來基於電流指令值產生已受到固定電流控制的輸出信號。固定電流控制輸出單元42a產生一d軸輸出信號vdp *r ，且固定電流控制輸出單元42b產生一q軸輸出信號vqp *r 。
固定電流控制單元40係基於在平均有效功率運算單元50中得到的平均有效功率Pave 以及在平均無效功率運算單元90b中得到的平均無效功率Qave 來得到電流指令值。接著，固定電流控制單元40比較所得到的電流指令值及在電流偵測單元64中測到的輸入端電流，藉此對正相序電壓計算機21得到的正相序電壓進行固定電流控制，進而得到控制值(vdp *r 、vqp *r )。在dq軸轉換器84將得到的控制值(vdp *r 、Vqp *r )轉成三軸正相信號(v1ap 、v1bp 、v1cp )之後 ，那些信號便輸入進加法器30中。
固定電流指令值產生器41根據一比較結果來產生電流指令值的信號(idp *r 、iqp *r )，其係基於在加法器54中計算出的平均有效功率Pave 之信號、以及由正相序電壓計算機21分離之d軸與q軸電壓信號之正相序成分(e1dp 、e1qp )。
固定電流控制輸出單元42a基於dq軸轉換器83的id 及電流指令值信號idp *r 來進行固定電流控制，並產生d軸輸出信號vdp *r 。固定電流控制輸出單元42b基於dq軸轉換器83的iq 及電流指令值信號iqp *r 來進行固定電流控制，並產生q軸輸出信號vqp *r 。固定電流控制係根據PI控制來進行，其控制輸入電流變成一固定電流值。
三相PWM控制脈衝產生器200b假設加法器30之加法部份31b所計算出的信號(Vd 、Ve 、Vf )為閘控制信號、比較那些信號與一載頻產生器(圖中未示)產生的三角波信號、產生一閘脈衝信號作為PWM信號、並輸出信號給在三相PWM電路200a中的半導體切換元件之每個閘。
[不平衡電壓補償器與功率因數及無效功率控制器的操作實例]
接下來，將說明不平衡電壓補償器1與功率因數及無效功率控制器2的操作實例。質心向量運算單元10從線路電壓(eab 、ebc 、eca )計算出質心向量電壓(e2a 、e2b 、e2c )，且dq軸轉換器81將所計算出的質心向量電壓(e2a 、e2b 、e2c )轉成d軸電壓信號e1d 及q軸電壓信號e1q ，如等式(21)所示。
等式(21)之左邊的第一個項目是表示d軸與q軸電壓信號e1d 、e1q 的正相序成分e1dp 、e1qp ，而左邊的第二個項目是表示d軸與q軸電壓信號e1d 、e1q 的負相序成分e1dn 、e1qn 。因此，根據使用一濾波器或類似元件的頻率分離，便可能分開正相位與負相位之間的d軸及q軸電壓信號e1d 、e1q ，即，正相序成分e1dp 、e1qp 與負相序成分e1dn 、e1qn 之間。正相序電壓計算機21及負相序電壓計算機22進行正相位及負相位之間的分離。dq軸轉換器82將已從正相位及負相位之間分離的d軸及q軸電壓信號e1d 、e1q 之負相序成分e1dn 、e1qn 轉成相電壓信號(e1an 、e1bn 、e1cn )。
另一方面，零相序電壓計算機24係使用所計算出的正相序電壓及負相序電壓之信號值來計算零相序電壓e1o 。
至於輸入功率，平均有效功率Pave 及平均無效功率Qave 係由等式(40)表示，其使用d軸與q軸電壓信號vd 、vq 的正相序成分ve dp 、ve qp 及輸入指令電流信號Ie dp 、ie qp 。
電流偵測器66透過感測器65偵測DC輸出電流信號idc 。電壓偵測器68透過接觸點67來偵測DC輸出電壓信號vdc 。乘法器51將DC輸出電流信號idc 乘以DC輸出電壓信號vdc ，並輸出DC輸出功率信號Pdc 。減法器52將DC電壓指令值信號vdc *r 減去DC輸出電壓信號vdc ，並產生一偏差信號。關於DC電壓指令值信號vdc *r 與DC輸出電壓信號vdc 之間的 偏差信號，DC電壓控制單元53會進行PI控制，如此DC輸出電壓信號vdc 就變成一固定電壓值，並於之後產生一DC電壓控制信號。
加法器54將DC電壓控制單元53輸出的DC電壓控制信號加上DC輸出功率信號Pdc ，因而輸出平均有效功率Pave 。如等式(41)所示，平均有效功率Pave 係由將在DC電壓指令值信號vdc *r 與DC輸出電壓信號vdc 之間的偏差信號進行PI控制所得到的DC電壓控制信號加上DC輸出功率信號Pdc (=vdc ．idc )來得到。
根據等式(42)，固定電流指令值產生器41係基於平均有效功率Pave 、平均無效功率Qave 、及d軸與q軸電壓信號的正相序成分e1dp 、e1qp ，其係在正相序電壓計算機21中計算出的，來產生並輸出輸入指令電流信號idp *r 及iqp *r 。
當功率因數設為1時，平均無效功率Qave 會變成零。因此，根據等式(43)便產生輸入指令電流信號idp *r 及iqp *r 。
在固定電流控制的輸入電流端上，電流偵測器64透過感測器63來測量從三相AC電源100輸出的三相AC電力之三相AC輸入電流信號ia 、ib 、ic 。
