专利名称：频率转换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及压控PWM(脉宽调制)频率转换器，它包括单相整流器电桥、DC中间电路以及用于产生具有变化电压和频率的AC输出电压的受控变换器电桥。本发明还涉及一种用于控制此类频率转换器的方法。
背景技术：
图1a表示了现有技术的单相PWM频率转换器。它包含一个整流器电桥10，用于把供电线路上的AC电压Uin整流为用于DC中间电路11的DC电压Udc，以及变换器电桥12，用于把中间电路DC电压Udc变换成单相或者三相变频AC电压Uout。此类单相频率转换器可以被连接到小的单相或者三相AC负载，如泵电机或者风扇电机13。该变换器电桥可以是具有脉宽调制半导体开关V11到V16(如IGBT)的全波电桥，以及与这些半导体开关反向并联的续流二极管D11到D16。借助于PWM控制单元14利用脉宽调制来控制该半导体开关V11至V16。整流器电桥可以是全波二极管电桥，它具有与AC供电电压Uin的相线和中线相连的4个二极管D1到D4。
图1b表示现有技术的单相转换器的某些典型信号波形。电机控制的目标通常是为了使电机轴转矩在一个恒定的工作点上尽可能的恒定。为了这一目标，如果DC中间电路电压是恒定的将非常有益，因为将更加易于形成准确的输出电压Uout，该电压对于确定电机轴转矩是必要的。这就是为什么DC中间电路电容器Cdc的电容通常在尺寸上很大的原因。该DC中间电路电流Idc由取决于变换器PWM操作的脉冲组成。当电压Udc恒定并且电机工作点稳定时，如图1b所示脉冲串Idc也十分恒定。
平稳的DC中间电路电压使得整流的供电AC电压Uin只是在很短的时期内高于DC电压Udc。按照图1b，这使得供电相电流波形是非常窄并且高的脉冲，因为只有在Uin高于Udc时电流才会流动。这种线路电流波形会引起例如部件尺寸的问题，并且它会在供电线中导致电噪声问题。
有几种已知方法来降低供电线路电流问题。可以使用由电容器和电抗器组成的额外滤波。一种已知方案是所谓的PFC(功率因数校正)电路，如图2a所示。它由电抗器L21、二极管D21以及诸如IGBT的半导体开关V21组成。控制开关V21，以使得电抗器电流尽可能接近正弦，并且和线路电压Uin同相(见图2b)。在使用PFC时，DC中间电路电压Udc通常是恒定的，并且高于线路电压的峰值。EP-A2-1170853公开了一种单相AC-DC转换器，该转换器包括PFC供电部分，其中通过对来自AC电源的电流整流而获得的整流电流被转换；一个DC-DC供电部分，其中通过整流和平滑来自AC供电的电流而获得的直流电流被转换；第一开关元件，用于执行PFC供电部分中的开关操作；第二开关元件，用于执行DC-DC供电部分中的开关操作；驱动脉冲产生电路，用于产生驱动所述第一开关元件的第一驱动脉冲和驱动所述第二开关元件的第二驱动脉冲；以及伺服回路，用于控制驱动脉冲产生电路。
现有技术方案旨在通过使用一个大电容DC中间电容器Cdc作为中间能量存储设备，在DC中间电路中维持一个恒定电压Udc。电容器的额定值通常由该电容器经受电流波动的能力以及施加到它们上的电压负载以及所需要的使用寿命确定。这些要求使得DC电容器部件通常又大又昂贵。
此外，在现有技术的频率转换器中的供电AC电力网的线路电流既非正弦波也不和供电电压同相。因此，可以给现有技术的单相频率转换器提供一个有效的PFC(功率校正因数)电路15，以便使得输入电流成为正弦电流，并且补偿功率因数，以使得线路电流和线路电压同相。然而，这种PFC电路使得频率转换器更加昂贵和复杂。
现有技术频率转换器的目标是为了控制输出电压Uout，使得电机轴转矩尽可能平稳。另一方面，已知在大多数使用一相的电机的应用中(例如泵和风扇驱动)，不需要平稳的轴转矩。根据图3中所示的一相的电机信号波形，这一点非常显而易见，其中u＝线路电压、i＝线路电流以及P＝马达功率(P＝u*i)。因为电压和电流都是正弦波，因此馈入到电机的功率也是正弦的。通常，惯性载荷非常高，轴速度大约保持恒定，这意味着轴转矩波动也类似于功率波动(P＝ωT，其中ω是轴角速度)。
发明内容
