电力变换装置以及电力变换装置的调整方法与流程

本发明涉及将多个电力变换电路并联连接的电力变换装置及其调整方法。

背景技术：

逆变器等电力变换装置包括：二极管；igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极晶体管)、mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等半导体元件；供给瞬时功率的电容器；半导体元件的驱动电路；监视电力变换装置的输出电流、电压的各传感器；读入从各传感器发送的值，运算期望的动作，并送出用于指示驱动电路必要的动作的命令信号的控制电路等。电力变换装置按照各种输出电流、电压等的规格，设计构成其的前述的构成部件。

作为电力变换装置的构成方法之一，存在将输出电流容量小的单元化的电力变换电路(例如，逆变器主电路)并联连接的构成方法(例如，参考专利文献1)(以下，记作“模块化设计”)。与按每个输出电流容量设计全部部件的方法相比，模块化设计的一个优点在于，能够省略按每个输出容量设计部件的时间，能够同时开发各种输出容量规格(lineup)。

但是，存在如下问题，即，在并联连接的多个电力变换电路中，若在各电力变换电路的输出电流存在偏差，则电流责任(原文：電流責務)集中在一部分电力变换电路，致使电力变换电路发生故障。作为一例，在配置于某逆变器的臂上的开关元件与其他逆变器相比较早地接通的情况下，电流责任集中在较早地接通的逆变器。

为了抑制这种电流责任集中，一般通过在逆变器的输出级设置比较大型的电抗器来缓和电流集中，或者预先设想电流的偏差而使电流具有似然性来设计逆变器，从而使电流责任均衡化。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：jp特开2008-86127号公报

技术实现要素：

但是，存在如下问题，即，若设置电抗器或进行具有似然性的设计，则电力变换装置变得大型化，并且成本增大。

因此，本发明提供一种虽然包括多个电力变换电路但是小型且廉价的电力变换装置及其调整方法。

为了解决上述课题，本发明的电力变换装置并联连接多个电力变换电路，多个电力变换电路的每一个具备由直流电源充电的电容器和将充电到电容器的直流电力变换为交流电力的逆变器主电路，多个电力变换电路被控制为来自直流电源的直流输入电流大致为零。

此外，为了解决上述课题，本发明的电力变换装置并联连接多个电力变换电路集群，多个电力变换电路集群的每一个由多个电力变换电路的并联连接构成，多个电力变换电路的每一个具备由直流电源充电的电容器和将充电到电容器的直流电力变换为交流电力的逆变器主电路，多个电力变换电路被控制为从直流电源向多个电力变换电路集群的直流输入电流大致为零。

为了解决上述课题，本发明的电力变换装置的调整方法是并联连接多个电力变换电路的电力变换装置的调整方法，多个电力变换电路的每一个具备由直流电源充电的电容器和将充电到电容器的直流电力变换为交流电力的逆变器主电路，在多个电力变换电路安装多个电流传感器，接下来，设定对电力变换电路的控制信号的补正量，使得由多个电流传感器所感知的向多个电力变换电路的直流输入电流大致为零，接下来，拆下多个电流传感器。