dq軸轉換器83(從三相轉到兩相)將三相AC輸入電流信號ia 、ib 、及ic 轉成d軸電流信號id 及q軸電流信號iq 。
d軸及q軸固定電流輸出單元42a及42b分別輸入d軸電流信號id 及q軸電流信號iq 來作為輸入電流的反饋值。固定 電流控制輸出單元42a及42b更從固定電流指令值產生器41輸入d軸的正相序電流指令值信號idp *r 及q軸的正相序電流指令值信號iqp *r ，並根據一個基於d軸及q軸電流信號id 及iq 、與電流指令值信號idp *r 及iqp *r 之間的偏差信號之預訂計算結果，來產生並輸出控制信號Vdp *r 及Vqp *r ，以控制輸入電流變成一固定電流值。
請注意固定電流控制輸出單元42a所進行的d軸控制係以等式(44)來表示，而固定電流控制輸出單元42b所進行的q軸控制係以等式(45)來表示。
dq軸轉換器84將控制值Vdp *r 及Vqp *r 轉成三軸正相信號(v1ap 、v1bp 、v1cp )，並於隨後輸入已轉換之信號至加法器30中。
在加法器30中，加法部份31a將在零相序電壓計算機24中計算出的零相序電壓e1o 加上在dq軸轉換器82中轉換所得到的負相序成分之相電壓信號(e1an 、e1bn 、e1cn )。加法部份31b再將在dq軸轉換器84中轉換所得到的相電壓信號(V1ap 、V1bp 、V1cp )之正相序成分加上在加法部份31a中將相電壓信號(e1an 、e1bn 、e1cn )與所計算出之零相序電壓e1o 相加所得到之信號，產生三相電壓信號(Vd 、Ve 、及Vf )，並輸出所產生的信號至三相PWM控制脈衝產生器200b。
三相PWM控制脈衝產生器200b基於三相電壓信號(Vd 、Ve 、及Vf )來產生一閘控制信號，用來控制三相PWM電路200a，比較所產生之信號與一載頻產生器(圖中未示 )產生的三角波信號，藉由PWM(脈衝寬度調變)產生閘脈衝信號，並輸出閘脈衝信號給三相PWM電路200a的半導體切換元件之每個閘，以便對每個閘進行開/關控制。
接著，將說明不平衡電壓補償器1在平衡狀態及不平衡狀態中的操作。這裡請注意不平衡狀態包括電壓在短時間內降低的狀態，且另外包括長時間在三相電壓中發生不平衡的狀態。本文中，假設DC負載300的負載量是固定的。
[在平衡狀態中的操作]
在發生瞬間壓降之前的狀態中，三相AC電源100的三相AC輸入電壓是處於平衡狀態。在這個平衡狀態中，如第17圖所示，三相電壓信號er 、es 、et 只相當於正相序電壓e1p ，且此時，在等式(21)中表示的d軸電壓信號會變成E1pm ，而q軸電壓信號會變成零。這裡，既然Z12 、Z23 、及Z31 是打開的，則可忽略由於Z12 的相位延遲。因此，可確定等式(1)、(2)、及(3)相當於等式(17)，且a=0會成立。
此時，根據等式(42)，電流指令值的信號idp *r 、iqp *r 係由下列表示：i dp *r =(2/3)．(P ave /E 1pm )………(47)
i qp *r =(2/3)．(-Q ave /E 1pm )………(48)
根據上述之指令值信號idp *r 及iqp *r ，固定電流指令值產生器41會以輸入功率因數變成組功率因數的方式來進行電流控制。在組功率因數是「1」的情況下，指令值電流 信號iqp *r 會變成零，且固定電流指令值產生器41進行電流控制，如此輸入功率因數會變成「1」。
再者，DC電壓控制單元53控制DC輸出電壓變成一固定值，因此，可規律地輸出固定DC電力給DC負載300端。
[在不平衡狀態中的操作]
接下來，將說明不平衡狀態，這裡從三相AC電源100的三相AC輸入電壓中，至少有一相位AC輸入電壓變成瞬間壓降狀態，且AC輸入電壓變得不平衡。
當在AC輸入電壓中發生瞬間壓降時，對稱座標成分計算單元20的正相序電壓計算機21輸出d軸及q軸電壓信號的正相序成分e1dp 、e1qp 、負相序電壓計算機22輸出d軸及q軸電壓信號的負相序成分e1dn 、e1qn 、以及零相序電壓計算機24輸出零相序成分e1o 。
固定電流控制輸出單元42a及42b將d軸及q軸電壓信號的正相序成分e1dp 、e1qp 加上電流指令值信號。藉由加法部份31a及31b更加入d軸及q軸電壓信號的負相序成分e1dn 、e1qn ，來產生輸出信號(Vd 、Ve 、Vf )，並由固定電流指令值產生器41進行電流控制，以致輸入功率因數變成「1」。此外，DC電壓控制單元53控制DC輸出電壓為一固定值，因此，可規律地輸出固定DC電力給DC負載300端。
藉由將零相序成分e1o 加上正相序成分及負相序成分，電源電壓的零相序成分便疊加在輸出信號(Vd 、Ve 、Vf )上，並基於已疊加零相序成分之輸出信號來對三相PWM 轉換器產生一控制信號，來使三相AC輸入電壓能補償瞬間壓降。
