专利名称：直接型电力变换器的控制方法
技术领域：
本发明涉及不用电解电容等的大型能量缓冲器，将交流电压直接 变换成具有任意大小、频率的交流电压的直接型电力变换器的控制方 法。
背景技术：
图12是作为这种直接型电力变换器的代表例，由9个双向开关 构成的矩阵变换器的主电路构成图。在图12中，10代表的是三相交流电源，20代表的是由扼流圈 (reactor)和电容等构成的滤波器，R、 S、 T是交流输入端子，30 代表的是将可以双向控制电流的9个双向开关SW连接在上述交流输 入端子R、 S、 T和交流输出端子U、 V、 W之间的矩阵变换器(matrix converter),通过接通断开上述双向开关SW，直接切出三相交流输入 电压，变换成任意大小、频率的三相交流电压。图13是非专利文献1、2中记载的矩阵变换器的控制装置的方框 图。在这些非专利文献l、 2中，将矩阵变换器30看成图14所示的 假想整流器30A和假想变换器30B来进行控制。在图14中，SWA 是构成假想整流器30A的半导体开关元件，SWB是构成假想变换器 30B的半导体开关元件。在假想整流器30A的控制中，以提高电源电压的利用率为目的， 用1条支线调制(one-leg modulation),如图13所示，假想整流器控 制部件41从各相输入电流指令值IR*、 Is*、 I一得到对假想整流器30A 的调制信号人REc，生成对电流型PWM整流器的PWM脉冲。此外，关于1条支线调制的详细情况，因为例如已经记载在非专 利文献1中，所以这里省略对它们的说明。另一方面，关于假想变换器30B的控制，如图13所示，通过用 乘法部件421将输出相电压的振幅指令值V。^和成为输出相电压的
基准信号的各相正弦波指令值VUQ*、 Vv。*、 Vm^乘起来，得到输出相电压指令值Vu、 Vv*、 Vw*。此外，在假想整流器30A的控制中 用1条支线调制时，因为在图14的假想直流链路电压Ed中发生电源 频率成分的变动，所以以该补偿该变动为目的，通过在除法部件422 中用假想直流链路电压Ed除输出相电压指令值V^、 Vv*、 Vw*，得 到对假想变换器30B的调制信号^j、 "*、 V。用控制指令合成部件43将根据以上所述得到的假想整流器30A的调制信号入REc和假想变换器30B的调制信号、u*、 ;w*、入^合成起来作为控制指令，将它们与载波的三角形波比较，得到矩阵变换器 30的9个双向开关SW的PWM控制信号(接通断开信号)。此外， 省略关于调制信号的合成方法和PWM控制信号的生成方法的说明。可是，在矩阵变换器中，如在非专利文献l中记载的那样，当能 够无畸变地输出的正弦波电压的最大有效值为电源电压实效值的 0.866倍，输出超过该电压的正弦波电压时，在输出电压中包含着许 多由电源电压的频率决定的高频成分，特别是当电源频率和输出频率 不同时，在输出的每1个周期中输出电压波形都发生变化。例如，图15表示当电源线间电压实效值为200V时，作为控制 指令将输出线间电压实效值作为188V (电源线间电压实效值的0.94 倍)的正弦波电压时的波形。此外，在图15中，电压VRS、 Vst、 Vtr为电源线间电压，一vrs、 一Vst、 一vtr为使这些电源线间电压Vrs、VST、 V^为反转后得到的电压，此外，为了使说明容易起见，输出 线间电压Vuv为除去由PWM调制产生的高频成分后得到的电压。非专利文献l:伊东淳一、佐藤以久也、小西茂雄，"根据假 想AC/DC/AC变换方式的矩阵变换器的输入输出波形改善法"， SPC02-卯/IEA-02-31， 2002年(伊東淳一、佐藤以久也、小西茂 雄「仮想AC/DC/AC変換方式(二上37卜y 、乂夕7〕y/《一夕0入 出力波形改善法」、SPC02-卯/正A-02-31、 2002年)非专利文献2:伊东淳一、小太刀博和、小高章鸿、佐藤以 久也、大口英树、海田英俊，"根据着眼于脉冲样式的假想 AC/DC/AC变换方式的矩阵变换器的高性能化"，平成16年电气学 会产业应用部门全国大会，pp.I-303 pp.I-308， 2004年(伊東淳
