CN101277059A - 电力变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力变换装置，该电力变换装置包括：一端与交流电源(101)连接的电抗器(102)；一端与电抗器(102)的另一端连接的短路电路(103)；整流电路(104)，其交流输入侧的一端与电抗器(102)的另一端连接，交流输入侧的另一端与短路电路(103)的另一端连接；对交流电源(101)的过零进行检测的过零检测电路(107)；控制短路电路(103)的控制电路(110)；和逆变器电路(108)，其中，控制电路(110)根据逆变器电路(108)的输出对延迟时间(T1)和短路电路的动作时间(T2)进行控制，由此不检测交流电源的输入电流就能够进行功率因数的校正。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及使用逆变器(inverter)的电力变换装置。

背景技术

使用图5对日本专利特开2006-180700号公报中记载的现有的功率因数校正型电力变换装置进行说明。

现有的电力变换装置500包括：一端与单相的交流电源501的一个输出端连接的电抗器(reactor)502，和通过该电抗器502将交流电源501短路的短路电路503。而且，电力变换装置500还包括通过输入电流检测电路504连接在电抗器502未与交流电源501连接的一侧的另一端和交流电源501未与电抗器502连接的一侧的另一端之间的整流电路505。而且，电力变换装置500还包括：与整流电路505的直流输出的两端串联连接的平滑电容器506、和对交流电源501的过零(zero-cross)进行检测的过零检测电路507。而且，电力变换装置500还包括将从过零检测电路507输出的过零信号508作为基准时刻，输出使短路电路503动作的短路脉冲信号509的控制电路510。而且，电力变换装置500还包括检测平滑电容器506的两端的电压Vd并向控制电路510输出直流电压值511的直流电压检测电路512。输入电流检测电路504对从交流电源501输入的输入电流Is进行检测，并将输入电流值513输出到控制电路510。此外，在图5中，结合电机驱动部516进行表示，该电机驱动部516具备与电力变换装置500的直流输出连接的逆变器电路514和内置有电动机的压缩机515。

过零检测电路507输入交流电源501两端的交流电源电压517，在交流电源501的交流电压通过过零点，极性改变的时刻，输出作为下降信号或上升信号的过零信号508，并输向控制电路510。

控制电路510将输入的过零信号508的上升或下降作为基准时刻，设定作为从该基准时刻开始直至短路电路503开始短路动作为止的期间的延迟时间T1、和作为短路期间的动作时间T2，将短路脉冲信号509输向短路电路503。延迟时间T1和动作时间T2事先存储在控制电路510中，或在控制电路510中通过计算而求得。

短路电路503由电力半导体开关元件构成，根据短路脉冲信号509通过电抗器502将交流电源501短路。通过该短路动作和断开动作，校正交流电源501的功率因数。

该现有的电力变换装置500通过电抗器502在电源半周期进行一次或几次将交流电源501短路的动作，扩大电源电流的通电角，校正电源的功率因数，并且将交流电力变换为直流电力。

延迟时间T1和动作时间T2按照以下方式被控制：输入电流检测电路504检测输入电流Is，利用在某规定的区间内延迟时间T1和动作时间T2的和相等的关系，使得直流电压Vd为一定。此外，根据输入电流Is，分别使用函数对延迟时间T1和动作时间T2独立地进行控制。

然而，在现有的电力变换装置500中，在延迟时间T1和动作时间T2的决定中使用交流电源501的输入电流Is，有必要检测输入电流Is，受到交流电源501的变动的影响。

发明内容

本发明通过平滑电容器105的直流电压和逆变器电路的输出电流运算求出逆变器输出电力，并决定延迟时间T1和动作时间T2，由此不进行交流电源的输入电源的检测而进行电力变换装置的控制。因而不受交流电源501的变动的影响。

本发明的电力变换装置包括：一端连接交流电源的电抗器电路；与电抗器电路的另一端连接的交流电源短路电路；与交流电源短路电路并联连接的整流电路；与整流电路的输出端并联连接的平滑电容器电路；对交流电源的过零进行检测的过零检测电路；对平滑电容器电路的电压进行检测的电压检测电路；输入端与整流电路的输出端连接的逆变器电路；对交流电源短路电路和逆变器电路进行控制的控制电路；和对在与逆变器电路的输出端连接的逆变器负载中流动的电流进行检测的逆变器输出电流检测电路，其中，控制电路使用作为过零检测电路的输出的过零信号、电压检测电路的输出、和逆变器输出电流检测电路的输出，对从使用过零检测电路检测的交流电源的过零开始直至交流电源短路电路开始短路动作为止的延迟时间T1、和作为交流电源短路电路的短路动作期间的动作时间T2进行控制。