本發明係對在一個測量時間點得到的線路電壓進行向量運算，藉此獲得如上所述之三相位的相電壓，基於相電壓之正相序電壓及負相序電壓根據PFC控制來進行固定電流控制，更從相電壓計算零相序電壓，並疊加零相序電壓在正相序電壓及負相序電壓上，以補償不平衡。
在本發明之不平衡電壓補償中，在一個測量時間點得到的線路電壓被用來作為能計算零相序電壓的原始信號。以此結構，就可能從在一個測量時間點得到之測量值來獲得用來補償不平衡的控制信號。
一般來說，為了偵測相電壓的電壓波動，至少需要時距的一半週期。因此，只在一個測量時間點上的測量值是不足以偵測及補償不平衡狀態，需要在多個測量時間點上的測量值。另一方面，在本發明中，在一個測量時間點得到的線路電壓會受到向量運算，因而得到相電壓的正相序電壓及負相序電壓，並可從正相序電壓及負相序電壓計算出零相序電壓。藉此，就可能只從在一個測量時間點得到的數值來產生用來補償不平衡的信號。
取得線路電壓並基於所得到之線路電壓進行不平衡電壓補償是不受限於在一個測量時間點得到的數值。選擇性地，會連續重複取得線路電壓及不平衡補償，藉此不只補償瞬間壓降，更補償長時間的電壓之不平衡狀態。
接著，參考第8圖及第9圖，將說明本發明之不平衡電 壓補償的結構實例，其中根據軟體由CPU的一算數處理來進行不平衡電壓補償運算。
本發明之不平衡電壓補償器1藉由電路結構能夠實作出瞬間壓降補償及功率轉換的功能。選擇性地，藉由使CPU執行程式能夠實作出瞬間壓降補償及功率轉換的功能。
第8圖係說明本發明之不平衡電壓補償器及功率因數及無效功率控制器係由CPU及軟體來實現之結構實例。以下將說明根據CPU及軟體的電腦控制單元之結構，其標記為參考數字3。
如第8圖所示，在從三相C電源100供應之三相AC電力中，三相PWM轉換器200使三相AC電壓受到PWM轉換並輸出DC電壓到DC負載300。電腦控制單元3具有不平衡電壓補償與功率因數及無效功率控制的功能，並控制三相轉換器200進行功率轉換、不平衡電壓補償、以及功率因數及無效功率控制。
電腦控制單元3中設有CPU(中央處理單元)3a、RAM(隨機存取記憶體)3b、ROM(唯讀記憶體)3c、及I/O單元3d，且每個元件都透過一匯流排3e連接。
CPU 3a對電腦控制單元3的每個元件進行集中式控制。CPU 3a在RAM 3b中取出一指定的程式，不是存在ROM 3c中的系統程式或各種應用程式，並協同在RAM 3b中取出的程式執行各種處理。
CPU 3a協同功率轉換控制程式來控制三相轉換器200 中的三相PWM脈衝產生器，以將從三相AC電源100輸入的三相AC輸出電力轉成DC輸出電力，補償AC輸入電壓的不平衡電壓，並進行功率因數及無效功率控制。
RAM 3b是一儲存各種資訊項目的揮發性記憶體，並具有一工作區去取出各種資料及程式。ROM 3c是以可讀方式儲存各種資訊項目的記憶體，並儲存用於控制三相轉換器的功率轉換控制程式。
I/O單元3d掌控三相轉換器200的各種信號之輸入和輸出。I/O單元3d輸入在三相AC輸入端上的線路電壓及a相位與c相位AC輸入電流，以及在DC輸出端上的DC輸出電流及DC輸出電壓。I/O單元3d更輸出閘脈衝信號來控制三相轉換器200中的三相橋接電路之半導體切換元件。
接下來，參考第9圖，將說明根據由電腦控制單元3的程式控制之操作。
例如，在電腦控制單元3中，從三相AC電源100之三相AC電力之輸出會觸發從ROM 3c讀取功率轉換控制程式及取出在RAM 3b中的程式，並於之後協同CPU 3a執行對功率轉換控制與不平衡電壓補償的處理。
如第9圖之流程圖所示，首先進行電壓偵測程序(S101)。在步驟S101中，經由I/O單元3d得到三相AC電壓，偵測所得到之三相AC電壓之線路電壓信號eab 、ebc 、eca ，並於之後根據質心向量運算來計算相電壓信號e2a 、e2b 、e2c 。例如，在如第7圖所示之結構實例中，係在質心向量運算單元10中進行質心向量運算。
所算出的三相之相電壓信號e2a 、e2b 、e2c 會被轉成兩相之d軸電壓信號e1d 及q軸電壓信號e1q 。從所轉換之d軸及q軸電壓信號e1d 、e1q 分離並得到正相序成分e1dp 、e1qp 及負相序成分e1dn 、e1qn 。之後，d軸及q軸電壓信號e1d 、e1q 的負相序成分e1dn 、e1qn 被轉成三相之相電壓信號e1an 、e1bn 、e1cn 。在步驟S101中的程序相當於在線路電壓偵測器62、質心向量運算單元10、dq軸轉換器81、正相序電壓計算機21、負相序電壓計算機22、用來計算零相位f1o 的f1o 計算機23、以及零相序電壓計算機24中進行的程序。
在步驟S101中的每個程序可適當地平行進行。這樣如在步驟S101中進行的平行處理也可實施在下列步驟S102至S106中。
