УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ENERGY CONVERSION DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к электрическим устройствам преобразования, которые преобразуют электроэнергию постоянного тока (DC) в электроэнергию переменного тока (АС) с изменяющимися напряжением и частотой и, в частности, к устройству преобразования электроэнергии переменного тока, которое включает в себя преобразователь и инвертор, который преобразует выходную электроэнергию постоянного тока, выводимую из преобразователя, в электроэнергию переменного тока с изменяющимися напряжением и частотой.
Предшествующий уровень техники
ШИМ-преобразователь (с широтно-импульсной модуляцией) для использования в электрическом железнодорожном транспортном средстве принимает напряжение переменного тока, подаваемое из однофазного источника питания переменного тока между воздушной линией и рельсом с использованием пантографа, трансформатора и т.п. для преобразования энергии от источника питания в энергию с заданным напряжением постоянного тока. Конденсатор для сглаживания напряжения предусмотрен на стороне постоянного тока ШИМ-преобразователя, и инвертор для возбуждения индукционного двигателя подключен к этому конденсатору. Напряжение на конденсаторе детектируется с помощью детектора напряжения, в результате чего определяется входное напряжение постоянного тока, которое подается к инвертору. Детектор тока предусмотрен на стороне переменного тока инвертора.
Опорная выходная частота инвертора формируется путем сложения с использованием сумматора, частоты вращения, которая представляет собой выходной сигнал средства детектирования частоты вращения асинхронного двигателя, и опорной частоты скольжения, которая представляет собой выходной сигнал управления частотой скольжения. Значение выходного тока, детектируемое детектором тока, подается в средство вычисления среднеквадратичного (действующего) значения тока, в результате чего вычисляют действующее значение тока. Действующее значение тока передается в сумматор вместе со значением команды тока, вычисляя таким образом опорную частоту скольжения, используя средство управления частотой.
Входное напряжение постоянного тока на инверторе детектируется с помощью детектора напряжения, и средством детектирования составляющей пульсации напряжения получается только его составляющая пульсации. Входное напряжение постоянного тока на инверторе также подается в средство детектирования составляющей напряжения постоянного тока, и из него получается только его составляющая постоянного тока. Делитель делит составляющую пульсации на компонент постоянного тока для вычисления коэффициента пульсации входного напряжения постоянного тока, и умножитель умножает коэффициент пульсации на опорную частоту инвертора для вычисления величины коррекции частоты инвертора. Частота инвертора вычисляется путем суммирования величины опорной частоты инвертора с величиной коррекции частоты инвертора, используя сумматор. Такая частота инвертора подается в средство управления напряжением, и схема управления ШИМ, в свою очередь, предоставляет сигнал управления ШИМ в инвертор (см. патентный документ 1 (Публикация японского патента Н07-46918), фиг.1 и ее соответствующее описание).
С другой стороны, в непатентном документе 1 (К.Nakata, A.Kimura, Т.Tanamachi, Y.Tsutsui и К.Nakamura: No. 845 "Beat phenomenon in PWM inverter driven on ripple DC power source", Proceedings of Annual Meeting, I.E.E. Japan, 1988, pp.1039-1040) на основе экспериментов проверен предпочтительный эффект патентного документа 1. Дополнительно, в непатентном документе 1 (фиг.7) представлено описание характеристики пульсации источника питания постоянного тока в ШИМ-преобразователе для использования в железнодорожном транспортном средстве. Что касается взаимосвязи между емкостью конденсатора постоянного тока и эффектом подавления явления биения (описание непатентного документа 1 основано на коэффициенте биений, который представляет, сколько раз диапазон колебания выходного тока инвертора превышает значение в ситуациях, когда биения не возникают), в непатентном документе 1 поясняется, что для достижения эффекта подавления, при котором коэффициент пульсаций составляет 1, 2 или меньше, коэффициент пульсаций напряжения постоянного тока (отношение величины пульсаций напряжения постоянного тока к среднему напряжению постоянного тока) уменьшается до 10% или меньше. Раскрыто, что емкость конденсатора постоянного тока должна быть определена, например, равной приблизительно 30 мФ или больше (3750 мкФ на двигатель) для 8 двигателей (оценка выходной мощности приблизительно 3000 кВт).
Краткое изложение существа изобретения
Как описано выше, в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с патентным документом 1 коэффициент пульсации входного напряжения постоянного тока вычисляется путем деления его составляющей пульсации на его составляющую постоянного тока, и величина коррекции частоты инвертора вычисляется путем умножения коэффициента пульсации на опорную частоту инвертора, в результате чего регулируют частоту инвертора в соответствии с пульсацией входного напряжения постоянного тока, в результате чего обеспечивается возможность уменьшения тока и пульсации крутящего момента.
