並聯逆變器設備的製作方法

2023-06-04 13:27:06 3

專利名稱：並聯逆變器設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用並聯連接的多個逆變器來驅動諸如交流電動機之類的負載的並聯逆變器設備。
背景技術：
一般而言，逆變器由功率轉換器和控制該功率轉換器的控制設備構成。當通過逆變器驅動交流電動機時，將從控制設備發送的扭矩命令值或電壓命令值傳送到多個功率轉換器，並且執行每一功率轉換器的操作。例如，其中多個逆變器中的每一個包括輸出電流控制系統且每一逆變器單獨地驅動交流電動機的已知技術在JP-A-3-159596 (第3頁、左上欄第8行至左下欄第13行、圖2等)中進行了描述。圖4是在JP-A-3-159596 (第3頁、左上欄第8行至左下欄第13行、圖2等)中描述的已知技術的配置圖，其中附圖標記201a和201b是逆變器，附圖標記202a和202b是分別由逆變器201a和201b單獨驅動的交流電動機，附圖標記203是控制器，附圖標記204是主站點，附圖標記205a、205b、206a和206b是遠程站點，附圖標記207a是速度傳感器，附圖標記208a是速度控制器，附圖標記209a和209b是電流控制器，附圖標記210a和210b是電流傳感器，附圖標記211a和211b是通過半導體開關元件的動作執行直流到交流的轉換的功率轉換器(逆變器部分)，並且附圖標記220是傳送線。該已知技術使得信息可在控制器203與逆變器201a和211b之間串行地傳送。此夕卜，控制器203被配置成使電動機202a和202b由分布的算出的扭矩命令值單獨驅動，分布的扭矩命令值通過串行傳送單獨地傳送到逆變器20Ia和20Ib，並且逆變器20Ia和20Ib中的每一個根據它自己的扭矩命令值動作。在圖4中，N*是速度命令值，Ia*和Ib*是逆變器201a和201b的電流命令值，並且Ia和Ib是逆變器201a和201b的電流檢測值。同時，其中通過並聯連接多個逆變器的輸出側來實現增加的容量以驅動高容量的交流電動機的並聯逆變器設備在例如JP-A-2008-228548 (段落
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、圖4、圖5等)中進行了描述。圖5是在JP-A-2008-228548 (段落
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、圖4、圖5等)中描述的已知技術的配置圖，其中附圖標記100是並聯逆變器設備，附圖標記101是交流電源，附圖標記102是交流電動機，附圖標記103是速度傳感器，附圖標記110-1和110-2是轉換器，附圖標記120-1和120-2是平滑電容器，附圖標記130-1和130-2是逆變器，附圖標記131-1和131-2是通彳目電路，附圖標記132-1和132-2是PWM生成電路，附圖標記133-1和133-2是狀況監視電路，附圖標記134-1和134-2是功率轉換器(PWM逆變器部分)，附圖標記140-1和140-2是電流傳感器，並且附圖標記150是控制電路。該已知技術使得兩個逆變器130-1和130-2並聯連接在交流電源101和電動機102之間，同步信號和電壓命令值使用串行傳送裝置從控制電路150傳送到逆變器130-1和130-2中的通信電路131-1和131-2，並且通過逆變器130-1和130-2基於同步信號和電壓命令值動作，對兩個逆變器130-1和130-2的輸出求和並將其供應給單個電動機102。