在步驟S102中，進行一同步計算程序。從相位信號e2a 、e2b 、e2c 產生一同步信號「s」。例如，同步信號「s」可從相電壓信號e2a 、e2b 、e2c 之任何相電壓的零交越點來得到。藉由比較相電壓及零電壓能產生同步信號，並當相電壓變得與零電壓相同時輸出同步信號「s」。在如第7圖所示之結構實例中，藉由使用質心向量運算單元10的輸出信號(e2a 、e2b 、e2c )能使同步信號產生器70產生信號，且例如，以一個比較輸出信號e2a 與零電壓的比較電路就可能配置這樣的操作。選擇性地，可在任意時間點產生同步信號，且這個同步信號可假設為同步信號「s」的初始值。
同步信號「s」係用來同步在步驟S101、S103、及 S106中每個步驟的dq軸轉換，包括兩相對三相之轉換以及三相對兩相之轉換。此時，使用就在之前執行之步驟S102中得到的同步信號「s」或為初始值之同步信號「s」來進行同步。因此，步驟S102相當於在同步信號產生器70中進行的程序。
接下來，在步驟S103中進行一電流偵測程序。在步驟S103中，經由I/O單元3d輸入之三相AC輸入電流信號ia 、ib 、ic 被偵測出，並被轉成d軸電流信號id 及q軸電流信號iq 。步驟S103相當於在電流偵測器64及dq軸轉換器83中進行的程序。
接著，在步驟S104中進行一電壓控制程序。在步驟S104中，經由I/O單元3d偵測出DC輸出電流信號idc 及DC輸出電壓信號vdc 。將所測到的DC輸出電流信號idc 乘以所測到的DC輸出電壓信號vdc ，以計算出DC輸出功率信號Pdc 。將DC電壓指令值信號vdc *r 減去DC輸出電壓信號vdc ，算出一偏差信號，並基於所算出的偏差信號來產生一DC電壓控制信號，以控制DC輸出電壓信號vdc 為一固定電壓值。之後，將DC電壓控制信號加上DC輸出功率信號Pdc 來產生平均有效功率Pave 。步驟S104相當於在電流偵測器66、電壓偵測器68、減法器52、乘法器51、DC電壓控制單元53、及加法器54中進行的程序。
接著，在步驟S105中進行功率因數及無效功率控制程序。在步驟S105中，功率因數設定單元90a設定功率因數，且平均無效功率運算單元90b根據在功率因數設定單元 90a中設定的功率因數以及平均有效功率運算單元50中得到的平均有效功率Pave ，來計算平均無效功率Qave 。
然後，在步驟S106中進行一電流控制程序。在步驟S106中，基於在步驟S104中得到之平均有效功率Pave 、在步驟S105中得到之平均無效功率Qave 、以及在步驟S101中藉由正相位負相位分離而分別得到d軸及q軸電壓信號的正相序成分e1dp 、e1qp ，來產生電流指令值的信號i1dp *r 、i1qp *r 。電流指令值的信號i1dp *r 、i1qp *r 及在dq軸轉換器中得到的d軸及q軸電流信號id 、iq 被用來產生電流控制信號。步驟S106相當於固定電流指令值產生器41及固定電流控制輸出單元42所進行的程序。
接著，在步驟S107中進行一控制校正程序。在步驟S107中，將在步驟S106中產生的輸入電流控制信號加上在步驟S101中藉由正相位負相位分離所得到之d軸及q軸電壓信號的正相序成分e1dp 、e1qp ，並產生如等式(44)及(45)所示之輸出信號vdp *r 、Vqp *r 。之後，兩相輸出信號vdp *r 、vqp *r 被轉成三相控制信號v1ap 、v1bp 、v1cp 。而後，將在步驟S101中得到的相電壓信號e1ap 、e1bp 、e1cp 加上零電壓信號e1o ，再加上控制信號v1ap 、v1bp 、及v1cp ，因而產生一閘控制信號。
之後，產生一三角波信號，並藉由比較三角波信號與閘控制信號來產生一閘脈衝信號。隨後，將閘脈衝信號輸出至在三相轉換器200中的三相PWM電路200a之半導體切換元件之每個閘。
步驟S107相當於在加法器30、dq軸轉換器83、固定電流控制輸出單元42a及42b、dq軸轉換器84、及三相PWM控制脈衝產生器200b中進行的程序。
在步驟S108中，判斷是否終止功率轉換控制程序、不平衡電壓補償程序、以及功率因數及無效功率控制。若未終止那些程序，則回到步驟S101並繼續程序，反之若它們被終止，則結束功率轉換控制程序、不平衡電壓補償程序、以及功率因數及無效功率控制。
在使程式能夠啟動CPU的配置中，類似於電路配置的例子，就可能實作出不平衡電壓補償及功率轉換的功能。
接著，參考第10至15圖，將說明根據本發明之不平衡電壓補償的實驗實例。從第10至15圖的圖示顯示了測量資料，其係當根據第7圖所示之結構實例的不平衡電壓補償器控制三相轉換器時而得到。
係在三相所定之線路電壓為200 V、三相所定之線路電流為17.5 A、載頻為18.5 kHz、DC鏈電壓(輸出電壓)為380 V、DC鏈容為1200u f、傳輸線電感為300u H、以及負載電阻為25 O的條件下來進行測量。之後，在三相所定之線路電壓為200 V及三相所定之線路電流為17.5 A之狀態下，電壓會驟降為不平衡電壓並於之後恢復。在這樣的條件下來比較補償不平衡電壓及未補償不平衡電壓之間的影響。這裡，由輸出電壓Vdc 及輸入電流ia 、ib 、ic 的波動來表示影響，其係由瞬間壓降產生的三相不平衡電壓造成的。根據實驗結果，便可能檢驗不平衡電壓補償控制的效 果。
