專利名稱：用于pwm交－交變頻器的控制方法和控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及功率變換器，其能將交流電源的輸出轉換成任意頻率，以及更具體地說，涉及使用脈寬調制(PWM)控制系統的PWM交-交變頻器。
背景技術：
由于在PWM交-交變頻器中，交流電源通過用于電力的半導體元件直接連接到負載端，以及能同時控制輸出的電壓和輸入的電流。然而，由于dc電容器不是如在PWM逆變器中一樣存在于PWM交-交變頻器中，不能輸出不低于輸入電壓的電壓。因此，普通使用在其電壓使用率中高的雙相調制(例如，見專利文獻1)。
圖10是表示“用于三相的控制器/三相PWM交-交變頻器”的輸入相位信息的波形的圖。該圖表示三相r，s和t相位和輸入電流命令ir，is和it的波形。區間號IC表示通過以60°間隔劃分輸入電流命令的一個周期所獲得的每一區間的編號。IC號包括0至5，以及分別由三位的二進制數表示。另外，參考信號Be是用于識別其絕對值最大的當前輸入命令的編碼的一個數字位的信號。當Be＝0時，其輸入電流命令的編碼為正，以及當Be＝1時，輸入電流命令的編碼為負。根據Be和IC，理解每一輸入相位的輸入電流命令的絕對值為最小、中間值還是最大。將輸入電流命令的絕對值為最大的輸入相位定義為輸入Bas相位，將輸入電流命令的絕對值為最小的輸入相位定義為輸入Sec相位，以及將絕對值為中間值的輸入相位定義為輸入Top相位。輸入電流分布因子a表示三相輸入電流命令的中間值與最小值的比率。
另一方面，圖11是表示用于三相的控制器/三相PWM交-交變頻器的輸出相位信息的波形的圖。該圖表示u，v和w相位的三相的輸出電壓命令Vu，Vv和Vw的波形。區間號OC表示通過以60°間隔劃分輸入電壓命令的一個周期獲得的每一區間的編號。OC包括0至5，以及每一OC由三位的二進制數表示。當參考信號Be為1時輸出相位電壓命令為最大的輸出相位定義為輸出高(High)相位；當參考信號Be為1時輸出相位電壓命令為最小的輸出相位定義為輸出低(Low)相位；以及輸出相位電壓命令為中間值的輸出相位定義為輸出中間(Middle)相位。
輸出電壓命令函數Fh表示具有與在圖11中的輸出相位電壓命令下所示的輸出相位電壓命令的振幅1的相同頻率和相同相位的三相對稱正弦波的最大值和最小值間的差值。另一輸出電壓命令函數Fm表示中間值和最小值間的差值。在輸出電壓命令函數Fh和Fm的基礎上，輸入電流命令的輸入電流分布因子a、參考信號Be、相位r的輸入電流命令的相位γ，以及電源線電壓Vrs、Vst等等，獲得有效dc電壓Ed、輸出高(High)相位和輸出低(Low)相位間的線電壓命令的絕對值Vh*，以及輸出中間(Middle)相位和輸出低(Low)相位間的線電壓命令的絕對值，以便根據下述公式計算切換時間T0h，T1h，T0m和T1m。
Ed＝Δetop+a*Δesec，在這種情況下，Δetop輸入Top相位和輸入Bas相位間的線電壓的絕對值，Δesec輸入Sec相位和輸入Bas相位間的線電壓的絕對值。
Vh*＝Fh*V*Vm*＝Fm′*V*，T0h/T2＝1-(1+a)*Vh*/Ed，T1h/T2＝1-Vh*/Ed，T0m/T2＝1-(1+a)*Vm*/Ed，T1m/T2＝1-Vm*/Ed，在這種情況下，T2載波頻率的半周期。
通過根據上述公式獲得的切換時間，布置切換模式SP0h，SP1h，SP0m和SP1m。
圖12表示用于三相的控制器/三相PWM交-交變頻器的切換模式的圖。圖12(a)表示輸出高(High)相位的模式SP0h和SP1h，以及圖12(b)表示輸出中間(Middle)相位的模式SP0m和SP1m。在該圖中，T2表示斬波載波的半周期。T0h和T1h表示具有SP0h和SP1h的載波斬波的比較時間。T0m和T1m表示具有SP0m和SP1m的載波斬波的比較時間。PJh和PJm表示通過轉換SP0h和SP0m獲得的轉換模式。
在上述切換模式中，例如，當“SP1h＝1且SP0h＝1”時，接通輸出高(High)相位和輸入Bas相位(其輸入電流命令的絕對值最大的輸入相位)間的開關。另外，當“SP1h＝1且SP0h＝0”時，接通輸出高(High)相位和輸入Sec相位(絕對值為最小的輸入相位)間的開關。另外，當“SP1h＝0且SP0h＝0”時，通過接通輸出高(High)相位和輸入Top相位(絕對值為中間值的輸入相位)間的開關的切換模式，執行驅動操作。專利文獻1JP-A-11-341807(圖2，圖3和圖5)。
發明內容
然而，在專利文獻1中公開的PWM交-交變頻器中，當僅由具有一個固定相位的雙向調制形成輸出電壓時，在輸出低電壓期間出現降低電壓精度的現象。該現象由于當執行切換操作時執行不生成輸入的短路或輸出的斷路的換向(commutation)操作而產生。因此，可能會導致待驅動的負載的扭矩的脈動或衰減。
作為解決該問題的手段，例示一種三相調制，其中所有三個相位在輸出低電壓期間切換。然而，在三相調制中，由于切換輸出相位的三相，增加切換損耗，以致出現需要增加半導體元件的額定值或需要復查冷卻系統的問題。
因此，本發明的目的是提供一種用于PWM交-交變頻器的控制方法和控制器，其中，留下PWM交-交變頻器的輸入電流控制的自由度以及通過與雙相調制相同的切換損耗，在所有速度區中以高的電壓精度實現三相調制。
為解決上述問題，根據權利要求1，提供一種控制作為功率轉換器的PWM交-交變頻器的方法，功率轉換器通過雙向半導體開關，用于將三相交流電源的每一相直接連接到具有三相輸出的功率轉換器的每一相，雙向半導體開關是僅在一個方向中提供電流以及能分別獨立地接通和斷開的兩個單向半導體開關的組合，其中，當三相交流電源的最高電勢的相位稱為最大電勢相位時，中間電勢的相位稱為中間電勢相位以及最低電勢的相位稱為最小電勢相位，該方法包括用于有選擇地接通和斷開雙向半導體開關的步驟；以及用于向輸出端端子輸出最大電勢相位、中間電勢相位和最小電勢相位的步驟。
根據權利要求2，提供如權利要求1所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，通過在PWM交-交變頻器中的雙極調制，通過中間電勢相位交替地輸出最大電勢相位和最小電勢相位。