一、小太刀博和、小高章弘、佐藤以久也、大口 英樹、海田英俊「八W7八。夕一[二着目L,d反想AC/DC/AC変換方式〖上 37卜U :y夕7〕yz—夕0高性能化」、平成16年電気学会産業 応用部門全国大会、pp.I-303 pp.I-308， 2004年)这里，例如，当矩阵变换器的负载是电动机，电动机的额定电压 与电源电压相等时，需要矩阵变换器与电动机的额定电压相应地输出 电源电压实效值的0.866倍以上的电压实效值，但是这时，如图15所 示输出的每1个周期中波形的畸变情况都在变化，结果导致电动机的 旋转不均匀和发生来自电动机的噪声。从而，在已有技术中，存在着因为不得不使用额定电压比电源电 压低的高价的专用电动机等，所以导致作为整个装置高价格化的问题。发明内容因此，本发明要解决的课题是提供不需要高价的专用电动机可以 使整个装置低价格化的直接型电力变换器的控制方法。为了解决上述课题，根据第一方面所述的发明是在不用能量缓冲 器，接通断开双向开关，将交流电压直接变换成具有任意大小、频率 的交流电压的直接型电力变换器中，用通过与电源电压的大小相应地 限制上述直接型电力变换器的输出电压指令值的峰值得到的最终的 输出电压指令值，控制上述直接型电力变换器。根据第二方面所述的发明是在不用能量缓冲器，接通断开双向开 关，将交流电压直接变换成具有任意大小、频率的交流电压的直接型 电力变换器中，用通过与电源电压的大小相应地限制上述直接型电力 变换器的调制信号的峰值得到的最终的调制信号，控制上述直接型电 力变换器。根据第三方面所述的发明是在第一方面所述的直接型电力变换 器的控制方法中，限制输出相电压指令值的峰值，使输出线间电压的 振幅在电源线间电压的振幅的0.866倍以下。根据第四方面所述的发明是在第三方面所述的直接型电力变换 器的控制方法中，将输出相电压指令值的峰值限制值设定在输出相电 压指令值的最大值在电源相电压最大值的0.75倍以下，最小值在电 源相电压最小值的0.75倍以上的值。根据第五方面所述的发明是在第四方面所述的直接型电力变换 器的控制方法中，将通过在原来的输出相电压指令值上乘上使输出线 间电压实效值与指令值相等的校正系数得到的输出相电压指令值的 峰值限制值设定在输出相电压指令值的最大值在电源相电压最大值的0.75倍以下，最小值在电源相电压最小值的0.75倍以上的值。根据第六方面所述的发明是在第四方面所述的直接型电力变换 器的控制方法中，使输出相电压指令值的波形为其最大值在电源相电 压最大值的0.75倍以下，最小值在电源相电压最小值的0.75倍以上 的梯形波或方形波。根据第七方面所述的发明是在第四 第六方面中任一方面所述 的直接型电力变换器的控制方法中，将通过在从限制了最大值和最小 值的多个输出相电压指令值生成的调制信号上加上同相并且同大小 的校正信号得到的最终的调制信号，用作对直接型电力变换器的控制 指令。根据第八方面所述的发明是在根据第二或者第七方面中所述的 直接型电力变换器的控制方法中，以使对上述直接型电力变换器的输 出侧的至少一相的最终的调制信号为1.0或一l.O的方式设定上述校 正信号。根据第九方面所述的发明是将第一 第六方面中任一方面所述 的控制方法用于直接型电力变换器输出能够无畸变地输出的正弦波 电压实效值以上的电压的情形。如果根据本发明，则即便在直接型电力变换器输出电源电压实效 值的0.866倍以上的电压实效值的情形中，因为在输出的每1个周期中 波形的畸变情况都不变化，所以当驱动作为负载的电动机时，也能够 防止电动机的旋转不均匀和发生来自电动机的噪声，也能够不需要使 用额定电压比电源电压低的高价的专用电动机等的对策，达到使整个 装置的低价格化的目的。
图1是表示与本发明的第一实施方式有关的控制装置的方框图。
