專利名稱：功率變換系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在整流器部分與逆變器部分之間具有直流電壓平滑用的電容器的功率變換系統，尤其是涉及一種整流器部分以及逆變器部分以脈寬調制方式動作的功率變換系統。
背景技術：
近年來，在以感應電動機和同步電動機為代表的交流電動機的控制中，開始使用被稱為VVVF逆變裝置等的可變頻變壓的功率變換系統。此時，一般使用中間隔著直流電路連接整流器部分(converter)和逆變器部分(inverter)而成的功率變換系統。
而且，如圖8所示，在上述的功率變換系統中，例如通過整流器將商用電源等供給的交流(三相交流電)變換成直流(直流電)，并向設置在直流中間電路上的平滑電容器充電，然后由逆變器將進行了充電的該平滑電容器的直流電壓變換成具有作為負載的交流電動機所需要的電壓與頻率的交流(三相交流電)。
以下對圖8所示的功率變換系統進行詳細說明。圖示的功率變換系統被設置成具有整流器1和逆變器2，通過PWM(脈寬調制)對整流器1和逆變器2進行控制，采用整流器1將從交流的商用電源3經過電抗器7供應的三相交流電變換成直流電，通過逆變器2將該直流電變換成三相交流電，并供應給三相感應電動機等的電動機4。
并且，在整流器1側，首先將構成直流中間電路的平滑電容器6的端子間的電壓作為直流電壓e進行反饋，通過AVR(電壓控制部分)101生成電源側的電流指令iA*，以使直流電壓e與直流電壓指令e*相一致。然后，根據該電流指令iA*，由ACR(電流控制部分)102生成電源側電流與指令值相一致的整流器1電源側的電壓指令E*。
然后，進行控制，以通過PWM(脈寬控制部分)103，將載波生成裝置104輸出的三角波形的載波CA與該電壓指令E*進行比較，生成PWM控制用的驅動脈沖PA，使整流器1的各個開關元件SRP、SSP、STP、SRN、SSN和STN導通/截止，對平滑電容器6的端子電壓進行穩定控制，同時改進交流電源3的電流波形以及功率因數。
以下對逆變器2側進行說明。首先，如上所述，在逆變器2側作為負載連接有電動機4。此時，通過編碼器5檢測該電動機4的速度(旋轉速度)R，并將其反饋，以通過ASR(速度控制部分)201生成逆變器2的電流指令iB*，使該電動機4的速度與速度指令R*相一致。
然后，根據該電流指令iB*，通過ACR(電流控制部分)202生成使電動機電流與指令值相一致的逆變器2電壓指令V*，并以此作為調制波，通過PWM(脈寬控制部分)203，將其與載波生成裝置204輸出的三角波形的載波CB比較，以生成PWM控制用的驅動脈沖PB，使逆變器2的各個開關元件SUP、SVP、SWP、SUN、SVN和SWN導通/截止，以向電動機4供應三相交流電。
在上述PWM控制方式的功率變換系統中，整流器1的輸出和逆變器2的輸入均成為周期與載波相同的脈沖，此時，在圖8所述的功率變換系統中，如上所述，整流器1側的載波生成裝置104和逆變器2側的載波生成裝置204單獨設置，整流器1和逆變器2由與載波CA和載波CB不同的另外的載波單獨地進行PWM控制，所以無法避免在整流器1側的輸出電流與逆變器2側的輸入電流間的脈沖中出現相位偏差。
此時，作為整流器1側的脈沖狀輸出電流與逆變器2側的脈沖狀輸入電流之差的電流流過平滑電容器6。因此，如果在該等電流的相位出現偏差，出入平滑電容器6的電流就會增加，從而導致電壓變動加大。
于是，為了抑制直流電流的波動，實現直流電壓的平滑化，此時也有必要增加平滑電容器6的容量，因此，在圖8所示的功率變換系統中，需要大容量的電容器，從而會出現裝置大型化和成本增加等問題。