Однако проблема с устройством по патентному документу 1, как раскрыто в непатентном документе 1, состоит в том, что для достижения заранее определенного эффекта уменьшения явления биения наложены ограничения так, что емкость конденсатора постоянного тока определяется таким образом, чтобы коэффициент пульсации напряжения постоянного тока мог быть небольшим. Таким образом, поскольку явление биения возрастает на частоте в два раза большей, чем частота источника питания переменного тока, емкость конденсатора постоянного тока определяется путем ограничения составляющей пульсации напряжения постоянного тока до 10% или ниже него по частоте, и поэтому возникает проблема, состоящая в том, что повышается емкость конденсатора постоянного тока из-за определенной точки частоты, на которой явление биения максимально.
Настоящее изобретение направлено на решение описанной выше задачи. Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы уменьшить емкость конденсатора постоянного тока устройства электрического преобразования, а также подавить пульсацию тока двигателя на выходной стороне устройства электрического преобразования и соответствующую пульсацию крутящего момента.
Устройство преобразования электроэнергии содержит преобразователь, который преобразует энергию переменного тока из источника питания переменного тока в энергию постоянного тока; конденсатор, который накапливает энергию постоянного тока, производимую преобразователем; инвертор, который преобразует энергию постоянного тока, накопленную в конденсаторе, в энергию переменного тока; блок управления напряжением, который вычисляет значения команды для напряжения переменного тока, выводимого из инвертора, для управления инвертором так, чтобы были сформированы значения команды; прибор измерения тока, который измеряет переменный ток, генерируемый инвертором; блок детектирования пульсаций, который принимает значения команды напряжения переменного тока, вычисленные блоком управления напряжением, и значения переменного тока, измеренные прибором измерения тока, для детектирования пульсаций активной мощности, выводимой из инвертора; прибор измерения напряжения, который измеряет напряжение на конденсаторе; блок генерирования команды напряжения постоянного тока, который вычисляет значение команды напряжения на конденсаторе в соответствии с частотой напряжения переменного тока, выводимого из инвертора; и блок управления напряжением постоянного тока, который принимает напряжение, измеренное прибором измерения напряжения, и значение команды, вычисленное блоком генерирования команды напряжения постоянного тока, для управления преобразователем так, чтобы напряжение на конденсаторе становилось значением команды, при этом блок генерирования команды напряжения постоянного тока делает значения команды напряжения на конденсаторе более высокими чем обычно в ситуации, когда частота напряжения переменного тока, выводимого из инвертора, находится в пределах заданного диапазона, включающего в себя частоту составляющей пульсаций напряжения на конденсаторе, и блок управления напряжением принимает составляющую пульсации, полученную из блока детектирования пульсаций, для вычисления значения команды для напряжения переменного тока, выводимого из инвертора так, чтобы составляющая пульсации была уменьшена.
Устройство преобразования электроэнергии содержит преобразователь, который преобразует энергию переменного тока из источника питания переменного тока в энергию постоянного тока; конденсатор, который накапливает энергию постоянного тока, формируемую из преобразователя; инвертор, который преобразует энергию постоянного тока, накопленную в конденсаторе, в энергию переменного тока; блок управления напряжением, который вычисляет значения команды для напряжения переменного тока, выводимого из инвертора, для управления инвертором таким образом, чтобы формировать значение команды; прибор измерения тока, который измеряет переменный ток, выводимый из инвертора; блок детектирования пульсаций, который принимает значения команды напряжения переменного тока, вычисляемые блоком управления напряжением, и значения переменного тока, измеряемые прибором измерения тока, для детектирования пульсаций активной мощности, выводимой из инвертора; прибор измерения напряжения, который измеряет напряжение на конденсаторе; блок генерирования команды напряжения постоянного тока, который вычисляет значение команды напряжения на конденсаторе в соответствии с частотой напряжения переменного тока, выводимого из инвертора; и блок управления напряжением постоянного тока, который принимает напряжение, измеренное прибором измерения напряжения, и значение команды, вычисленное блоком генерирования команды напряжения постоянного тока, для управления преобразователем таким образом, чтобы напряжение на конденсаторе стало значением команды, причем блок генерирования напряжения постоянного тока команды делает значения команды напряжения на конденсаторе более высокими чем обычно в ситуации, когда частота напряжения переменного тока, выводимого из инвертора, находится в пределах заданного диапазона, включающего в себя частоту составляющей пульсации напряжения на конденсаторе, и блок управления напряжением принимает составляющую пульсации, получаемую из блока детектирования пульсации, для вычисления значений команды для напряжения переменного тока, выводимого из инвертора таким образом, что составляющая пульсации уменьшается. Поэтому в дополнение к тому факту, что ток двигателя и пульсацию крутящего момента на выходной стороне можно легко уменьшить путем детектирования и управления пульсацией на стороне переменного тока, которая является пониженной, предпочтительный эффект состоит в том, что емкость конденсатора постоянного тока для устройства преобразования электроэнергии может быть уменьшена.