專利名稱：帶脈沖抑制器的電力轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種電力轉換裝置，該裝置將單相交流(AC)電力輸入先轉換成直流(DC)電力，然后再將此直流電力通過一個直流/交流(DC/AC)逆變器轉換成三相交流電力，藉此而驅動一臺作為負荷的感應電動機。
輸入單相交流電力而驅動一臺諸如電氣機車上用的交流感應電動機的一種電力轉換裝置，常見的這種類型的裝置為，利用一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)轉換器將交流電力轉換成直流電力，然后藉一臺逆變器進一步轉換成具有可變電壓和可變頻率的交流電力而加到一臺感應電動機，

圖1即為常規(guī)的這種電力轉換裝置之例。從一個電車頂上的導電弓“PAN”接受單相交流電力，再經(jīng)變壓器“T”降壓后通過一臺電抗器“L”輸?shù)矫}沖寬度調(diào)制轉換器“COV”，即行變成直流電力。該轉換器“COV”的輸出端接有一個電容器“CO”，在該電容器上接入一臺三相式DC/AC逆變器“INV”，于是，該逆變器“INV”即產(chǎn)生三相交流電力，藉此而驅動一臺感應電動機“IM”。
這種類型的電力轉換裝置舉例來說可見諸凱，納卡姆拉(K·Nakamura)等發(fā)表的題為”轉換逆變系統(tǒng)中脈沖現(xiàn)象的限制方法”《RestraintMethodofBeatPhenomenononConverterInvertorSystem》文，登載在1987年5月UDC(UnidirectionalCurrent一直流電)第109卷，第5號，363到369頁。
但是，這種常規(guī)的電力轉換裝置具有如下所述的問題，即利用該脈沖寬度調(diào)制轉換器“COV”將交流轉變成直流，直流側的電壓和電流則用電容器CO來濾波，這除非該電容器CO的電容量為無限大，否則該直流電壓即有脈動成份，當含有這種脈動成份的直流電壓被用作輸入電源并被DC/AC逆變器“INV”轉換成期望的交流電力時，由于在這種脈動頻率和被轉換成的交流頻率之間相互作用，即引起所謂的“拍頻現(xiàn)象”并造成電動機電流的脈振。這種脈振現(xiàn)象不僅傳給電動機轉矩輸出，而且也導致DC/AC逆變器“INV”中增加了瞬態(tài)電流。
雖然，DC/AC逆變器“INV”有能力同時控制該輸出頻率和輸出電壓，而輸出電壓是能夠通過控制DC/AC逆變器“INV”內(nèi)的一個開關元件的導通比得到控制，即利用調(diào)節(jié)其脈沖寬度來控制。
但是有一個問題，即逆變器“INV”輸出電壓波形的峰值由于受直流電壓脈振的影響而增減，致使電壓值波動，因而輸出電流也受到波動。
在這種情況中，因為電壓的峰值不能控制，所以實際上即以控制脈沖寬度作為控制手段，即，當輸出電壓的峰值高時，脈沖寬度被控制到變窄;當其峰值低時，則將脈沖寬度變寬，以這種方式，將平均值或有效值作為該電壓面積的一項參數(shù)進行控制，結果即能抑制住電壓的波動。
在應用這樣一種常規(guī)的方法情況下，需要檢測直流電壓的脈振，和控制DC/AC逆變器的輸出電壓波形，但是，由于直流電路中用的電容器的電容量應當盡量地大，所以直流電壓本身的脈振就顯得相對地不大，以致造成檢測的困難，最好是檢測輸入的交流電壓作為衡量直流電壓脈振的主要因素，并根據(jù)檢測的交流輸入電壓來判定直流電壓的波動，因而期望以所判定的波動來用作控制逆變器的電壓。
本發(fā)明即為解決這種常規(guī)的電力逆變器中存在的問題而進行的，故本發(fā)明的一個目的即為提供出一種這樣的電力轉換裝置，它能減少電動機電流中的脈振現(xiàn)象，以及避免因上述缺陷而引起DC/AC逆變器的不穩(wěn)定運行。
為達到上述目的，本發(fā)明的電力轉換裝置包括電力轉換裝置(COV)，用于將單相交流輸入電壓(3A)轉換成具有脈動分量的直流輸入電壓;
濾波裝置(CO)，用作濾除由電力轉換裝置(COV)加到輸入電壓中的該脈動分量，以便導出一項輸入直流電壓;
