電流控制型電力轉換器及其輸出電流波形改善方法
2023-11-01 14:07:37 1
專利名稱：電流控制型電力轉換器及其輸出電流波形改善方法
技術領域：
本發明涉及電流控制型電力轉換器以及改善該轉換器的輸 出電流波形的失真的電流控制型電力轉換器的輸出電流波形改 善方法。
背景技術：
日本特開2000-224862號公報(專利文獻l)中公開了以往 的三相四線式的電壓控制型電力轉換器。在該電壓控制型電力轉 換器中，在直流電源的一對直流輸出端子之間，具有串聯連接的 一對電容器，並將一對電容器的連接點作為中性相。
另外，日本特開2007-274825號公報(專利文獻2)中公開 了具有電抗器(reactor)的三相4線式的電壓控制型電力轉換 器，該電抗器中，相對於三相電力轉換器，設置將2組半導體開 關元件串聯連接的中性相臂(arm)，而且， 一端與中性相臂的中 間點連接，另一端作為中性線取出。中性相臂在佔空比50%下互 相開關(switching)。通過對中性相臂的開關元件進行PWM控制， 來消除三次諧波。
專利文獻l:日本特開2000-224862號公報
專利文獻2:日本特開2007-274825號公報
在前者的三相四線式的電壓控制型電力轉換器中，輸出電流 波形會產生比較大的失真。另外，在後者的電壓控制型電力轉換 器中，輸出電流波形的失真雖然小，但是需要設置中性相臂，對 中性相臂進行PWM控制，結構變得複雜。再者，由於以往的電壓 控制型電力轉換器是恆定地控制輸出電壓的電力轉換器，所以， 很難積極地對輸出電流波形的失真進行改善。而且，該問題是利用多相逆變電路，以一對電容器的連接點作為中性相的電流控制 型電力轉換器共同面臨的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種可以改善輸出電流波形的失真的 電流控制型電力轉換器以及電流控制型電力轉換器的輸出電流 波形改善方法。
作為本發明的改良對象的電流控制型電力轉換器具有在直
流電源的一對直流輸出端子之間串聯連接的一對電容器；與一對 直流輸出端子連接的多相逆變電路；和生成用於對多相逆變電路 進行反饋控制的多相的電流指令信號的電流指令信號生成電路， 並將一對電容器的連接點作為中性相。電流指令信號生成電路具 有三次諧波電壓成分生成部，其根據多相逆變電路的多相輸出 電壓，生成與多相的相電壓同步的三次諧波電壓成分；諧波移位 部，其輸出將三次諧波電壓成分向時間上滯後的方向移位所規定 的時間後得到的被移位後的三次諧波電壓成分；和信號減法部， 其將被移位後的三次諧波電壓成分乘以所規定的增益後的減法 信號，從多相的電流指令信號中分別減去，作為多相的被修改後 的電流指令信號輸出到多相逆變電路中。
在具體的三相四線式的電流控制型電力轉換器中，具有在 直流電源的一對直流輸出端子之間串聯連接的一對電容器；三相 逆變電路；電流指令信號生成電路；和柵極信號生成電路。三相 逆變電路包含電橋連接的6個半導體開關元件而構成，並與直流
電源的一對直流輸出端子連接。另外，電流指令信號生成電路生 成用於對6個半導體幵關元件進行反饋控制的三相的電流指令信 號。另外，柵極信號生成電路根據三相的電流指令信號生成用於 PWM控制6個半導體開關元件的柵極信號。在該電流控制型電力 轉換器中，以一對電容器的連接點作為中性相。
本申請發明者發現在三相四線式的電流控制型電力轉換器 中，輸出電流的波形中發生比較大的失真的原因在於輸出電流中所包含的三次諧波電流成分。因此，發明者提出了以下的技術性 思想，並確認其有效。該技術思想為通過將可以除去輸出電流 中所包含的三次諧波電流成分的被修改後的三相的電流指令信 號發給柵極電路，來除去輸出電流中所包含的三次諧波成分。