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает блок-схему, представляющую пример конфигурации устройства преобразования электроэнергии по варианту 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 изображает схему, иллюстрирующую конфигурацию блока детектирования пульсации в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 изображает схему, иллюстрирующую полосовой фильтр в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 изображает схему, представляющую характеристику коэффициента усиления частоты и фазовую характеристику примера полосового фильтра в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 изображает схему, представляющую блок генерирования команды постоянного тока в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 изображает график, иллюстрирующий работу блока детектирования пульсаций и блока генерирования команды постоянного тока в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения;
фиг.7 изображает набор графиков, представляющий эффект уменьшения пульсации крутящего момента с помощью устройства преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения; на фиг.7(a) показана форма колебаний крутящего момента, генерируемая в результате воплощения варианта 1 осуществления, на фиг.7(b) показана форма колебаний крутящего момента, когда управление уменьшением пульсаций крутящего момента не выполняется;
фиг.8 изображает блок-схему, представляющую пример конфигурации устройства преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 2 осуществления настоящего изобретения;
фиг.9 изображает схему, иллюстрирующую конфигурацию блока детектирования пульсаций в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 2 осуществления настоящего изобретения;
фиг.10 изображает схему, представляющую блок генерирования команды постоянного тока в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 2 осуществления настоящего изобретения;
фиг.11 изображает блок-схему, представляющую пример конфигурации устройства преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 3 осуществления настоящего изобретения;
фиг.12 изображает схему, представляющую блок генерирования команды постоянного тока в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 3 осуществления настоящего изобретения;
фиг.13 изображает блок-схему, представляющую пример конфигурации устройства преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 4 осуществления настоящего изобретения;
фиг.14 изображает схему, представляющую блок детектирования пульсаций в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 4 осуществления настоящего изобретения;
фиг.15 изображает схему, представляющую блок генерирования команды постоянного тока в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 4 осуществления настоящего изобретения;
фиг.16 изображает схему, представляющую переключающее устройство в одном плече, составляющем инвертор, в соответствии с вариантом 4 осуществления настоящего изобретения; и
фиг.17 изображает график, представляющий форму сигнала напряжения переключающего устройства в одном плече, составляющем инвертор, в соответствии с вариантом 4 осуществления настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Вариант 1 осуществления
На фиг.1 показана блок-схема, представляющая пример конфигурации устройства преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения. Устройство преобразования электроэнергии включает в себя преобразователь 2, который преобразует энергию переменного тока от однофазного источника 1 питания переменного тока в энергию постоянного тока, конденсатор 3, который накапливает энергию постоянного тока, производимую в результате выпрямления энергии переменного тока, используя преобразователь 2, инвертор 4, который преобразует энергию постоянного тока, накопленную в конденсаторе 3, в трехфазную энергию переменного тока с произвольной частотой. Инвертор 4 возбуждает асинхронную машину 5, то есть вращающуюся машину переменного тока. Преобразователь 2 управляется для преобразования энергии переменного тока от источника 1 питания переменного тока с промышленной частотой в энергию постоянного тока в режиме ШИМ (ШИМ, широтно-импульсная модуляция). Инвертор 4 управляется в режиме изменяющегося напряжения/изменяющейся частоты (VVVF, ИНИЧ) в диапазоне низкой скорости работы и в режиме постоянного напряжения/изменяющейся частоты (CVVF, ПНиЧ) в диапазоне высокой скорости работы.
Блоки 6a, 6b и 6c детектирования тока, которые представляют собой приборы измерения тока на стороне переменного тока, детектируют токи фаз iu, iv и iw, которые протекают в асинхронной машине 5, соответственно. На фиг.1 представлены блоки 6a, 6b и 6c детектирования тока на стороне переменного тока, которые детектируют с помощью СТ или тому подобного токи, протекающие через соединительные линии, которые соединяют инвертор 4 с асинхронной машиной 5. Однако токи фаз могут быть детектированы с использованием другой известной технологии, в которой используются токи, протекающие через устройство преобразования электроэнергии, такие как токи шины. Поскольку взаимосвязь, определенная по уравнению iu+iv+iw=0, является справедливой, и ток фазы w может быть вычислен по детектируемым токам для двух других фаз u и v, блок 6c детектирования тока для фазы w может быть исключен.
