专利名称：功率变换装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及功率变换装置及其控制方法的改进。
背景技术：
使用功率变换器驱动交流电动机时是把电源供给的交流电功率由功率变换器暂时变换为直流，再变换为所需可变电压可变频率的交流电功率。这里，当通过输入侧的交流电源电压的变动等改变了功率变换器内部的直流电压时，功率变换器的输出电压变动，使电动机的速度与转矩变动。对应于这一问题，当可以检测功率变换器内的直流电压时，已知有例如特许文献1所示的基于直流电压检测值修正输出电压指令的技术。另一方面，当不能检测功率变换器内的直流电压时，已知有例如特许文献2所公开的，通过将输出电压检测值与输出电压指令比较，根据比较结果来修正输出电压指令值的技术。
特许文献1特开平6-311787号公报(摘要，此外全部说明书内容)。
特许文献2特开2001-128459号公报(摘要，此外全部说明书内容)。
发明内容
在输入交流而输出交流的功率变换器中，于将交流变换为直流的整流器和将直流变换为交流的逆变器之间的直流电路中连接上用于使直流电压平滑化的电容器。这种平滑电容器在变换器内所占的容积大，因而为了使功率变换器小型化就需减小平滑电容器的容量。但当减小电容器电容时，不仅使输入侧电源变动，还会由于输出侧负载(功率)的变动而增大了直流电压的变动量。特别是在将单相单元变换器串联连接驱动高压电动机的所谓串联多重变换器系统中，当降低平滑电容器的电容后，直流电压的波动量增大，可知在这种影响下电动机的转矩易发生变动。此外，设置检测变换器内直流电压的装置则会增多部件数，使装置复杂。
本发明的目的在于提供这样的功率变换装置及其控制方法，它不需检测直流/交流变换器的直流输入电压，即使降低输入侧的平滑电容器的电容，也能减少输出电压的变动。
本发明的另一目的在于提供这样的功率变换装置及其控制方法，它能在将多个单相单元变换器串联连接成的多重变换器(以下称作串联多重变换器)中，减小平滑电容器的电容、不检测直流电压，而能减少输出电压的变动。
本发明的再一目的是在由串联多重变换器给交流电动机供电以驱动风扇或泵的系统中，可不检测直流电压、减小电动机转矩的变动和使功率变换装置小型化。
本发明的一个方面是配备有对变换器的直流输入电流进行推断计算的电流计算装置，以及使用此计算出的电流值推断上述变换器的直流输入电压的变动量的推断装置，其特征在于设置有根据此推断结果修正变换器的输出电压指令值的修正装置。
由此，即使降低变换器的输入侧的平滑电容器的电容量，也可不检测变换器内直流输入电压和能减小输出电压的波动。
本发明的另一个方面是具备有用于计算单相变换器的直流输入电流的电流计算装置，和使用此算出的电流值来推断单相变换器的直流电压变动量的直流电压变动量推断装置，同时设有据此推断结果修正输出电压指令值的修正装置。
本发明的再一个方面是在对于各相将单相单元变换器的输出侧作串联连接的串联多重变能器中配备有对各单相变换器的直流输入电流进行计算的电流计算装置，使用算出的电流值推断上述各单相变换器的直流电压变动量的直流电压变动量推断装置，同时设有根据此推断结果对各相修正输出电压指令的修正装置。
由此，即使降低各单相变换器输入侧的平滑电容器的电容，相对于负载的变动，也可不用检测各相变换器的直流输入电压而可减小变换器的输出电压的变动。
特别是在将单相单元变换器串联连接驱动高压电动机的串联多重变换器的系统中，与三级变换器不同，单相单元变换器的直流输入电流以输出电流2倍的频率这样低的频率变动。于是当平滑电容器的电容降低也难以抑制直流电压的变动，由于这种影响就容易使电动机的转矩变动。但是这种直流电压的变动量与三级变换器不同，由于各相中的变动相位相异，通过修正各相的输出电压指令值可有效地减小输出电压的变动。