根據JP-A-3-159596 (第3頁、左上欄第8行至左下欄第13行、圖2等)的已知技術使得逆變器201a和201b分別包括控制輸出電流的電流控制器209a和209b，並且作為電流控制器209a和209b單獨響應的結果，存在用作電流控制器209a和209b的輸出的電壓命令值發生變化的危險。為此，可能發生在逆變器201a和201b的輸出電壓之間出現誤差且渦流或循環電流(在下文中這些電流將被統稱為渦流)在這些逆變器之間流動。作為對策，有必要確保與作為功率轉換器211a和211b的電流容量裕度的渦流的量相等的餘量，並且問題在於當其電流值較大時，功率轉換器的容量增加且成本增加。同樣，有必要安裝AC電抗器或相間電抗器以抑制瞬時渦流，這導致該設備的大小和重量的總體增加以及成本的增加。由於JP-A-2008-228548 (段落
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、圖4、圖5等)中描述的已知技術使得電壓命令值通過使用串行傳送裝置從控制電路150分別傳送到逆變器130-1和130-2的通信電路131-1和131-2、並且逆變器130-1和130-2根據接收到的電壓命令值驅動功率轉換器134-1和134-2，因此有必要配置逆變器130-1和130-2的連接形式(拓撲)以使從控制電路150到通信電路131-1和131-2的傳送時間的延遲相等。作為連接形式，存在例如其中多個逆變器沒有主從關係的環形連接形式、以及其中一個逆變器的控制單元是自己計算電壓命令值且直接驅動它自己的功率轉換器的主逆變器而其餘逆變器是各自基於經由傳送裝置接收到的電壓命令值驅動它自己的功率轉換器的從逆變器的形式，即主從型連接形式。然而，即使在採用這些連接形式的事件中，也可能發生由於傳送控制信號的延遲並非所有的逆變器電壓命令值在時間上一致的情況，並且可能發生在逆變器輸出電壓之間出現誤差的情況。在此情況下，存在的問題在於，過量的渦流通過並聯連接的功率轉換器的輸出電纜的布線電感在功率轉換器之間流動，並且半導體開關元件受損等。

發明內容
因此，本發明的目的在於，提供一種並聯逆變器設備，從而消除多個逆變器之間的電壓命令值的傳送的延遲，由此預防渦流的發生以及對半導體開關元件的損害。為了實現該目的，本發明的第一方面是並聯逆變器設備，該並聯逆變器設備包括將交流電壓供應給單個負載的並聯連接的多個逆變器，其中每一逆變器包括通過半導體開關元件的動作執行直流到交流的轉換且將交流電壓供應給負載的功率轉換器、以及功率轉換器控制單元，多個逆變器中的一個逆變器被用作其中控制單元計算該一個逆變器中的功率轉換器的電壓命令值的主逆變器、且另一逆變器被用作根據電壓命令值驅動另一逆變器中的功率轉換器的從逆變器，其中傳送裝置被設置成將主逆變器的控制單元算出的電壓命令值傳送到從逆變器，並且主逆變器的控制單元包括延遲設備，該延遲設備使電壓命令值延遲將算出的電壓命令值傳送到從逆變器時所需的傳送時間，且將經延遲設備延遲的電壓命令值提供給主逆變器的功率轉換器。本發明的第二方面是並聯逆變器設備，該並聯逆變器設備包括將交流電壓供應給單個負載的並聯連接的三個或更多個逆變器，其中每一逆變器包括通過半導體開關元件的動作執行直流到交流的轉換且將交流電壓供應給負載的功率轉換器、以及功率轉換器控制單元，三個或更多個逆變器中的一個逆變器被用作其中控制單元計算該一個逆變器中的功率轉換器的電壓命令值的主逆變器、且其他逆變器被用作根據電壓命令值驅動其他逆變器中的功率轉換器的從逆變器，傳送裝置被設置成將主逆變器的控制單元算出的電壓命令值傳送到從逆變器，主逆變器中的控制單元包括延遲設備，該延遲設備使電壓命令值延遲將算出的電壓命令值傳送到需要最長傳送時間的從逆變器時所需的傳送時間，且將經延遲設備延遲的電壓命令值提供給主逆變器的功率轉換器，並且每一從逆變器中的控制單元包括延遲從主逆變器或另一從逆變器傳送的電壓命令值以將與主逆變器的延遲設備所延遲的電壓命令值同步的電壓命令值提供給從逆變器的功率轉換器的延遲設備。