根據權利要求3，提供如權利要求1所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，在短的時間間隔內，以短的時間間隔重復雙向半導體開關的接通和斷開操作，輸出端端子的第一端依次輸出最大電勢相位、中間電勢相位和最大電勢相位，輸出端端子的第二端依次輸出最大電勢相位、中間電勢相位、最小電勢相位、中間電勢相位和最大電勢相位，以及輸出端端子的第三端依次輸出中間電勢相位、最小電勢相位和中間電勢相位。
根據權利要求4，提供如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，以下述方式，在載波的一個周期的九個區間中切換電勢在第一區間和第九區間中，最大電勢、最大電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第二區間和第八區間中，最大電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第三區間和第七區間中，中間電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第四區間和第六區間中，中間電勢、中間電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，以及在第五區間中，中間電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子。
根據權利要求5，提供如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，當輸入電壓的絕對值為最大的相位為負時，以如權利要求4描述的順序的方式切換電勢，以及當輸入電壓的絕對值為最大的相位為正時，以下述方式切換電勢在第一區間和第九區間中，中間電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，在第二區間和第八區間中，中間電勢、中間電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，在第三區間和第七區間中，中間電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第四區間和第六區間中，最大電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，以及在第五區間中，最大電勢、最大電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子。
根據權利要求6，提供如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，以下述方式，在載波的一個周期的十一個區間中切換電勢在第一區間和第十一區間中，最大電勢、最大電勢和最大電勢連接到三個輸出端端子，在第二區間和第十區間中，最大電勢、最大電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第三區間和第九區間中，最大電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第四區間和第八區間中，中間電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第五區間和第七區間中，中間電勢、中間電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，以及在第六區間中，中間電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子。
根據權利要求7，提供如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，當輸入電壓的絕對值為最大的相位為負時，以如權利要求6描述的順序切換電勢，以及當輸入電壓絕對值為最大的相位為正時，以下述方式切換電勢在第一區間和第十一區間中，最小電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，在第二區間和第十區間中，中間電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端子，在第三區間和第九區間中，中間電勢、中間電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，在第四區間和第八區間中，中間電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第五區間和第七區間中，最大電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，以及在第六區間中，最大電勢、最大電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子。
根據權利要求8，提供如權利要求3或4所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，由公式(1)獲得第一區間和第九區間的連接時間，由公式(2)獲得第二區間和第八區間的連接時間，由公式(3)獲得第三區間和第七區間的連接時間，由公式(4)獲得第四區間和第六區間的連接時間，由公式(5)獲得第五區間的連接時間，以便切換電勢。
區間1和9的連接時間=EmaxTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(1)]]>區間2和8的連接時間=EmaxTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(2)]]>區間3和7的連接時間=Ts2(1-(Emax-Emin)(Vmax-Vmin){Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)})---(3)]]>區間4和6的連接時間=-EminTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(4)]]>區間5的連接時間=-2EminTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(5)]]>在這種情形下，公式中的符號定義如下。
