专利名称：Pwm循环转换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电能转换器，能够将来自ac电源的输出转换为任意频率，并且更具体的涉及一种使用脉宽调制(PWM)控制系统用于PWM循环转换器(cycloconverter)的控制方法。
背景技术：
PWM循环转换器是一种电能转换器，如逆变器(inverter)，其通过脉宽调制系统(以下将其称为PWM系统)使用具有自灭弧能力的半导体开关执行开关操作。因此，在逆变器中，在PN总线的电位之间串联设置的多个半导体开关以时间差导通，从而避免多个半导体开关同时导通而短路PN总线。这个时间差称作空载时间(dead time)。
在PWM循环转换器中，通过九个称作双向开关的半导体开关直接将电源连接到负载。双向开关能够从电源向负载侧提供电流，或者从负载侧向电源提供电流。在这些情况下，所用的结构是图2所示的逆向阻断型IGBT以反并联形式连接，或所用的结构是各自串联连接的IGBT和二极管以及它们以反并联形式连接。
此外，根据PWM转换器，在双向开关的触发次序中，根据称作换向(commutation)的触发次序来导通和关断双向开关，以防止电源侧的短路和负载侧断开。
作为这种循环转换器的例子，例如，专利文献1中披露的“PWM循环转换器及其驱动方法”进行了举例说明。
专利文献1JP-A-11-98840(图1、图5)
专利文献2JP-A-2000-2724图9是PWM循环转换器及其驱动方法的结构图。
电流方向检测器7连接到图9所示的双向开关部分3，电流方向检测器7用于辨别提供给双向开关3的电流方向。设置换向电路8，用于接收其它门信号和PWM指令以及切换双向开关的触发次序，所述门信号用于以与电流方向检测器7的输出相相同的输出相来驱动正向半导体开关。
在这种情况下，根据换向电路8的一个换向次序，当将电流从三相ac电源1提供给负载电机4时，选择图10(a)中所示的次序。在这个换向次序中，当关断Tr1和Tr1′侧的开关时，首先关断Tr1′。此时，由于提供给负载电机4的电流通过Tr1施加，所以没有切断电流。随后，导通Tr2。此时，电源电压V1大于V2，即V1＞V2，电流通过Tr1提供给实线回路。当V2大于V1时，即V2＞V1，通过Tr2将电流提供给虚线回路，以将电流从Tr1换向(commute)到Tr2。随后，关断Tr1。然而，当V1大于V2时，即V1＞V2，此时发生从Tr1到Tr2的换向。最终，导通Tr2′以完成换向。
此外，相反，当将电流从负载电机4提供给ac电源1时，选择图10(b)中所示的次序。首先关断Tr1。随后，导通Tr2′。此时，V1小于V2，即V1＜V2，通过Tr1′提供实线回路电流。当V2小于V1时，即V2＜V1，虚线回路电流通过Tr2′提供，该电流从Tr1换向到Tr2。随后，关断Tr1′。当V1小于V2时，即V1＜V2，发生从Tr1到Tr2的换向。最终，导通Tr2以完成换向。
作为电流方向检测器7，可以使用具有结合有比较器的二极管的电路，例如如专利文献2中所披露的“电压和电流极性检测器。”
发明内容
本发明要解决的技术问题然而，在逆变器中，由于空载时间的影响，所以在输出电压指令和实际的输出电压(实际电压)之间产生误差。在逆变器中，由于换向操作，所以在输出电压指令和实际电压之间也产生误差。当在输出电压指令和实际电压之间产生误差时，例如，如果将电机连接到负载，那么电压可能不会如命令的那样施加到该电机，而产生振荡(hunting)。
因此，通过研究上述问题设计出本发明，并且本发明的目的是提供一种PWM循环转换器以及一种用于PWM循环转换器的控制方法，其中消除在输出电压指令和实际电压之间的误差，并且能够在驱动电机的过程中执行稳定的操作。