第10圖顯示在輸入相電壓e1a 驟降為50%，並隨後恢復到100%之情況下的特性。第10A圖顯示未進行不平衡電壓補償的情形；而第10B圖顯示進行本發明之不平衡電壓補償的情形。在進行不平衡電壓補償的情形下，輸出電壓Vdc 會保持固定，並顯示較佳的效能。
第11及12圖是第10圖的放大圖，第11圖說明輸入相電壓e1a 從100%驟降到50%的情形；而第12圖說明輸入相電壓e1a 從50%恢復到100%的情形。第11A及12A圖說明未進行不平衡電壓補償的情形；而第11B及12B圖說明有進行本發明之不平衡電壓補償的情形。從圖中可能發現自突然變化點之後的輸入電流ia 、ib 、ic 都有高速回應。
第13圖顯示了當第7圖所示之三相AC電源100的輸入相電壓ea 驟降50%時的特性之對照。第13A圖顯示輸入電壓，第13B圖顯示未進行不平衡電壓補償的情形，而第13C圖顯示有進行本發明之不平衡電壓補償的情形。
如第13B圖所示，當未進行不平衡電壓補償時，發現在輸入電流之振幅與相位角之位移上有很大的不平衡。
第13圖顯示功率因數設為「1」的實例，且如第13C圖所示，發現進行本發明之不平衡電壓補償的補償控制之效果對輸入電流之振幅與相位角帶來了很好的平衡。
第14圖顯示來自第7圖之三相AC電源100的輸入相電壓ea 驟降100%並到零電壓。第14A圖顯示輸入電壓，第14B圖顯示未進行不平衡電壓補償的情形，而第14C圖顯 示有進行本發明之不平衡電壓補償的情形。
第14C圖的結果顯示了根據本發明之不平衡電壓補償，當由於接地故障而發生電壓驟降時，意即，甚至當三相AC電源100的輸入相電壓ea 驟降100%並到零電壓時，都可能保持輸入電流ia 、ib 、ic 的振幅與相位角在三相中幾乎平衡。
第15圖說明一輸入相電壓下降率及一輸入電流平衡率。根據第15圖，在未進行不平衡電壓補償之情況下(圖中的三角記號)，當輸入相電壓下降率為20%時，輸入電流平衡率為67.9%。另一方面，在進行本發明之不平衡電壓補償之情況下，會顯示如下所示之良好的特性：當輸入相電壓下降率為20%時，輸入電流平衡率為94.5%，且對於所有從0%到100%的輸入相電壓下降率，輸入電流平衡率都保持在97.9%至83.3%的範圍內。
從在一典型5kW RF(射頻)產生器上實施本發明之不平衡電壓補償來進行之實驗已得到上述結果，典型5kW RF(射頻)產生器係作為半導體製造設備、液晶製造設備等，且這樣的設備能夠達到滿足在半導體製造設備中所須之電壓驟降標準(SEMI F47-0200)(1)的效能。
例如，最大壓降率及壓降期間，如在電壓驟降標準(SEMI F47-0200)(1)中所定義：短時間內的額定電壓之百分比與壓降期間為50%與0.2秒。如第10圖之關聯此標準之實驗結果所示，當以最大壓降率為50%且在電壓驟降事件中維持1秒時，根據本發明之不平衡電壓補償，藉由進 行電壓驟降補償就能夠大大地改善電壓降低，儘管在測量資料中的壓降時間是標準時間的5倍(=1秒/0.2秒)。
如上所述，根據本發明之不平衡電壓補償與功率因數及無效功率控制，就可能補償瞬間壓降，甚至在輸入電壓的瞬間壓降之時，也可供應穩定的電力給DC負載。因此，相較於利用如電容器和蓄電池之儲存裝置的瞬間壓降補償結構，能夠達到進行瞬間壓降補償的配置，尺寸更小、使用壽命更長、且價位更低。此外，因為不使用如電容器和蓄電池之儲存裝置的方式，所以能易於維持瞬間壓降補償的結構。再者，由於可增進功率因數，因而藉由功率因數增進可抑制較高的諧波。
根據本發明之不平衡電壓補償與功率因數及無效功率控制，尤其是當使用PFC控制時，有以下優點：不太需要新的工廠和設備開銷、排除儲存裝置單元來大大地縮小尺寸、以及可免除週期地維護電容器單元。
此外，根據本發明之不平衡電壓補償與功率因數及無效功率控制，甚至當發生猛烈的電壓驟降時，即，在幾乎接地故障的情況下，能有可能進行不平衡補償控制直到有效相位保持在一能量源。
固定電流指令值產生器基於AC輸入電壓從d軸及q軸電壓信號之正相序成份產生電流指令值信號，以及基於DC輸出電壓產生DC電壓控制信號，因此能夠利用輸入電流指令信號來快速反應以預防AC輸入電壓的波動，並可抑制DC輸出電壓的劇烈波動。
在輸出端上，電流偵測器、電壓偵測器、及加法器偵測到一DC輸出功率信號，且加法器將DC輸出功率信號加上DC電壓控制信號，藉此平均有效功率運算單元就能夠快速反應來預防輸出DC輸出電力之DC負載的負載量波動，並抑制DC輸出電壓的劇烈波動。
同步信號產生器產生一同步信號，且每個dq軸轉換器會根據同步信號「s」進行從三相到兩相或從兩相到三相的轉換，因而無論是否AC輸入電壓是平衡或不平衡，都一直保持功率因數為1。
此外，本發明之質心向量運算單元偵測AC輸入電壓的線路電壓信號並將信號轉成相電壓，因此無論三相AC電源的AC系統是三相三線系統或三相四線系統，都可能在每個測量時間點補償瞬間壓降。