Блок 7 управления напряжением определяет величину напряжения переменного тока, выводимую из инвертора 4, на основе значения Iq команды тока крутящего момента, значения Id команды тока магнитного потока и угловой частоты ω вращения вращающейся машины 5 переменного тока. Угловая частота ω может быть основана на информации о скорости, получаемой от датчика скорости, установленного на асинхронной машине 5. В качестве альтернативы, поскольку существует значение ω* команды скорости, доступное в системе, в которой управляют скоростью, значение ω* команды скорости можно использовать в качестве угловой частоты ω. Кроме того, угловая частота ω может представлять собой оценочное значение скорости, которое вычисляют при бездатчиковом управлении скоростью, когда датчик скорости не установлен.
На фиг.2 показана схема, иллюстрирующая конфигурацию блока 8 детектирования пульсации в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения. Блок 8 детектирования пульсации, который детектирует составляющую пульсации, вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток преобразователем 2, включает в себя блок 11 вычисления активной мощности и полосовой фильтр 12. Блок 11 вычисления активной мощности вычисляет активную мощность Р, которая является выводимой из инвертора 4, путем суммирования вместе соответствующих значений, вычисленных в результате умножения Vu* на iu, Vv* на iv и Vw* на iw, используя токи фаз iu, iv и iw, которые детектированы с помощью блока 6 детектирования тока, и значений Vu*, Vv*, Vw* команды напряжения, которые вычислены блоком 7 управления напряжением и которые являются выводимыми из инвертора 4. Полосовой фильтр 12 извлекает составляющую пульсации активной мощности Р, выводимой из блока 11 вычисления активной мощности. Блок 11 вычисления активной мощности вычисляет активную мощность Р на основе следующего уравнения.
Активная мощность, которая выводится из блока 11 вычисления активной мощности, включает в себя составляющую пульсации тока двигателя, получаемую по составляющей пульсации, вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток, выполняемого преобразователем 2. Следует отметить, что активная мощность может быть вычислена с использованием значений напряжения и токов во вращающейся ортогональной системе координат.
Полосовой фильтр 12 на фиг.2 извлекает только составляющую пульсации вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток, выполняемого преобразователем 2, содержащуюся в активной мощности Р. Когда источник 1 питания переменного тока представляет собой однофазный источник питания промышленной частоты, частота однофазного источника питания составляет 60 Гц или 50 Гц в Японии. Таким образом, составляющая пульсации, вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток, выполняемого преобразователем 2, составляет 120 Гц или 100 Гц по частоте, что в два раза выше частоты однофазного источника питания переменного тока.
1
2
1
2
1
2
1
2
В настоящем варианте осуществления полосовой фильтр 12 сконфигурирован на основе предположения, что частота однофазного источника питания переменного тока составляет, например, 60 Гц. На фиг.3 показана схема, иллюстрирующая полосовой фильтр. Полосовой фильтр 12 сконфигурирован на основе комбинации фильтра 13 высокой частоты (HPF, ФВЧ), который пропускает через себя частоты выше, чем частота, соответствующая постоянной времени T, которая представляет собой первую постоянную времени, и фильтра 14 низкой частоты (LPF, ФНЧ), который пропускает через себя частоты выше чем частоты, соответствующие постоянной времени Т, которая представляет собой вторую постоянную времени. Постоянную времени T фильтра высокой частоты и постоянную времени Т фильтра низкой частоты определяют так, чтобы T=60 Гц и Т=180 Гц, для того чтобы получить центральную частоту на частоте 120 Гц. А именно, постоянные T и Т времени определяются с помощью выражений (2) и (3).
Пример характеристики коэффициента усиления и фазовой характеристики (обычно называемой диаграммой Боде) на частоте, генерируемой когда полосовой фильтр 12 на фиг.3 сконфигурирован на основе временных постоянных, заданных выражениями (2) и (3), представляет собой такой, как показано на фиг.4. Характеристики, показанные на фиг.4, обозначают, что характеристика коэффициента усиления представляет собой характеристику, которая пропускает частоты приблизительно 120 Гц практически без затухания. По этой причине полосовой фильтр 12 может получать составляющую в 120 Гц (составляющая пульсации, вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток, выполняемого преобразователем 2) для вывода составляющей Р_ВЕЕТ пульсации.