解决问题的手段为了解决上述问题，根据权利要求1，提供一种PWM循环转换器，其是一种直接由双向半导体开关连接的电能转换器，所述双向半导体开关具有两个组合的但分别独立导通和关断的单向半导体开关，其中仅能够在三相ac电源的每一相与具有三相输出的电能转换器的每一相之间的一个方向内提供电流，根据施加到连接于双向半导体开关的输出侧的负载的电压指令确定双向半导体开关的通/断时间，所述PWM循环转换器包括输入电压相位检测器，用于检测三相ac电源的电压的相位；电流检测器，用于检测提供给双向半导体开关的电流的方向；和换向补偿器，用于接收输入电压相位检测器和电流检测器的输出，作为输入以补偿电压指令。
此外，根据权利要求2，提供一种用于根据权利要求1的PWM循环转换器的控制方法，其中通过换向补偿器从下列公式(1)、(2)和(3)中获取输出电压指令
Vu_ref2＝Vu_ref1+ΔV...(1)Vv_ref2＝Vv_ref1+ΔV...(2)Vw_ref2＝Vw_ref1+ΔV...(3)在当三相ac电源相分别定义为Vr＝Vin*sinθin，Vs＝Vin*sin(θin-120)和Vt＝Vin*sin(θin-240)时的情况下，如果在0°≤θin≤60°、120°≤θin≤180°和240°≤θin≤300°的区域内电流检测器的输出为正，以及如果在60°≤θin≤120°、180°≤θin≤240°和300°≤θin≤360°的区域内电流检测器的输出为负，ΔV表示负固定值，并且如果在0°≤θin≤60°、120°≤θin≤180°和240°≤θin≤300°的区域内电流检测器的输出为负，以及如果在60°≤θin≤120°、180°≤θin≤240°和300°≤θin≤360°的区域内电流检测器的输出为正，ΔV表示正固定值，并且在这种情况下，通过以下限定进行计算以获得输出电压，Vu_ref2、Vv_ref2和Vw_ref2为由换向补偿器分别换向的U相、V相和W相的输出电压指令值；Vu_ref1、Vv_ref1和Vw_ref1 Vout为U相、V相和W相的输出电压指令值；Vr、Vs和Vt为R相、S相和T相的输入电压值；Vin为输入电压的峰值，以及θin为输入电压的相位。
此外，根据权利要求3，提供一种根据权利要求2的用于PWM循环转换器的控制方法，其中在输出电压指令的公式(1)、(2)和(3)中的ΔV根据电流检测器检测的电流值进行改变。
此外，根据权利要求4，提供一种根据权利要求2或3的用于PWM循环转换器的控制方法，其中当在载波周期内即使一次也不导通或关断双向开关时，输出电压指令由下列公式(4)、(5)和(6)计算
Vu_ref2＝Vu_ref1...(4)Vv_ref2＝Vv_ref1...(5)Vw_ref2＝Vw_ref1...(6)，以及当在载波周期内至少一次导通和关断双向开关时，公式(4)到(6)变为公式(1)、(2)和(3)以计算输出电压指令，并且由换向补偿器补偿输出电压指令。
发明益处根据本发明，由于提供换向补偿器，用于接收输入电压相检测器和电流检测器的输出，作为输入以通过根据公式(1)到(6)的计算结果来补偿电压指令，能够消除在输出电压指令与实际电压之间的误差。此外，当由PWM循环转换器驱动电机时，能够执行稳定的操作，而不导致振荡状态。
图1是应用本发明方法的PWM循环转换器的结构图。
图2的图示出了图1所示的双向开关的连接实例。
图3是一个电路图，其中在图1所示的一个双向开关组中仅仅取出具有两相的输入和具有一相的输出。
图4的图示出了当图1所示的双向开关的输出电流为正时的换向操作。
图5的图示出了当图4所示的双向开关的输出电流为负时的换向操作。
图6是当E1小于E2时，即图3所示的双向开关中的E1＜E2时的电路图。
图7的图示出了当图6所示的双向开关的输出电流为正时的换向操作。
图8的图示出了当图6所示的双向开关的输出电流为负时的换向操作。
图9是常用PWM循环转换器的结构图。
图10的图示出了图9所示的PWM循环转换器的换向操作。