應知道所揭露之實施例及修改實例之敘述都只是三相轉換器之控制器、控制三相轉換器之功率因數之方法、以及控制三相轉換器之無效功率之方法的範例。本發明並不受限於那些實施例，且在不脫離本發明之範圍可稍微改變或修改。因此，這樣的修改是落於本發明之範圍內。
本發明可應用於需要穩定供電並在負載端有微小電壓波動的設備中，尤其是如半導體製造設備。
101‧‧‧三相AC電源
102‧‧‧電壓波動補償器
101a、101b、101c‧‧‧AC電源
103‧‧‧控制電路
104a、104b、104c‧‧‧電壓補償電路
105a、105b、105c‧‧‧電容器
er 、es 、et ‧‧‧平衡電壓
Z1 ‧‧‧傳輸阻抗
Z12 、Z23 、Z31 ‧‧‧阻抗
eab 、ebc 、eca ‧‧‧線路電壓
e1o ‧‧‧零相序電壓
Za 、Zb 、Zc ‧‧‧負載阻抗
Rdc ‧‧‧DC負載
a、b、c‧‧‧端點
100B‧‧‧三相AC電源
200‧‧‧三相轉換器
400‧‧‧不平衡電壓補償器
200a‧‧‧三相PWM電路
200b‧‧‧三相PWM控制脈衝產生器
300‧‧‧DC負載
Vr 、Vs 、Vt ‧‧‧相電壓信號
e1a 、e1b 、e1c ‧‧‧不平衡電壓
100A‧‧‧三相AC電源
Pave ‧‧‧平均有效功率
Qave ‧‧‧平均無效功率
cosθ‧‧‧功率因數
100‧‧‧三相AC電源
1‧‧‧不平衡電壓補償器
2‧‧‧功率因數及無效功率控制器
10‧‧‧質心向量運算單元
20‧‧‧對稱座標成分計算單元
40‧‧‧固定電流控制單元
50‧‧‧平均有效功率運算單元
90‧‧‧功率因數及無效功率控制單元
30‧‧‧加法器
e2a 、e2b 、e2c ‧‧‧質心向量
e1dp 、e1qp ‧‧‧正相序電壓
e1dn 、e1qn ‧‧‧負相序電壓
61‧‧‧接觸點
63‧‧‧感測器
60‧‧‧AC電抗器
67‧‧‧接觸點
65‧‧‧感測器
69‧‧‧電容器
62‧‧‧線路電壓偵測器
64‧‧‧電流偵測器
68‧‧‧電壓偵測器
66‧‧‧電流偵測器
Va 、Vb 、Vc ‧‧‧電壓
81、82、83、84‧‧‧dq軸轉換器
e1d ‧‧‧d軸電壓
e1q ‧‧‧q軸電壓
e1an 、e1bn 、e1cn ‧‧‧負相序電壓
ia 、ib 、ic ‧‧‧電流
id ‧‧‧d軸電流
iq ‧‧‧q軸電流
Vdp *r 、Vqp *r ‧‧‧正相序電壓
Vdn *r 、Vqn *r ‧‧‧負相序電壓
e1ap 、e1bp 、e1cp ‧‧‧正相序電壓
Vd 、Ve 、Vf ‧‧‧相電壓
21‧‧‧正相序電壓計算機
22‧‧‧負相序電壓計算機
23‧‧‧f1o 計算機
24‧‧‧零相序電壓計算機
ed 、ee 、ef ‧‧‧相電壓
51‧‧‧乘法器
52‧‧‧減法器
53‧‧‧DC電壓控制單元
54‧‧‧加法器
vdc *r ‧‧‧DC電壓指令值信號
vdc ‧‧‧DC輸出電壓信號
idc ‧‧‧DC輸出電流信號
Pdc ‧‧‧功率信號
90a‧‧‧功率因數設定單元
90b‧‧‧平均無效功率運算單元
41‧‧‧固定電流指令值產生器
42a、42b‧‧‧固定電流控制輸出單元
vdp *r ‧‧‧d軸輸出信號
vqp *r ‧‧‧q軸輸出信號
3‧‧‧電腦控制單元
3a‧‧‧中央處理單元
3b‧‧‧隨機存取記憶體
3c‧‧‧唯讀記憶體
3d‧‧‧I/O單元
3e‧‧‧匯流排
S1-S7、S41-S45、S101-S108‧‧‧步驟
第1圖係根據本發明之說明不平衡電壓補償及功率因數控制之示意圖； 第2圖說明根據本發明之一不平衡電壓補償器與一功率因數控制器之概要結構；第3圖係根據在本發明之不平衡補償中的質心向量運算，說明從線路電壓獲得Y相電壓之程序之流程圖；第4圖係根據在本發明之不平衡補償中的質心向量運算，說明從Y相電壓計算對稱成分電壓之程序之流程圖；第5圖係說明在本發明之不平衡補償中的質心向量運算之電壓向量示意圖；第6圖係說明在本發明之不平衡補償中的質心向量運算之電壓向量示意圖；第7圖係根據本發明之不平衡電壓補償器及功率因數及無效功率控制器的一更詳細結構實例；第8圖係說明本發明之不平衡電壓補償運算及功率因數控制運算係根據軟體由CPU的一算數處理來進行之結構實例；第9圖係說明本發明之不平衡電壓補償運算及功率因數控制運算係根據軟體由CPU的一算數處理來進行之結構實例之流程圖；第10圖係根據本發明之不平衡電壓補償的實驗實例；第11圖係根據本發明之不平衡電壓補償的實驗實例；第12圖係根據本發明之不平衡電壓補償的實驗實例；第13圖係根據本發明之不平衡電壓補償的實驗實例；第14圖係根據本發明之不平衡電壓補償的實驗實例；第15圖係根據本發明之不平衡電壓補償的實驗實例； 第16圖係為一傳統電壓波動補償器的結構實例；第17圖係為一在電壓驟降事件中的等效電路；及第18圖係為分別在三相轉換器之輸入端及負載端的等效電路。
1‧‧‧不平衡電壓補償器