图2是第一实施方式中的输出相电压指令值的波形图。图3是第一实施方式中的输出线间电压的波形图。图4是表示与本发明的第二实施方式有关的控制装置的方框图。图5是第二实施方式中的输出相电压指令值的波形图。图6是第二实施方式中的输出线间电压的波形图。图7是表示与本发明的第四实施方式有关的控制装置的方框图。图8是第一 第三实施方式中的假想变换器的调制信号的波形图。图9是第一 第三实施方式中的接通断开工作指令的波形图。图IO是第四实施方式中的假想变换器的调制信号的波形图。图11是第四实施方式中的接通断开工作指令的波形图。图12是矩阵变换器的主电路构成图。图13是现有的控制装置的方框图。图14是假想整流器和假想变换器的构成图。图15是现有的输入输出电压波形图。标号说明41 假想整流器控制部件42A、 42B、 42C假想变换器控制部件421、 424 乘法部件422除法部件423限制部件425 加法部件43 控制指令合成部件具体实施方式
下面，按照
本发明的实施方式。首先，图1是表示与本发明的第一实施方式有关的控制装置的方 框图。此外，对矩阵变换器等的直接型电力变换器的控制方法进行种 种考虑，但是在本实施方式中，说明根据在上述的非专利文献1、 2 中记载的假想AC/DC/AC变换方式，控制图12所示的矩阵变换器30 的情形。在图1中，在与图13相同的构成要素上附加相同的参照标号，
下面将不同部分作为中心进行说明。在该控制装置中，在假想变换器控制部件42A中，设置有用于限制通过将振幅指令值V。Z和各相正弦波指令值Vu^、 Vv。*、 Vwo* 乘起来得到的输出相电压指令值Vu*、 Vv*、 V^的限制部件423， 将由该限制部件423限制的最终的输出相电压指令值Vu**、 Vv**、 Vw^输入到除法部件422用于与假想直流链路电压Ed的除法运算。 这里，作为一个例子，表示限制部件423用士0.75pu (然而，l.Opu为 电源相电压的最大值)限制输出相电压指令值Vu*、 Vv*、 V^的情 形。即，将由限制部件423产生的输出相电压指令值的峰值限制值设 定在输出相电压指令值的最大值在电源相电压最大值的0.75倍以下， 最小值在电源相电压最小值的0.75倍以上那样的值上。在本实施方式中，在令电源线间电压实效值为200V，作为控制 指令将输出线间电压实效值作为188V的正弦波电压的情形中，将输 出相电压指令值Vu、 Vv*、 V^的最大值、最小值限制在电源相电 压最大值的士0.75倍时的输出相电压指令值Vu**、 Vv**、 Vw^和输 出线间电压Vuv的波形例，分别如图2、图3所示。这时，输出相电压指令值Vu*、 Vv*、 V^成为将0.94pu (=188x^/7^) / (200xV^/V^)作为最大值的正弦波指令值，但是 因为由限制部件423将最大值、最小值限制在士0.75pu，所以输出相 电压指令值Vu"、 Vv**、 Vw"如图2所示成为大致梯形波状。通过这样限制输出相电压指令值的峰值，如图3所示，输出电压 在矩阵变换器可以控制的电压范围内(输出线间电压的最大值在电源 线间电压最大值的0.866倍以下，最小值在电源线间电压最小值的 0.866倍以上)，在输出的每1个周期中输出电压的畸变情况都在变化 的情形消除。从而，即便在由矩阵变换器驱动电动机的情形中，也能够防止电 动机的旋转不均匀和发生来自电动机的噪声。此外，在图1中，将输出相电压指令值Vu*、 Vv*、 V^的最大 值、最小值作为对象限制在士0.75pu，但是限制对象不限定于输出相 电压指令值，限制值也不限定于土0.75pu。即，如从图l看到的那样， 也可以将成为限制对象的信号不作为输出相电压指令值V^、 Vv*、Vw*，而作为调制信号入u、 Xv*、 Xw*，这时限制值成为士0.75pu+Ed。 下面，图4是本发明的第二实施方式的控制装置的方框图。 该控制装置与图1不同之处是在假想变换器控制部件42B中，在乘法部件421和限制部件423之间设置别的乘法部件424，在从乘法部件421输出的输出相电压指令值Vu*、 Vv*、 V^上乘上校正系数k。在第一实施方式中，因为将输出相电压指令值Vu*、 Vv*、 Vw* 限制在电源相电压最大值的0.75倍，所以作为控制指令，与令输出 线间电压实效值为188V无关，输出线间电压实效值比指令值低。