附图标记和符号说明1...三相ac电源2...输入滤波器3...双向开关组4...负载电机5...驱动电路6...输入电压振幅/相位检测器7...电流方向检测器8...换向电路9...电压指令发生器10...PWM脉冲计算装置11...换向补偿器12...电流检测器21...逆向阻断型GBT22...IGBT23...二极管Sur～Swt...双向开关具体实施方式
现在，将参照附图在下面描述本发明的实施例。
第一实施例图1是示出了本发明的PWM循环转换器的一个实施例的结构图。
图2的图示出了图1所示的双向开关的连接实例。
图3是一个电路图，其中在图1所示的一个开关组中仅仅取出具有两相的输入和具有一相的输出。
图4的图示出了当图3所示的双向开关的输出电流为正时的换向操作。
图5的图示出了当图4所示的双向开关的输出电流为负时的换向操作。
在图1中，在三相ac电源1与由双向开关Sur～Swt组成的双向开关组3之间设置输入滤波器2。双向开关组3的输出连接到负载电机4。输入波滤器2和双向开关组3形成PWM循环转换器的主电路。
从输入滤波器的输入侧(初级端)检测电压，并且通过输入电源振幅/相位检测器6检测用于控制PWM信号转换器所必需的输入相电压Er、Es和Et以及输入电压相位θin。另一方面，在速度指令Nref中，通过电压指令产生器9计算输出电压指令Vref和输出电压相位指令θout。
输入相电压Er、Es和Et、输入电压相位θin、输出电压指令Vref和输出电压相位指令θout通过PWM脉冲计算装置10计算U、V和W相的电压指令(Vu_ref1、Vv_ref1、Vw_ref1)。双向开关组3的输出设置有用于检测电流的电流检测器12，并且由电流方向检测电路7检测各相(IuDIR、IvDIR、IwDIR)的电流方向。
U、V和W相的电压指令(Vu_ref1、Vv_ref1、Vw_ref1)、各相(IuDIR、IvDIR、IwDIR)的电流方向和输入电压相位θin输入到换向补偿器11，以输出由换向补偿器11补偿的U、V和W相的电压指令(Vu_ref2、Vv_ref2、Vw_ref2)。基于电压指令(Vu_ref2、Vv_ref2、Vw_ref2)和电流方向(IuDIR、IvDIR、IwDIR)，在换向电路8中确定换向操作，并且由驱动电路5驱动双向开关Sur～Swt。
如图2所示，双向开关Sur～Swt可以通过以反并联的方式将多个逆向阻断型IGBT组合在一起而构成，或者通过以反并联方式将多个分别串联连接到IGBT的二极管组合在一起而构成。
现在，在下面将描述PWM循环转换器的换向。
图3是是一个电路图，其中在一个双向开关组3中仅仅取出具有两相的输入和具有一相的输出。
在图3所示的开关中，将描述一种情况，即其中SW3和SW4导通的状态换向到其中SW1和SW1导通的状态。此外，假设在输入电压中，SW1和SW2的输入电压E1高于SW3和SW4的输入电压E2。
此外，图4示出了当输出电流Io_dir为正时的PWM指令和开关SW1、SW2、SW3和SW4各自的通断状态，图5示出了当输出电流Io_dir为负时的PWM指令和开关SW1、SW2、SW3和SW4各自的通断状态。在每幅图较低部位内的画圈数字指定一个开关次序。
根据PWM指令，在被提供电流的双向开关中首先关断没有被提供电流的开关(图4中的SW3、和图5中的SW4)。
随后，导通在电流流动到的双向开关中设置在要求持续提供的输出电流Io_dir的方向上的开关(图4中的SW2，和图5中的SW1)。
接着，关断至此仍被提供电流的开关(图4中的SW4，和图5中的SW3)。
最后，导通在新提供电流到的双向开关中与输出电流Io_dir相反的开关(图4中的SW1，和图5中的SW2)。
上述开关次序序列称为换向，并且在专利文献1中进行了详细描述。
此外，在换向操作中，在图4的情况(E1＞E2、Io_dir＞0)中，输出侧“o”的电位在较低部位所示的工作范围(2)～(7)内变化。