DC/AC逆變裝置(INV)，用于將輸入的直流電壓逆變成三相的交流電壓，以加到一個三相負荷(IM)上;
檢測裝置(RFI，CI，PW-DET)，用于檢測含在該單相交流輸入電壓(3A)的變量，以獲得一項變量檢測信號;
參考信號發(fā)生裝置(OS)，用于產(chǎn)生一項參考信號(3S);以及逆變器控制裝置(CN，MP，AD，COMP)，用于以脈沖寬度調(diào)制控制方式控制DC/AC逆變器(INV)，依據(jù)變量檢測信號和參考信號進行。
按照本發(fā)明的一種電力轉換裝置，一個電源電壓檢測部件測出輸入的交流電壓，并用一個整流部件進行整流，整流后電壓中的直流分量由一個電容器電路濾除，藉此而僅分出該波動的交流分量。在一般情況中，由于在大負荷時消耗的電壓使直流電壓波動增大，所以在一個電源校正部件中藉負荷電功率的因素來校正該波動值。
一個逆變器控制器接受一電壓指令和一頻率指令，發(fā)出一門控制信號，使逆變器主電路中的一個開關元件在所期望的時間操作，通常，時間信號是通過比較參考的三相正弦波和一項三角波而產(chǎn)生的，該三角波作用如從一個三角波振蕩器來的各次諧波，直流電壓脈振值的校正信號是通過電源校正部件，逆變器電路，和乘法器輸出的，該信號通過一個加法器而加到從逆變器控制器導出的每個正弦波上，加法器的輸出信號與從三角波振蕩器來的該三角波由一個比較器進行比較，因此提供給交流電源為校正該直流脈振分量用的該開關時間信號即作為門信號而輸出。
為更好地了解本發(fā)明，現(xiàn)結合附圖進行說明以供參考。
圖1是常規(guī)電力轉換裝置的接線方框圖;
圖2是按本發(fā)明中一個最佳實施例進行的電力轉換裝置的接線方框圖;
圖3A到3K為示于圖1中電力轉換裝置的電轉換操作的波形圖;以及圖4A到4K為示于圖2中電力轉換裝置的電力轉換操作的波形圖。
本發(fā)明的一種電力轉換裝置是根據(jù)下述的基本構思做出的。
本發(fā)明的一種電力轉換裝置包括有一個電力轉換部件，用于將單相交流電源轉換成直流電源;一個濾波電容器連接在該電力轉換部件的輸出上;一個DC/AC逆變器，用于將從濾波電容器傳來的直流電源轉換成脈沖寬度調(diào)制方式中的三相交流電源;一臺交流電動機作為負荷;一個電源電壓檢測部件，用于檢測單相交流電源的電壓;一個整流部件，用于將電源電壓檢測部件的輸出進行整流;一個電容器電路，用于濾除整流部件輸出中的直流分量;一個電力校正部件，用于將電動機功率所造成的一項校正值提供到電容器電路的輸出上;一個逆變電路，用于將該電力校正部件的輸出進行逆變換;一個逆變器控制器，用于執(zhí)行該逆變器的門控制;多個乘法器電路，用于將作為逆變器控制器輸出的相應于三相電壓的每一方波信號乘以由該DC/AC逆變電路輸出的一項信號;多個加法器電路，用于將逆變器控制器輸出的三相電壓的每一正弦波形信號和乘法電路的每一輸出信號相加;一個三角波振蕩器;以及多個比較器，用于將從三角波振蕩器輸出的三角波信號和每一加法電路的輸出進行比較，并用于將它們的輸出置成該逆變器的門控制信號。
本發(fā)明的特征歸納如下。單相輸入電力被整流而形成直流輸入電力，然后，此直流輸入電力由DC/AC逆變器進行DC/AC逆變換而形成三相的輸出電力。檢測出含在該單相輸入電力的交流電壓中的各變量，根據(jù)所測出的各變量，藉該參考信號來控制該DC/AC逆變器，也就是說，該逆變后的交流電壓的脈沖寬度是在DC/AC逆變器中受到該逆變器控制器的控制。
圖2是按照本發(fā)明中最佳實施例構成的一臺電力逆變裝置100的方框圖。并且它的主要電路部分是與圖1所示常規(guī)的電力轉換裝置具有相同結構，從導電弓“PAN”來的單相交流電力通過變壓器“T”降壓，然后，通過電抗器“L”輸入到PWM轉換器“COV”。
在另一方面，從單相轉換器“COV”傳來的直流電力通過濾波電容器“CO”輸入到三相DC/AC逆變器“INV”，該直流電力輸入被控制成具有可變電壓和可變頻率，然后成為三相交流電力輸?shù)礁袘妱訖C“IM”。三相感應電動機的一般功率被選擇為從100到300千瓦(對電車)，以及從500到1000千瓦(電氣火車)。