Ts區間1至9的重復時間Vmax輸出相位電壓命令的最大值Vmid輸出相位電壓命令的中間值Vmin輸出相位電壓命令的最小值Emax輸入電壓的最大值Emid輸入電壓的中間值Emin輸入電壓的最小值。
根據權利要求9，提供如權利要求3或5所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，在如權利要求8中描述的公式(1)至(5)中獲得的連接時間中，連接區間1至9，以及當輸入電壓的絕對值為最大的相位為正時，由公式(6)獲得第一區間和第九區間的連接時間，由公式(7)獲得第二區間和第八區間的連接時間，由公式(8)獲得第三區間和第七區間的連接時間，由公式(9)獲得第四區間和第六區間的連接時間，由公式(10)獲得第五區間的連接時間，以便切換電勢。
區間1和9的連接時間=-EminTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(6)]]>區間2和8的連接時間=-EminTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(7)]]>區間3和7的連接時間=Ts2(1-(Emax-Emin)(Vmax-Vmin){Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)})---(8)]]>區間4和6的連接時間=EmaxTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(9)]]>
區間5的連接時間=2EmaxTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(10)]]>在這種情況下，公式中的符號定義如下。
Ts區間1至9的重復時間Vmax輸出相位電壓命令的最大值Vmid輸出相位電壓命令的中間值Vmin輸出相位電壓命令的最小值Emax輸入電壓的最大值Emid輸入電壓的中間值Emin輸入電壓的最小值。
根據權利要求10，提供如權利要求3或6所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，由公式(1)獲得第二區間和第十區間的連接時間，由公式(2)獲得第三區間和第九區間的連接時間，由公式(3)獲得第一區間+第四區間的總區間和第八區間+第十一區間的總區間的連接時間，由公式(4)獲得第五區間和第七區間的連接時間，由公式(5)獲得第六區間的連接時間，以便切換電勢。
區間2和10的連接時間=EmaxTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(1)]]>區間3和9的連接時間=EmaxTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(2)]]>區間1+4的總時間和區間8+11的總時間=T22(1-(Emax-Emin)(Vmax-Vmin){Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)})---(3)]]>
區間5和7的連接時間=-EminTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(4)]]>區間6的連接時間=-2EminTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(5)]]>在這種情況下，公式中的符號定義如下。
Ts區間1至11的重復時間Vmax輸出相位電壓命令的最大值Vmid輸出相位電壓命令的中間值Vmin輸出相位電壓命令的最小值Emax輸入電壓的最大值Emid輸入電壓的中間值Emin輸入電壓的最小值。
根據權利要求11，提供如權利要求3或7所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，在通過如權利要求10中所述的公式(1)至(5)獲得的連接時間中，連接區間1至11，以及當輸入電壓的絕對值為最大的相位為正時，由公式(6)獲得第二區間和第十區間的連接時間，由公式(7)獲得第三區間和第九區間的連接時間，由公式(8)獲得第一區間+第四區間的總區間和第八區間+第十一區間的總區間的連接時間，由公式(9)獲得第五區間和第七區間的連接時間，由公式(10)獲得第六區間的連接時間，以便切換電勢。
區間2和10的連接時間=-EminTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}]]>
(6)區間3和9的連接時間=-EminTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(7)]]>區間1+4的總時間和區間8+11的總時間=Ts2(1-(Emax-Emin)(Vmax-Vmin){Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)})---(8)]]>區間5和7的連接時間=EmaxTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(9)]]>區間6的連接時間=2EmaxTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}---(10)]]>在這種情況下，公式中的符號定義如下。
Ts區間1至11的重復時間Vmax輸出相位電壓命令的最大值Vmid輸出相位電壓命令的中間值Vmin輸出相位電壓命令的最小值Emax輸入電壓的最大值Emid輸入電壓的中間值Emin輸入電壓的最小值。
根據權利要求12，提供如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，在載波的一個周期的九個區間中，切換電勢，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，根據如權利要求4所述的順序切換電勢，以及當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，根據如權利要求5所述的順序切換電勢。