因此，在本發明的具體構成中，電流指令信號生成電路由三 次諧波電壓成分生成部、諧波移位部、信號減法部構成。三次諧 波電壓成分生成部根據三相逆變電路的三相輸出電壓，生成與三 相的所有相電壓同步的三次諧波電壓成分。另外，諧波移位部輸 出將三次諧波電壓成分向時間上滯後的方向移位所規定的時間 後得到的被移位後的三次諧波電壓成分。
並且，信號減法部將被移位後的三次諧波電壓成分乘以所規 定的增益後的減法信號，從三相的電流指令信號中分別減去，作 為三相的被修改後的電流指令信號輸出到柵極信號生成電路中。 減法信號是輸出電流中所包含的三次諧波電流成分的原因成分。 因此，若使用將減法信號從三相的電流指令信號中減去後得到的 三相的被修改後的電流指令信號，柵極信號生成電路生成柵極信 號，則在從三相逆變電路所輸出的三相的輸出電流波形中就不再 含有諧波成分。因此，根據本發明的電流控制型電力轉換器，可 以改善輸出電流波形的失真。另外，本發明的技術性思想適用於 將一對電容器的連接點作為中性相的電流控制型電力轉換器。
上述的"所規定的時間"以及"所規定的增益"是為了抑制 在多相逆變電路的多相輸出電流中發生基於三次諧波電流成分 的電流波形失真而分別規定的。"所規定的時間"以及"所規定 的增益"也可以這樣規定，即，從未應用本發明的以往的電流控 制型電力轉換器的輸出電流波形中，通過解析來抽出三次諧波電 流成分，並根據該三次諧波電流成分的波形來規定。具體而言， 所規定的時間是指與相對於多相輸出電壓的多相輸出電流中所 包含的三次諧波電流成分的時間滯後部分相當的時間。另外，所 規定的增益是指可以將被移位 的三次諧波電壓成分的振幅規 定為與多相輸出電流中所包含的三次諧波成分的振幅一致。如此，就可以高精度地改善輸出電流波形的失真。
本發明也可以作為改善上述電流控制型電力轉換器中的多 相輸出電流的波形失真的方法來掌握。即，本發明的方法，可以 通過對多相的電流指令信號進行修改，以除去多相輸出電流中所 包含的三次諧波成分，來改善多相輸出電流的波形失真。
在以三相四線式的電流控制型電力轉換器為對象的具體方 法中，首先，根據三相逆變電路的三相輸出電壓，由三相的相電 壓生成與三相的相電壓同步的三次諧波電壓成分。然後，生成將 三次諧波電壓成分分別向時間上滯後的方向移位的三次諧波電 壓成分，以使三次諧波電壓成分的相位與三相輸出電流中所包含 的三次諧波成分的相位一致。另外，將使被移位後的三次諧波電 壓成分的振幅與三相輸出電流中所包含的三次諧波電流成分的 振幅一致的所規定的增益，與被移位後的三次諧波電壓成分相 乘，生成減法信號。最後，將減法信號從三相的電流指令信號中 分別減去，生成三相的被修改後的電流指令信號，並向柵極信號 生成電路輸出。這樣，三相輸出電流波形中就不會包含三次諧波 電流成分，因此，可以改善輸出電流波形的失真。
根據本發明的電流控制型電力轉換器，從多相的電流指令信 號中除去成為生成三次諧波成分的原因的信號的、多相的被修改 後的電流指令信號被輸入到柵極信號生成電路中，所以，從多相 逆變電路的輸出電流，可以獲得實質上不包含三次諧波電流成分 的輸出電流波形。
圖1為表示本發明的電流控制型電力轉換器的實施方式的一 個例子的構成的電路圖。
圖2為表示電流指令信號生成電路以及柵極信號生成電路的 構成的一個例子的圖。
圖3為表示1個相電壓波形、三次諧波電壓成分以及減法信 號的一個例子的波形圖。符號說明
1電流指令信號生成電路
2柵極信號生成電路
3三次諧波電壓成分生成部
4諧波移位部
5信號減法部
Trl Tr6半導體開關元件
C1 C5電容器
CT1 CT3電流檢測器
L1 L3電抗器
D1 D6 二極體
DC直流電源
AC工業交流電源(交流源)
具體實施例方式