根据本发明，提供了这样的功率变换装置及其控制方法，它可以不去检测将直流变换为交流的功率变换器的直流输入电压，即使是在减小输入侧的平滑电容器的电容，使功率变换器小型化时，也能减小输出电压的变动。
此外，还提供了这样的功率变换装置及其控制方法，使得在串联多重变换器中，即使减小变换器输入侧的平滑电容器的电容，使功率变换器小型化时，也可不用检测变换器内的直流输入电压，减小输出电压的变动。
再有，在由串联多重变换器给交流电动机供电以驱动风扇或泵的系统中，由于能减小输出电压的变动，就可抑制因电压变动造成的转矩波动，防止给机械轴与负载以不利的影响。
图1是本发明一实施形式的功率变换装置的整体结构的框图。
图2是本发明一实施形式的功率变换装置的电压修正处理的流程图。
图3是减小作为本发明适用对象的功率变换装置的平滑电容器电容时各部分的电压/电流波形图。
图4是本发明一实施形式的输出电压与电动机转矩的波形图。
图5是本发明另一实施形式的功率变换装置的整体结构的框图。
图中各标号的意义如下1，交流电源；2，变压器；3，功率变换器(串联多重变换器)；3U～3W，U～W相变换器装置；3u1～3un，U相单相单元变换器；11，整流器；12，平滑电容器；13，逆变器；4，交流电动机；40，泵或风扇系统；5，电流检测装置；6，电压检测装置；7，控制装置；71，电压指令计算装置；72，电压指令修正计算装置；73，PWM控制装置；74，PWM控制信号，75，直流电流计算装置；76，直流电压变动量计算装置；77，速度推断装置；78，速度控制装置(电流指令装置)；79，电流控制装置(电压指令计算装置)。
本发明的其他目的与特征可由下以所述实施形式获得理解。
具体实施形式下面根据
本发明的实施形式。
图1是本发明一实施形式的功率变换装置的整体结构框图。图1中，通过变压器2将交流电源1的交流电功率输入AC/AC功率变换器即串联多重变换器3中，此AC/AC变换器3由U～W相变换器装置3u～3w组成，各相装置如图中只示明U相情形，将n个单相单元变换器3u1～3un于输出侧串联连接构成串联多重变换器。此串联多重变换器3将变压器2输出的交流电变换为高电压的可变电压可变频率的交流电，供给交流电动机4。在串联多重变换器3中各单相单元变换器3u1～3un内将交流电压经整流器11变换为直流电压，设有将此直流电压平滑化的平滑电容器12，由逆变器13输出经脉宽调制(PWM)的电压。此各单元变换器3u1～3un的输出电压于U相单元装置3u、v相单元装置3V、W相单元装置3W的各单元内相加，作为3相交流电压输出给交流电动机4。本例中的交流电动机4驱动着作为负载的泵或风扇系统。
串联多重变换器3的输出电流Iu～Iw由输出电流检测装置5检测，而其输出电压Vu～Vw由输出电压检测装置6检测，分别输出给控制装置。在控制装置7内，于电压指令计算装置71中，基于速度(频率)指令f*与电流检测值Iu～Iw，通过V/f恒定控制或无速度传感器的向量控制等计算电压指令Vu*～Vw*。将此电压指令Vu*～Vw*通过电压指令修正计算装置72导入PWM控制装置73，发生PWM控制信号74，对变换器3作PWM控制。
此实施形式的特征是，通过直流输入电流计算装置75与直流电压变动量计算装置76，由电压指令修正计算装置72执行电压指令的修正计算。