根據權利要求13，提供如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，在載波的一個周期的十一個區間中，切換電勢，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，根據如權利要求6所述的順序切換電勢，以及當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，根據如權利要求7所述的順序切換電勢。
根據權利要求14，提供如權利要求3或5所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，將電勢切換到第一區間至第九區間，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，根據在權利要求8中所述的公式(1)至(5)獲得的連接時間，將電勢切換到第一區間至第九區間，以及當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，根據在權利要求9中所述的公式(6)至(10)獲得的連接時間，將電勢切換到第一區間至第九區間。
根據權利要求15.如權利要求3或5所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，將電勢切換到第一區間至第十一區間，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，根據在權利要求10中所述的公式(1)至(5)中獲得的連接時間，將電勢切換到第一區間至第十一區間，以及當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，根據在權利要求11中所述的公式(6)至(10)中獲得的連接時間，將電勢切換到第一區間至第十一區間。
根據權利要求16.提供一種用于控制PWM交-交變頻器的裝置，PWM交-交變頻器用于通過雙向半導體開關，將三相交流電源的每一相直接連接到具有三相輸出的功率轉換器的每一相位，雙向半導體開關是僅在一個方向中提供電流并能分別獨立地接通和斷開的兩個單向半導體開關的組合，該裝置包括插在三相交流電電源和雙向開關組之間的輸入濾波器；輸入功率振幅/相位檢測器，其用于從輸入濾波器的輸入端檢測電壓，以便檢測用于控制PWM交-交變頻器的輸入相位電壓Er、Es和Et以及輸入電壓相位θe；電壓命令發生器，用于輸入速度命令Nref以便計算輸出電壓Vref和輸出電壓相位θv；以及脈沖發生分配器，用于由輸入相位電壓Er，Es和Et、輸入電壓相位θe、輸出電壓Vref和輸出電壓相位θv，分別計算雙向開關的接通/斷開時間。
根據權利要求17，提供如權利要求16所述的用于控制PWM交-交變頻器的裝置，其中，脈沖發生分配器通過使用如權利要求1至15的任何一個所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，控制雙向開關接通/斷開。
本發明的優點根據本發明，由于能同時實現與雙向調制相同切換損耗，以及與三相調制相同的電壓精度以及能精確地輸出電壓，能有效地提供具有低損耗和良好精度的功率轉換器。
圖1是根據本發明的PWM交-交變頻器的控制框圖。
圖2是表示形成圖1所示的PWM交-交變頻器的主電路的雙向開關的連接例子的圖。
圖3是表示用于說明本發明的切換系統的輸入相位的部分的圖。
圖4是表示用于說明本發明的切換系統的輸出相位的部件的圖。
圖5是表示本發明中的輸入區間“0”和輸出區間“0”的切換模式的圖。
圖6是表示本發明中的輸入區間“1”和輸出區間“0”的切換模式的圖。
圖7表示分別說明根據本發明的切換模式的電壓波形例子的圖。
圖8表示分別說明當區間數為11時根據本發明的切換模式的電壓波形例子的圖。
圖9表示分別用于說明本發明的效果的電壓波形的比較圖。
圖10是用于三相的普通控制器/三相PWM交-交變頻器的輸入相位信息的波形圖。
圖11是用于三相的普通控制器/三相PWM交-交變頻器的輸出相位信息的波形圖。
圖12是表示用于三相的普通控制器/三相PWM交-交變頻器的切換模式的圖。
參考數字和符號的描述1 三相交流電源2 輸入濾波器3 雙向開關組4 輸入電壓振幅/相位檢測器5 電壓命令發生器6 脈沖生成分配器7 負載電機具體實施方式
現在，將參考附圖描述本發明的實施例。
第一實施例圖1是根據本發明的PWM交-交變頻器的控制框圖。
圖2是表示形成圖1所示的PWM交-交變頻器的主電路的雙向開關的連接例子的圖。
圖3是表示用于說明本發明的切換系統的輸入相位的部分的圖。
圖4是表示用于說明本發明的切換系統的輸出相位的部件的圖。
圖5是表示本發明中的輸入區間0和輸出區間0的切換模式的圖。
圖6是表示本發明中的輸入區間1和輸出區間0的切換模式的圖。
圖7表示分別說明根據本發明的切換模式的電壓波形例子的圖。
圖8表示分別說明當區間數為11時根據本發明的切換模式的電壓波形例子的圖。
圖9表示分別用于說明本發明的效果的電壓波形的比較圖。
在圖1中，在三相交流電源1和包括雙向開關Sur至Swt的雙向開關組3之間提供輸入濾波器2。雙向開關組3的輸出連接到負載電機7。輸入濾波器2和雙向開關組3形成PWM交-交變頻器的主電路。從輸入濾波器2的輸入端(初級端)檢測電壓以便通過輸入功率振幅/相位檢測器4，檢測用于控制PWM交-交變頻器所需的輸入相位電壓Er、Es和Et，以及輸入電壓相位θe。另一方面，通過電壓命令發生器5輸入速度命令Nref以便計算輸出電壓Vref和輸出電壓相位θv。脈沖生成分配器6由輸入相位電壓Er、Es和Et、輸入電壓相位θe，輸出電壓Vref和輸出電壓相位θv，計算雙向開關Sur至Swt的九個接通/斷開時間。可以通過使反向阻斷式IGBTs彼此反向并聯結合，或通過使串聯連接到IGBTs的二極管彼此反向并聯結合，如圖2所示，可以形成雙向開關Sur至Swt。
現在，在下文中將詳細地主要描述脈沖生成分配器6的過程。