為此，例如專利文獻一的日本發明專利特開平4-121065號公報中公開了一種解決上述問題的技術方案。以下參照圖9對該方案所涉及的功率變換系統進行說明。圖9所示的功率變換系統是將圖8所示的現有技術中的整流器側載波生成裝置104和逆變器側載波生成裝置204組合而成的單獨的載波生成裝置304，它的其他結構與圖8所示的現有技術相同。
為此，在圖9所示的功率變換系統中，整流器1和逆變器2的PWM控制由該統一后的載波生成裝置304輸出的相同的載波C進行，因此，在整流器1側的脈沖狀輸出電流與逆變器2側的脈沖狀輸入電流中，脈沖沒有出現相位差的余地，因此能夠一直保持相位差為0的狀態。
其結果，根據圖9所示的功率變換系統，不會出現因脈沖相位偏差而導致流入平滑電容器6的電流增加的問題，因此能夠相應降低平滑電容器6的容量。
專利文獻特開平4-121065號公報 上述現有技術存在以下問題，即，沒有對整流器側輸出電流的脈沖波形與逆變器側輸入電流的脈沖波形之間存在波形差這一點作出考慮，從而存在需要在直流中間電路中設置大容量平滑電容器的問題。
在上述現有技術中，整流器側與逆變器側的PWM用的載波相同，但由于整流器側與逆變器側之間存在脈沖波形差，因此，PWM用載波的相位差為0時，電容器電流不一定出現最小值，所以存在需要進一步抑制流入平滑電容器的電流的問題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種功率變換系統，該功率變換系統能夠將設置在直流中間電路中的平滑電容器的容量抑制在最小限度。
上述目的通過以下功率變換系統實現，在該功率變換系統中，脈寬調制方式的整流器部分與脈寬調制方式的逆變器部分之間具有平滑電容器，其中，設置了相位差賦予裝置，其對用于所述整流器部分進行脈寬調制的載波和用于所述逆變器部分進行脈寬調制的載波賦予相位差。
此時，即使將所述相位差設定在30°以內的值也能實現上述目的，或者將所述相位差設定成所述整流器部分的輸出電流脈沖與所述逆變器部分的輸入電流脈沖的重疊面積為最大時的相位差也能夠實現上述目的，并且將所述相位差設定成流入所述平滑電容器的電流為最小時的相位差也能夠實現上述目的。
發明的效果 根據本發明，由于能夠抑制直流中間電路的電壓波動而不需增加平滑電容器的容量，所以能夠實現系統的小型化并降低成本。
圖1是表示本發明功率變換系統一實施方式的方塊結構圖。
圖2是功率變換系統中的電容器電流的特性圖。
圖3是表示本發明一實施方式中的控制系統一例的方塊結構圖。
圖4是用于說明PWM定時單元動作的波形圖。
圖5是表示本發明一實施方式中的控制系統一例的動作的流程圖。
圖6是表示本發明一實施方式中的控制系統另一例的方塊結構圖。
圖7是表示本發明一實施方式中的控制系統另一例的動作的流程圖。
圖8是表示采用現有技術的功率變換系統一例的方塊結構圖。
圖9是表示采用現有技術的功率變換系統另一例的方塊結構圖。
圖中符號說明1 整流器，2 逆變器，3 商用電源，4 電動機(交流電動機)，5 編碼器，6 平滑電容器，101、201 AVR(電壓控制部分)，102、202 ACR(電流控制部分)，103、203 PWM(脈寬控制部分)，104、204 載波生成裝置，301 帶相位差載波生成裝置，1000、2000、3000 MPU，1001、2001、3001 CPU，1002、1003、2002、3002 PWM定時單元。
具體實施例方式以下根據圖示的實施方式對本發明的功率變換系統進行詳細說明。
圖1表示本發明的一實施方式，圖中，301表示帶相位差載波的生成裝置，通過該載波生成裝置能夠生成具有三角波形的載波CC以及相對該載波CC具有一定相位差Δ的三角波形的載波CI這兩種載波，并且能夠將該等載波分別供給PWM103和PWM203。此外，其他結構與圖8和圖9所述的現有技術中的功率變換系統相同。
