專利名稱：直流至三相交流的逆變器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流至三相交流的逆變器系統(tǒng)(此后稱為DC至三相AC的逆變器系統(tǒng))，其中直流電源(此后稱為DC電源)在中性點連接到三相電機。
背景技術(shù)：
在用于三相電機的逆變器電路中當(dāng)直流電壓(此后稱為DC電壓)降低時，逆變器電路需要大電流來獲得與在DC電壓降低之前輸出的電壓相同的輸出電壓。為了滿足這一要求，具有大額定電流的開關(guān)元件或升壓器電路可以設(shè)置在逆變器電路中。如果采用這樣的措施，增大了開關(guān)元件的尺寸，并且要求升壓器電路被增加到逆變器電路中，所以逆變器電路的尺寸變大由此增加了逆變器電路的成本。為了解決這一問題，例如在日本專利申請公布No. 10-337047中公開了一種DC至三相AC逆變器，其中，對連接到三相電機的中性點的DC電源的電壓進行增壓以便對電容器進行充電，并且將電容器的DC電轉(zhuǎn)換成三相AC電以便提供給三相電機。在上述公布中公開的DC至三相AC逆變器系統(tǒng)中，可以通過在逆變器操作的零電壓矢量區(qū)域中執(zhí)行升壓操作來完成逆變器操作和升壓操作。由此，該逆變器電路不再需要針對大電流應(yīng)用的大尺寸的開關(guān)元件。在DC至三相AC逆變器系統(tǒng)中，三相電機的零相位電感可以用作升壓操作的反應(yīng)器，以便在DC至三相AC逆變器系統(tǒng)中除了逆變器電路以外不需要增加升壓器電路。為了減少DC至三相AC逆變器系統(tǒng)中的開關(guān)損耗，需要減少開關(guān)元件針對每相的開關(guān)頻率。在DC至三相AC逆變器系統(tǒng)中，當(dāng)開關(guān)元件針對每相的開關(guān)頻率降低時，增大了電流紋波，所述電流紋波是通過組合各相的開關(guān)紋波而形成的零相位電流紋波或在三相電機的中性點流動的電流的紋波，所以擔(dān)心惡化升壓操作的可控性。因此，本發(fā)明涉及提供一種 DC至三相AC逆變器系統(tǒng)，其中DC電源在三相電機中性點連接到三相電機并且該DC至三相 AC逆變器系統(tǒng)可以減少開關(guān)損耗和零相位電流紋波。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，一種DC至三相AC逆變器系統(tǒng)包括三相電機、用于三相電機的逆變器電路、多個開關(guān)元件、電容器、直流電源和控制電路。三相電機具有三個相。開關(guān)元件布置在逆變器電路中。開關(guān)元件分別用作三相電機的相應(yīng)三個相的上臂和下臂。電容器與相應(yīng)成對上臂和下臂并聯(lián)連接。直流電源布置在三相電機的中性點和相應(yīng)下臂或相應(yīng)上臂之間。 控制電路控制開關(guān)元件的開關(guān)操作，使得至少開關(guān)元件針對具有最大值的電流流過的一相的開關(guān)頻率低于其它相的其它成對開關(guān)元件的開關(guān)頻率。通過以下結(jié)合附圖借助于實施例來說明本發(fā)明的原理的描述，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)勢將變得明顯。


通過參考以下描述的當(dāng)前的優(yōu)選實施例以及附圖，本發(fā)明及其目的和優(yōu)勢可以得到最佳理解，在附圖中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的DC至三相AC逆變器系統(tǒng)的電路圖；圖2是示出圖1的DC至三相AC逆變器系統(tǒng)中的電流Iu、Iv、Iw的時序圖；以及圖3是示出圖1的DC至三相AC逆變器系統(tǒng)中三角波Tl的頻率η和組合波Y的幅度之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實施例方式以下將參考圖1至3描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的DC至三相AC逆變器系統(tǒng)。 DC至三相AC逆變器系統(tǒng)總體由附圖標(biāo)記1來表示，包括電容器2、逆變器電路3、三相電機 4 (如用于壓縮機的一種)、DC電源5、轉(zhuǎn)動角度傳感器6 (如分解器或編碼器)、電流傳感器 7、控制電路8(諸如中央處理單元(CPU))以及驅(qū)動電路9。