PWM交-交變頻器是其中通過雙向開關使輸入(電源端)直接連接輸出(負載端)以及能由交流直接形成交流的功率變換器。如圖3所示，將三相電源1的輸入電壓相位劃分成12區間。另外，如圖4所示，輸出電壓相位劃分成6區間。輸入和輸出電壓的每一相位的電勢根據相位不斷地變化。
其中，在下文中將分別描述圖3至7的關聯。
圖3是用于說明本發明的切換系統的輸入相位的區間的圖。由于輸入端連接到商業電源，輸入端具有50Hz或60Hz長度的預定周期。圖4是表示用于說明本發明的切換系統的輸出相位的區間的圖。輸出相位根據實際電機的角度而改變。
對應于圖3中的輸入區間“0”的圖4中的輸出區間具有6個模式“0”至“5”。類似地，對應于圖3中的輸入區間“1”的圖4中的輸出區間也具有6個模式“0”至“5”。對應于圖3中的輸入區間“2”的圖4中的輸出區間也具有6個模式“0”至“5”。因此，對應于圖3中的所有輸入區間“0”至“11”12個區間的圖4中的輸出區間包括72個模式12×6。
圖5和7(a)分別表示當輸入相位為“0”以及輸出相位為“0”時，開關ON模式和電壓波形例子。圖6和7(b)分別表示當輸入相位為“1”以及輸出相位為“0”時，開關ON模式和電壓波形例子。
現在，考慮圖3的輸入區間為“0”以及圖4的輸出區間為“0”的情形時，圖7(a)中的區間1至9進入上述區間許多次。通過使用實際數值說明上述情形。假定輸入電源具有50Hz以及輸出頻率為50Hz，當輸入與輸出同步以及它們的相位相同時，輸入區間“0”具有20ms/12＝1.67ms。假定載波頻率具有10kHz，由于一個周期具有100μs，圖7中所示的模式在輸入區間“0”中出現16次或17次。
現在，將首先描述輸入電壓相位區間“0”和輸出電壓相位區間“0”的過程。圖5表示用于實現本發明的切換系統的雙向開關的切換模式。圖5中所示的表的項將分別從左側描述。[輸出相位]表示相關區間是區間“0”以及輸出相位區間0至60度，如圖4所示，以及最大值Vmax＝Vu，中間值Vmid＝Vv以及最小值Vmin＝Vw，下一[區間]a，b，c，d和e對應于圖7所示的下述區間。
下一[Vmax]在此表示Vu，以及表示通過三位連接到輸入電壓Er、Es和Et的三個端子UR、US和UT的開/關。[Vmax]在區間a中表示“010”。類似地，在區間a中，[Vmid]表示“001”以及[Vmin]表示“001”。在下一區間b中，Vmax表示“010”，Vmid表示“010”和Vmin表示“001”...。用這種方式，根據圖5所示的開/關模式，接通/斷開雙向開關Sur至Swt。其中，用“1”表示接通，以及用“0”表示斷開。
圖7(a)表示根據圖5所示的模式，執行切換操作(與載波比較或矢量計算)時的電壓波形。在圖7(a)中，Ebase表示參考輸入電壓。在該區間中，輸出表示Emax＝Ebase的電壓波形。區間1至9中的區間1至5對應于圖5中所示的切換模式圖的區間a-e。另外，P、M和N對應于P＝a最大值，M＝中間值，以及N＝最小值。
最上輸入電壓開關塊Emax、Emid和Emin對應于輸出電壓端的Vmax。下一塊Emax、Emid和Emin對應于Vmid。最后塊Emax、Emid和Emin對應于Vwin。在它們下面所示的dVmax＝Vmax-Vmin，dVmid1＝Vmax-Vmid和dVmid2＝Vmid-Vmin表示輸出線電壓(上述描述表示權利要求1中公開的內容)。
另外，所涂去的區間3和7表示所謂零矢量，其中，所有開關均連接到輸入電壓的中間相位Emid。
圖7(a)中所示的切換時間1至9能如表1所示。在該表中的公式的編號與在權利要求中所述的公式的編號相同。
表1
現在，將根據圖6和圖7(b)，分別描述當圖3中的輸入相位為“1”以及圖4中的輸出相位為“0”時的開關ON模式和電壓波形例子。在圖6中，在區間a中，Vmax＝Vu表示“100”，Vmid＝Vv表示“100”以及Vmin＝Vw表示“010”。在下一區間b中，Vmax＝Vu表示“100”，Vmid＝Vv表示“010”以及Vmin＝Vw表示“010”...。(下文與上文相同)。
在表示對應于圖6中的切換模式的輸出電壓波形的圖7(b)中，上層表示分別由Emax，Emid和Emin表示的Vmax，Vmid和Vmin，以及下層分別表示線電壓dVmax＝Vmax-Vmin，dVmid1＝Vmax-Vmid和dVmid2＝Vmid-Vmin。
在圖7(b)中所示的電壓波形中，在區間中，當Emin＝Ebase時，參考輸入電勢Ebase輸出電壓波形。圖7(b)中的切換時間1至9能如表2所示。表中的公式的編號與權利要求中所述的公式的編號相同。
表2
在圖3中的輸出區間“0”和圖4中的輸出區間“0”的情況下，以及在圖3中的輸入區間“1”以及圖4中的輸出區間“0”的情況下，在上面分別描述了開關ON模式和電壓波形例子。作為剩余區間，在圖3中的輸入區間“0”以及圖4中的輸出區間“1”至“5”的情況下，在圖3中的輸入區間“1”以及圖4中的輸出區間“1”至“5”的情況下，以及在圖3中的輸入區間“2”至“11”以及分別對應于區間的圖4中的輸出區間“0”至“5”的情況下，可以用相同的方式分別獲得開關ON模式和電壓波形例子。
如上所述，即使當輸出相同的輸出相位時，如果輸入電壓的相位不同，切換圖7(a)和(b)以便輸出該輸出相位。
權利要求3公開了上述切換模式。(其中，在圖7(a)和7(b)的關系中，即，圖5和圖6間的關系，圖6和7(b)表示當輸入電壓的絕對值為最大值的相位為負時，Emin＝Ebase的情形，以及圖5和7(a)表示當輸入電壓的絕對值為最大的相位為正時，Emax＝Ebase的情形。權利要求3公開了圖7(a)的結構。因此，在權利要求3中所公開的“最大電勢相位，中間電勢相位，最大電勢相位...”表示例如Vmax從PPMMM至MMMPP。第二“最大電勢相位、中間電勢相位、最小電勢相位、中間電勢相位以及最大電勢相位”表示Vmid從PMMMN至NMMMP。第三“中間電勢相位、最小電勢相位和中間電勢相位”是指Vmin從MMMNN至NNMMM。
