TWI740413B - 電力轉換裝置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於提供一種即便電壓指令超過載波之振幅，亦能抑制電動機中流動之電流增加之電力轉換裝置。 為達成上述目的，本發明之電力轉換裝置係藉由利用切換電路之動作將直流電壓轉換為基於電壓指令之電壓而進行電動機之驅動控制者，且設為如下構成：具備根據電壓指令產生第一調變波之調變波產生器、及根據第一調變波與載波而產生控制切換電路之動作之控制信號的控制信號產生器；調變波產生器產生基於電壓指令範數之矩形波作為第一調變波。

Description

電力轉換裝置及其控制方法
本發明係關於一種電力轉換裝置。
作為本技術領域之背景技術，有日本專利特開平10-248262號公報(專利文獻1)。
專利文獻1中記載：以藉由簡單之控制電路來增大電力轉換裝置之輸出電壓之基諧波分量為目的，設置比較三相之電壓指令之大小之比較器、及利用上述比較器求出除最大值與最小值以外之中間值並將計算上述中間值的二分之一倍所得之值加至各相電壓指令上之加法器，將上述加法器之輸出新設為電壓指令值。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平10-248262號公報
[發明所欲解決之問題]
專利文獻1之技術中，減小電壓指令之峰值，並將其波峰提昇至相電壓之基諧波分量，藉此增大電力轉換裝置之輸出電壓之基諧波分量。然而，存在以下問題點：若上述加法器之輸出超過載波之振幅，則輸出電壓之基諧波分量便會低於電壓指令之基諧波分量，而使電動機中流動之電流增加。
因此，本發明之目的在於提供一種電力轉換裝置及其控制方法，即便電壓指令超過載波之振幅，亦能抑制電動機中流動之電流之增加。 [解決問題之技術手段]
舉例而言，本發明係一種藉由利用切換電路之動作將直流電壓轉換為基於電壓指令之電壓而進行電動機之驅動控制的電力轉換裝置，且設為如下構成：具備根據電壓指令產生第一調變波之調變波產生器、及根據第一調變波與載波而產生控制切換電路之動作之控制信號的控制信號產生器；調變波產生器產生基於電壓指令範數(norm)之矩形波作為第一調變波。 [發明之效果]
根據本發明，可提供一種電力轉換裝置及其控制方法，即便電壓指令超過載波之振幅，亦能抑制電動機中流動之電流之增加。
以下，用圖對本發明之實施例進行說明。再者，作為以下說明之前提，將成為三相交流之基準之相設為U相，且將與U相之相位差為±2π/3rad之相分別設為V相、W相，於三相交流之總和為零之情形時，三相交流之歐幾里德範數(以下為範數)可計算各相之絕對值的平方並利用其等之總和之平方根而求出。
於三相交流之總和不為零之情形時，只要自各相中去除零相量後求出上述範數即可。零相量可藉由將三相交流之總和除以3而求出。以下，三相交流係指零相去除後。再者，由於藉由對三相交流之範數(三相交流之相間電壓)乘上√2/√3而與三相交流之相電壓之振幅一致，故於本實施例中，將計算各相之絕對值的平方並對其等之總和之平方根乘上√2/√3所得者設為範數，將三相交流之範數與三相交流之相電壓之振幅作為相同物理量來處理。 [實施例1]
圖1係表示本實施例1中之電動機驅動系統之構成之方塊圖。
本實施例之電動機驅動系統具有直流電源1000、電力轉換裝置1010、及三相交流電動機1080，自直流電源1000供給之直流電力由電力轉換裝置1010交流化，而對三相交流電動機1080進行驅動控制。
圖1中，電力轉換裝置1010具有調變波產生器1030、控制信號產生器1050、切換電路1070。
調變波產生器1030產生基於電壓指令1020之範數(以下為電壓指令範數)之第一調變波1040。
控制信號產生器1050藉由比較第一調變波1040與載波3110，而產生控制切換電路1070之接通與斷開之控制信號1060。本實施例之載波3110雖使用第一調變波1040之基諧波週期以內之週期之三角波，但亦可使用鋸齒波。再者，該控制信號1060係經所謂PWM調變之信號，該PWM調變方法為業者間熟知之方法，因此省略控制信號產生器1050之詳情。