DC至三相AC逆變器系統(tǒng)1可以省去轉(zhuǎn)動角度傳感器6，而可以被配置成通過計算來確定轉(zhuǎn)動角度，即“無傳感器控制”。用于三相電機4 (具有U相、V相和W相的三個相)的逆變器電路3包括六個開關(guān)元件10至15 (如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或與二極管并聯(lián)的雙極晶體管)。開關(guān)元件10、11彼此串聯(lián)，并且分別用作三相電機4的U相的上臂和下臂。開關(guān)元件12、13彼此串聯(lián)，并且分別用作三相電機4的V相的上臂和下臂。開關(guān)元件14、15彼此串聯(lián)，并且分別用作三相電機4的W相的上臂和下臂。開關(guān)元件對10、11、開關(guān)元件對12、 13、開關(guān)元件對14、15相互并聯(lián)并且連接到電容器2。換句話說，電容器2與開關(guān)元件對10、 11、開關(guān)元件對12、13、開關(guān)元件對14、15中的各個對并聯(lián)。用作各個相的下臂的開關(guān)元件 11、13、15的低電壓端連接到DC電源5的負極端，而DC電源5的正極端連接到三相電機4 的中性點。當(dāng)根據(jù)來自驅(qū)動電路9的驅(qū)動信號Sl至S6而導(dǎo)通和關(guān)斷相應(yīng)的開關(guān)元件10至 15時，來自電容器2的DC電被轉(zhuǎn)換成三相AC電，其中三個相彼此相差120°，然后該三相 AC電被供給并驅(qū)動三相電機4。當(dāng)在三相電機4的中性點流動的電流與DC電源5的DC電的放電方向相同并且用作一相的下臂的開關(guān)元件11、13、15中的任意一個接通時，來自DC 電源5的能量存儲在與處于接通狀態(tài)的下臂的開關(guān)元件相連的三相電機4的反應(yīng)器中。然后，當(dāng)處于接通狀態(tài)的下臂的開關(guān)元件關(guān)斷時，存儲在反應(yīng)器中的能量通過與處于關(guān)斷狀態(tài)的下臂的開關(guān)元件配對的上臂的開關(guān)元件供給到電容器2，并存儲在電容器2中。因此， 除了來自DC電源5的DC電分量以外，還通過從逆變器電路3供給的三相AC電來驅(qū)動三相電機4，以便在三相電機4的中性點處的電勢低于DC電源5的電勢。因此，電流在三相電機 4的中性點處以與DC電源5的放電方向相同的方向流動，并且利用來自DC電源5的能量對電容器2充電。另外，除了來自DC電源5的DC電分量以外，還通過從逆變器電路3供給的三相AC電來驅(qū)動三相電機4，以便在三相電機4的中性點處的電勢高于DC電源5的電勢。 在這種情況下，在三相電機4的中性點處，電流以與DC電源5的充電方向相同的方向流動， 并且DC電源5利用來自電容器2的能量充電。本發(fā)明優(yōu)選實施例的DC至三相AC逆變器系統(tǒng)1可以將來自電容器2的DC電轉(zhuǎn)換成三相AC電，并且將三相AC電供給到三相電機4同時提高DC電源5的電壓以便對電容器2進行充電。由此，在DC至三相AC逆變器系統(tǒng)1中除了逆變器電路3之外無需提供升壓電路或降壓電路，由此可以使DC至三相AC逆變器1尺寸減小。隨后詳細描述控制電路8?？刂齐娐?包括轉(zhuǎn)動速度計算器16、3_2軸轉(zhuǎn)換器17、 電壓命令發(fā)生器18、轉(zhuǎn)換器19以及驅(qū)動信號發(fā)生器20、21。控制電路8生成驅(qū)動信號Su、 Sv, Sw的周期基本上等于或長于生成驅(qū)動信號Su、Sv, Sw的三角波的半周期。旋轉(zhuǎn)角度傳感器6檢測三相電機4的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度θ。電流傳感器7檢測流過三相電機4的U相、 V相和W相的電流Iu、Iv和Iw以及流過三相電機4的中性點的電流Idc。電流傳感器7可以被配置成檢測四個電流Iu、Iv、Iw, Idc中的三個，而可以通過計算來確定第四個電流。轉(zhuǎn)動速度計算器16基于三相電機4的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度θ和驅(qū)動三相電機4的時間來計算三相電機4的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度ω。