为了解决该问题，在本实施方式中，使以能够输出如指令值那样 的线间电压实效值的方式预先设定的校正系数k与输出相电压指令 值Vu、V^、V^相乘，由限制部件423限制输出相电压指令值Vu*、 Vv*、 V^的最大值、最小值。当电源线间电压实效值为200V时，以输出线间电压实效值成为 188V的方式使校正系数k与输出相电压指令值V^、V,、V^相乘， 将它的最大值、最小值限制在电源相电压最大值的0.75倍时的输出 相电压指令值Vu"、 Vv**、 Vw"和输出线间电压Vuv的波形，分别 如图5和图6所示。如从图5看到的那样，输出相电压指令值Vu**、 Vv**、 Vw** 成为梯形波状，并且如图6所示，输入电压位于矩阵变换器可以控制 的电压范围内，与第一实施方式同样也不用担心发生在输出的每1 个周期中输出电压的畸变情况都在变化的情形。此外，在图4中，将在输出相电压指令值Vu*、 Vv*、 V^上乘 上校正系数k得到的信号的最大值、最小值限制在士0.75pu上，但是 限制对象不限定于上述信号，限制值也不限定于士0.75pu。即，如从 图4看到的那样，也可以将成为限制对象的信号作为调制信号Xu*、 W*、 Xw*，这时的限制值成为士0.75pu+Ed。此外，在第一实施方式和第二实施方式中，令本来的输出相电压 指令值为正弦波，将它们的最大值、最小值限制在电源相电压最大值 的0.75倍上，但是作为本来的输出相电压指令值，也可以是使其最 大值在电源相电压最大值的0.75倍以下，最小值在电源相电压最大
值的一0.75倍以上的梯形波或方形波。这时，越是从梯形波接近方形 波，能够使输出线间电压实效值越大。这样将输出相电压指令值的波形作为预定大小的梯形波或方形 波的构想与本发明的第三实施方式相当。下面，图7是表示与本发明的第四实施方式有关的控制装置的方 框图。本实施方式与图4的第二实施方式不同之处是以假想变换器的 调制信号Xu*、人Z、 X7中的至少一相的调制信号成为1.0或一l.O 的方式，在假想变换器的控制部件42C中，由加法部件425将同相 并且同大小的校正信号X。与全部三相的调制信号 k/、 Xv*、 Xwl口起 来，生成最终的调制信号^**、 Xv**、 Xw**。虽然没有图示，但是 如上述那样，将校正信号^与调制信号入Z、 Xv*、 X^加起来，生成 最终的调制信号1**、 Xv**、人7*的构想也可适用于第一、第三实 施方式。此外，在图7中，将在输出相电压指令值Vu*、 Vv*、 V^上乘 上校正系数k得到的信号的最大值、最小值限制在士0.75pu上，但是 限制对象不限定于上述信号，限制值也不限定于士0.75pu。 g卩，如从 图7看到的那样，也可以将成为限制对象的信号作为调制信号^*、 >iv*、 Xw*，这时的限制值成为士0.75pu+Ed。图8表示第一 第三实施方式中的输出相电压指令值Vu**、vv**、 Vw"和假想变换器调制信号 i^、 xv*、 ；w*。此外，图9表示分别连接第一 第三实施方式中的矩阵变换器的 输出U相和电源相电压的最大电压相、中间电压相、最小电压相的 双向开关的接通工作指令DuMAX、 D[j M1D、 Du MfN 的一个例子。这里，接通工作(on duty)指的是在1个载波(三角形波)周期内构成矩阵 变换器的双向开关SW接通的时间比率，由图7的控制指令合成部件 43生成。另一方面，图10表示在第四实施方式中加上校正信号4前的假 想变换器的调制信号^*、 Xv*、 ^/和加上校正信号^的最终调制信 号Xu**、 、v**、 、w**，此外，图11表示上述同样的接通工作指令MAX、 D(j MID、 Du MIN 的一个例子。此外，在该例中，以通过加上200710139704.7说明书第9/9页校正信号、使调制信号Xu**、 ；w**、人w^中的某一相成为1.0或一l.O的方式设定校正信号Xo。如通过比较图8和图IO看到的那样，在第四实施方式中因为加 上校正信号X。，所以在某个时刻，在假想变换器的三相调制信号中必定有一相固定在1.0或一1.0。