首先将电流检测装置5的各相电流检测值Iu～Iw以及电压检测装置6的各相的电压检测值Vu～Vw输入给直流输入电流计算装置75。在此，对于各个相，计算单相单元变换器3u1～3un，3v1～3vn与3w1～3wn(只图示了U相)的直流输入电流Idcu、Idcv与Idcw。对直流电压变动量计算装置76输入从直流输入电流计算装置75输出的各相的直流电流计算值Idcu～Idcw，计算直流输入电压各相的变动量ΔVdcu(s)～ΔVdcw(s)。电压指令修正计算装置72，对于电压指令计算装置71给出的电压指令Vu*～Vw*，根据直流电压变动量计算装置76求得的直流电压变动量计算值ΔVdcu(s)～ΔVdcw(s)，按各相进行修正。将修正后各相的电压指令值Vu**～Vw**提供给PWM控制装置73，发生PWM控制信号74，对串联多重变换器3作PWM控制。
上述实施形式是将多个(n个)单相单元变换器于输出侧串联连接，驱动高压电动机4的系统。因此，若以单相单元变换器3u1考虑，则通过单相变换器13由平滑电容器12供给于负载3的电功率将以交流输出频率2倍那样低的频率变动。于是直流输入电流以及由此而变动的直流电压的变动容易加大，若是减小平滑电容器12的容量，则直流电压变动进一步加大，使电动机的转矩发生变动。因此，在将多个单相单元变换器于输出侧串联连接成的多重变换器中，特别是相对于直流电压的变动，需要修正输出电压。
其次说明此实施形式中的修正方法。首先将电动机4的1相部分的电功率Pdc(Polcu～Pdcw)以(1)式表示Pdc=V×I=Vmsin(ωt)×Imsin(ωt-φ)=Vm×Im2(cosφ-cos(2ωt-φ))----(1)]]>上式中，V为电动机的相电压，I为电动机的相电流，φ为电动机的功率角。如(1)式中第二项所示，单相变换器的电功率Pdc按电动机旋转频率ω2倍的所谓低频率变动。这样，在单相单元变换器中流过有与电功率Pdcu～Pdcw成正比的直流电流Idcu～Idcw，由于此直流电流的变动，平滑电容器12两端的直流电压Vdcu～Vdcw有很大的变动，通过这种变动，串联多重变换器3的输出电压产生畸变，在电动机4的转矩中也产生变动。
这样，串联多重变换器3中，直流电压的变动大而此变动会给电动机转矩以很大影响。因此为了控制这种转矩的变动，在本实施形式中按以下所示修正电压指令。
图2是本发明一实施形式的功率变换装置的电压修正处理流程图。首先于步骤201，在直流输入电流计算装置75中，根据下面的(2)式计算U～W相各单相变换器单元3u～3w的直流输入电流Idcu～Idcw。
具体地说，将电流检测装置5的电流检测值Iu～Iw与电压检测装置6的电压检测值Vu～Vw之积的各相部分的功率Pdcu～Pdcw，除以各单元的直流电压平均值Vdch与单元串联数n，计算各相的直流电流。
然后于图2的步骤202中，由直流电压变动量计算装置76，根据(3)式推算各相的直流电压变动量ΔVdcu～ΔVdcw。
ΔVdcu(s)＝Gu(s)×Idcu(s)ΔVdcv(s)＝GV(s)×Idcv(s) (3)ΔVdcw(s)＝Gw(s)×Idcw(s)也就是将直流电压的平均电压Vdch与各相的变动量ΔVdcu～ΔVdcw之和相对于直流电压的基准电压Vdck的比例的倒数，乘以电压指令值Vu*～Vw*。
具体地说，将直流电流计算值输入各相变换器装置3u～3w的模型Gu(s)～Gw(s)(传递函数或框图模型)中，推算各相的直流电压变动量ΔVdcu～ΔVdcw。
再于步骤203，在电压指令修正计算装置72中修正电压指令Vu*～Vw*。也就是根据步骤202计算的直流电压变动量ΔVdcu～ΔVdcw，修正由电压指令计算装置71输出的电压指令Vu*～Vw*，再将已修正的电压指令值Vu**～Vw**输出给PWM控制装置73。PWM控制装置73根据此交流电压指令Vu**～Vw**，生成用于对直流输入电压Vdcu～Vdcw由变换器进行脉宽调制的PWM控制信号74，对变换器3进行PWM控制。
修正计算是在电压指令修正计算装置72中例如根据(4)式进行。