3-2軸轉(zhuǎn)換器17將電流Iu、Iv、Iw轉(zhuǎn)換成兩個電流分量，包括在與三相電機4的磁場方向相同的方向流動的電流Id以及在與三相電機 4的磁場方向正交的方向流動的電流Iq。電壓命令發(fā)生器18包括電流控制器22和2-3軸轉(zhuǎn)換器23。電流控制器22基于轉(zhuǎn)動速度ω、電流IcUIq和來自外部電路(如在DC至三相AC逆變器系統(tǒng)1的上側(cè)的控制電路)的扭矩命令T生成電壓命令Vd、Vq。具體來說，使用存儲了表示電流命令和扭矩命令T之間關(guān)系的數(shù)據(jù)的表， 電流控制器22根據(jù)扭矩命令T來確定電流命令I(lǐng)d*、Iq*0電流控制器22確定電流命令 IcT和電流Id之間的差Δ Id以及電流命令I(lǐng)q*和電流Iq之間的差A(yù)id。然后，電流控制器22通過比例積分(PI)控制來確定使得差Δ Id、Δ Iq中的每個值都為零的電壓命令Vd、Vq。例如，電壓命令Vd、Vq根據(jù)以下公式1、2來確定。公式1:Vd = KpX Δ Id+ / (KiX Δ Id)-ω LqIq公式2 Vq = Kp X Δ Iq+ f (Ki X Δ Iq) - ω LdId+ ω Ke在上述的公式1和2中，Kp表示比例常數(shù)，Ki表示積分常數(shù)，Ld表示d軸電感，Lq 表示q軸電感，Id表示d軸電流，Iq表示q軸電流，Ke表示常數(shù)的感應(yīng)電壓。2_3軸轉(zhuǎn)換器23將電壓命令Vd、Vq轉(zhuǎn)換成分別用于U相、V相、W相的電壓命令Vu、Vv, Vw。轉(zhuǎn)換器19基于升壓命令V *和電壓命令Vu、Vv, Vw來確定電壓命令Vu *、Vv *、Vw 升壓命令V*是用于使從外部電路輸入的電容器2的期望電壓與電容器2的測量電壓之
間的差為零的電壓命令。轉(zhuǎn)換器19選擇電流Iu、Iv、Iw中具有最大負值的一個，并向驅(qū)動信號發(fā)生器20輸出用于所選電流這一相的電壓命令Vu *、Vv *、Vw *中的一個，而向驅(qū)動信號發(fā)生器21輸出用于其它相的電壓命令。例如，參見圖2，在電流Iu具有最大負值的三相電機4的角位置θ的區(qū)域El中，電壓命令Vu *輸出到驅(qū)動信號發(fā)生器20，而電壓命令Vv *、Vw*輸出到驅(qū)動信號發(fā)生器21。在電流Iv具有最大負值的所示區(qū)域E2中，電壓命令Vv *輸出到驅(qū)動信號發(fā)生器20，而電壓命令Vu*、Vw*輸出到驅(qū)動信號發(fā)生器21。在電流Iw有最大負值的區(qū)域E3中，電壓命令Vw *輸出到驅(qū)動信號發(fā)生器20，而電壓命令Vu *、Vv *輸出到驅(qū)動信號發(fā)生器21。驅(qū)動信號發(fā)生器20通過將來自轉(zhuǎn)換器19的電壓命令之一與三角波Tl (作為用于來自轉(zhuǎn)換器19的被比較的電壓命令的那個相的驅(qū)動信號)進行比較，來給驅(qū)動電路9生成驅(qū)動信號。例如，當(dāng)電壓命令Vu*高于三角波Tl時，驅(qū)動信號發(fā)生器20向驅(qū)動電路9生成高電平的驅(qū)動信號作為用于U相的驅(qū)動信號Su，當(dāng)電壓命令Vu *低于三角波Tl時，驅(qū)動信號發(fā)生器20向驅(qū)動電路9生成低電平的驅(qū)動信號作為用于U相的驅(qū)動信號Su。驅(qū)動信號發(fā)生器21通過將來自轉(zhuǎn)換器19的電壓命令中的其余兩個與三角波 T2(作為用于來自轉(zhuǎn)換器19的電壓命令的所述兩相中的每個的驅(qū)動信號)進行比較，來給驅(qū)動電路9生成兩個驅(qū)動信號。例如，當(dāng)電壓命令Vv *高于三角波Τ2時，驅(qū)動信號發(fā)生器 21生成高電平的驅(qū)動信號，而當(dāng)電壓命令Vv*小于三角波Τ2時生成低電平的驅(qū)動信號。然后，生成的驅(qū)動信號輸出至驅(qū)動電路9作為用于V相的驅(qū)動信號Sv。當(dāng)電壓命令Vw *高于三角波T2時，驅(qū)動信號發(fā)生器21生成高電平的驅(qū)動信號，而當(dāng)電壓命令Vw *小于三角波T2 時生成低電平的驅(qū)動信號。然后，生成的驅(qū)動信號輸出至驅(qū)動電路9作為用于W相的驅(qū)動信號Sw。應(yīng)注意，三角波Tl的頻率低于三角波T2的頻率。因此，用于流過具有最大負值的電流的一相的驅(qū)動信號的頻率可以減少至低于用于其它相的驅(qū)動信號的頻率的水平，以便流過具有最大負值的電流的一相的開關(guān)元件的開關(guān)頻率可以減少。