而且，在圖1的實施方式中，同樣首先在整流器1側將平滑電容器6的端子間的電壓作為直流電壓e進行反饋，通過AVR101生成電源側的電流指令iA*，以使直流電壓e與直流電壓指令e*相一致。然后，根據該電流指令iA*，由ACR102生成使電源側電流與指令值相一致的整流器1的電源側電壓指令E*。
而且，通過PWM103將上述電壓指令E*與自帶相位差載波生成裝置304輸出的載波Cc進行比較，生成PWM控制用的驅動脈沖PA，驅動整流器1的各個開關元件SRP、SSP、STP、SRN、SSN、STN導通/截止，將平滑電容器6的端子電壓控制為一定的同時，獲得交流電源3的交流波形和功率因數的改善。
并且，在逆變器2側，同樣通過對編碼器5檢測出的電動機4的速度R進行反饋，并由ASR201生成逆變器2的電流指令iB*，使該電動機4的速度與速度指令R*相一致。
然后，根據該電流指令iB*，通過ACR202生成使電動機電流與指令值相一致的逆變器2電壓指令V*，并以此作為調制波，通過PWM203，與帶相位差載波生成裝置304輸出的另一個載波CI比較，以生成PWM控制用的驅動脈沖PB，使逆變器2的各個開關元件SUP、SVP、SWP、SUN、SVN和SWN導通/截止，以向電動機4供應三相交流電。
因此，在圖1所示的實施方式中，同樣對整流器1和逆變器2進行PWM控制，通過整流器1將商用電源3所供應的三相交流電變換成直流，并且通過逆變器2將該直流電變換成三相交流電，以供給三相感應電動機4等的電動機4，以上結構與上述現有技術中的功率變換系統相同，所不同的是，在PWM203中所使用的載波是相對于PWM103中使用的載波CC具有一定相位差Δ的另一個載波CI。
其結果，在圖1實施方式中，從整流器1輸出的電流的脈沖相位成為與載波CC相同的相位，而輸入到逆變器2的電流的脈沖相位成為與載波CI相同的相位，其結果，從整流器1輸出的電流的脈沖相位和輸入到逆變器2的電流的脈沖相位之間被賦予了與相位差Δ相當的相位差。
如上所述，作為整流器1側的脈沖狀輸出電流與逆變器2側的脈沖狀輸入電流之差的電流流過平滑電容器6。因此，能夠很容易地推測，只要該等電流的脈沖相位出現偏差，出入平滑電容器6的電流就會增加。
因此，在圖9所述的現有技術中，在整流器1側和逆變器2側使用相同的載波C，使整流器1側的脈沖狀輸出電流與逆變器2側的脈沖狀輸入電流的相位差為0，而圖2是以負載的大小作為參數對與此時的載波相位差相對的電容器電流(出入于平滑電容器6的電流)的大小進行評價而得到的特性圖。
此時，圖2表示以載波相位差為90°時為基準，將此時的電容器電流值歸一化為1.0的情況。此處所謂的載波相位差指相對整流器1的載波相位減去逆變器2的載波相位后得到的相位差。此外，所謂的負載指逆變器2的輸出功率，以額定功率為100％。
從圖2可以知道，如果整流器1與逆變器2的載波的相位存在相位差，則電容器電流一定會增加，然而，整流器1與逆變器2的載波的相位相同(相位差為0)并不一定是電容器電流出現最小值的條件。
其理由大概是由于整流器1的輸出電流脈沖與逆變器2的輸入電流脈沖之間存在波形差異的緣故。這是由于，如果脈沖波形相同，只要使相位差為0，從整流器1輸出的全部電流都將輸入到逆變器2中，所以，在理論上電容器電流應該為0。
如此可以知道，在脈沖波形不同時，電容器電流成為最小值的條件應該是兩者的脈沖相重疊的面積成為最大的時候，此時，脈沖重疊的面積通過改變相位而改變。為此，只要對脈沖的相位，也就是載波的相位進行調整，就能夠使電容器電流變得最小。
在此，根據圖1的實施方式，從整流器1輸出的電流的脈沖相位和輸入到逆變器2的電流的脈沖相位之間被賦予了與相位差Δ相當的相位差。為此，通過調節該相位差Δ，就能夠將電容器電流調節成最小值。