发明效果

根据本发明，能够使多个电力变换电路的电流责任均衡化。因此，由于能够减少电抗器、设计似然性，所以能够获得小型且廉价的电力变换装置。

上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明而变得清楚。

附图说明

图1示出实施方式1的电力变换装置的整体结构。

图2示出实施方式1中的控制电路的结构。

图3是示出控制电路中的处理的流程图。

图4示出将电力变换电路的并联数增加至3的电力变换装置的结构。

图5示出实施方式2的电力变换装置的整体结构。

图6示出图5中的电力变换电路的电路结构。

图7示出实施方式3的电力变换装置的出厂测试时的整体结构。

图8示出实施方式3的电力变换装置的安装后的整体结构。

符号说明

50通信网络

60状态监视系统

100电力变换电路

101电容器

102uu、102ud、102vu、102vdigbt

103uu、103ud、103vu、103vd二极管

104电流传感器

105正极

106负极

107交流端子

108直流电源

109控制电路

110信号布线

111交流连结点

112负载装置

113直流连结点

114p电容器的正极

114n电容器的负极

115信号布线

116直流链路布线

117直流外部布线

118驱动电路

119交流布线

120直流布线

121u、121v交流端子

122u、122v支路的正极

123u、123v支路的负极

201电流收支运算电路

202通用控制电路

203信号群

204电流值

205控制信号

301电力变换电路

302、303直流连结点

304、305交流连结点

306电力变换电路集群

307信号连结点。

具体实施方式

以下，使用附图来说明本发明的实施方式。在各图中，参考编号相同的要件表示同一构成要件或具备类似功能的构成要件。

(实施方式1)

使用图1～4来说明实施方式1。

图1示出本发明的实施方式1的电力变换装置的整体结构。

如图1所示，在本实施方式1的电力变换装置中，并联连接多个(图1中是两个)担负电力变换装置的主要的电力变换功能的电力变换电路100。电力变换电路100具有由igbt102uu、102ud、102vu、102vd(以下，适当统一记作“igbt102”)以及二极管103uu、103ud、103vu、103vd(以下，适当统一记作“二极管103”)构成的两个支路。各支路具有将igbt102和二极管103反并联连接的两个臂。如此，电力变换电路100具备单相逆变器的主电路。另外，二极管103作为续流二极管而动作。

上臂的发射极电极和下臂的集电极电极连接于同电位，在连接点设置外部输出用的交流端子121u、121v。交流端子121u、121v分别与电力变换电路100的两个交流端子107连接。将上臂的集电极电极作为支路的正极122u、122v，将下臂的发射极电极作为支路的负极123u、123v。支路的正极122u、122v通过母线等直流布线120与供给瞬时功率的电容器101的正极114p连接。此外，支路的负极123u、123v通过直流布线120与电容器101的负极114n连接。

在电力变换电路100设置包括能够与外部连接的正极105以及负极106的外部直流端子，分别连接于电容器的正极114p以及负极114n。在外部直流端子与电容器之间的布线上设置电流传感器104，对出入电力变换电路100的电流进行监视。另外，作为电流传感器104，可应用ct(currenttransformer，电流互感器)等。

由电流传感器104感知的电流值经由信号布线115而送出到控制电路109。igbt102的栅极端子以及发射极端子经由信号布线110分别与驱动电路118连接。驱动电路118将从控制电路109经由信号布线115接收的导通/截止(on/off)控制信号在电绝缘的基础上形成为驱动信号并向各igbt102送出。

在本实施方式1的电力变换装置中，一个电力变换电路100的正极105以及负极106分别经由直流外部布线117、直流连结点113和直流链路布线116分别与其他电力变换电路100的正极105以及负极106电连接。进而，在直流连结点113连接直流电源108。此外，一个电力变换电路100的交流端子107经由交流连结点111和交流布线119与其他电力变换电路100的交流端子107电连接。在交流连结点111连接负载装置112。

接下来，说明本实施方式1的电力变换装置中的基本动作。

在初始状态时，全部igbt102为截止状态，向负载装置112的电力供给是停止的。在开始起动时(初充电时)，由直流电源108供给的直流电力经由直流外部布线117输入到直流端子(105、106)。在电力变换电路100内，向电容器101供给直流电力，进行充电。在动作时，从控制电路109向驱动电路118经由信号布线115送出导通/截止的控制信号。驱动电路118对控制信号进行接收、信号形成，并经由信号布线110向各igbt102送出驱动信号。

这里，igbt102uu和igbt102vd成为组，同时进行导通/截止。此外，igbt102ud和igbt102vu成为组，同时进行导通/截止。前者的组和后者的组交替地导通，不同时导通。在igbt102导通时，由于在直流电源108与igbt102之间寄生比较大的电感，因而从配置在igbt102附近的电容器101，向igbt102供给电力。如此，通过igbt的导通/截止动作，直流电力被变换为交流电力，供给到负载装置112。