在图5的情况(E1＞E2、Io_dir＜0)中，输出侧“o”的电位在工作范围(3)～(6)内变化。因此，对于PWM指令，图4中的实际输出大，而图5中的实际输出小。
图6示出了在图3所示的双向开关中输入电压表示为E1＜E2的图。
图7的图示出了当图6所示的双向开关的输出电流为正时的情况，图8的图示出了当输出电流为负时的情况。
图6～8示出了当输入电压表示为E1＜E2的情况。换向操作的说明与上述参照图3～5的说明相同。
另一方面，在输出侧“o”的电位中，图7中的实际输出小，而图8中的实际输出大。
上述说明如表1所示进行概括。
表1 电压误差
如下所述确定输入电压表示为E1＞E2或E1＜E2的条件。当三相ac电源相分别定义为Vr＝Vin*sinθin、Vs＝Vin*sin(θin-120)和Vt＝Vin*sin(θin-240)时，在0°≤θin≤60°、120°≤θin≤180°和240°≤θin≤300°的区域内输入电压表示为E1＞E2，而在60°≤θin≤120°、180°≤θin≤240°和300°≤θin≤360°的区域内，输入电压表示为E1＜E2。
在这种情况下，符号分别表示下列值。
Vr、Vs和VtR相、S相和T相的输入电压值；Vin输入电压的峰值；θin输入电压的相位。
将详细描述用于通过换向操作修正误差的换向补偿器11的操作。
U、V和W相的电压指令(Vu_ref1、Vv_ref1、Vw_ref1)、各相(IuDIR、IvDIR、IwDIR)的电流方向和输入电压相位θin输入到换向补偿器11，以由公式(1)、(2)和(3)计算输出电压指令，并将它们作为新的输出电压指令。
Vu_ref2＝Vu_ref1+ΔV...(1)Vv_ref2＝Vv_ref1+ΔV...(2)Vw_ref2＝Vw_ref1+ΔV...(3)作为计算的第一条件，当三相ac电源相分别定义为Vr＝Vin*sinθin，Vs＝Vin*sin(θin-120)和Vt＝Vin*sin(θin-240)时的情况下，如果在0°≤θin≤60°、120°≤θin≤180°和240°≤θin≤300°的区域内电流检测器的输出为正，以及如果在60°≤θin≤120°、180°≤θin≤240°和300°≤θin≤360°的区域内电流检测器的输出为负，ΔV表示负固定值。此外，作为第二条件，如果在0°≤θin≤60°、120°≤θin≤180°和240°≤θin≤300°的区域内电流检测器的输出为负，以及如果在60°≤θin≤120°、180°≤θin≤240°和300°≤θin≤360°的区域内电流检测器的输出为正，ΔV表示正固定值。在这种情况下，符号分别限定如下。
Vu_ref2、Vv_ref2和Vw_ref2由换向补偿器分别换向的U相、V相和W相的输出电压指令值；Vu_ref1、Vv_ref1和Vw_ref1 VoutU相、V相和W相的输出电压指令值；Vr、Vs和VtR相、S相和T相的输入电压值；Vin输入电压的峰值；θin输入电压的相位。
在根据权利要求3的方法中，可以根据电流检测器检测的电流值改变电压修正值ΔV。在根据权利要求2的方法中，在电流值从正值变到负值的点上，电压修正值ΔV显著改变。可以平滑的连接从负值到正值的点。
此外，在根据权利要求4的方法中，当在载波周期内即使一次也不导通或关断双向开关时，由于不发生电压误差，所以输出电压指令由下列公式(4)、(5)和(6)计算，而当在载波周期内至少一次导通和关断双向开关时，公式(4)到(6)变为上述公式(1)、(2)和(3)以进行计算。
Vu_ref2＝Vu_ref1...(4)Vv_ref2＝Vv_ref1...(5)Vw_ref2＝Vw_ref1...(6)如上所述，由于补偿了在换向操作中在指令电压和实际输出电压之间的误差，所以根据期望为原始输出的输出电压指令Vref可以进行输出。由于电压误差导致电机振荡或扭矩脉动，所以使用这种方法以便能够改进电机的驱动特性。