下面，參照附圖對本發明的實施方式進行詳細說明。圖l是 表示本發明的電流控制型電力轉換器的實施方式中的一個例子 的構成的電路圖，圖2是表示電流指令信號生成電路以及柵極信 號生成電路的構成的一個例子的圖。圖l所示的三相四線式的電 流控制型電力轉換器，具有在直流電源DC的一對直流輸出端子 之間串聯連接的一對電容器Cl以及C2。另外，在一對直流輸出 端子之間連接有三相逆變電路IV。三相逆變電路IV由電橋連接 的6個半導體開關元件Trl Tr6、和與6個半導體開關元件Tr1 Tr6逆並聯連接的6個二極體D1 D6構成。三相逆變電路IV的 3個輸出端子分別經由電抗器L1 L3連接到交流電源AC的三相 交流線上。另外， 一對電容器Cl以及C2的連接點連接到交流電 源AC的中性相線上。三相交流線和中性相交流線之間分別連接 有電容器C3 C5。電流指令信號生成電路1生成用來對6個半 導體開關元件Trl Tr6進行反饋控制的三相的電流指令信號。 並且柵極信號生成電路2根據三相的電流指令信號，生成用來PWM控制6個半導體開關元件Trl Tr6的柵極信號。
如圖2所示，本實施方式的電流指令信號生成電路1包含三 次諧波電壓成分生成部3、諧波移位部4、信號減法部5。在電流 指令信號生成電路1中，輸入通過3臺電流檢測器CT1 CT3檢 測出的三相交流輸出電流，另外輸入來自三相交流輸出線的輸出 電壓(U相電壓、V相電壓、W相電壓)。中性相線的電壓進一步 檢測出三相的相電壓Vii、 Vv、 Vw，作為控制時的OV基準點，輸 入到電流指令信號生成電路1中。需要說明的是，圖2中沒有顯 示中性相線。
如圖2所示，三次諧波電壓成分生成部3根據三相逆變電路 IV的三相輸出電壓，生成與三相的相電壓波形Vu、 Vv、 Vw同步 的三次諧波電壓成分。圖3表示以相電壓波形Vu為基準的情況 下的三次諧波電壓成分V3。相對於三相的相電壓波形Vu、 Vv、 Vw，僅存在一個三次諧波電壓成分V3。因此，三次諧波電壓成分 V3的相位與三相的相電壓波形Vu、 Vv、 Vw的相位的相位差各不 相同。
諧波移位部4將生成的一個三次諧波電壓成分V3向時間上 滯後的方向移位所規定的時間A t，將移位的一個三次諧波電壓 成分V3'輸出。另外，三次諧波電壓成分生成部3的三次諧波電 壓成分的生成方法由於眾所周知，故省略其說明。信號減法部5 將所規定的增益與被移位後的三次諧波電壓成分V3、相乘後的 一個減法信號A 13，從用於反饋控制的三相的電流指令信號 Iu—:ref Iw—ref中各自減去，作為三相的修改後的電流指令信號 Iux Iwx，輸出到柵極信號生成電路2中。圖3表示將以相電壓 波形Vu為基準的情況下的三次諧波電壓成分V3移位所規定時間 At後得到的被移位後的三次諧波電壓成分V3'，與增益K1相 乘後得到的減法信號A 13。所規定的增益Kl被規定為使被移位 後的三次諧波電壓成分A 13的振幅與三相輸出電流中所包含的 三次諧波電流成分的振幅一致。增益Kl也被作為固定值提前規 定。另外，如果增益K1過大，則電流指令信號和修改後的電流指令信號的相位關係會發生偏離，所以在本實施方式中，該增益
Kl被設定為相位關係不發生偏離程度的很小的值(例如，0.02 以下的值)。
這裡，諧波移位部4中的所規定的時間At以及信號減法部 5中的所規定的增益Kl被分別規定，以便在三相逆變電路IV的 三相輸出電流中，控制由三次諧波電流成分引起的電流波形失真 的發生。具體的所規定的時間A t以及所規定的增益Kl可以通過 解析，從未利用本發明的以往的電流控制型電力轉換器的輸出電 流波形中，抽出三次諧波電流成分，並根據該三次諧波電流成分 的波形提前規定。該三次諧波電流成分，在各自的三相輸出電流 中都以相同的相位被包含。另外，具體而言，所規定的時間At 相當於相對於三相輸出電壓的在三相輸出電流中所包含的三次 諧波電流成分的時間滯後部分的時間。 一般而言，該所規定的時 間△ t可以事先規定以lmsec 10msec作為固定值。