另外，虽然在图1中没有进行明示，但是可以在交流连结点111与负载装置112之间设置包括电感和电容等的滤波电路，来抑制从电力变换电路100供给的交流电力的失真。

由于多个电力变换电路100并联连接，因此直流电力经由直流连结点113分配供给到各电力变换电路100。在本实施方式1中，直流电源108与直流连结点113之间的布线的电感比直流链路布线116的电感、以及直流连结点113与直流端子(105、106)之间的布线的电感大。因此，瞬时的电力供给实质上可以看作仅基于充电的电容器101的电力。因此，若多个电力变换电路100的每一个所负担的输出电力平衡，则各电流传感器104检测出的电流大致为零。与此相对，若igbt102的开关定时根据电力变换电路100而不同，则各电力变换电路100负担的输出电力变得不平衡，由电流传感器104检测到瞬时电流。例如，在一个电力变换电路100具有比其他电力变换电路100更快导通的特性的情况下，一个电力变换电路100的电流传感器104探测到电流的流入。

因此，在本实施方式1中，控制各电力变换电路中的开关，使得在各电力变换电路中由电流传感器104感知的向电力变换电路100的直流输入电流小于给定阈值而大致为零。

更具体而言，如下所述，由控制电路109控制各电力变换电路100。

图2示出本实施方式1中的控制电路109的结构。

在开始起动时，控制电路109送出控制信号205，使得对各电力变换电路100的相同的臂在相同的定时给予导通/截止驱动信号。此时，由于构成半导体元件、驱动电路的部件的制造上的偏差、控制电路109与驱动电路118间的布线阻抗的偏差等，从而在半导体元件(igbt102)接通/断开的定时产生偏差。

对此，在本实施方式1中，如图2所示，控制电路109具备电流收支运算电路201。电流收支运算电路201读入由电流传感器感知的各电力变换电路的电流值204，运算各电力变换电路的电流收支(电流的流入和流出)。更具体而言，电流收支运算电路201基于各电力变换电路的电流值，判定电流流入而责任比其他电力变换电路大的电力变换电路。

即，在电流收支运算电路201中，预先设定流入的电流值的阈值，电流收支运算电路201将读入的电流值204和阈值进行比较。对于电流值204为阈值以上的电力变换电路，对通用控制电路202生成的控制信号进行补正，以使接通的定时延迟或者使断开的定时提前。或者，电流收支运算电路201对通用控制电路202生成的控制信号进行补正，以使其他电力变换电路中的接通的定时提前或者使断开的定时延迟。

作为控制信号的补正方法，例如，根据直流输入电流的电流值与阈值的差分，使控制信号的相位延迟或提前。

通用控制电路202基于各电力变换电路的输出电流等通常的控制技术中使用的信号群203(在负载装置为电动机的情况下，可以包括转子的位置、速度以及磁极位置的信号)，按照来自未图示的上级控制装置的命令值(例如，速度命令等)，生成给予驱动电路的控制信号。另外，在图1中，输出图2所示的信号群203的各种传感器(例如，感知逆变器主电路的交流输出电流的电流传感器)省略了图示。

由通用控制电路202生成的控制信号，由上述的电流收支运算电路201进行补正。然后，控制电路109输出包括补正后的控制信号的控制信号205。控制信号205中的各控制信号经由信号布线115(图1)发送到对应的电力变换电路的驱动电路。由于通过由补正后的控制信号控制的驱动电路输出的驱动信号，多个电力变换电路中的导通/截止开关的定时的偏差变小，因此能够缓和电流责任的集中。

图3是示出本实施方式1的控制电路109中的处理的流程图。电力变换电路的并联数设为2。另外，控制电路包括微型计算机等运算处理装置，按照给定程序进行一系列的处理。

在步骤s1中，向并联连接的两个电力变换电路(1)、(2)送出控制信号。

接下来，在步骤s2中，检测各电力变换电路中的从直流电源108向包括电容器101的主电路的直流输入电流。这里，将电力变换电路(1)以及(2)中的直流输入电流分别设为电流(1)以及(2)。