本发明的目的是消除现有技术方案的缺陷，特别是在允许轴转矩中的高波动的应用中，以获得一种控制配置，它将使得DC中间电容器的电容最小，与现有技术电容器相比该DC中间电容器的电容甚至是以20倍或者更多的因数减小。
本发明的另一目标是获得一种控制配置，其中创造性的PWM控制器至少产生近似于正弦的线路电流。
在本发明中，控制该频率转换器，以使得在DC中间电路中的滤波平均电流的曲线遵循整流的AC供电电压的曲线。进而，整流器电桥被直接连接到变换器电桥，而不需要使用DC电容器单元作为中间能量存储设备。因而，线路电流也是正弦波，并且与线路电压同相，这样功率因数 而无需单独的PFC电路。DC中间电压的曲线遵循整流后的正弦线路电压的曲线。馈入到负载中的有效功率的曲线(以及假设转速恒定时转矩的曲线)其形式为sin2(2πft)(f＝供电频率，t＝时间)。
在附加的权利要求书中详细限定了本发明。
由于根据本发明有可能把整流器电流桥直接连接到变换器电流桥，而不需要使用DC电容器单元作为中间能量存储设备，因此可以最小化DC中间电容器Cdc以及频率转换器的物理尺寸。
尽管依照本发明的频率转换器不需要电容器来平滑中间电路DC电压，但是仍需要使用低电容值的电容器，以便限制在切换状态时由于在DC中间电路的杂散电感中潜在的能量所产生的电压尖脉冲。相似地，由低电感值的电感器和低电容值的电容器组成的滤波器单元可以被用在供电线一侧，以便滤除来自供电电流中的高频谐波。
以下，将参照附图详细介绍本发明的优选实施例，其中图1a表示现有技术的单相PWM频率转换器，图1b示例了在现有技术的单相PWM频率转换器中的线路电流和电压以及DC中间电流和电压的典型波形，图2a表示现有技术的单相PWM频率转换器，其中已经使用PFC电路改善了线路电流波形，图2b示例了在具有PFC电路的现有技术单相PWM频率转换器中的线路电流和电压以及DC中间电压的典型波形，图3示例了与一个相线相连的一个相电机的线路电流和电压和功率的典型波形，图4a表示了依照本发明的单相PWM频率转换器，图4b示例了在依照本发明的单相PWM频率转换器中线路电流和DC中间电流以及电压的典型波形。
具体实施例方式
图4a表示依照本发明的单相PWM频率转换器。如现有技术中那样(见图1a)，它包括一个整流器电桥10，用于把供电线的AC电压Uin整流成为DC中间电路11的DC电压Udc，以及一个三相变换器电桥12，用于把中间电路DC电压Udc变换为单相或者三相变频AC电压Uout。频率转换器被连接到诸如泵或风扇电机13的小的三相AC负载上。变换器电桥是一个具有诸如IGBT的脉宽调制半导体开关V11到V16的全波电桥，以及与该半导体开关反向并联的续流二极管D11到D16。借助于PWM控制单元14，利用脉宽调制来控制半导体开关V11到V16。整流器电桥可以是全波二极管电桥，该全波二极管电桥具有与单相AC供电电压Uin相连的4个二极管D1到D4。一个小电容器Cdc(并非用作能量存储设备而只是在IGBT转换期间减少电压尖脉冲)被连接到DC中间电路中，并且小电抗器Lac也可以被连接到供电电压Uin和整流器电桥之间，以便减少高频谐波以及由于频率转换操作所引起的对线路的噪声。
依照本发明，控制该频率转换器的输出电压和频率，以使得在DC中间电路中的滤波平均电流Idc的曲线遵循整流的AC供电电压Udc的曲线。进而，因为在DC中间电路中没有能量存储电容器，并且线路电流Iin是正弦波并与线路电压同相，因此功率因数 而且DC中间电压Udc的曲线遵循整流后正弦线路电压的曲线(见图4b)。因为DC中间电路电压Udc和电流Idc都遵循线路电压正弦波形，所以馈入到电机中的功率的曲线(以及假设转速恒定时转矩的曲线)其形式为sin2(2πft)(f＝供电频率，t＝时间)。
为了频率转换器正确工作，必须控制电机，以使得输出电压的基波被基本维持在由电机工作点所确定的一个正确值上。可以控制电机使得例如平均的Uout/fout关系保持恒定，其中Uout是输出电压，而fout是输出频率。
依照本发明控制单元14有两个主要任务；它必须控制输出电压和频率，以使得平均电压值正确并且平均DC中间电路电流遵循整流的线路电压波形。
电机可以是单相电机或者三相电机。在单相操作中，与启动电容器通常相连的相在启动时被变换器的第三相开关控制，以产生充分的启动转矩。因而不需要单独的启动电容器。