本發明第三方面是根據第一或第二方面的並聯逆變器設備，其中從逆變器包括使從逆變器的功率轉換器的開關時間與主逆變器的功率轉換器的開關時間同步的同步設備。本發明的第四方面是根據第一方面的並聯逆變器設備，其中主逆變器以固定的周期與主逆變器的功率轉換器的開關時間同步地傳送電壓命令值，並且進行控制以使從主逆變器開始傳送電壓命令值起到傳送結束的時間與從從逆變器開始接收電壓命令值起到接收結束的時間相等。本發明的第五方面是根據第一方面的並聯逆變器設備，其中延遲設備調整延遲時間以使主逆變器的電壓命令值的大小與從逆變器的電壓命令值的大小相等。根據本發明，通過使提供給並聯連接的多個逆變器中的每一個中的功率轉換器的電壓命令值同步以使電壓命令值的大小相等，有可能顯著地減少逆變器輸出電壓之間的誤差、並且由此有可能防止渦流的發生以及對半導體開關元件的損害。同樣，由於有可能在無需不必要地增加功率轉換器的容量的情況下減少AC電抗器的容量或省略AC電抗器等來抑制渦流，因此有可能減小該設備的總體大小和重量且降低成本。


圖1是示出本發明的一個實施例的框圖；圖2A和2B是本發明的實施例的動作的圖示；圖3是本發明的另一實施例中的示意配置圖；圖4是在JP-A-3-159596 (第3頁、左上欄第8行至左下欄第13行、圖2等)中描述的已知技術的配置圖；以及圖5是在JP-A-2008-228548 (段落
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、圖4、圖5等)中的描述的已知技術的配置圖。
具體實施例方式在下文中，將基於附圖給出對本發明的一個實施例的描述。圖1是示出本實施例的配置的框圖，其中並聯逆變器設備是用於通過並聯連接的兩個逆變器2a和2b的合計輸出來驅動諸如感應電動機之類的一個交流電動機I的設備。雖然逆變器2a和2b以及交流電動機I具有三相配置，但是它們由圖1中的單線圖表示。在圖1中，用於獲取旋轉角信息的旋轉位置檢測單元3 (諸如脈衝編碼器)連接到電動機I。同樣，在驅動電動機I的逆變器2a和2b中，一個逆變器2a用作主逆變器且另一逆變器2b用作從逆變器，其中主逆變器2a生成以及用於控制逆變器2a的功率轉換器4a的電壓命令值和被傳送到從逆變器2b且用於控制逆變器2b內部的功率轉換器4b，如將在下文中描述的。並聯的逆變器的數量根據電動機I和逆變器的額定電流決定。逆變器2a和2b分別包括使諸如IGBT之類的半導體開關元件導通和截止由此執行直流到交流的轉換的功率轉換器4a和4b。雖然將省略對功率轉換器4a和4b的配置的詳細描述，但是功率轉換器4a和4b包括由開關元件構成的主電路、以及驅動主電路的柵極驅動電路和控制單元，其中控制單元由諸如微計算機之類的算術處理單元(包括程序)或者電子電路實現。