此時，在圖2的舉例中，電容器電流的最小值在相位差Δ約為30°時出現，此時，電容器電流為0.5～0.6，與相位差Δ為0時的電容器電流0.6～0.7相比，能夠減少容器電流，因此，根據本實施方式，能夠降低平滑電容器6的容量，從而能夠實現裝置的小型化。
可是，近年來，在上述功率變換系統中，一般采用微型計算機，即所謂的微電腦對整流器和逆變器進行控制。因此，以下就采用微電腦控制的本發明一實施方式進行說明。
圖3所示的實施方式是圖1實施方式中的由整流器1和逆變器2以及平滑電容器6構成的主電路以外的部分由MPU(微處理器)1000構成時的實施方式。為此，如圖所示，MPU1000中具有CPU1001以及PWM定時單元1002，1003、輸出端口1004，1005以及輸入端口1006。并且，圖中只表示了進行以下說明所需的部分，而實際上該MPU1000還具有寄存器和存儲器等輔助裝置。
此外，CPU1001的程序被設置成從輸入端口1006讀取必要的數據，通過運算處理實現圖1所示控制系統的功能，作為其演算結果，將整流器1的調制信號供給PWM定時單元1002，同時將逆變器2的調制信號供給PWM定時單元1003，通過各自的PWM定時單元1002，1003進行PWM控制，將整流器1的驅動脈沖PA以及逆變器2的驅動脈沖PB分別從輸出端口1004，1005輸出。
此時，該等PWM定時單元1002，1003中設置有未圖示的計時器，通過該計時器進行上行計時和下行計時，能夠獲取用于PWM的載波信號。為此，以下參照圖4就此時的詳細動作進行說明。
首先，PWM定時單元1002中具有寄存器，該寄存器中設定有電壓指令E*。在此，如圖4(a)所示，在電壓指令E*中，上側線H與下側線L的間隔相當于指令電壓值。而且，該電壓指令E*與載波C進行比較，當兩者一致時，如圖所示，PWM脈沖PA生成并從輸出端口1004輸出。其結果，電壓與電壓指令E*相對應的直流電從整流器1輸出。
另外，在PWM定時單元1003中也同樣具有寄存器，該寄存器中設定有電壓指令V*。在此，如圖4(b)所示，在該電壓指令V*中，上側線H與下側線L的間隔也相當于電壓值，但此時，其還根據逆變器2的輸出頻率呈正弦波狀變化。
并且，該電壓指令V*與載波CΔ進行比較，當兩者一致時，如圖所示，PWM脈沖PB生成并從輸出端口1005輸出。其結果，從逆變器2輸出電壓與電壓指令V*相對應的三相交流電。
此外，該CPU1001的程序被設置成進一步執行圖5流程圖所示的處理。在此，圖5流程圖所示的處理在上述的PWM定時單元1002，1003起動時只執行一次，之后，過渡到執行所述PWM定時單元1002，1003生成PWM脈沖PA和PWM脈沖PB所必須的處理。
圖5所示處理從P101開始，在P101的處理到P102、P103的處理中，進行PWM定時單元1002，1003的動作模式設定等初始設定。之后，首先在P104中使PWM定時單元1002內的計時器開始計時，然后在P105中等待規定時間經過，在P106中使PWM定時單元1003內的計時器開始計時。
其結果，從PWM定時單元1002的計時器開始計時起到PWM定時單元1003的計時器開始計時為止，只賦予P105中設定的規定時間的遲延，并與該遲延相應，對整流器1和逆變器2的載波賦予相位差Δ，因此，通過將此時的規定時間設定為適當的值，即設置成為了降低平滑電容器6的電流所需的值，則能夠降低平滑電容器6的容量。
可是，在圖3所示的實施方式中，通過一臺MPU1000執行對整流器1和逆變器2的控制，但也可以使用不同的MPU分別對整流器1和逆變器2進行控制，此時，如圖6所示，由一臺MPU2000生成整流器1的驅動脈沖PA，而由另一臺MPU3000生成逆變器2的驅動脈沖PB。