在本實施方式中，從未圖示的電流指令生成單元所輸出的各 相的電流指令信號(U相電流指令信號、V相電流指令信號、W 相電流指令信號)中，減去由電流檢測器CT1 CT3檢測出的U 相電流 W相電流，將進行該減去而得到的信號乘以增益K2，再 將該相乘後得到的信號加上U相電壓 W相電壓，就得到用於反 饋控制的三相的電流指令信號Iu一ref Iw—ref。在得到該用於反 饋控制的三相的電流指令信號Iu—ref Iw一ref時，.加上U相電 壓 W相電壓，是為了使輸出相電流與輸出相電壓同步。
一個減法信號△ 13是三相輸出電流中所包含的三次諧波成 分的原因成分。因此，使用從三相的電流指令信號Iu—ref Iw—ref中減去減法信號A 13而得到的三相的修改後的電流指令 信號Iux Iwx，柵極信號生成電路2就生成P麗控制所需要的柵 極信號3u、 X3u， 3v、 XSv、 Sw、 XSw。另外，柵極信號生成電路 2通過比較器CMP將由載波發生器6所輸出的載波與電流指令信 號Iux Iwx進行比較，生成PWM控制信號所需的柵極信號Su、 XSu、 5v、 X5v、 5w、 XSw。另外，在柵極信號生成電路2中，柵極信號Su、柵極信號Xsu在兩信號之間，追加用於使一對半導體 開關元件不同時處於開通狀態的空白時間(deadtimer)。另外， 在柵極信號生成電路2中，使柵極信號之間絕緣，向各半導體開 關元件Trl Tr6發送柵極信號。
在本發明的方法中，對三相的電流指令信號Iu_ref Iw—ref 進行修改，以便除去三相輸出電流中所包含的三次諧波成分，從 而改善三相輸出電流的波形失真。因此，根據三相逆變電路的三 相輸出電壓，生成與三相電壓同步的一個三次諧波電壓成分V3。 然後，將三次諧波電壓成分V3分別向時間滯後方向移位，生成 被移位後的三次諧波電壓成分V3'，以使三次諧波電壓成分V3 的相位與三相輸出電流中所包含的三次諧波電流成分的相位一 致。另外，用使被移位後的三次諧波電壓成分V3'的振幅與三相 輸出電流中所包含的三次諧波電流成分的振幅一致的所規定的 增益K1，乘以被移位後的三次諧波電壓成分V3'，生成減法信 號AI3。最後，從三相的電流指令信號Iu—ref Iw—ref中分別 減去減法信號AI3，生成三相的被修改後的電流指令信號Iux Iwx，輸出給柵極信號生成電路2。這樣一來，由於在三相輸出電 流波形中不再包含三次諧波電流成分，從而可以改善輸出電流波 形的失真。
.在上述實施方式中，雖然將三相四線式的電流控制型電力轉 換器作為對象，但是本發明也適用於使用多相逆變電路、並且將 一對電容器的連接點作為中性相的電流控制型電力轉換器。
權利要求
1.一種電流控制型電力轉換器的輸出電流波形的改善方法，其改善由電流控制型電力轉換裝置輸出的多相輸出電流的波形失真，上述電流控制型電力轉換裝置具有與直流電源的一對直流輸出端子連接的多相逆變電路，並將在上述直流電源的一對直流輸出端子之間串聯連接的一對電容器的連接點作為中性相，其特徵為修改用於對上述多相逆變電路進行反饋控制的多相的電流指令信號，以便除去包含在上述多相輸出電流中的三次諧波電流成分。
2. 根據權利要求1記載的電流控制型電力轉換器的輸出電流 波形的改善方法，其特徵為根據上述多相逆變電路的多相輸出電壓，生成與多相的相電 壓同步的三次諧波電壓成分；生成將上述三次諧波電壓成分向時間上滯後的方向移位而 得到的被移位後的三次諧波電壓成分，以使上述三次諧波電壓成 分的相位與上述多相輸出電流中所包含的三次諧波電流成分的 相位一致；將使上述被移位後的三次諧波電壓成分的振幅與上述多相 輸出電流中所包含的三次諧波電流成分的振幅一致的所規定的 增益，與上述被移位後的三次諧波電壓成分相乘，生成減法信號；將上述減法信號從上述多相的電流指令信號中分別減去，作 為多相的被修改後的電流指令信號，輸出到上述多相逆變電路 中。