作為主逆變器操作的逆變器2a包括:生成用於電動機I的加速和減速模式等的速度命令值的速度命令生成單元5 ;從由旋轉位置檢測單元3獲取的旋轉角信息獲取電動機速度ωπ的旋轉速度檢測單元6 ;從速度命令值和電動機速度(^生成用於電動機I的q軸電流命令值的速度控制單元7 ;檢測逆變器2a的輸出電流iul、ivl和iwl的電流檢測器8a ;從輸出電流iul、ivl和iwl以及從逆變器2b的輸出電流iu2、iv2和iw2之和獲取要供應給電動機I的總電流1、1^和iwa的總電流檢測單元9 ;從總電流1唚1^和iwa以及電氣角Θ獲取d軸電流id和q軸電流iq的坐標轉換單元10 ;基於從d軸電流id、q軸電流和電動機速度Oni獲取的差頻(03計算主頻CO1的主頻計算單元11 ;從主頻O1獲取電氣角Θ的電氣角計算單元12 ;從d軸電流命令值和d軸電流id獲取每一逆變器2a和2b的d軸電壓命令值Vtt的d軸電流控制單元13a ;從q軸電流命令值和q軸電流i,獲取每一逆變器2a和2b的q軸電壓命令值Vtff的q軸電流控制單元13b ;從d軸電壓命令值vto、q軸電壓命令值Vv和電氣角Θ獲取每一相的電壓命令值Vf Vvr和Vm的坐標轉換單元14 ；使電壓命令值vm、Vvr和v 延遲預定時間的延遲設備15 ;基於總電流iua、iva和iwa以及逆變器2a的輸出電流iul、ivl和iwl校正延遲設備15所延遲的電壓命令值以使逆變器2a和2b的輸出電流平衡的渦流控制單元16a ;以及從渦流控制單元16a輸出的電壓命令值生成功率轉換器4a內部的開關元件的柵極驅動信號的柵極驅動信號生成單元17a。在此，速度控制單元7、d軸電流控制單元13a、以及q軸電流控制單元13b由例如比例積分(PI)調節器構成。同樣,坐標轉換單元10將三相電流分量轉換成旋轉坐標中的d和q軸電流分量，並且坐標轉換單元14將d和q軸電壓分量轉換成三相電壓分量，但是其配置和動作是公知的，其細節將省略。同時，除了功率轉換器4b和柵極驅動信號生成單元17b以外，作為從逆變器操作的逆變器2b包括:檢測輸出電流Iu2Uv2和iw2的電流檢測器8b ；以及基於總電流iua、iva和iwa以及逆變器2b的輸出電流Iu2Uv2和iw2校正電壓命令值Vur、Vra和V以使逆變器2a和2b的輸出電流平衡的渦流控制單元16b。在此，可使用主逆變器2a的功能來實現從逆變器2b的一部分功能。附圖標記18是傳送裝置並包括諸如電纜之類的硬體、預定通信協議等，由此電壓命令值Vm、Vvr和Vwr、總電流iua、Iva和iwa、以及從逆變器2b的輸出電流iu2、iv2和iw2在逆變器2a和2b之間串行地傳送。接著，將給出對本實施例的動作的描 述。
在主逆變器2a中，速度命令生成單元5針對電動機I從停止狀態加速且到達目標速度、直至根據預定條件減速至停止的時間段生成速度命令值ωΓ。速度控制單元7通過比例積分計算來計算速度命令值和電動機速度ωπ之間的偏差，並且輸出與電動機I輸出的扭矩相等的q軸電流命令值iv。電流控制單元13a和13b分別通過比例積分計算來輸出d軸電壓命令值Vto和q軸電壓命令值Vtff,以使從坐標轉換單元10輸出的d軸電流id和q軸電流iq與d軸電流命令值和q軸電流命令值—致。坐標轉換單元14基於電氣角Θ將電壓命令值Vfc和Vqr轉換成三相電壓命令值Vm、Vvr和V 。電壓命令值Vur、Vw和Vm不僅被傳送到主逆變器2a中的功率轉換器4a，而且經由傳送裝置18傳送到從逆變器2b中的功率轉換器4b。一般地，當串行傳送被用作傳送裝置18時，電壓命令值vm、Vvr和Vm從主逆變器2a轉送到從逆變器2b的微計算機內部的存儲器需要特定時間。當功率轉換器的開關頻率正常為數千赫時，微計算機在數十微秒至數百微秒的更新周期中執行各種控制計算。因此，當使用傳送裝置18的信息傳送時間超過微計算機的控制計算周期時，從逆變器2b接收到的電壓命令值和使得相對於主逆變器2a的時間延遲發生。