對類似于權利要求4中公開的第一和第九區間中的“最大電勢、最大電勢和中間電勢”的連接是指圖7(a)中的第一和第九區間中的PPM的縱向排列，即，包括VmaxP，VmidP以及VminM的PPM的列。第二和第八區間中的“最大電勢、中間電勢和中間電勢”是指包括第二和第八區間中的VmaxP、VmidM和VminM的PMM的列。第三和第七區間中的“中間電勢、中間電勢和中間電勢”是指包括VmaxM、VmidM和VminM的MMM的列。第四和第六區間中的“中間電勢、中間電勢和最小電勢”是指包括VmaxM、VmidM和VminN的MMN的列。第五區間中的“中間電勢、最小電勢和最小電勢”是指分別包括VmaxM、VmidN和VminN的MNN的列。權利要求4公開了圖7(a)的情形，其中輸入電壓的絕對值最大的相位為負(Emin＝Ebase)，以及權利要求5公開了圖7(b)的情形，其中輸入電壓的絕對值的相位為正(Emax＝Ebase)。
接著，在下文中將描述圖8(a)和8(b)所示的區間數11的切換模式。在切換模式中，在圖7(a)和7(b)中所示的模式的第一區間前和第九區間后提供新區間“1”和“9”并分別連接到參考電勢來增加零矢量的區間。在這種情況下的連接時間由下述公式表示。
區間1’+3的總時間和區間7+9’的總時間
=Ts2(1-(Emax-Emin)(Vmax-Vmin){Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)})]]>該公式與表1和2中所示的公式(3)和(8)相同。除上述時間外的其他切換時間由與公式(1)至(10)相同的公式表示，由參考電勢的狀態而定。
權利要求6公開了當輸入電壓的絕對值為最大的相位為負(Emin＝Ebase)時，圖8(a)中的切換模式。權利要求7公開了當輸入電壓的絕對值的相位為正(Emax＝Ebase)時，圖8(b)中的切換模式。
通常，作為PWM交-交變頻器的控制系統，通常采用雙相調制系統，其中，輸出一相固定到參考電勢，以及線電壓由其他兩相形成。關于線電壓，用于通過所提出的系統(本發明)形成線電壓的例子如圖9(a)所示。普通例子如圖9(b)所示。在圖9(a)和9(b)中，電勢都被切換九次。該現象表示切換損耗在作為普通系統的雙相調制系統和本發明的系統間是相同的。
然而，當輸出低電壓時，在普通系統的情況下，dVmax和dVmind2的區域大，需要降低脈沖的寬度。在那種情況下，根據導致電壓誤差的切換狀況，不精確地輸出電壓。然而，在本發明的所提出的系統的情況下，如上所述，采用特性調制系統和有效切換模式。因此，即使當減少命令時，不縮短相位電壓的切換時間，因此，即使在低電壓下，也能精確地輸出電壓。
當通過使用PWM交-交變頻器驅動電機時，當以低速驅動電機時需要降低輸出電壓。然而，在普通系統中，出現在輸出低電壓期間電壓精度降低的問題。因此，采用本發明以便能精確地輸出電壓。本發明極其有效地用作以良好精度從低速驅動電機的不可缺少的技術。
權利要求
1.一種控制作為功率轉換器的PWM交-交變頻器的方法，所述功率轉換器通過雙向半導體開關，用于將三相交流電源的每一相直接連接到具有三相輸出的功率轉換器的每一相，所述雙向半導體開關是僅在一個方向中提供電流以及能分別獨立地接通和斷開的兩個單向半導體開關的組合，其中，當三相交流電源的最高電勢的相位稱為最大電勢相位時，中間電勢的相位稱為中間電勢相位以及最低電勢的相位稱為最小電勢相位，所述方法包括用于有選擇地接通和斷開雙向半導體開關的步驟；以及用于向輸出端端子輸出最大電勢相位、中間電勢相位和最小電勢相位的步驟。
2.如權利要求1所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，通過所述PWM交-交變頻器中的雙極調制，通過中間電勢相位交替地輸出最大電勢相位和最小電勢相位。
3.如權利要求1所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，在短的時間間隔內，以短的時間間隔重復所述雙向半導體開關的接通和斷開操作，所述輸出端端子的第一端依次輸出最大電勢相位、中間電勢相位和最大電勢相位，所述輸出端端子的第二端依次輸出最大電勢相位、中間電勢相位、最小電勢相位、中間電勢相位和最大電勢相位，以及所述輸出端端子的第三端依次輸出中間電勢相位、最小電勢相位和中間電勢相位。
4.如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，以下述方式，在載波的一個周期的九個區間中切換電勢在第一區間和第九區間中，最大電勢、最大電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第二區間和第八區間中，最大電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第三區間和第七區間中，中間電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第四區間和第六區間中，中間電勢、中間電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，以及在第五區間中，中間電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子。
5.如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，以下述方式切換電勢在第一區間和第九區間中，中間電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，在第二區間和第八區間中，中間電勢、中間電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，在第三區間和第七區間中，中間電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第四區間和第六區間中，最大電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，以及在第五區間中，最大電勢、最大電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子。