此外，因为对全部三相加上校正信号人o，所以能够用输出的线间电压波形取消相加的信号，输出与不相加时完 全相同波形。进一步，如通过比较图9和图ll看到的那样，看到存在着通过 加上校正信号人。，与矩阵变换器的U相连接的双向开关的接通工作 指令DuMAX、 Du MID、 Du MIN固定在1.0或0上的期间(因为其它相也同样，所以省略它们的图示)。这意味着结果在1个载波周期内与 矩阵变换器的1个输出相连接的双向开关固定在接通或断开状态。 即，如果根据第四实施方式，则因为与输出和第一 第三实施方式同 样的电压波形无关，能够减少双向开关接通断开的次数，所以可以减 少电力变换器发生的损失。此外，以上的各实施方式，当矩阵变换器输出能够无畸变地输出 正弦波电压的电压实效值以上的电压实效值时，是特别有效的。
权利要求
1.一种直接型电力变换器的控制方法，其特征在于在不用能量缓冲器，接通断开双向开关，将交流电压直接变换成具有任意大小、频率的交流电压的直接型电力变换器中，用通过与电源电压的大小相应地限制所述直接型电力变换器的输出电压指令值的峰值得到的最终的输出电压指令值，控制所述直接型电力变换器。
2. —种直接型电力变换器的控制方法，其特征在于 在不用能量缓冲器，接通断开双向开关，将交流电压直接变换成具有任意大小、频率的交流电压的直接型电力变换器中，用通过与电源电压的大小相应地限制所述直接型电力变换器的调 制信号的峰值得到的最终的调制信号，控制所述直接型电力变换器。
3. 根据权利要求1所述的直接型电力变换器的控制方法，其特征 在于限制输出相电压指令值的峰值，使输出线间电压的振幅在电源线间电压的振幅的0.866倍以下。
4. 根据权利要求3所述的直接型电力变换器的控制方法，其特征在于将输出相电压指令值的峰值限制值设定为输出相电压指令值的最大值在电源相电压最大值的0.75倍以下，最小值在电源相电压最小值 的0.75倍以上的值。
5. 根据权利要求4所述的直接型电力变换器的控制方法，其特征 在于将通过在原来的输出相电压指令值上乘上使输出线间电压实效值 与指令值相等的校正系数得到的输出相电压指令值的峰值限制值设定 在输出相电压指令值的最大值在电源相电压最大值的0.75倍以下，最 小值在电源相电压最小值的0.75倍以上的值。
6. 根据权利要求4所述的直接型电力变换器的控制方法，其特征 在于使输出相电压指令值的波形为其最大值在电源相电压最大值的0.75倍以下，最小值在电源相电压最小值的0.75倍以上的梯形波或方 形波。
7. 根据权利要求4 6中任一项所述的直接型电力变换器的控制 方法，其特征在于将通过在从已限制最大值和最小值的多个输出相电压指令值生成 的调制信号上加上同相并且同大小的校正信号得到的最终的调制信 号，用作对直接型电力变换器的控制指令。
8. 根据权利要求2或7所述的直接型电力变换器的控制方法，其 特征在于以使对所述直接型电力变换器的输出侧的至少一相的最终的调制 信号为1.0或一l.O的方式设定所述校正信号。
9. 一种直接型电力变换器的控制方法，其特征在于将权利要求1 6中任一项所述的控制方法用于直接型电力变换器 输出能够无畸变地输出的正弦波电压实效值以上的电压的情形。
全文摘要
本发明提供一种不需要高价的专用电动机可以使整个装置低价格化的直接型电力变换器的控制方法。在不用能量缓冲器，接通断开双向开关，将交流电压直接变换成具有任意大小、频率的交流电压的直接型电力变换器中，限制输出相电压指令值的峰值，使输出线间电压的振幅在电源线间电压的振幅的0.866倍以下。例如，将输出相电压指令值的峰值限制值设定在输出相电压指令值的最大值在电源相电压最大值的0.75倍以下，最小值在电源相电压最小值的0.75倍以上的值。
文档编号H02M5/22GK101119073SQ20071013970
公开日2008年2月6日 申请日期2007年7月27日 优先权日2006年7月31日
发明者佐藤以久也, 小高章弘, 玉井康宽 申请人:富士电机机器制御株式会社