这就是说将直流电压的平均电压Vdch与各相变动量ΔVdcu～ΔVdcw之和相对于直流电压的基准电压Vdch之比例的倒数，乘以电压指令值Vu*～Vw*。
图3是在作为本发明适用对象的功率变换装置中，将平滑电容器12的电容减少时各部电压/电流波形图。直流电流Idcu～Idcw，以相对于电动机4的驱动频率ω即交流输出电压Vu～Vw以及电流Iu～Iw的频率的2倍频率变动。由此，直流电压Vdcu～Vdcw也以2倍的频率变动，且各相变动的相位不同。
图4是本发明一实施形式的输出电压与电动机转矩的波形图。它是将图3的产生直流电压变动状态时的功率变换器3的电压指令Vu**与输出电压Vu以及电动机4的转矩波形，与实施本实施形式的直流电压修正的情形和不实施的情形加以比较的结果。在未修正的图4(a)中，由于直流电压变动的影响，相对于电压指令Vu**，输出电压Vu畸变，在其影响下，电动机转矩Tm产生了驱动频率ω的6倍的频率的转矩变动。另一方面，根据本发明一实施形式，基于直流电压的变动量修正了电压指令的图4(b)中，通过修正电压指令Vu**，能将输出电压Vu的波形修正到原来的电压波形而可以减小电动机4的转矩Tm的变动。根据仿真结果，通过将本实施形式用于转矩变动为3～7％的先有技术中，转矩的变动已减少到0.8～1.6％。
本实施形式的简要内容如下首先设置对于各相，于交流侧由串联连接的n个单相单元变换器3u1～3un…构成串联多重变换器的三相功率变换器3。各单相单元变换器由将交流变换为直流的整流器11、平滑电容器12和将直流变换为交流的逆变器13组成。配备有检测功率变换器的输出电流Iu～Iw的电流检测装置5和检测功率变换器3的输出电压Vu～Vw的电压检测装置6。相对于功率变换器3，以配备有能给出各相的输出电压指令Vu*～Vw*的电压指令计算装置71和修正输出电压指令值的输出电压指令修正装置72的功率变换装置为前提。在此，使用输出电流与电压检测值Iu～Iw以及Vu～Vw，新增设了对功率变换器3各相的直流输入电流Idcu～Idcw进行计算的直流输入电流计算装置75。然后设有直流电压变动量计算装置76，根据在此算出的直流输入电流值Idcu～Idcw，推断直流输入电压的变动量ΔVdcu(s)～ΔVdcw(s)。最后通过修正计算装置72，根据此推断结果，由修正电压指令计算装置71的电压指令值Vu*～Vw*，而得到修正的电压指令值Vu**～Vw**。
这样，通过推算各相的直流输入电流和基于此的各相直流电压的变动量，对各相修正电压指令，就能防止因直流输入电流的变动致直流电压变动而使输出电压畸变。结果可以提供能减轻电动机转矩等变动、能减小功率变换器3内平滑电容器12的电容的小型功率变换装置。特别是在由串联多重变换器给交流电动机供电以驱动风扇或泵的系统中，由于可减小输出电压的变动，就可减小电压变动造成的转矩波动，而能抑制因过大的转矩给机械轴或作为负载结合的机械以损伤的机械轴振动。
此外在图1中，计算直流电流时是用的电压检测值Vu～Vw，但也可不用电压检测值而用电压指令值Vu*～Vw*。电压指令与输出电压经控制成使基波分量一致，这是由于直流电流变动取决于电压/电流的基波分量成为主要分量之故。
图5是本发明另一实施形式的功率变换装置的整体结构框图。与图1中等同的部分或部件附以相同标号而免除重复说明。与图1不同之处是功率变换器3的输出电压指令Vu*～Vw*的生成方法。使用输出电流检测值Iu～Iw以及输出电压检测有Vu～Vw，由速度推断装置77估计电动机4的速度频率f。通过速度控制装置78将此速度频率f与速度/频率指令f*比较，求得输出电流指令Iu*～Iw*。于是速度控制装置78构成电流指令装置。再通过电流控制装置79将此输出电流指令Iu*～Iw*与输出电流检测值Iu～Iw比较，制成输出电压指令Vu*～Vw*。也就是说，在主要的ASR(速度控制系统)的内侧具有次要的ACR(电流控制系统)，制成输出电压指令Vu*～Vw*。