6.如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，以下述方式，在載波的一個周期的十一個區間中切換電勢在第一區間和第十一區間中，最大電勢、最大電勢和最大電勢連接到三個輸出端端子，在第二區間和第十區間中，最大電勢、最大電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第三區間和第九區間中，最大電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第四區間和第八區間中，中間電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第五區間和第七區間中，中間電勢、中間電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，以及在第六區間中，中間電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子。
7.如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，當輸入電壓絕對值最大的相位為正時，以下述方式切換電勢在第一區間和第十一區間中，最小電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，在第二區間和第十區間中，中間電勢、最小電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，在第三區間和第九區間中，中間電勢、中間電勢和最小電勢連接到三個輸出端端子，在第四區間和第八區間中，中間電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，在第五區間和第七區間中，最大電勢、中間電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子，以及在第六區間中，最大電勢、最大電勢和中間電勢連接到三個輸出端端子。
8.如權利要求3或4所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，由公式(1)獲得第一區間和第九區間的連接時間，由公式(2)獲得第二區間和第八區間的連接時間，由公式(3)獲得第三區間和第七區間的連接時間，由公式(4)獲得第四區間和第六區間的連接時間，由公式(5)獲得第五區間的連接時間以便切換電勢[數學公式1]區間1和9的連接時間=EmaxTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(1)]]>區間2和8的連接時間=EmaxTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(2)]]>區間3和7的連接時間=Ts2(1-(Emax-Emin)(Vmax-Vmin){Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)})...(3)]]>區間4和6的連接時間=-EminTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(4)]]>區間5的連接時間=-2EminTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(5)]]>Ts區間1至9的重復時間Vmax輸出相位電壓命令的最大值Vmid輸出相位電壓命令的中間值Vmin輸出相位電壓命令的最小值Emax輸入電壓的最大值Emid輸入電壓的中間值Emin輸入電壓的最小值。
9.如權利要求3或5所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，由公式(6)獲得第一區間和第九區間的連接時間，由公式(7)獲得第二區間和第八區間的連接時間，由公式(8)獲得第三區間和第七區間的連接時間，由公式(9)獲得第四區間和第六區間的連接時間，由公式(10)獲得第五區間的連接時間以便切換電勢[數學公式2]區間1和9的連接時間=-EminTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(6)]]>區間2和8的連接時間=-EminTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(7)]]>區間3和7的連接時間=Ts2(1-(Emax-Emin)(Vmax-Vmin){Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)})...(8)]]>區間4和6的連接時間=EmaxTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(9)]]>區間5的連接時間=2EmaxTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(10)]]>Ts區間1至9的重復時間Vmax輸出相位電壓命令的最大值Vmid輸出相位電壓命令的中間值Vmin輸出相位電壓命令的最小值Emax輸入電壓的最大值Emid輸入電壓的中間值Emin輸入電壓的最小值。
10.如權利要求3或6所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，由公式(1)獲得第二區間和第十區間的連接時間，由公式(2)獲得第三區間和第九區間的連接時間，由公式(3)獲得第一區間+第四區間的總區間和第八區間+第十一區間的總區間的連接時間，由公式(4)獲得第五區間和第七區間的連接時間，由公式(5)獲得第六區間的連接時間以便切換電勢[數學公式3]區間2和10的連接時間=EmaxTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(1)]]>區間3和9的連接時間=EmaxTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(2)]]>區間1+4的總時間和區間8+11的總時間=Ts2(1-(Emax-Emin)(Vmax-Vmin){Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)})...(3)]]>區間5和7的連接時間=-EminTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(4)]]>區間6的連接時間=-2EminTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(5)]]>Ts區間1至11的重復時間Vmax輸出相位電壓命令的最大值Vmid輸出相位電壓命令的中間值Vmin輸出相位電壓命令的最小值Emax輸入電壓的最大值Emid輸入電壓的中間值Emin輸入電壓的最小值。