3. 根據權利要求1記載的電流控制型電力轉換器的輸出電 流波形的改善方法，其特徵為'上述多相逆變電路由三相逆變電路構成，該三相逆變電路包 含電橋連接的6個半導體開關元件而構成，並與上述一對直流輸出端子連接；上述電流指令信號生成電路生成用於對上述6個半導體開關元件進行反饋控制的三相的電流指令信號；還具有根據上述三相的電流指令信號生成用於PWM控制上述 6個半導體開關元件的柵極信號的柵極信號生成電路；修改上述三相的電流指令信號，以便除去包含在上述三相輸 出電流中的三次諧波電流成分。
4. 一種電流控制型電力轉換器，其具有在直流電源的一對直流輸出端子之間串聯連接的一對電容器；與上述一對直流輸出端子連接的多相逆變電路；和 生成用於對上述多相逆變電路進行反饋控制的多相的電流 指令信號的電流指令信號生成電路，並將上述一對電容器的連接點作為中性相，其特徵為 上述電流指令信號生成電路，具有三次諧波電壓成分生成部，其根據上述多相逆變電路的多相 輸出電壓，生成與多相的相電壓同步的三次諧波電壓成分；諧波移位部，其輸出將上述三次諧波電壓成分向時間上滯後 的方向移位所規定的時間後得到的被移位後的三次諧波電壓成 分；和信號減法部，其將上述被移位後的三次諧波電壓成分乘以所 規定的增益後的減法信號，從上述多相的電流指令信號中分別減 去，作為多相的被修改後的電流指令信號輸出到上述多相逆變電 路中。
5. 根據權利要求4記載的電流控制型電力轉換器，其特徵為上述多相逆變電路由三相逆變電路構成，該三相逆變電路包 含電橋連接的6個半導體開關元件而構成，並與上述一對直流輸 出端子連接；上述電流指令信號生成電路生成用於對上述6個半導體開關元件進行反饋控制的三相的電流指令信號；還具有根據上述三相的電流指令信號生成用於PWM控制上述6個半導體開關元件的柵極信號的柵極信號生成電路； 上述電流指令信號生成電路，具有三次諧波電壓成分生成部，其根據上述三相逆變電路的三相 輸出電壓，生成與三相的相電壓同步的三次諧波電壓成分；諧波移位部，其輸出將上述三次諧波電壓成分向時間上滯後 的方向移位所規定的時間後得到的被移位後的三次諧波電壓成 分；和信號減法部，其將上述被移位後的三次諧波電壓成分乘以所 規定的增益後的減法信號，從上述三相的電流指令信號中分別減 去，作為三相的被修改後的電流指令信號輸出到上述柵極信號生 成電路中。
6. 根據權利要求5記載的電流控制型電力轉換器，其特徵為上述所規定的時間以及上述所規定的增益是為了抑制在上 述三相逆變電路的三相輸出電流中產生基於三次諧波電流成分 的電流波形失真而分別規定的。
7. 根據權利要求4記載的電流控制型電力轉換器，其特徵為上述所規定的時間是指與相對於上述多相輸出電壓的上述 多相輸出電流中所包含的三次諧波電流成分的時間滯後部分相 當的時間；上述所規定的增益是指將上述被移位後的三次諧波 電壓成分的振幅規定為與上述多相輸出電流中所包含的上述三 次諧波電流成分的振幅一致。
全文摘要
提供一種可以改善輸出電流波形失真的電流控制型電力轉換器。諧波移位部(4)得到以相電壓波形(Vu)為基準的情況下的三次諧波電壓成分(V3)移位所規定時間Δt而得到的被移位後的三次諧波電壓成分(V3′)。信號減法部(5)利用增益(K1)乘以三次諧波電壓成分(V3′)，得到減法信號(ΔI3)，從用於反饋控制的三相的電流指令信號(Iu_ref～Iw_ref)中，分別減去減法信號(ΔI3)，得到三相的被修改後的電流指令信號(Iux～Iwx)。柵極信號生成電路(2)根據三相的被修改後的電流指令信號(Iux～Iwx)，向三相逆變電路(IV)的6個半導體開關元件輸出柵極信號。
文檔編號H02M7/537GK101610040SQ200910149339
公開日2009年12月23日 申請日期2009年6月16日 優先權日2008年6月17日
發明者小林隆, 松崎昭憲 申請人:山洋電氣株式會社