对于本领域技术人员来说，显然本发明的实施方式不局限于以上所示的例子，而是可以在随后的权利要求书范围内变化。除了IGBT之外，所使用的完全可控半导体开关也可以由其它完全栅极控制的半导体开关组成，即可以被开启或者断开的开关，如MOSFET。
权利要求
1.一种用于控制压控PWM(脉宽调制)频率转换器的方法，该频率转换器包括可以被连接到正弦单相电源的单相整流器电桥(10)、DC中间电路(11)以及受控的变换器电桥(12)，用于为负载产生具有变化的幅度和频率的AC输出电压，所述变换器电桥(12)具有PWM控制的半导体开关(V11-V16)以及与该半导体开关反向并联的续流二极管(D11-D16)，其中DC中间电路(11)装备有DC电容器单元，以及其中控制频率转换器以使得供电线路电流(Iin)基本为正弦波并且与供电线路电压(Uin)同相，其特征在于控制变换器电桥，以使得DC中间电路中的滤波平均电流(Idc)的曲线基本遵循整流的AC供电电压(Udc)的曲线，以及整流器电桥(10)被直接连接到变换器电桥(12)，而不需要使用DC电容器单元作为中间能量存储设备，以及馈入到负载中的功率曲线基本上其形式为sin2(2πft)(f＝供电频率，t＝时间)。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于使用具有低电容值的DC电容器单元，以限制在转换状态时所产生的电压尖脉冲。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于变换器电桥的两个相位开关被连接到单相电机绕组上，并且使用第三个相位开关来通过第三相绕组产生充足的启动转矩，以避免在电机中使用单独的启动电容器。
4.一种压控PWM(脉宽调制)频率转换器，包括可以被连接到正弦单相电源的单相整流器电桥(10)、DC中间电路(11)、受控的变换器电桥(12)，用于为负载产生具有变化频率的AC输出电压，以及PWM控制器单元(14)，所述变换器电桥(12)具有PWM控制的半导体开关(V11-V16)以及与该半导体开关反向并联的续流二极管(D11-D16)，其中DC中间电路(11)装备有DC电容器单元，以及其中PWM控制器单元(14)控制频率转换器，以使得供电线路电流(Iin)基本为正弦波并且与供电线路电压(Uin)同相，其特征在于PWM控制器单元(14)控制变换器电桥，以使得DC中间电路中的滤波平均电流(Idc)的曲线基本遵循整流的AC供电电压(Udc)的曲线，以及整流器电桥(10)被直接连接到变换器电桥，而不需要使用DC电容器单元作为中间能量存储设备，以及馈入到负载中的功率曲线基本上其形式为sin2(2πft)(f＝供电频率，t＝时间)。
5.权利要求4所述的压控PWM(脉宽调制)频率转换器，其特征在于它包括一个具有低电容值的DC电容器单元，用于限定在转换状态时所产生的电压尖脉冲。
6.权利要求4所述的压控PWM(脉宽调制)频率转换器，其特征在于它在供电线路一侧包括一个由低电感值的电抗器和低电容值的电容器所组成的滤波器单元，以滤除供电电流中的高频谐波。
7.权利要求4所述的压控PWM(脉宽调制)频率转换器，其特征在于变换器电桥的两个相位开关被连接到单相电机绕组上，并且使用第三个相位开关来通过第三相绕组产生充足的启动转矩，以避免在电机中使用单独的启动电容器。
全文摘要
一种用于控制压控PWM(脉宽调制)频率转换器的方法，该频率转换器包括可以被连接到正弦单相电源的单相整流器电桥(10)、DC中间电路(11)以及受控的变换器电桥(12)，用于为负载产生具有变化的幅度和频率的AC输出电压，所述变换器电桥(12)具有PWM控制的半导体开关(V11－V16)以及与该半导体开关反向并联的续流二极管(D11－D16)，其中为DC中间电路(11)提供DC电容器单元，以及其中控制频率转换器以使得供电线路电流(I
文档编号H02M1/00GK1578093SQ200410030459
公开日2005年2月9日 申请日期2004年3月15日 优先权日2003年7月7日
发明者D·施雷伯, O·普尔赫恩, P·斯文托恩, R·科穆莱恩 申请人:瓦图公司, 森米克隆电子有限责任公司