接下来，在步骤s3中，判定各电流是否小于给定阈值。在判定为电流(1)、(2)都小于阈值的情况下(步骤s3的“是”)，电流责任平衡，因此结束处理。此外，在判定为电流(1)、(2)的任一个为阈值以上的情况下(步骤s3的“否”)，进入步骤s4。

在步骤s4中，判定电流(1)和电流(2)的大小关系，即，判定电流(1)是否大于电流(2)。在判定为电流(1)较大的情况下(步骤s4的“是”)以及在未判定为较大的情况下(步骤s4的“否”)，分别进入步骤s5-1以及步骤s5-2。

在步骤s5-1、s5-2中，为了使电流较大的一方的电力变换电路中的开关元件的接通比另一方延迟，运算控制信号(导通信号)的补正量即延迟时间。在步骤s5-1中，因为电流(1)的一方较大，所以运算电力变换电路(1)的控制信号(导通信号)的延迟时间。此外，在步骤s5-2中，因为电流(2)的一方较大，所以运算电力变换电路(2)的控制信号(导通信号)的延迟时间。另外，延迟时间例如能够通过预先求出延迟时间与电流值的关系、或者延迟时间与电流值以及阈值的差分的关系，并设定到控制电路109，从而进行运算。

若执行步骤s5-1或者s5-2，则接下来执行步骤s6。在步骤s6中，按照步骤s5-1或者s5-2中运算的延迟时间，对由通常的控制技术基于输出电流等控制量的反馈量而生成的控制信号进行补正，生成向各电力变换电路输出的控制信号。

在步骤s6中，生成向各电力变换电路输出的控制信号后，返回到步骤s1，向电力变换电路(1)、(2)送出该控制信号。

图4示出将图1中电力变换电路100的并联数增加至3个的电力变换装置的结构。

在3台电力变换电路100并联连接的情况下，电流责任可能集中到一台或两台电力变换电路100。在电流责任集中到一台电力变换电路100的情况下，调整导通/截止的定时，使得减少该电力变换电路100的电流责任、或者增加其他电力变换电路100的电流责任。此时，控制信号的补正量(例如，延迟时间)，根据电流传感器104的值、或者该电流值与前述的阈值的差分来设定。据此，能够使各电力变换电路的电流责任均衡化。在电流责任集中在两台电力变换电路100的情况下，也能够通过同样的操作来使电流责任均衡化。如此，因为多个电力变换电路的电流责任能够均衡化，所以能够通过并联连接任意多个电力变换电路来增大电力变换装置的输出电流以及输出电力。

另外，这种控制信号的补正处理，通过使电力变换装置动作，在动作期间中逐次实施，从而除了装置中使用的各部件的制造偏差之外，依赖于气温、湿度等装置的设置环境的电流责任的集中也能够得到缓和。

此外，因为基于直流输入电流来判定电流责任的大小，所以每一个电力变换电路，能够用一个电流传感器104判定电流责任。因此，进行电流责任的判定的同时，还抑制了部件数量的增加，电力变换装置的大小不会增大。此外，能够容易地构成包括一个电力变换电路的电力变换单元。

另外，电力变换电路100中的逆变器主电路不限定于单相逆变器，也可以是三相逆变器。通过将逆变器主电路设为三相逆变器，从而能够增大电力变换装置的输出容量。

此外，控制电路109可以按每个电力变换电路来设置。在该情况下，在多个控制电路的每一个中，设定前述的直流输入电流的阈值。据此，能够省略电流收支运算电路与驱动电路间的布线，能够简化电力变换装置的结构。另外，在利用各控制电路执行图3所示的处理的情况下，通过在多个控制电路间进行通信，从而在各控制电路共享来自多个直流电源108的直流输入电流信息。

此外，在图1中，图示了在一个电力变换电路中每一臂的igbt102以及二极管103分别为一个，此外电容器101为一个，但是并不局限于此，也可以串联或并联连接多个igbt以及二极管，或者串联或并联连接多个电容器。

此外，作为直流电源108，能够应用电池、将商用交流电源等的交流电力变换为直流电力的电力变换装置等。

(实施方式2)