切換電路1070根據控制信號1060切換接通與斷開，將自直流電源1000輸出之直流電壓轉換為基於電壓指令1020之交流電壓。再者，本實施例中雖使用直流電源1000，但亦可代替直流電源1000而使用單相或多相交流電源。於此情形時，對電力轉換裝置1010追加整流電路與平滑電路，將自交流電源輸出之交流電壓利用整流電路整流且利用平滑電路平滑，藉此可獲得直流電壓。
三相交流電動機1080於本實施例中雖使用三相交流感應電動機，但亦可代替三相交流感應電動機而使用三相交流永久磁鐵同步電動機、三相交流同步磁阻電動機。
進行三相交流電動機1080之驅動控制之電壓指令1020可例如以V/f恆定控制(僅感應電動機之情形)獲得，或藉由將檢測三相交流電動機1080中流動之電流的電流檢測器追加至電力轉換裝置1010而以無感測器向量控制獲得，或藉由進而將電流檢測器與檢測三相交流電動機1080之轉子位置之位置檢測器追加至電力轉換裝置1010而以向量控制獲得。上述電流檢測器雖要檢測三相交流電流，但除直接檢測三相之方法以外，亦可使用如下方法：根據三相交流之總和為零，檢測兩相，並根據此兩相求出其餘一相。又，亦可於切換電路1070之正極側或負極側設置分路電阻，自分路電阻中流動之電流獲得三相交流電流。又，位置檢測器亦可檢測三相交流電動機1080之轉子速度，並利用速度與位置為微積分之關係而獲得轉子位置。
以下，對本實施例之效果進行說明。為了簡化說明，如圖2所示，當對直流電源1000導入假想中性點2090時，直流電源2000與直流電源2001會輸出直流電源1000之一半電壓，相電壓之基諧波分量之振幅會成為直流電源1000之輸出電壓之一半。
首先，說明不使用本實施例之技術之情形，即代替第一調變波1040將電壓指令1020輸入至控制信號產生器1050(以下稱為先前技術)之情形。
在控制信號產生器1050中，比較電壓指令1020與載波而輸出控制信號1060，但如圖3所示，當電壓指令1020之振幅變大時，電壓指令1020本應為虛線，但受載波3110之振幅限制，而變成電壓指令1020之相當於實線之控制信號1060被輸出。
於調變波為正弦(餘弦)波之情形時，若電壓指令範數與自直流電源1000輸出之電壓之一半之百分率(以下為電壓利用率)超過100%，因如上所述受載波3110之振幅限制，故輸出電壓範數(三相交流之相間電壓)變得低於電壓指令範數。於使用專利文獻1記載之技術之情形時，雖因輸出電壓範數(三相交流之相間電壓)增加至先前技術之情形之2/√3倍，故電壓利用率成為200/√3%，但若超過200/√3%，則亦如同上述，輸出電壓範數變得低於電壓指令範數。因此，三相交流電動機1080中流動之電流變大。
其次，對使用本實施例之技術之情形進行說明。在調變波產生器1030中，根據電壓指令求出電壓指令範數與電壓指令之相位(以下為電壓相位)，產生基於電壓指令範數之振幅、基於電壓相位的相位之矩形波，作為第一調變波1040予以輸出。
圖4係表示本實施例中之電壓指令與第一調變波之關係之圖。如圖4所示，較理想為電壓指令1020與第一調變波1040之相位相同，但只要將施加給三相交流電動機1080之電壓(脈衝狀)以其電壓脈衝之週期(與載波3110之週期相同)解調並觀測到的電壓為矩形波，則無此限制。電壓相位可藉由例如將三相交流座標轉換(克拉克轉換)為兩相交流並取反正切而求出。因三相交流為±2π/3rad之相位差，故只要產生某一相之矩形波，且產生其餘兩相為±2π/3rad之相位差之矩形波即可。於預先已知電壓指令範數與電壓相位之情形時，亦可代替電壓指令1020將電壓指令範數與電壓相位直接輸入至調變波產生器1030。
於由調變波產生器1030產生之矩形波之振幅、即第一調變波1040之振幅為電壓指令範數之3/4之情形時，只要電壓利用率為400/3%以內，則電壓指令範數與輸出電壓範數一致，因此與先前技術相比，電壓指令範數與輸出電壓範數一致之電壓利用率為4/3倍(＝(400/3%)/(100%))。
即便與專利文獻1之技術相比，電壓指令範數與輸出電壓範數一致之電壓利用率亦為2/√3倍(＝(400/3%)/(200/√3%))。