这样，由于制成了输出电流指令Iu*～Iw*，就可相对于直流输入电流计算装置75取代电流检测装置5的各相的电流检测值Iu～Iw而输入它们的输出电流指令Iu*～Iw*。显然在此直流电流的计算中也可使用电流检测值，其他方面则与图1相同。
如上所述，由控制装置7产生PWM控制信号74，起动变换器3内的变换元件，由脉宽调制(PWM)控制变换器驱动电动机4。在这种情形，有可能由于变换器3与电动机9之间的电缆电路的谐振与反射等，而在电动机侧发生猛增的电压(浪涌电压)。此时当前述的直流输入电压发生变动时，有可能使浪涌电压的峰值进一步上升。但是通过以上实施形式的直流电压变动补偿，如图4(b)所示，与不采用这种补偿方法的图4(a)相比，能使输出电压的峰值最小化，也有效于抑制因直流电压变动造成的电涌峰值的上升。
此外，已有的例子中是用变换器输出电压的瞬时值来修正输出电压指令，因而易受包括于输出电压中的高次谐波的波动影响，缺乏稳定性，但在本发明的上述实施形式中，由于是根据变换器的输出电压、电流的基波分量来推估直流电压变动以修正输出电压指令，故可充分除去高次谐波的波动和可以防止受到它的影响。于是能够高度稳定地补偿输出电压，可靠地防止直流电压变动的影响。
再有，本实施形式中是就串联多重变换器进行说明，但即使对于单相单机变换器或非n级的一级的结构也可采用本发明而能取得相同的效果。
权利要求
1.一种功率变换装置，具有，将直流变换为交流的功率变换器；将交流的输出电压指令给予此功率变换器的电压指令计算装置；检测上述功率变换器的输出电压的电压检测装置，以及利用此电压检测装置的检测结果来修正上述输出电压指令的电压指令修正装置，其特征在于，此功率变换装置还包括对上述功率变换器的直流输入电流进行计算的直流输入电流计算装置；使用此计算出的直流输入电流值修正上述电压指令计算装置的电压指令的修正计算装置。
2.权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，包括使用所计算出的上述直流输入电流值，推断上述功率变换器的直流输入电压的变动量的直流电压变动量计算装置；根据此推断结果修正上述电压指令计算装置的电压指令值的修正计算装置。
3.权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，具有检测上述功率变换器的输出电流的输出电流检测装置，计算上述直流输入电流的电流计算装置使用上述输出电流检测装置的检测值计算上述功率变换器的直流输入电流。
4.权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，具有检测上述功率变换器的输出电流的电流检测装置，计算上述直流输入电流的电流计算装置使用上述电压检测装置的检测值或上述输出电压指令以及上述电流检测装置的检测值，计算上述功率变换器的直流输入电流。
5.权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，具有对于各相检测上述功率变换器的输出电流的电流检测装置；输出各相的电流指令的电流指令装置；根据这些电流指令与上述电流检测装置的输出的偏差，输出上述电压指令的电流控制装置。
6.一种风扇或泵驱动系统，其特征在于，它具有由权利要求1的功率变换装置供电的交流电动机以及由此交流电动机驱动的风扇或泵。