由於經由柵極驅動信號生成單元17b和功率轉換器4b輸出電壓命令值作為PWM控制電壓，因此傳送電壓命令值和 的延遲的影響出現在功率轉換器4b的輸出電壓中，其中在主逆變器2a的輸出電壓和從逆變器2b的輸出電壓之間出現誤差。為此，渦流在兩個逆變器2a和2b之間流動，其中根據包括在逆變器2a和2b之間的電纜的電感分量來確定渦流的最大值。因此，在本實施例中，延遲設備15設置在主逆變器2a的坐標轉換單元14的輸出偵牝並且延遲設備15的延遲時間被設為與將電壓命令值和傳送到從逆變器2b時的傳送時間(直至從主逆變器2a發送的電壓命令值Vvr和Vm到達從逆變器2b的渦流控制單元16b的時間)相等。為此，在輸入到主逆變器2a的渦流控制單元16a中的電壓命令值vu,、vw和v 與輸入到從逆變器2b的渦流控制單元16b中的電壓命令值Vvr和Vm之間停止發生時間延遲，並且由此有可能顯著地減小主逆變器2a和從逆變器2b的輸出電壓之間的誤差。接著，在參考圖2A和2B時將分別給出對逆變器2a和2b的功率轉換器4a和4b的開關時間的描述。傳送裝置18使得電壓命令值vm、Vvr和Vm通過使用逆變器2a和2b中的微計算機等的中斷控制以固定的周期T8傳送和接收。周期T8是功率轉換器4a和4b的開關周期T0的整數倍(在示出的示例中為八倍)，並且被設為來自主逆變器2a的電壓命令值vm、Vra和Vwr的傳送開始的時序和開關時序同步。在此，功率轉換器4a和4b的開關周期Ttl相同。在圖2A和2B中，在主逆變器2a側的微計算機中，記錄從電壓命令值Vur、Vw和v 的傳送開始到結束的時間T.，並且在傳送周期T8流逝之後的下一時序通過傳送中斷過程將其發送到從逆變器2b。在從逆變器2b側的微計算機中，測量從接收的中斷開始時序到結束的時間Tws，獲取與時間Twm(Twm-Tws)的偏差，並且將該偏差存儲在存儲器中作為同步誤差Te (=Twm-Tws)。然後，通過調整開關時序以使從逆變器2b的中斷開始時序與從主逆變器2a傳送電壓命令值Vur、Vw和的時序一致、由此將同步誤差Te調整為零，有可能在不傳送來自主逆變器2a的特殊同步信號的情況下使兩個逆變器2a和2b的開關時序同步。在本實施例中，已給出對其中兩個逆變器並聯連接、一個逆變器是主逆變器且另一逆變器是從逆變器的情況的描述，但是本發明還可應用於其中如圖3所示兩個或更多個從逆變器2b、2c、2d等並聯連接到一個主逆變器2a且從主逆變器2a到每一從逆變器2b、2c、2d等的傳送時間不同的並聯逆變器設備的情況。在這種情況下，通過在主逆變器2a以及除具有最長傳送時間(例如，2d)的從逆變器以外的從逆變器(例如，2b和2c)中的每一個中設置延遲設備、以及根據從主逆變器2a的傳送時間調整每一延遲設備的延遲時間，有可能使所有逆變器的電壓命令值同步，由此將輸出電壓誤差減小到最小值。同樣，針對由每一逆變器中的功率轉換器中的開關元件的變化引起的電壓誤差，通過經由傳送裝置18將所有從逆變器的輸出電流發送到主逆變器2a、以及將這些輸出電流加到具有總電流檢測單元9的主逆變器2a的輸出電流來計算總電流。然後，通過以每一逆變器的輸出電流與通過渦流控制單元16a將並聯逆變器的數量除以總電流的值一致以使主逆變器和從逆變器的輸出電流平衡的方式控制每一逆變器的電壓命令值，有可能進一步減小每一逆變器的輸出電流誤差。雖然上述實施例使得用作交流電動機I的感應電動機使用差頻類型的矢量控制來驅動，但是例如V/f控制也可用作逆變器控制系統。本發明還可用於驅動除交流電動機以外的交流負載的使用多個逆變器的並聯逆變器設備中。