又，即便於電壓利用率達到400/3%以上之情形時，相較於先前技術或專利文獻1之技術，亦能抑制輸出電壓範數降低。
如上，藉由使用本實施例之技術，即便電壓指令1020超過載波3110之振幅，亦能抑制三相交流電動機1080中流動之電流增加。 [實施例2]
圖5係表示本實施例中之電力轉換裝置之構成之方塊圖。於圖5中，針對與圖1共通之部分標附相同符號，並省略其說明。
於圖5中，進行三相交流電動機1080之驅動控制之電力轉換裝置5010具有直流電壓檢測器5120、電壓利用率運算器5140、調變波產生器1030、零相電壓注入器5160、控制信號產生器5050、切換電路1070。
直流電壓檢測器5120檢測要輸入至切換電路1070之直流電壓。
電壓利用率運算器5140根據電壓指令1020與檢出直流電壓5130，運算出算出電壓利用率5150。於預先已知電壓指令範數之情形時，亦可代替電壓指令1020而將電壓指令範數直接輸入至電壓利用率運算器5140。
零相電壓注入器5160對電壓指令1020注入零相電壓，作為第二調變波5041予以輸出。所要注入之零相電壓例如有專利文獻1所記載之「比較三相之電壓指令之大小之比較器、與由比較器求出除最大值與最小值以外之中間值且計算中間值的二分之一倍所得之值」、或者電壓指令1020之三次諧波或電壓指令1020之最大相電壓指令值與檢出直流電壓5130之一半的差、或者電壓指令1020之最大相電壓指令值與檢出直流電壓5130之一半乘上-1所得值的差等，但亦可將零即電壓指令1020直接作為第二調變波5041輸出。
控制信號產生器5050基於算出電壓利用率5150，控制第一調變波1040與第二調變波5041之切換，藉由比較切換後之調變波與載波，產生控制切換電路1070之接通與斷開之控制信號1060。一般而言，載波使用經切換後之調變波之基諧波週期以內之週期之三角波。亦可代替三角波，而使用鋸齒波。
以下，對基於算出電壓利用率5150的第一調變波1040與第二調變波5041之切換之控制進行說明。
如上所述，若算出電壓利用率5150在先前技術中為100%以內，在專利文獻1之技術中為200/√3%以內，則電壓指令範數與輸出電壓範數一致。因此，若算出電壓利用率5150為100%至200/√3%以內，則選擇第二調變波5041，於超過100%至200/√3%之情形時選擇第一調變波1040，藉由比較所選擇之調變波與載波，於電壓指令範數與輸出電壓範數一致並且於算出電壓利用率5150較低之情形時，可將相當於正弦(餘弦)波之電壓施加給三相交流電動機1080。
又，於切換第一調變波1040與第二調變波5041時，可以防止調變波之不連續為目的，於算出電壓利用率5150超過100%至200/√3%之情形時，根據算出電壓利用率5150，在第一調變波1040與第二調變波5041之間進行轉變。又，如上所述，藉由使用本實施例之技術，若算出電壓利用率5150為400/3%以內，則電壓指令範數與輸出電壓範數一致，因此可於算出電壓利用率5150為400/3%時完成向第一調變波之轉變。
再者，本發明並不限定於上述之實施例，包含多種變化例。例如上述之實施例係為了將本發明容易理解地說明而進行了詳細說明，但未必限定於具備所說明之全部構成者。又，可將某一實施例之構成之一部分替換成另一實施例之構成，又，亦可對某一實施例之構成添加另一實施例之構成。又，可對各實施例之構成之一部分進行另一構成之追加、刪除、替換。
又，上述之各構成、功能可由處理器解釋並執行實現各自功能之程式之軟體實現，亦可藉由利用例如積體電路進行設計等由硬體實現。
1000:直流電源 1010:電力轉換裝置 1020:電壓指令 1030:調變波產生器 1040:第一調變波 1050:控制信號產生器 1060:控制信號 1070:切換電路 1080:三相交流電動機 2000:直流電源 2001:直流電源 2090:假想中性點 3110:載波 5010:電力轉換裝置 5041:第二調變波 5050:控制信號產生器 5120:直流電壓檢測器 5130:檢出直流電壓 5140:電壓利用率運算器 5150:算出電壓利用率 5160:零相電壓注入器