虽然本发明是根据具体实施例进行说明的，但是本领域技术人员应当知道，可以进行多种变化或修改而不脱离本发明的精神和范围。
虽然本发明是根据具体实施例进行说明的，但是本领域技术人员应当知道，可以进行多种变化或修改而不脱离本发明的精神和范围。
本申请是基于2004年6月1日提交的日本专利申请No.2004-163375的，并且在此将其内容引入作为参考。
权利要求
1.一种PWM循环转换器，其是一种直接由双向半导体开关连接的电能转换器，所述双向半导体开关具有两个组合的但分别独立导通和关断的单向半导体开关，其中仅能够在三相ac电源的每一相与具有三相输出的电能转换器的每一相之间的一个方向内提供电流，根据施加到连接于双向半导体开关的输出侧的负载的电压指令，确定双向半导体开关的通/断时间，所述PWM循环转换器包括输入电压相位检测器，用于检测三相ac电源的电压的相位；电流检测器，用于检测提供给双向半导体开关的电流的方向；和换向补偿器，用于接收输入电压相位检测器和电流检测器的输出，作为输入以补偿电压指令。
2.一种用于根据权利要求1的PWM循环转换器的控制方法，其中通过换向补偿器从下列公式(1)、(2)和(3)中获取输出电压指令Vu_ref2＝Vu_ref1+ΔV…(1)Vv_ref2＝Vv_ref1+ΔV…(2)Vw_ref2＝Vw_ref1+ΔV…(3)在当三相ac电源相分别定义为Vr＝Vin*sinθin，Vs＝Vin*sin(θin-120)和Vt＝Vin*sin(θin-240)时的情况下，如果在0°≤θin≤60°、120°≤θin≤180°和240°≤θin≤300°的区域内电流检测器的输出为正，以及如果在60°≤θin≤120°、180°≤θin≤240°和300°≤θin≤360°的区域内电流检测器的输出为负，ΔV表示负固定值，并且如果在0°≤θin≤60°、120°≤θin≤180°和240°≤θin≤300°的区域内电流检测器的输出为负，以及如果在60°≤θin≤120°、180°≤θin≤240°和300°≤θin≤360°的区域内电流检测器的输出为正，ΔV表示正固定值，并且在这种情况下，通过如下限定进行计算以获得输出电压，Vu_ref2、Vv_ref2和Vw_ref2为由换向补偿器分别换向的U相、V相和W相的输出电压指令值；Vu_ref1、Vv_ref1和Vw_ref1 Vout为U相、V相和W相的输出电压指令值；Vr、Vs和Vt为R相、S相和T相的输入电压值；Vin为输入电压的峰值，以及θin为输入电压的相位。
3.根据权利要求2的用于PWM循环转换器的控制方法，其中在输出电压指令的公式(1)、(2)和(3)中的ΔV根据电流检测器检测的电流值进行改变。
4.根据权利要求2或3的用于PWM循环转换器的控制方法，其中当在载波周期内即使一次也不导通或关断双向开关时，输出电压指令由下列公式(4)、(5)和(6)计算Vu_ref2＝Vu_ref1…(4)Vv_ref2＝Vv_ref1…(5)Vw_ref2＝Vw_ref1…(6)，和当在载波周期内至少一次导通和关断双向开关时，公式(4)到(6)变为公式(1)、(2)和(3)以计算输出电压指令，并且由换向补偿器补偿输出电压指令。
全文摘要
本发明的目的是提供一种PWM循环转换器，其能够补偿由换向操作产生的在电压指令和实际电压之间的误差。用于解决上述问题的PWM循环转换器包括输入电压相位检测器(6)，用于检测三相AC电源(1)的电压的相位；电流方向检测器(7)，用于检测提供给双向半导体开关(3)的电流的方向；换向补偿器(11)，用于接收输入电压相位检测器和电流检测器的输出，作为输入以补偿电压指令。
文档编号H02M5/02GK1961471SQ200580017948
公开日2007年5月9日 申请日期2005年5月31日 优先权日2004年6月1日
发明者山本荣治, 原英则, 江口公一 申请人:株式会社安川电机