權利要求
1.一種並聯逆變器設備，所述並聯逆變器設備包括將交流電壓供應給單個負載的並聯連接的多個逆變器，其特徵在於， 每一逆變器包括通過半導體開關元件的動作執行直流到交流的轉換且將交流電壓供應給所述負載的功率轉換器、以及功率轉換器控制單元，以及 所述逆變器中的一個逆變器被用作其中所述控制單元計算所述一個逆變器中的功率轉換器的電壓命令值的主逆變器，且另一逆變器被用作根據所述電壓命令值驅動所述另一逆變器中的功率轉換器的從逆變器， 傳送裝置被設置成將所述主逆變器的控制單元算出的電壓命令值傳送到所述從逆變器，並且 所述主逆變器的控制單元包括延遲設備，所述延遲設備使電壓命令值延遲將計算出的電壓命令值傳送到所述從逆變器時所需的傳送時間，且將經所述延遲設備延遲的電壓命令值提供給所述主逆變器的功率轉換器。
2.一種並聯逆變器設備，所述並聯逆變器設備包括將交流電壓供應給單個負載的並聯連接的三個或更多個逆變器，其特徵在於， 每一逆變器包括通過半導體開關元件的動作執行直流到交流的轉換且將交流電壓供應給所述負載的功率轉換器、以及功率轉換器控制單元，以及 所述三個或更多個逆變器中的一個逆變器被用作其中所述控制單元計算所述一個逆變器中的功率轉換器的電壓命令值的主逆變器，且其他逆變器被用作根據所述電壓命令值驅動所述其他逆變器中的功率轉換器的從逆變器， 傳送裝置被設置成將所述主逆變器的控制單元算出的電壓命令值傳送到所述從逆變器， 所述主逆變器中的控制單元包括延遲設備，所述延遲設備使電壓命令值延遲將所算出的電壓命令值傳送到需要最長傳送時間的從逆變器時所需的傳送時間，且將經所述延遲設備延遲的電壓命令值提供給所述主逆變器的功率轉換器，以及 每一從逆變器中的控制單元包括延遲設備，所述延遲設備延遲從所述主逆變器或另一從逆變器傳送的電壓命令值，以將與經所述主逆變器的延遲設備延遲的電壓命令值同步的電壓命令值提供給所述從逆變器的功率轉換器。
3.如權利要求1或2所述的並聯逆變器設備，其特徵在於， 所述從逆變器包括使所述從逆變器的功率轉換器的開關時間與所述主逆變器的功率轉換器的開關時間同步的同步設備。
4.如權利要求1至3中任一項所述的並聯逆變器設備，其特徵在於， 所述主逆變器以固定的周期與所述主逆變器的功率轉換器的開關時間同步地傳送電壓命令值，並且 進行控制以使從所述主逆變器開始傳送電壓命令值起到傳送結束的時間與從所述從逆變器接收電壓命令值的開始到接收結束的時間相等。
5.如權利要求1至4中任一項所述的並聯逆變器設備，其特徵在於， 所述延遲設備調整延遲時間以使所述主逆變器的電壓命令值的大小與所述從逆變器的電壓命令值的大小相等。
全文摘要
本發明提供了一種並聯逆變器設備。並聯連接的逆變器中的每一個包括執行直流到交流的轉換且將交流電壓供應給電動機的功率轉換器；以及功率轉換器控制單元，其中逆變器之一被用作其中控制單元計算該一個逆變器中的功率轉換器的電壓命令值的主逆變器、且另一逆變器被用作根據電壓命令值驅動另一逆變器中的功率轉換器的從逆變器，傳送裝置被設置成傳送電壓命令值，並且主逆變器的控制單元包括延遲設備，該延遲設備使電壓命令值延遲將算出的電壓命令值傳送到從逆變器時所需的傳送時間，且將經延遲設備延遲的電壓命令值提供給主逆變器的功率轉換器。
文檔編號H02M7/493GK103138621SQ20121050754
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月30日 優先權日2011年12月2日
發明者金子貴之 申請人:富士電機株式會社