通过这样的结构，本发明不对交流电源的输入电流进行检测，就能够决定延迟时间T1和动作时间T2。

此外，本发明的电力变换装置，其控制电路根据由电压检测电路的直流电压输出、逆变器输出电流检测电路的逆变器输出电流输出、和控制电路输出的逆变器驱动输出而算出的逆变器输出电力的函数，对延迟时间T1加以控制。

通过这样的结构，本发明不对交流电源的输入电流进行检测就能够容易地决定延迟时间T1。

此外，本发明的电力变换装置，其控制电路使用与目标的偏差对动作时间T2加以控制。

通过这样的结构，本发明不对交流电源的输入电流进行检测就能够容易地决定动作时间T2。

此外，本发明的电力变换装置，其控制电路使用对功率因数(powerfactor)的最优点进行建模(modeling)而得到的功率因数模型(model)值，对动作时间T2加以控制，其中，功率因数由在逆变器电路和电源短路电路的动作前使用电压检测电路检测到的停止时直流电压输出、和逆变器电路的逆变器输出电力求得。

通过这样的结构，本发明不对交流电源的输入电流进行检测就能够容易地决定动作时间T2。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的电力变换装置的框图。

图2是用于说明该实施方式的动作的波形图。

图3是该实施方式的Wi的计算式和标量积的说明图。

图4是表示该实施方式的延迟时间T1、动作时间T2和Wi的关系的说明图。

图5是现有的电力变换装置的框图。

具体实施方式

下面使用附图说明本发明的实施方式。

图1是将本发明的实施方式1的电力变换装置利用于电机驱动的框图。

在图1中，本实施方式的电力变换装置100包括：一端连接单相的交流电源101的电抗器102、和通过电抗器102将交流电源101短路的短路电路103。而且，还包括连接在电抗器102未与交流电源101连接的一侧和交流电源101的另一端之间的整流电路104、和并联连接在整流电路104的直流输出的两端的平滑电容器105。而且，电力变换装置100还包括对交流电源101的过零进行检测并输出过零信号106的过零检测电路107、和与平滑电容器105并联连接的逆变器电路108。而且，电力变换装置100还包括将过零信号106作为基准时刻输出使短路电路103动作的短路脉冲信号109的控制电路110，和内置于控制电路110内的、进行逆变器电路108的控制的逆变器驱动电路111。而且，电力变换装置100还包括对从逆变器电路108输出的逆变器输出电流Io进行检测，并将逆变器输出电流值112输向逆变器驱动电路111的逆变器输出电流检测电路113。而且，电力变换装置100还包括检测平滑电容器105的两端的电压Vd并将直流输出电压值114输出至逆变器驱动电路111的直流电压检测电路115。电机116根据与逆变器输出电流值112对应的输出，通过逆变器驱动电路111被驱动。具有逆变器电路108的电力变换装置100与内置有电机116的压缩机等一起例如作为电机驱动电路119而被使用。

图2表示本实施方式的交流电源101的交流电压与过零信号106和短路脉冲信号109的延迟时间T1、动作时间T2的关系。

过零检测电路107输入交流电源101两端的交流电压Vs(交流电源电压值117)，在交流电压Vs通过过零点且极性改变的时刻，输出上升信号或上升信号(在图2中为上升信号)，作为过零信号106向控制电路110输入。

控制电路110将输入的过零信号106的上升或下降(在图2中为下降)作为基准，计算出作为从此开始直至短路电路103进行动作为止的期间的延迟时间T1、和作为短路期间的动作时间T2，作为短路脉冲信号109向短路电路103输出。

短路电路103由二极管桥和IGBT等半导体开关元件构成，根据短路脉冲信号109通过电抗器102将交流电源101短路，由此校正交流电源101的功率因数。

使用图3，对本实施方式的逆变器电路108的逆变器输出电力Wi的计算方法进行说明。逆变器输出电力Wi是逆变器电路108的逆变器输出电压Vo、逆变器输出电流Io、和相位差φ的函数。

