專利名稱：脈沖寬度調制整流器的制作方法
技術領域：
本發明涉及將市電電源進行交流/直流變換的脈沖寬度調制(PWM)整流器，特別是關于在連有接地系統的市電電源時，可以減少PWM整流器基于共模電壓而產生漏電流的補償裝置。
PWM整流器，對于傳統的晶閘管式整流器而言，因可以降低高次諧波電流、無功電功率，所以適用于很多電源裝置。但是，多數整流器電路因為由調制波信號進行分諧波調制，若把直流電路的中間電壓設為電中性點，那么在交流輸入側會產生調制波成分的共模電壓。
圖5是連接三相交流電源的PWM(Puls Wide Modulation)整流器的原理電路圖，圖6是PWM整流器各部分波形的說明圖。利用圖5、圖6，來說明連接于具有接地系統的市電電源的PWM整流器所產生的共模電壓及由此共模電壓和三相不平衡電壓造成泄漏電流的作用機理。
在圖5(A)中，具有接地系統的三相(UR、US、UT)交流電源1通過線路阻抗Zn向PWM整流器2供給交流電。PWM整流器2由以下幾部分構成由輸入電抗Zc和接地電容Cn構成的濾波器F；由開關元件(31～36)和平滑電容3B構成的直流電能變換部3；控制開關元件(31～36)導通比的整流器指令值發生部4A；用于產生對指令信號進行調制的調制波信號Vc的調制波信號發生部4B；整流器的指令值和調制波信號Vc通過比較器4C進行比較，然后對各開關元件(31～36)進行開關控制的整流器驅動電路4D。
所有的電氣、電子元件和接地系統之間都通過雜散電容形成耦合而流有接地電流，在此，假設與接地系統的耦合是平衡的，除去差動(差模)耦合因素，可以研究一下與接地系統同相(共模)耦合因素，即從平滑電容3B的中性點通過雜散電容Cx與接地系統相耦合的狀態。圖5中的Cx即表示了這種狀態。
由輸入電抗Zc和接地電容Cn構成的濾波器F可以防止因直流電流變換部3的開關元件31～36的開關動作所產生的高頻噪聲在交流電源1產生環流。
圖6中(A)、(C)、(E)說明了根據調制波信號Vc和整流器指令值(UR′、US′、UT′)的比較結果，在整流器驅動電路4D產生開關控制信號的形過過程。在圖6中，橫軸取作時間軸，圖6中(A)、(C)、(E)的粗線正弦波表示三相PWM整流器的R、S、T各相的整流器指令值(UR′、US′、UT′)。同一圖上的細線三角波是從調制波信號發生部4B產生的調制波信號Vc。調制波信號Vc比整流器指令值(UR′、US′、UT′)高時，相應的開關元件31～33導通，而開關元件34～36則截止。相反，調制波信號Vc比整流器指令值(UR′、US′、UT′)低時，對應的開關元件31～33截止，而開關元件34～36導通。
圖6中(B)、(D)、(F)表示構成圖5所示的直流電能變換部3的橋臂開關元件對(31、34)、(32、35)、(33、36)的中間點和平滑電容3B的中間點間形成的電壓VR、VS、VT。為了簡化說明，用圖6中(A)、(B)來說明R相的關系。調制波信號Vc比整流器指令值UR′低時，開關元件34導通，因此，平滑電容3B的中性點和橋臂對(31、34)的中間點形成的電壓VR為+Ed/2，Ed是平滑電容3B的兩端充電電壓值。接著，當調制波信號Vc比整流器指令值UR′高時，開關元件31導通，平滑電容3B的中性點和橋臂對(31、34)的中間點之間形成電壓VR為-Ed/2。同樣，圖6中(C)、(D)表示S相的關系，圖6中(E)、(F)表示T相的關系。
圖6(G)顯示了共模電壓的關系，圖6中(B)、(D)、(F)表示的電壓VR、VS、VT是通過濾波器F的輸入電抗ZC和接地電容Cn，在雜散電容Cx上作為同相電壓Vn而合成的電壓。通常雜散電容Cx的阻抗很高，實質上是將上述電壓VR、VS、VT以疊加的形式而產生共模電壓Vn的。
圖5(B)表示的是接地系統中流有接地電流的等效電路，若設三相交流電源1的不平衡電壓為Vcn，線路阻抗為Zn，那么由三相交流電源1的不平衡電壓Vcn產生的接地電流Icn，通過接地電容Cn和線路阻抗Zn流通。另外，由共模電壓Vn而產生的接地電流Icn，通過雜散電容Cx，輸入電抗Zc、接地電容Cn和線路阻抗Zn間構成回路，流徑構成市電電源1的線路阻抗Zn的電流便為接地電流Icn，這個接地電流Icn中共模電壓Vn具有的高頻成分通過接地電容Cn被旁路。
圖6所示的調制波信號Vc為整流器指令信號的6倍頻率，但這個調制波信號的頻率不必只限定于6倍。