11.如權利要求3或7所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，由公式(6)獲得第二區間和第十區間的連接時間，由公式(7)獲得第三區間和第九區間的連接時間，由公式(8)獲得第一區間+第四區間的總區間和第八區間+第十一區間的總區間的連接時間，由公式(9)獲得第五區間和第七區間的連接時間，由公式(10)獲得第六區間的連接時間以便切換電勢[數學公式4]區間2和10的連接時間=-EminTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(6)]]>區間3和9的連接時間=-EminTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(7)]]>區間1+4的總時間和區間8+11的總時間=Ts2(1-(Emax-Emin)(Vmax-Vmin){Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)})...(8)]]>區間5和7的連接時間=EmaxTs(Vmax-Vmid)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(9)]]>區間6的連接時間=2EmaxTs(Vmid-Vmin)2{Emax(Emax-Emid)-Emin(Emid-Emin)}...(10)]]>Ts區間1至11的重復時間Vmax輸出相位電壓命令的最大值Vmid輸出相位電壓命令的中間值Vmin輸出相位電壓命令的最小值Emax輸入電壓的最大值Emid輸入電壓的中間值Emin輸入電壓的最小值。
12.如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，在載波的一個周期的九個區間中切換電勢，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，根據如權利要求4所述的順序切換電勢，以及當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，根據如權利要求5所述的順序切換電勢。
13.如權利要求3所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，在載波的一個周期的十一個區間中切換電勢，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，根據如權利要求6所述的順序切換電勢，以及當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，根據如權利要求7所述的順序切換電勢。
14.如權利要求3或5所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，將電勢切換到第一區間至第九區間，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，根據在權利要求8中所述的公式(1)至(5)獲得的連接時間，將電勢切換到第一區間至第九區間，以及當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，根據在權利要求9中所述的公式(6)至(10)獲得的連接時間，將電勢切換到第一區間至第九區間。
15.如權利要求3或7所述的用于控制PWM交-交變頻器的方法，其中，將電勢切換到第一區間至第十一區間，當輸入電壓的絕對值最大的相位為負時，根據在權利要求10中所述的公式(1)至(5)中獲得的連接時間，將電勢切換到第一區間至第十一區間，以及當輸入電壓的絕對值最大的相位為正時，根據在權利要求11中所述的公式(6)至(10)中獲得的連接時間，將電勢切換到第一區間至第十一區間。
16.一種用于控制PWM交-交變頻器的裝置，所述PWM交-交變頻器用于通過雙向半導體開關，將三相交流電源的每一相直接連接到具有三相輸出的功率轉換器的每一相位，所述雙向半導體開關是僅在一個方向中提供電流并能分別獨立地接通和斷開的兩個單向半導體開關的組合，所述裝置包括插在所述三相交流電電源和雙向開關組間的輸入濾波器；輸入功率振幅/相位檢測器，用于從所述輸入濾波器的輸入端檢測電壓以便檢測用于控制所述PWM交-交變頻器的輸入相位電壓Er、Es和Et以及輸入電壓相位θe；電壓命令發生器，用于輸入速度命令Nref以便計算輸出電壓Vref和輸出電壓相位θv；以及脈沖發生分配器，用于由輸入相位電壓Er，Es和Et、輸入電壓相位θe、輸出電壓Vref和輸出電壓相位θv，分別計算所述雙向開關的接通/斷開時間。
17.如權利要求16所述的用于控制PWM交-交變頻器的裝置，其中，所述脈沖發生分配器通過使用如權利要求1至15的任何一個所述的用于控制所述PWM交-交變頻器的方法，控制所述雙向開關接通/斷開。
全文摘要
提供一種用于PWM交－交變頻器的控制方法，其中，即使當電壓命令小時，能精確地生成電壓。在PWM交－交變頻器中，以短的時間間隔重復雙向半導體開關的接通和斷開操作。作為切換模式，在短的時間間隔內，輸出端端子的第一端依次輸出最大電勢相位P、中間電勢相位M和最大電勢相位N，輸出端端子的第二端依次輸出最大電勢相位P、中間電勢相位M、最小電勢相位N、中間電勢相位M和最大電勢相位P，以及輸出端端子的第三端依次輸出中間電勢相位M、最小電勢相位N和中間電勢相位M。
文檔編號H02M3/24GK1938930SQ200580009929
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月25日 優先權日2004年3月31日
發明者山本榮治, 原英則, 姜俊求 申請人:株式會社安川電機