逆变器输出电压Vo为了通过逆变器驱动电路111进行电机116的控制，通过用直流电压检测电路115检测出的电压Vd和来自逆变器驱动电路111的逆变器驱动信号118，表示为(公式1)所示的dq轴上的矢量。

(公式1)

$\stackrel{\→}{V}o=(\mathrm{Vod},\mathrm{Voq})$

其中，dq轴在电机控制中是既知的，所以省略说明。

逆变器输出电流Io被以逆变器输入电流检测电路113的逆变器输入电流值112输入至逆变器驱动电路111，同样地表示为(公式2)所示的dq轴上的矢量。

(公式2)

$\stackrel{\→}{I}o=(\mathrm{Iod},\mathrm{Ioq})$

此外，相位差φ在dq轴上以逆变器输出电压Vo与逆变器输出电流Io的角度差表示，为图3所示的矢量图。

此时逆变器输出电力Wi由(公式3)定义。

(公式3)

$\mathrm{Wi}=\left|\stackrel{\→}{V}o\right|\×\left|\stackrel{\→}{I}o\right|\×\cos \mathrm{\φ}$

因为(公式3)的右边也为矢量的标量积(scalar product)的计算式，所以(公式3)能够如(公式4)那样表示。

(公式4)

$\mathrm{Wi}=\left|\stackrel{\→}{V}o\right|\×\left|\stackrel{\→}{I}o\right|\×\cos \mathrm{\φ}=\stackrel{\→}{V}o\·\stackrel{\→}{I}o$

此处，电压Vd和逆变器输出电流Io分别为(公式5)和(公式6)，所以若用它们将(公式4)置换，则逆变器输出电力Wi作为(公式7)加以计算。

(公式5)

$\stackrel{\→}{V}o=(\mathrm{Vod},\mathrm{Voq})$

(公式6)

$\stackrel{\→}{I}o=(\mathrm{Iod},\mathrm{Ioq})$

(公式7)

Wi＝Vod×Iod+Voq×Ioq

接着，使用图4，说明本实施方式的延迟时间T1和动作时间T2的决定方法。

图4是通过模拟求出逆变器输出电力Wi与延迟时间T1、动作时间T2的功率因数最佳点的关系的图。图4的实线41和实线42表示逆变器输出电力Wi与延迟时间T1、动作时间T2的功率因数最佳点的一般关系。而虚线43和虚线44分别表示Vd较小时的、相对逆变器输出电力Wi的、延迟时间T1的功率因数最佳点和动作时间T2的功率因数最佳点。

从该模拟结果可知，延迟时间T1相对逆变器输出电力Wi持续减少，动作时间T2相对逆变器输出电力Wi持续增加。即，通过使延迟时间T1、动作时间T2相对逆变器输出电力Wi的变化而变化，能够进行在功率因数最佳点的运转。

通常，由于随着逆变器输出电力Wi的增加电压Vd减少，所以若进行控制使得电压Vd保持一定，则延迟时间T1、动作时间T2分别为图4的点划线45和点划线46所示。即，包括延迟时间T1的电压Vd的补正的功率因数最佳点T1a如点划线45所示那样进行变化，包括动作时间T2的电压Vd的补正的功率因数最佳点T2a如点划线46所示那样进行变化。

由于相对逆变器输出电力Wi的变化的延迟时间T1的变化比动作时间T2的变化小，所以为了进行更稳定的控制，根据图3说明过的逆变器输出电力Wi的函数，用控制电路110控制延迟时间T1。另一方面，关于动作时间T2，将通过模拟或实测所决定的图4的虚线44所示的动作时间T2a预先存储在控制电路110中，然后选择与逆变器输出电力Wi的值相应的动作时间T2a。

这样，根据本实施方式，控制电路110根据由直流电压检测电路115的直流输出电压值114、逆变器输出电流检测电路113的逆变器输出电流值112、和控制电路110输出的逆变器驱动信号118的值计算出的逆变器输出电力Wi的函数，控制延迟时间T1，进行功率因数最佳点的控制。

进一步，控制电路110使用对功率因数的最优点进行建模(modeling)而得到的功率因数模型值，控制动作时间T2，其中，功率因数的最优点从在逆变器电路108和短路电路103的动作前用直流电压检测电路115检测到的停止时直流电压输出、和逆变器电路108的逆变器输出电力Wi求得。