因此，可以減少DC至三相AC逆變器系統(tǒng)1的開關(guān)損耗。驅(qū)動電路9通過使用由驅(qū)動信號發(fā)生器20、21生成的驅(qū)動信號Su、Sv、Sw，分別生成驅(qū)動信號Sl至S6至對應(yīng)的開關(guān)元件10至15。例如，驅(qū)動電路9向開關(guān)元件10輸出等于驅(qū)動信號Su的驅(qū)動信號作為驅(qū)動信號Si，并且向開關(guān)元件11輸出通過使驅(qū)動信號Su反相所生成的驅(qū)動信號作為驅(qū)動信號S2。驅(qū)動電路9向開關(guān)元件12輸出等于驅(qū)動信號Sv的驅(qū)動信號作為驅(qū)動信號S3，并且向開關(guān)元件13輸出通過使驅(qū)動信號Sv反相所生成的驅(qū)動信號作為驅(qū)動信號S4。驅(qū)動電路9向開關(guān)元件14輸出等于驅(qū)動信號Sw的驅(qū)動信號作為驅(qū)動信號S5，并且向開關(guān)元件15輸出通過使驅(qū)動信號Sw反相所生成的驅(qū)動信號作為驅(qū)動信號S6。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，如前面所述，將三角波Tl的頻率設(shè)置成低于三角波T2 的頻率，并且因此可以減少開關(guān)損耗。此外，三角波Tl的頻率應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地設(shè)置成使得通過組合各相的開關(guān)紋波得到的零相電流紋波被盡可能地最小化。通常，開關(guān)紋波通過公式(3)計算。公式(3)
權(quán)利要求
1.一種直流至三相交流逆變器系統(tǒng)(1)，包括 三相電機G)，其具有三個相；逆變器電路(3)，其用于所述三相電機(4)；多個開關(guān)元件(10，11，12，13，14，15)，布置在所述逆變器電路(3)中，所述開關(guān)元件 (10，11，12，13，14，15)分別用作所述三相電機(4)的相應(yīng)三個相的上臂和下臂； 電容器(2)，與相應(yīng)成對上臂和下臂并聯(lián)連接；直流電源(5)，布置在所述三相電機的中性點和相應(yīng)下臂或相應(yīng)上臂之間；以及控制電路(8)，控制所述開關(guān)元件(10，11，12，13，14，15)的開關(guān)操作，使得至少具有最大值的電流流過的一相的開關(guān)元件的開關(guān)頻率低于其它相的其它成對開關(guān)元件的開關(guān)頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流至三相交流逆變器系統(tǒng)(1)，其中所述控制電路(8)控制所述開關(guān)元件(10，11，12，13，14，15)的開關(guān)操作，使得具有最大值和次大值的電流流過的兩相的開關(guān)元件的開關(guān)頻率低于另一相的開關(guān)元件的開關(guān)頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流至三相交流逆變器系統(tǒng)(1)，其中所述控制電路控制所述開關(guān)元件(10，11，12，13，14，15)的開關(guān)操作，使得至少具有最大值的電流流過的一相的開關(guān)元件的開關(guān)頻率是其它相的開關(guān)元件的開關(guān)頻率的一半。
全文摘要
一種直流至三相交流逆變器系統(tǒng)包括三相電機、多個開關(guān)元件，用于三相電機的逆變器電路、電容器、直流電源和控制電路。布置在逆變器電路中的開關(guān)元件分別用作三相電機的相應(yīng)三相的上臂和下臂。電容器與相應(yīng)成對上臂和下臂并聯(lián)連接。直流電源布置在三相電機的中性點和相應(yīng)下臂或相應(yīng)上臂之間?？刂齐娐房刂崎_關(guān)元件使得至少具有最大值的電流流過的一相的一對開關(guān)元件的開關(guān)頻率低于其它相的其它成對開關(guān)元件的開關(guān)頻率。
文檔編號H02M7/5395GK102208879SQ201110083680
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者名嶋一記, 成瀬拓也 申請人:株式會社豐田自動織機