為此，在MPU2000中，通過CPU2001的運算實現整流器1控制所需的處理，并且作為其運算結果，將整流器1的調制信號發送給PWM定時單元2002以進行PWM控制，并從輸出端口2003輸出整流器1的驅動脈沖PA。
同樣，在MPU3000中，通過CPU3001的運算實現逆變器2控制所需的處理，并作為其運算結果，將逆變器2的調制信號發送給PWM定時單元3002以進行PWM控制，并從輸出端口3003輸出逆變器2的驅動脈沖PB。
圖7的流程圖表示進行圖6實施方式中的圖1所示帶相位差載波生成裝置301的動作而需要進行的處理，圖7(a)是MPU2000的PWM定時單元2002啟動時的處理流程圖，圖7(b)，(c)是MPU3000的PWM定時單元3002啟動時的處理流程圖，該等處理均在進入正常控制前只執行一次，此時，進入P201和P301的處理。
在由圖7(a)所示的MPU2000所進行的處理中，從P201開始進入處理，通過處理步驟P202，進行PWM定時單元2002的動作模式設定等初始設定。之后，在處理步驟P203中向輸出端口2004輸出用于MPU3000的中斷信號。之后，在處理步驟P204中，使PWM定時單元2002內的未圖示的計時器開始計時。
在由圖7(b)所示的MPU3000進行的處理中，從P301開始進入處理，通過處理步驟P302，進行PWM定時單元3002的動作模式設定等初始設定。之后，在處理步驟P303中以等待中斷信號的狀態待機。并且，在中斷信號端口3004中，如果檢測到來自MPU2000的中斷信號，則進入處理步驟P401，在處理步驟P402中等待規定的時間經過，在處理步驟P403中，使PWM定時單元3002內的未圖示的計時器開始計時。
由此，整流器1和逆變器2的載波的相位差Δ通過P105的處理步驟中所設定的規定時間得以確保，能夠降低平滑電容器6的電流。并且，在本實施方式中，由于可以將與圖3實施方式中CPU1001相同的運算負荷分配給CPU2001和CPU3001二臺進行，所以與圖3的MPU1000相比，能夠抑制成本，因此具有降低成本的效果。
并且，在以上所述的實施方式中，如圖所示，整流器1的開關元件SRP、SSP、STP、SRN、SSN和STN以及逆變器2的開關元件SUP、SVP、SWP、SUN、SVN和SWN，均以IGBT為例進行了說明，但當然也可以使用FET(場效應晶體管)等其他的半導體元件。
權利要求
1.一種功率變換系統，在脈寬調制方式的整流器部分與脈寬調制方式的逆變器部分之間具有平滑電容器，其特征在于，設置了相位差賦予裝置，其對用于所述整流器部分進行脈寬調制的載波和用于所述逆變器部分進行脈寬調制的載波賦予相位差。
2.如權利要求1所述的功率變換系統，其特征在于，所述相位差被設定在30°以內的值。
3.如權利要求1所述的功率變換系統，其特征在于，所述相位差被設定成所述整流器部分的輸出電流脈沖與所述逆變器部分的輸入電流脈沖的重疊面積為最大時的相位差。
4.如權利要求1所述的功率變換系統，其特征在于，所述相位差被設定成流入所述平滑電容器的電流為最小時的相位差。
全文摘要
一種功率變換系統，該功率變換系統能夠將設置在直流中間電路中的平滑電容器的容量抑制在最小限度。在該功率變換系統中，整流器(1)與逆變器(2)之間具有平滑電容器(6)，其中，設置了一帶相位差載波生成裝置(301)，其在用于對整流器(1)進行PWM控制的載波(Cc)和用于對逆變器(2)進行PWM控制的載波(CI)之間賦予規定的相位差(Δ)，通過調整相位差(Δ)來降低流入平滑電容器(6)的電流，并減少平滑電容器(6)的容量。
文檔編號H02M7/48GK1841908SQ20061000515
公開日2006年10月4日 申請日期2006年1月13日 優先權日2005年3月31日
發明者大和育男, 稻葉博美 申請人:株式會社日立制作所