7.一种功率变换装置，具有对各相于交流侧具有串联连接的多个单元变换器而将直流变换为交流的功率变换器；将交流的输出电压指令给予此功率变换器的电压指令计算装置；检测上述功率变换器的输出电压的输出电压检测装置，以及使用此输出电压检测装置的检测结果来修正上述输出电压指令的输出电压指令修正装置，其特征在于，上述输出电压指令修正装置包括计算各相的直流输入电流的电流计算装置；使用此计算出的直流输入电流值修正上述电压指令计算装置的各相的电压指令值的修正计算装置。
8.权利要求7所述的功率变换装置，其特征在于，包括使用所计算出的上述直流输入电流值，推断上述功率变换器的直流输入电压的变动量的直流电压变动量计算装置；根据此推断结果修正上述电压指令计算装置的电压指令值的修正计算装置。
9.权利要求7所述的功率变换装置，其特征在于，具有检测上述功率变换器的输出电流的输出电流检测装置，计算上述直流输入电流的电流计算装置使用上述输出电流检测装置的检测值计算上述功率变换器的直流输入电流。
10.权利要求7所述的功率变换装置，其特征在于，具有检测上述功率变换器的输出电流的电流检测装置，计算上述直流输入电流的电流计算装置使用上述电压检测装置的检测值或上述电压指令值以及上述电流检测装置的检测值，计算上述功率变换器的直流输入电流。
11.权利要求7所述的功率变换装置，其特征在于，具有对于各相检测上述功率变换器的输出电流的电流检测装置；输出各相的电流指令的电流指令装置；根据这些电流指令与上述电流检测装置的输出的偏差，输出上述电压指令的电流控制装置。
12.一种风扇或泵驱动系统，其特征在于，它具有由权利要求的功率变换装置供电的交流电动机以及由此交流电动机驱动的风扇或泵。
13.一种功率变换装置的控制方法，具有相对于将直流变换为交流的功率变换器给予交流的输出电压指令的步骤；检测上述功率变换器的输出电压的步骤，以及使用此输出电压检测结果修正上述输出电压指令的步骤，其特征在于，此控制方法还包括计算直流输入电流的步骤；基于此计算出的电流值修正上述输出电压指令的步骤。
14.权利要求13所述的功率变换装置控制方法，其特征在于，此方法包括使用计算直流输入电流的步骤中所计算出的电流值推断上述功率变换器各相的输入电压变动量的步骤；基于此输入电压的变动量修正各相的上述输出电压指令的步骤。
15.权利要求13所述的功率变换装置控制方法，其特征在于，此方法包括检测上述功率变换器的输出电流的步骤；使用此输出电流检测值计算上述功率变换器的直流输入电流的步骤。
16.权利要求13所述的功率变换装置控制方法，其特征在于，此方法包括检测上述功率变换器的输出电流的步骤或指令上述功率变换器输出电流的步骤；基于上述输出电压的检测值或指令值以及上述输出电流的检测值或指令值，计算上述功率变换器的直流输入电流的步骤。
17.权利要求13所述的功率变换装置控制方法，其特征在于，此方法包括将串联连接的多个单相单元变换器的输出电压相加而施加给负载的步骤。
全文摘要
本发明提供了功率变换装置及其控制方法。在将交流变换为直流的整流器与将直流变换为交流的逆变器之间设有平滑化电容器，特别用于将多个单相单元变换器于输出侧串联连接的串联多重变换器小型化。本发明计算各单相变换器的直流输入电流，使用此电流值推断各单相变换器的直流输入电压变动量以修正变换器各相的输出电压指令。结果经单相变换器由平滑电容器给负载供给的电功率按交流输出频率的2倍频率变动。由此，对于直流输入电流/电压易有大的波动而降低平滑电容器电容以致于直流电压波动仍将增大且电动机转矩易发生变动时，通过计算推断有效地修正电压指令，就能抑制转矩的变动和提供小型的功率变换装置。
文档编号H02M7/48GK1510823SQ20031012357
公开日2004年7月7日 申请日期2003年12月25日 优先权日2002年12月25日
发明者秋田佳稔, 奥山俊昭, 冈松茂俊, 囯井启次, 俊, 昭, 次 申请人:株式会社日立制作所