使用图5以及图6来说明实施方式2。另外，主要对与实施方式1不同的部分进行说明。

图5示出本发明的实施方式2的电力变换装置的整体结构。此外，图6示出图5中的电力变换电路301的电路结构。

首先，如图6所示，本实施方式2中的电力变换电路301，与实施方式1中的电力变换电路100同样地具有由igbt102uu、102ud、102vu、102vd(以下，适当统一记作“igbt102”)以及二极管103uu、103ud、103vu、103vd(以下，适当统一记作“二极管103”)构成的两个支路。各支路具有将igbt102和二极管103反并联连接的两个臂。如此，电力变换电路301具备单相逆变器的主电路。

上臂的发射极电极和下臂的集电极电极连接于同电位，在连接点设置外部输出用的交流端子121u、121v。交流端子121u、121v分别连接于电力变换电路301的两个交流端子107。将上臂的集电极电极作为支路的正极122u、122v，将下臂的发射极电极作为支路的负极123u、123v。支路的正极122u、122v通过母线等直流布线120与供给瞬时功率的电容器101的正极114p连接。此外，支路的负极123u、123v通过直流布线120与电容器101的负极114n连接。

在电力变换电路301设置包括能够与外部连接的正极105以及负极106的外部直流端子，分别与电容器的正极114p以及负极114n连接。

如图5所示，上述那样的电力变换电路301中的直流端子(105、106)在直流连结点302分别与其他电力变换电路301的直流端子(105、106)连接。此外，电力变换电路301中的交流端子107在交流连结点304与其他电力变换电路301的对应的交流端子107连接。据此，两个电力变换电路301并联连接。进而，两个电力变换电路301中的各驱动电路的信号输入，在信号连结点307彼此连接。另外，以下，将这种电力变换电路的二并联结构称为电力变换电路集群306。

一个电力变换电路集群306内的各电力变换电路301比较靠近地配置。因此，各电力变换电路301的信号布线的阻抗大致相同。此外，对于各电力变换电路301而言，通过部件挑选等从而igbt的特性大致相同，对于相同控制信号的开关的定时大致相同。因此，在一个电力变换电路集群306内，各电力变换电路301的电流责任大致相同，处于平衡。

如图5所示，在电力变换电路集群306中的直流连结点302与直流电源108之间设置电流传感器104。通过该电流传感器104，来监视一个电力变换电路集群中的两个电力变换电路301中流动的各直流电流的总和。另外，电力变换单元300由电力变换电路集群306以及电流传感器104构成。

由电流传感器104感知的电流值经由信号布线115向控制电路109送出。igbt102的栅极端子以及发射极端子分别经由信号布线110与驱动电路118连接(图6)。驱动电路118将从控制电路109经由信号布线115(图5)接收的导通/截止控制信号在电绝缘的基础上形成为驱动信号并向各igbt102送出。

在本实施方式2的电力变换装置中，一个电力变换电路301的直流端子(105、106)分别经由直流外部布线117、直流连结点302和直流链路布线116分别与其他电力变换电路100的直流端子(105、106)电连接。进而，在直流连结点303连接直流电源108。此外，各电力变换电路集群306中的交流连结点304在交流连结点305彼此连接。进而，在交流连结点305连接负载装置112。通过这种结构，两个电力变换单元300并联连接。此外，因为两个电力变换电路集群306并联连接，所以作为电力变换装置，四个电力变换电路301并联连接。

接下来，说明本实施方式2的电力变换装置中的基本动作。

在初始状态，全部igbt102为截止状态，向负载装置112的电力供给是停止的。在开始起动时(初充电时)，由直流电源108供给的直流电力经由直流外部布线117输入到直流端子(105、106)。在电力变换电路301内，向电容器101供给直流电力，进行充电。在动作时，从控制电路109向驱动电路118经由信号布线115送出导通/截止的控制信号。驱动电路118对控制信号进行接收、信号成形，并经由信号布线110向各igbt102送出驱动信号。