在交流輸入部件中設有一個電壓檢測器“VD”，用于上述主要電路;一個整流器“RFI”、一個濾除直流分量電容器“C1”、一個電力校正乘法器“PC”以及一個逆變電路“RV”都被接于該電壓校正器“VD”。
電流變換器“CTV”、“CTV”和“CTW”分別接于感應電動機“IM”的各輸入線上，一個整流器“RF2”和一個電力檢測器“PD”連接于這些電流變換器上，該電力檢測器“PD”的輸出接到電力校正乘法器“PC”的輸入上。
一項電壓指令信號和一項頻率指令信號被送到一個逆變器控制器“CN”，其輸出側分別接于三相U、V和W的各方波U1、V1和W1，以及接到正弦波U2、V2和W2。
方波U1、V1和W1的輸出被接于乘法器“MP1”、“MP2”和“MP3”，然后輸出到各加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”。在另一方面，正弦波U2、V2和W2的輸出被接到各加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”的輸入端。
加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”的輸出接到比較器“COMP1”、“COMP2”和“COMP3”，并與從三角波振蕩器“OS”來的三角波進行比較。
比較器“COMP1”、“COMP2”和“COMP3”的輸出被整定為三相U、V和W的門信號，去控制DC/AC逆變器“INV”中各可控硅的柵極。
現(xiàn)參照圖3說明具有上述電路布置的電力轉換裝置100的運行。
電壓檢測器“VD”的輸入波形是正弦波形，如圖3A所示，(圖2中電路圖所示，加到其它波形上的也是同一波形)，由整流器RF1整流后的輸入電壓呈圖3B所示形狀，該直流分量被濾除直流分量電容器“C1”濾除，并且它的輸出波波形變成圖3C所示，且被輸入到電力校正電路“PC”。
該電力校正電路“PC”的輸出變成如圖3D所示，并被逆變電路“RV”逆變成如圖3E所示。
該電力校正器電路“PC”的輸出按照作為負荷的感應電動機“IM”所消耗的功率變化。當負荷消耗功率大時，并因此當負荷電流也大時，則上述輸出的峰值就大。
在另一方面，由于逆變器控制器“CN”的輸出，方波U1、V1和W1的信號和正弦波U2、V2和W2的信號即分別按照三相U、V和W而輸出，例如，U相輸出的方波U1即變成圖3F所示，圖3F的波形與從逆變電路“RV”來的圖3E波形的乘積是由乘法器“MP1”、“NP2”和“NP3”的輸出中求得，并變成圖3G所示，這些方波U1，V1和W1被加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”加到乘法器“MP1”、“NP2”和“MP3”的輸出中，于是最后求得如圖3H和3I所示的輸出波形。
將加法器“AD1”、“AD2”和“AD3”的各輸出通過比較器“COMP1”、“COMP2”和“COMP3”與從三角波振蕩器“OS”輸出的三角波進行比較，如圖35所示，它們的輸出即成為被調(diào)制的門信號，如圖3K所示。
雖然圖3和圖4所表示的分別為同一部分的信號波形，而在圖4的情況中，在電源側的頻率和電動機上的頻率之間的關系則與圖3情況不同，盡管在圖3中電動機頻率低于電源頻率，而它們兩者在圖4的情況中則幾乎相等。
如上所述，這里有一個特性，以至不僅該逆變器控制器“CN”用將三相方波U1、V1和W1和正弦波U2、V2和W2(這些波是按照電壓指令信號和頻率指令信號輸出的)與從三角波振蕩器“OS”來的三角波進行比較的方法實行該調(diào)制，而且該逆變器控制器“CN”也對負荷功率的波動進行修正，并藉助于該三角波對此進行的調(diào)制，而使負荷功率的波動得以補償，以及脈波振動受到抑制。
即在圖4的情況中，由于直流電壓脈動頻率是電動機側頻率兩倍，如果實行標準的調(diào)制，則直流電壓的高電平部分就與該交流電壓的峰值吻合。因此，電壓波形變大，而電流也增高，但是利用實行校正那些與三角波進行比較的各波形，以及利用將脈沖寬度變窄，窄于本最佳實施例中標準調(diào)制情況下所產(chǎn)生的波寬，則平均電壓值能夠降低，結果，電流被減小，含在負荷功率中的脈波振動即能受到抑制。