圖1係表示實施例1中之電動機驅動系統之構成之方塊圖。 圖2係表示實施例1中之直流電源之構成之概略圖。 圖3係表示先前之電壓指令與載波之關係之圖。 圖4係表示實施例1中之電壓指令與第一調變波之關係之圖。 圖5係表示實施例2中之電力轉換裝置之構成之方塊圖。
1000:直流電源
1010:電力轉換裝置
1020:電壓指令
1030:調變波產生器
1040:第一調變波
1050:控制信號產生器
1060:控制信號
1070:切換電路
1080:三相交流電動機
3110:載波

Claims (14)

  1. 一種電力轉換裝置，其特徵在於：其係藉由利用切換電路之動作將直流電壓轉換為基於電壓指令之電壓而進行電動機之驅動控制者，且具備： 調變波產生器，其根據上述電壓指令產生第一調變波；及 控制信號產生器，其根據上述第一調變波與載波而產生控制上述切換電路之動作之控制信號；且 上述調變波產生器產生基於電壓指令範數之矩形波作為上述第一調變波。
  2. 如請求項1之電力轉換裝置，其中 由上述調變波產生器產生之矩形波之振幅為電壓指令範數之3/4。
  3. 如請求項1之電力轉換裝置，其進而具備： 直流電壓檢測器，其檢測上述直流電壓； 電壓利用率運算器，其根據電壓指令範數與上述直流電壓算出電壓利用率；及 零相電壓注入器，其對上述電壓指令注入零相電壓而產生第二調變波； 上述控制信號產生器基於由上述電壓利用率運算器算出之上述電壓利用率而控制上述第一調變波與上述第二調變波之切換。
  4. 如請求項3之電力轉換裝置，其中 上述控制信號產生器於上述電壓利用率為100%至200/√3%以內之情形時選擇上述第二調變波，於上述電壓利用率超過100%至200/√3%之情形時選擇上述第一調變波。
  5. 如請求項3之電力轉換裝置，其中 上述控制信號產生器於上述電壓利用率為100%至200/√3%以內之情形時選擇上述第二調變波，於上述電壓利用率超過100%至200/√3%之情形時自上述第二調變波轉變為上述第一調變波。
  6. 如請求項5之電力轉換裝置，其中 上述控制信號產生器自上述第二調變波轉變為上述第一調變波係根據上述電壓利用率而進行。
  7. 如請求項6之電力轉換裝置，其中 上述控制信號產生器自上述第二調變波轉變為上述第一調變波係於上述電壓利用率為400/3%時向上述第一調變波轉變完成。
  8. 一種電力轉換裝置之控制方法，其特徵在於：其係藉由利用切換電路之動作將直流電壓轉換為基於電壓指令之電壓而進行電動機之驅動控制者，且 根據上述電壓指令產生基於該電壓指令之矩形波作為第一調變波， 根據該第一調變波與載波而產生控制上述切換電路之動作之控制信號。
  9. 如請求項8之電力轉換裝置之控制方法，其中 上述矩形波之振幅為電壓指令範數之3/4。
  10. 如請求項8之電力轉換裝置之控制方法，其 檢測上述直流電壓， 根據上述電壓指令與上述直流電壓算出電壓利用率， 對上述電壓指令注入零相電壓而產生第二調變波， 基於上述電壓利用率進行上述第一調變波與上述第二調變波之選擇， 根據所選擇之上述第一調變波或上述第二調變波之任一調變波與載波而產生控制上述切換電路之動作之控制信號。
  11. 如請求項10之電力轉換裝置之控制方法，其 於上述電壓利用率為100%至200/√3%以內之情形時選擇上述第二調變波，於上述電壓利用率超過100%至200/√3%之情形時選擇上述第一調變波。
  12. 如請求項10之電力轉換裝置之控制方法，其 於上述電壓利用率為100%至200/√3%以內之情形時選擇上述第二調變波，於上述電壓利用率超過100%至200/√3%之情形時自上述第二調變波轉變為上述第一調變波。
  13. 如請求項12之電力轉換裝置之控制方法，其中 自上述第二調變波轉變為上述第一調變波係根據上述電壓利用率而進行。
  14. 如請求項13之電力轉換裝置之控制方法，其中 自上述第二調變波轉變為上述第一調變波係於上述電壓利用率為400/3%時向上述第一調變波轉變完成。
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