这里，igbt102uu和igbt102vd成为组而同时进行导通/截止。igbt102ud和igbt102vu成为组而同时进行导通/截止。前者的组和后者的组交替地导通，不同时导通。在igbt102导通时，由于在直流电源108与igbt102之间寄生比较大的电感，因而从配置在igbt102附近的电容器101向igbt102供给电力。如此，通过igbt的导通/截止动作，直流电力被变换为交流电力，供给负载装置112。

通过基于从各电力变换单元300具备的电流传感器104送出的各电流值，与前述的实施方式1同样地补正控制信号，从而能够使各电力变换电路集群306的电流责任均衡化。

在本实施方式2中，检测向由两个并联的电力变换电路301构成的电力变换电路集群306的直流输入电流，因而能够减少电流传感器104的数量。此外，因此，能够简化控制电路109与驱动电路118之间的布线。因此，能够减少电力变换装置的成本。

另外，电力变换电路集群306也可以由三个以上的电力变换电路301构成。

此外，电力变换装置也可以由三个以上的电力变换单元300构成。

(实施方式3)

在上述的实施方式1、2中，在电力变换装置动作时，控制电路109始终执行控制信号的补正运算。与此相对，在本实施方式3中，不进行变更地持续使用一旦运算出的控制信号的补正量。另外，本实施方式3适于如下情况等，即，各电力变换电路的电流责任不受外部环境影响，作为电流责任的不平衡的主要原因，电力变换装置的结构、部件的特性占主导的情况等。

使用图7以及图8来说明实施方式3。另外，主要对与实施方式1不同的部分进行说明。

图7示出本发明的实施方式3的电力变换装置的出厂测试时的整体结构。

在本实施方式3中，在出厂测试时，执行控制电路109的补正运算。如图7所示，由控制电路109运算出的控制信号的补正量保存到驱动电路118中的存储器装置。本实施方式3的装置结构与实施方式1相同，但使用测试用的负载装置112。此外，电流传感器104安装在电力变换电路100的外部，即，安装在连接正极105与直流连结点113的布线。电流传感器104在出厂测试结束时被拆下。因此，作为电流传感器104，优选夹子式等那样的容易装卸的电流传感器。

图8示出本发明的实施方式3的电力变换装置安装后的整体结构。

如图8所示，安装在设置位置的电力变换电路100不具备感知直流输入电流的电流传感器。在电力变换装置动作时，根据保存在驱动电路118中的存储器装置中的补正量，补正来自控制电路109的控制信号。据此，不在电力变换装置常设电流传感器104，就能够使各电流变换电路的电流责任均衡化。因此，能够抑制电力变换装置的成本增加。

此外，如图8所示，在电力变换装置动作时，控制电路109将表示各电流变换电路的负荷状态的负荷信息(例如，与电流变换电路的交流输出电流相关的信息)经由因特网等通信网络50发送到位于地理上与电力变换装置的设置位置分离的位置的状态监视系统60。状态监视系统60基于接收的负荷信息，判断为在电流责任上产生了不平衡时，将存储器装置中保存的补正量的修正量经由通信网络50发送到控制电路109。控制电路109按照接收的修正量，对存储器装置中保存的补正量进行修正。据此，在由于随年月而变化等，电流责任可能发生变化的状况下，能够维持均衡的电流责任。

图7所示那样的向存储器装置的补正量保存，也可以在电力变换装置的安装时实施。此外，状态监视系统60也可以在判断为在电流责任上产生了不平衡时，向维护工程师发送作业指示。在该情况下，维护工程师在电力变换装置的设置位置对电力变换电路安装电流传感器104来实施补正量的再设定。

另外，本发明不限定于前述的实施方式，包括各种变形例。例如，前述的实施方式，为了易于理解地说明本发明而详细地进行了说明，并不限定于一定具备所说明的全部结构。此外，对于各实施方式的结构的一部分，能够进行其他结构的追加/削除/置换。

例如，构成逆变器主电路的半导体开关元件，不限定于igbt，也可以是mosfet、结型双极晶体管等。半导体开关元件也可以内置反并联二极管。

此外，图8中的状态监视系统60可以位于电力变换装置的设置位置的附近(例如，相同建筑物内)。