綜上所述，按照本發(fā)明，直流電壓的脈波振動是從輸入的交流電壓波形中檢測，且逆變器輸出電壓的脈沖寬度受檢測信號的修正。因此，將從DC/AC逆變器輸出電壓的脈沖寬度加寬或變窄，以改變成相反于該逆變器輸出電壓的峰值，所以能夠獲得含有較少脈振的電動機電流。
權利要求
1.一種電力轉換裝置包括有，電力轉換器裝置(COV)，用于將一單相交流輸入電壓(3A)轉換成具有脈動分量的直流輸入電壓；過濾裝置(CO)，用于將從該電力逆變器裝置(COV)施加的輸入電壓中的脈動分量濾除，以便獲得一項輸入直流電壓；DC/AC逆變器裝置(INV)，用于將輸入的直流電壓逆變成三相的交流電壓，以應用于一三相的負荷(IM)；檢測器裝置(RF1、C1、PW-DET)，用于檢測含在三相交流輸入電壓(3A)中的脈振波，以獲得一變量檢測信號(3E)；參考信號發(fā)生裝置(OS)，用于產(chǎn)生參考信號(3J)；以及逆變器控制裝置(CN，MP，AD，COMP)，用于根據(jù)變量檢測信號和參考信號，將DC/AC逆變器裝置(INV)控制在處于脈沖寬度調(diào)制控制的方式中。
2.如權利要求1所述的一種電力轉換裝置，其中所述的檢測器裝置包括一個分壓器(VD)，用于將單相交流輸入電壓分隔成細分的交流電壓(3A);一個整流器(RF1)，用于將該細分的交流電壓(3A)整流，去激勵出具有脈動波的脈動直流電壓(3B);以及一個濾波電容器(C1)，用于濾除該脈振的直流電壓(3B)，以將原來含在單相交流輸入電壓中的變量引出。
3.如權利要求2所述的一種電力轉換裝置還包括有，一個電力校正單元(PC)，用于將從該濾波電容器(C1)導出的變量根據(jù)負荷(IM)的狀態(tài)進行修正，以便獲得校正后的變量。
4.如權利要求1所述的一種電力轉換裝置，其中所述的DC/AC逆變器裝置(INV)包括多個連接成三相的可控硅。
5.如權利要求4所述的一種電力轉換裝置，其中所述的逆變器控制裝置包括有乘法器電路(MP1，MP3);加法器電路(AD1，AD3);以及比較器電路(COMP1，COMP3)，并且根據(jù)從檢測器裝置來的變量檢測信號和參考信號而產(chǎn)生門控制信號(3K)，藉此使所述各可控硅的控制柵極響應該門控制信號(3K)而被控制在該脈沖寬度控制方式中。
6.如權利要求5所述的一種電力轉換裝置，其中所述的逆變器控制裝置在響應電壓指令和頻率指令中產(chǎn)生方波信號(U1，V1，W1)和正弦波信號(U2，U2，W2);所述的乘法器電路(MP1，MP3)，用于將所述的方波信號(U1，V1，W1)乘以所述的變量檢測信號(3E)，以獲得被乘過的變量檢測信號(3G);所述的加法器電路(AD1，AD3)，用于將所述被乘過的變量檢測信號(3G)加到所述正弦波信號(U2、V2、W2)上，以獲得被加過的變量檢測信號(3I);以及所述的比較器電路(COMP1，COMP3)，用于比較所述加過的變量檢測信號(3I)和所述的參考信號(3J)，以便最終地產(chǎn)生所述的門控制信號(3K)。
7.如權利要求1所述的一種電力轉換裝置，其中所述的參考信號發(fā)生裝置是一個三角波振蕩器(OS)。
8.如權利要求1所述的一種電力轉換裝置，其中所述的負荷是一臺三相感應電動機。
全文摘要
避免脈沖現(xiàn)象的電力轉換器，包括電力轉換裝置(COV)將單相AC變?yōu)槊}波DC，濾波裝置(CO)將脈波DC變?yōu)镈C，然后DC/AC逆變器(INV)將DC變?yōu)槿郃C供給負荷(IM)；還包括檢測器(RFI，CI，PW-DET)用來檢測AC變量信號3E，參考信號發(fā)生器(OS)用來產(chǎn)生參考信號(3J)，逆變控制器(CN，MP，AD，COMP)根據(jù)3E和3J使該DC/AC逆變器處于脈沖寬度控制方式而避免脈沖現(xiàn)象。
文檔編號H02P27/08GK1041073SQ8910699
公開日1990年4月4日 申請日期1989年9月8日 優(yōu)先權日1988年9月8日
發(fā)明者高原英明 申請人:株式會社東芝