(实施方式2)

实施方式2的电力变换装置，其结构和延迟时间T1的决定方法与实施方式1相同，但动作时间T2的决定方法不同。

若进行将电压Vd保持为一定的运行则具有延迟时间T1相对逆变器输出电力Wi持续减少，动作时间T2相对逆变器输出电力Wi持续增加的特性。即，使延迟时间T1、动作时间T2相对逆变器输出电力Wi的变化而变化，由此能够进行在功率因数最佳点的运行。

如果使用图3说明过的逆变器输出电力Wi的函数来决定延迟时间T1，则动作时间T2能够以通过进行已知的PI控制(Proportional IntegralControl)而成为功率因数最佳点的方式进行控制。即，控制电路110控制动作时间T2，使得与选择的延迟时间T1对应的目标逆变器输出电力，与由直流输出电压值114、逆变器输出电流值112、和逆变器驱动信号118的值算出的当前的逆变器输出电力的偏差为零。

动作时间T2的控制能够列举比例控制、积分控制等。比例控制随上述偏差的大小的变小而减小动作时间T2的控制量。积分控制，若偏差的大小减小至某程度后则对偏差进行时间积分，根据通过积分而积蓄的偏差量的大小，使动作时间T2的控制量增加。但是，通过组合该比例控制和积分控制，能够快速地进行令逆变器输出电力成为目标值的控制。

另外，本发明也可以不是各个实施方式所示的结构，如果为下述结构，即，控制电路110使用作为过零检测电路107的输出的过零信号106、直流电压检测电路115的直流输出电压值114、和逆变器输出电流检测电路113的逆变器输出电流值112，控制延迟时间T1和动作时间T2，则因为不使用交流电源101的输入电流，所以能够进行不受交流电源101的变动影响的功率因数的校正。

其中，在本发明中，能够在逆变器输出电流检测电路113的逆变器输出电流Io的检测中使用电流互感器(current transformer)、分流(shunt)电阻等。

此外，在本发明中，即使逆变器负载为多个，如果对各输出电流进行检知，通过对其进行合计也能够进行功率因数校正控制。

此外，在逆变器电路108以外的负载电路的消耗电力与逆变器电路108的负载相比较小的情况下，因为即使忽略该负载电路进行控制，功率因数的降低也较小，所以能够适用本发明。

如上所述，本发明不检测交流电源的输入电流就能够决定延迟时间T1和动作时间T2，所以能够不受交流电源影响地进行功率因数的校正。

Claims (4)

1.一种电力变换装置，其特征在于，包括：

一端与交流电源连接的电抗器电路；

与所述电抗器电路的另一端连接的交流电源短路电路；

与所述交流电源短路电路并联连接的整流电路；

与所述整流电路的输出端并联连接的平滑电容器电路；

对所述交流电源的过零进行检测的过零检测电路；

对所述平滑电容器电路的电压进行检测的电压检测电路；

输入端与所述整流电路的输出端连接的逆变器电路；

对所述交流电源短路电路和所述逆变器电路进行控制的控制电路；和

对在与所述逆变器电路的输出端连接的逆变器负载中流动的电流进行检测的逆变器输出电流检测电路，其中，

所述控制电路使用作为所述过零检测电路的输出的过零信号、所述电压检测电路的输出、和所述逆变器输出电流检测电路的输出，对从利用所述过零检测电路检测出的所述交流电源的过零开始直至所述交流电源短路电路开始短路动作为止的延迟时间T1、和作为所述交流电源短路电路的短路动作期间的动作时间T2进行控制。

2.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：

所述控制电路根据由所述电压检测电路的直流电压输出、所述逆变器输出电流检测电路的逆变器输出电流输出、和所述控制电路输出的逆变器驱动输出而算出的逆变器输出电力的函数，对所述延迟时间T1进行控制。

3.如权利要求1和2中任一项所述的电力变换装置，其特征在于：

所述控制电路使用与目标的偏差对所述动作时间T2进行控制。

4.如权利要求1和2中任一项所述的电力变换装置，其特征在于：

所述控制电路使用对由在所述逆变器电路和所述电源短路电路的动作前利用所述电压检测电路检测出的停止时直流电压输出、和所述逆变器电路的逆变器输出电力求得的功率因数的最优点进行建模而得到的功率因数模型值，对所述动作时间T2进行控制。

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