2‧‧‧功率因數及無效功率控制器
10‧‧‧質心向量運算單元
20‧‧‧對稱座標成分計算單元
30‧‧‧加法器
40‧‧‧固定電流控制單元
41‧‧‧固定電流指令值產生器
42‧‧‧固定電流控制輸出單元
50‧‧‧平均有效功率運算單元
90‧‧‧功率因數及無效功率控制單元
100‧‧‧三相AC電源
200‧‧‧三相轉換器
200a‧‧‧三相PWM電路
200b‧‧‧三相PWM控制脈衝產生器
300‧‧‧DC負載

Claims (14)

  1. 一種控制三相轉換器之功率因數的方法，當使三相AC受到PWM轉換以輸出DC的該三相轉換器轉換功率時，該方法包含：一對稱成分計算步驟，用來從該三相轉換器的三相AC輸入之Y相電壓計算一三相平衡系統的對稱成分電壓值；一平均有效功率運算步驟，係使用該三相轉換器的一DC輸出之輸出電壓值及一輸出電流值，來計算一平均有效功率值；一功率因數控制步驟，用來從在該平均有效功率運算步驟中計算出的該平均有效功率值以及一組功率因數計算一平均無效功率值，基於該平均有效功率值、該平均無效功率值以及一功率因數之間的關係，該平均無效功率值會關聯於該組功率因數；一電流指令值產生步驟，從在該平均有效功率運算步驟中計算出的該平均有效功率值、在該功率因數控制步驟中計算出的該平均無效功率值、以及在該對稱成分計算步驟中計算出的該三相AC電壓的對稱成分電壓值，來計算一電流指令值；及一固定電流控制步驟，係基於該電流指令值及該三相轉換器的一輸入電流值，藉由使該三相AC電壓之一正相序電壓值受到固定電流控制，來計算一固定電流控制值；其中，基於在該固定電流控制步驟中計算出的該固定電流控制值，產生用來補償該三相AC電壓之不平衡電壓的一補償 信號，以及用來控制該功率因數的一控制信號，基於該補償信號及該控制信號，獲得彼此呈120°異相且用來控制不平衡電壓及該功率因數的Y相電壓，以及基於所獲得的Y相電壓，產生用來使該三相AC受到PWM轉換以輸出DC的一PWM控制信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制三相轉換器之功率因數的方法，更包含一質心向量運算步驟，用來從該三相AC之線路電壓獲得彼此呈120°異相的Y相電壓，其中，該質心向量運算步驟係對從線路電壓中選出的兩個線路電壓之所有組合進行一向量運算、根據該向量運算獲得從一電壓端質心指向各電壓端的質心向量電壓、並使向量電壓分別成為彼此呈120°異相的Y相電壓，及該對稱成分計算步驟係從該轉換器的三相AC輸入之Y相電壓來計算該三相平衡系統的對稱成分電壓值，Y相電壓係在該質心向量運算步驟中獲得。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之控制三相轉換器之功率因數的方法，其中，該平均有效功率運算步驟係藉由將該DC輸出之該輸出電壓值與該輸出電流值的一積分值加上藉由使該輸出電壓值與一電壓指令值之間差異受到一比例-積分控制而獲得的一數值，來計算該平均有效功率值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制三相轉換器之功率因數的方法，其中，該功率因數控制步驟係藉由將該平均有效功率值乘以 [(1-(該組功率因數)2 )1/2 /(該組功率因數)]，來計算該平均無效功率值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之控制三相轉換器之功率因數的方法，其中，該功率因數控制步驟設定該組功率因數為一負數值，並從該三相轉換器的該DC輸出端再生該平均有效功率值的功率給該三相轉換器的AC輸入端。
  6. 一種控制一三相轉換器之無效功率的方法，當使三相AC受到PWM轉換以輸出DC的該三相轉換器轉換功率時，該方法包含：一對稱成分計算步驟，用來從該三相轉換器的三相AC輸入之Y相電壓計算一三相平衡系統的對稱成分電壓值；一平均有效功率運算步驟，係使用該三相轉換器的一DC輸出之一輸出電壓值及一輸出電流值來計算一平均有效功率值；一無效功率控制步驟，用來從在該平均有效功率運算步驟中計算出的該平均有效功率值以及一組功率因數計算一平均無效功率值，基於該平均有效功率值、該平均無效功率值以及一功率因數之間的關係，該平均無效功率值會關聯於該組功率因數；一電流指令值產生步驟，從在該平均有效功率運算步驟中計算出的該平均有效功率值、在該無效功率控制步驟中計算出的該平均無效功率值、以及在該對稱成分計算步驟中計算出的該三相AC電壓的對稱成分電壓值，來計算一 