但是，象上述現有技術的PWM整流電路，為了由調制波信號進行次諧波調制，若設直流電路的中間電壓為電中性點，在交流輸入側便產生以調制波頻率為基波頻率的共模電壓。因此，特別是市電電源是接地系統的場合，上述共模電壓經由電源線、電源接地線、大地，從機器接地線通過雜散電容，而使直流中間電路中流有接地電流。這個接地電流因為經由大地，所以存在需要漏電檢測環節檢測的問題。
為了減少這種接地電流，比如，改變接地電容、輸入電抗、雜散電容值、來減少接地電流，但需要兩個電源，能夠調整的幅度受到制約，沒有較好的效果。為此，很多情況采用了在交流電源和PWM整流器之間安裝絕緣變壓器等對策。
本發明是鑒于以上缺點而產生的，其目的在于，解決上述課題，提供一種補償PWM整流器產生的共模電壓，降低漏電流，漏電檢測環節不產生不必要動作的PWM整流器。
為了達到以上目的，第一項發明采用以下技術手段從交流電源獲得交流電能并將其變換為直流電的PWM整流器，包括由輸入電抗和接地電容構成的濾波器、由開關元件和平滑電容構成的直流電能變換部、控制開關元件導通比的整流器指令發生部和產生對所發生的指令信號進行調制的調制信號的調制信號發生部及整流器驅動電路，在直流電能變換部設置具有一對橋臂的逆變電路，這個逆變電路輸出與PWM整流器產生的共模電壓反相位的補償電壓， 通過這個補償電壓使機器接地。
第二項發明是，逆變器電路的驅動信號使用PWM整流器的調制信號。
第三項發明是，逆變器電路的驅動信號，以PWM整流器的調制信號為指令值，由高頻調制波進行調制。
第四項發明是，PWM整流器是三相輸入的場合，逆變器電路的驅動信號，通過將交流電源的中性點電壓檢測出并將其疊加到PWM整流器的調制信號的指令值上來實現。
第五項發明是，逆變電路的驅動信號，將PWM整流器的調制信號乘以PWM整流器導通比的倒數得到之值作為指令值。
根據以上構成，第一項發明的作用在于，相對于PWM整流器產生的共模電壓，產生相反相位的交流輸出，通過將該交流輸出接地，把PWM整流器的共模電壓用逆變器的交流輸出來抵消。
第二項發明的作用在于，用PWM整流器的調制波信號驅動逆變器電路，逆變器電路產生與PWM整流器的共模電壓反相位、并具有調制波頻率成分的矩形波交流輸出。
第三項發明的作用在于，逆變電路的驅動信號由PWM整流器的調制波信號和高頻調制波信號進行調制，可以抵消更高頻率成分的共模電壓。
第四項發明的作用在于，PWM整流器是三相輸入時，檢測出市電電源的中性點(不平衡)電壓，將此中性點電壓疊加到PWM整流器調制波信號的指令值上，由此作為逆變電路的驅動信號，可以抵消包括市電電源的不平衡電壓在內的對地電位。
第五項發明的作用在于，PWM整流器調制信號反轉后乘以PWM整流器導通比的倒數之積作為逆變器電路的驅動信號，據此可以適應隨直流電能變換電路的輸出電壓變化，抵消由于導通比改變而引起的對地電位的變動。
圖1是本發明的PWM整流器其一個實施例的功能框圖。
圖2是可以抵消更高頻率成分共模電壓的PWM整流器的另一實施例的功能框圖。
圖3是可以抵消包含市電電源不平衡電壓的對地電位的PWM整流器功能框圖。
圖4是可以抵消包含PWM整流器導通比所引起的對地電位的PWM整流器功能框圖。
圖5A、5B是連接三相交流電源的PWM整流器原理電路圖。
圖6為PWM整流器的各部分波形說明圖。
圖7是補償PWM整流器共模電壓的一實施例的補償電壓波形說明圖。
下面結合附圖就實施例詳細加以說明。
圖1是本發明的一個實施例的PWM整流器的功能框圖，圖2作為另一實施例，是可以抵消更高頻率成分共模電壓的PWM整流器功能框圖，圖3是可以抵消包括市電電源的不平衡電壓的對地電位功能框圖，圖4是可以抵消包括PWM導通比所引起對地電位的功能框圖，圖7是補償PWM整流器共模電壓的補償電壓波形的說明圖，其中，對應圖5、圖6的同一功能部件使用相同的符號。
圖1中，PWM整流器2由具有接地系統的三相(UR、US、UT)交流電源1通過圖中沒有標出的線路阻抗Zn供給交流電能。PWM整流器2包括以下幾部分由輸入電抗Zn和接地電容Cn構成的濾波器F；開關元件31～36和平滑電容3B構成的直流電能變換部3；控制開關元件(31～36)導通比的整流器指令值發生部4A；發生對所述指令值信號進行調制的調制波信號Vc的調制波信號發生部4B；整流器驅動電路4D以及在直流電能變換部3并聯一對橋臂的逆變電路5。PWM整流器2從逆變電路5的開關元件51、52的中間點通過電抗5A和接地電容5B的串聯電路而接地。