電流指令值；及一固定電流控制步驟，係基於該電流指令值及該三相轉換器的一輸入電流值，藉由使該三相AC電壓之一正相序電壓值受到固定電流控制，來計算一固定電流控制值；其中，基於在該固定電流控制步驟中計算出的該固定電流控制值，產生用來補償該三相AC電壓之不平衡電壓的一補償信號，以及用來控制該功率因數的一控制信號，基於該補償信號及該控制信號，獲得彼此呈120°異相且用來控制不平衡電壓及無效功率的Y相電壓，以及基於所獲得的Y相電壓，產生用來使該三相AC受到PWM轉換以輸出DC的一PWM控制信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制三相轉換器之無效功率的方法，更包含一質心向量運算步驟，用來從該三相AC之線路電壓獲得彼此呈120°異相的Y相電壓，其中，該質心向量運算步驟係對從線路電壓中選出的兩個線路電壓之所有組合進行一向量運算、根據該向量運算獲得從一電壓端質心指向各電壓端的質心向量電壓、並使向量電壓分別成為彼此呈120°異相的Y相電壓，及該對稱成分計算步驟係從該轉換器的三相AC輸入之Y相電壓來計算該三相平衡系統的對稱成分電壓值，Y相電壓係在該質心向量運算步驟中獲得。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之控制三相轉換器之無效功率的方法，其中， 該平均有效功率運算步驟係藉由將該DC輸出之該輸出電壓值與該輸出電流值的一積分值加上藉由使該輸出電壓值與一電壓指令值之間差異受到一比例-積分控制而獲得的一數值，來計算該平均有效功率值。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之控制三相轉換器之無效功率的方法，其中，該無效功率控制步驟係藉由將該平均有效功率值乘以[(1-(該組功率因數)2 )1/2 /(該組功率因數)]，來計算該平均無效功率值。
  10. 一種控制一三相轉換器的控制器，其中該三相轉換器使三相AC受到PWM轉換以輸出DC，該控制器包含：一對稱成分計算單元，用來從該三相轉換器的三相AC輸入之Y相電壓計算一三相平衡系統的對稱成分電壓值；一平均有效功率運算單元，係使用該三相轉換器的一DC輸出之一輸出電壓值及一輸出電流值來計算一平均有效功率值；一功率因數及無效功率控制單元，用來從在該平均有效功率運算單元中計算出的該平均有效功率值以及一組功率因數計算一平均無效功率值，基於該平均有效功率值、該平均無效功率值以及一功率因數之間的關係，該平均無效功率值會關聯於該組功率因數；一電流指令值產生器，用來從在該平均有效功率運算單元中計算出的該平均有效功率值、在該功率因數及無效功率控制單元中計算出的該平均無效功率值、以及在該對 稱成分計算單元中計算出的該三相AC電壓的對稱成分電壓值，來計算一電流指令值；及一固定電流控制單元，係基於該電流指令值及該三相轉換器的一輸入電流值，藉由使該三相AC電壓之一正相序電壓值受到固定電流控制，來計算一固定電流控制值；其中，基於在該固定電流控制單元中計算出的該固定電流控制值，產生用來補償該三相AC電壓之不平衡電壓的一補償信號，以及用來控制該功率因數的一控制信號，基於該補償信號及該控制信號，獲得彼此呈120°異相且用來控制不平衡電壓及該功率因數的Y相電壓，以及基於所獲得的Y相電壓，產生用來使該三相AC受到PWM轉換以輸出DC的一PWM控制信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之控制三相轉換器的控制器，更包含一質心向量運算單元，用來從該三相AC之線路電壓獲得彼此呈120°異相的Y相電壓，其中，該質心向量運算單元係對從線路電壓中選出的兩個線路電壓之所有組合進行一向量運算、根據該向量運算獲得從一電壓端質心指向各電壓端的質心向量電壓、並使向量電壓分別成為彼此呈120°異相的Y相電壓，及該對稱成分計算單元係從該轉換器的三相AC輸入之Y相電壓來計算該三相平衡系統的對稱成分電壓值，Y相電壓係在該質心向量運算單元中獲得。
  12. 如申請專利範圍第10項或第11項所述之控制三相 轉換器的控制器，其中，該平均有效功率運算單元係藉由將該DC輸出之該輸出電壓值與該輸出電流值的一積分值加上藉由使該輸出電壓值與一電壓指令值之間差異受到一比例-積分控制而獲得的一數值，來計算該平均有效功率值。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之控制三相轉換器的控制器，其中該功率因數及無效功率控制單元包含：一功率因數設定單元，用來設定該功率因數；及一平均無效功率運算單元，係使用在該功率因數設定單元中設定的該組功率因數來計算該平均無效功率；其中，該平均無效功率運算單元係藉由將在該平均有效功率運算單元中計算出的該平均有效功率值乘以[(1-(該組功率因數)2 )1/2 /(該組功率因數)]，來計算該平均無效功率值。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之控制三相轉換器的控制器，其中，該功率因數及無效功率控制單元設定該組功率因數為一負數值，並從該三相轉換器的該DC輸出端再生該平均有效功率值的功率給該三相轉換器的AC輸入端。
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