根據以上構成，這個逆變器電路5，輸出與PWM整流器2產生的共模電壓Vn相反相位的補償電壓，這個補償電壓通過電抗5A和接地電容5B串聯構成的濾波電路將機器接地，據此，可以抵消PWM整流器2產生的共模電壓，還可以降低對機器接地的PWM整流器2的零序電壓，減少漏電流Icn。另外，電抗5A和接地電容5B選在對高次諧波共模電壓影響較小的一個固定值。
下面，請參看圖6的PWM整流器2的各部分波形說明圖。圖6(G)是PWM整流器2產生的共模電壓Vn的波形，象在現有技術中說明的那樣，和調制波信號Vc同步并且波形反轉呈階梯狀。并且，根據實驗數據，共模電壓Vn的有效值對于PWM整流器2的導通比λ具有負的線性。
因此，作為圖1的逆變電路5的驅動信號通過比較器6A把PWM整流器2的調制波信號Vc變換成矩形波信號，輸入到逆變器驅動電路6，據此，可以不難形成與共模電壓Vn反相位并具有相同基波的補償電壓。圖7是把圖6的各部分波形的一部分抽出放大、用來說明補償PWM整流器共模電壓的補償電壓波形。圖7(G)是上述PWM整流器的共模電壓的波形、圖7(H)是通過比較器6A把調制波信號Vc轉換為矩形波來驅動逆變器5時逆變器5輸出的補償電壓波形。
另外，在圖2中，與圖1不同點在于，高頻調制波形信號發生部6B也加到比較器6A的輸入電路。增加高頻調制波信號發生部6B，把PWM整流器2的調制波信號Vc作為指令值，由高頻調制波信號Vn進行調制，由此，逆變電路5的中間電路的補償電壓，如圖7(I)所示平均看接近三角波，與圖7(G)的矩形波補償電壓比更接近PWM整流器的共模電壓Vn，除了調制波信號Vc的基波成分的共模電壓以外，更高次諧波的共模電壓也可以抵消。
另外，在圖3中，與圖2的不同點在于，PWM整流器2是三相輸入時，由絕緣變壓器檢測出因市電電源1的不平衡產生的中性點電壓，將這個檢測電壓加到PWM整流器2的調制波信號Vc的指令值上，據此可以抵消包含市電電源的不平衡電壓在內的對地電位。
另外，在圖4中，與圖2的不同點在于，把PWM整流器2的調制波信號Vc和PWM整流器2的導通比λ的倒數在乘法器8A相乘后之值作為逆變器驅動電路6的驅動信號，據此，可以在隨直流電能變換部3的輸出電壓變化而導通比發生變化時，也能抵消對地電位。
另外，圖中未示出，將圖3的絕緣變壓器7和圖4的導通比λ的倒數及乘法器8A并用，由此，可以抵消市電電源1的不平衡引起的中性點電壓以及隨直流電能變換部的輸出電壓變化而發生變化的對地電位。
根據以上所述的本發明，使PWM整流器產生的共模電壓得到補償、減少，從而使交流電源側的泄漏電流(接地電流)降低，可以消除漏電檢測環節的不需要的動作。
權利要求
1.一種PWM整流器，包括由輸入電抗和接地電容構成的濾波器、開關元件和平滑電容構成的直流電能變換部、控制上述開關元件導通比的整流器指令發生部、產生調制該指令信號的調制信號的調制信號發生部、整流器驅動電路，PWM整流器從交流電源輸入交流電并將其變換成直流，其特征在于直流電能變換部設有一橋臂對的逆變電路，該逆變電路輸出與上述PWM整流器產生的共模電壓相反相位的補償電壓，通過該補償電壓進行機器接地。
2.如權利要求1所述的PWM整流器，其特征在于逆變電路的驅動信號是PWM整流器的調制波信號。
3.如權利要求1所述的PWM整流器，其特征在于逆變電路的驅動信號以PWM整流器的調制波信號為指令值，由高頻調制波信號進行調制。
4.如權利要求2或權利要求3所述的PWM整流器，其特征在于當PWM整流器是三相輸入時，逆變器電路的驅動信號，通過檢測交流電源的中性點電壓，將該中性點電壓疊加到PWM整流器的調制波信號的指令值上來實現。
5.如權利要求2到權利要求4任一項所述的PWM整流器，其特征在于逆變電路的驅動信號，把PWM整流器的調制波信號與PWM整流器的導通比倒數之積作為指令值。
全文摘要
一種PWM整流器，可補償所產生的共模電壓，使漏電流檢測環節不產生不需要的動作。包括由輸入電抗和接地電容構成的濾波器；由多個開關元件和平滑電容構成的直流電變換部；控制所述開關元件的導通比λ的整流器指令值發生部；對指令信號進行調制的調制信號發生部；驅動電路。PWM整流器在其直流電變換部設置有一橋臂對的逆變電路，該逆變電路輸出與PWM整流器產生的共模電壓相反相位的補償電壓，通過該補償電壓進行機器接地。
文檔編號H02M7/48GK1126903SQ9511739
公開日1996年7月17日 申請日期1995年9月27日 優先權日1994年9月27日
發明者廣瀨順 申請人:富士電機株式會社