Рассмотрим снова фиг.1. Устройство преобразования электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением включает в себя блок 16 генерирования команды напряжения постоянного тока и блок 17 управления напряжением постоянного тока. В блок 16 генерирования команды напряжения постоянного тока подают значение угловой частоты вращения ω вращающейся машины переменного тока для генерирования значения Vc* команды для напряжения постоянного тока Vc, которое представляет собой напряжение на конденсаторе 3, который заряжается от преобразователя 2, и которое измеряют с помощью блока 15 детектирования напряжения постоянного тока, который представляет собой прибор для измерения напряжения. Блок 17 управления напряжением постоянного тока управляет преобразователем 2 в соответствии со значением Vc* команды. Блок 16 генерирования команды напряжения постоянного тока повышает напряжение постоянного тока только в течение времени, когда угловая частота ω, выводимая из инвертора 4, оказывает сильное воздействие на крутящий момент и т.п. в результате пульсации мощности постоянного тока.
Математический анализ будет представлен ниже в отношении причины, по которой емкость конденсатора 3 может быть уменьшена в результате управления величиной напряжения постоянного тока в соответствии с состоянием инвертора 4, в соответствии с настоящим изобретением.
Если предположить, что входной ток iA преобразователя 2 представляет собой синусоидальную волну, напряжение Vs входного источника питания и входной ток iA в преобразователе 2 могут быть представлены следующим образом:
.
Исходя из представленных выше уравнений входная мощность Pin, поступающая в преобразователь 2, представлена следующим уравнением.
где постоянные члены в выражении (6) относятся к мощности, подаваемой на нагрузку, и синусоидальная составляющая, которая изменяется дважды в зависимости от угловой частоты ω, относится к мощности пульсации, поступающей в конденсатор 3. Поскольку коэффициентом мощности в преобразователе 2 управляют так, чтобы он составлял значение, равное единице, cosφ=1,0, в результате постоянный член упрощается до Е · I.
~
~
Если предположить, что составляющая пульсации мощности в выражении (6) обозначена как Pin, Pin будет представлена следующим уравнением
С другой стороны, емкость конденсатора 3 представлена как С и напряжение на конденсаторе 3 как Vc, и, если предположить, что влияние пульсации напряжения Vc на конденсаторе 3 возникает на стороне инвертора 4, справедливо следующее уравнение. Здесь напряжение Vc на конденсаторе 3 называется напряжением постоянного тока.
[Уравнение 1]
Путем подстановки выражения (7) в выражение (8) получаем следующее дифференциальное уравнение, выраженное на основе напряжения постоянного тока Vc.
[Уравнение 2]
При решении дифференциального уравнения выражения (9) со средним значением Vcav напряжения постоянного тока в качестве исходного значения, получаем следующее решение.
[Уравнение 3]
2
где в выражении (10) предполагается, что значение (E · I)/(2ωC Vcav) в достаточной степени меньше единицы, и используется аппроксимация такая, что √(1+ε)≅1+ε/2, учитывая символ ε, который существенно меньше единицы.
Вторые члены в выражении (10) представляют составляющую пульсации напряжения постоянного тока Vc. Составляющая пульсации представляет частоту, в два раза превышающую частоту источника питания, и можно видеть, что ее величина обратно пропорциональна емкости С конденсатора и среднему значению напряжения постоянного тока Vc. Значение (E · I) представляет мощность, подаваемую в преобразователь 2, и его поддерживают постоянным, даже при изменении напряжения постоянного тока Vc.
Ток ic, протекающий в конденсатор постоянного тока, получают на основе следующего уравнения.
[Уравнение 4]
Выполняя расчеты на основе выражения (10) коэффициента δ пульсации напряжения постоянного тока, используемого в непатентном документе 1, получают коэффициент δ пульсации, как задано в выражении (12).
[Уравнение 5]
Выражение (12) показывает, что если значение (E · I)/2ωС является постоянным, и когда среднее значение Vcav напряжения Vc постоянного тока увеличивается, коэффициент пульсации может быть уменьшен обратно пропорционально квадрату значения Vcav. Дополнительно, выражение (12) показывает, что при условии поддержания постоянным коэффициента пульсаций, емкость С конденсатора можно уменьшить, если среднее значение Vcav напряжения постоянного тока Vc будет увеличиваться. В выражении (12) показано, что в результате увеличения среднего значения Vcav напряжения постоянного тока Vc, например на 20% с 3000 В до 3600 В, емкость конденсатора, при условии приложения того же коэффициента пульсаций, может быть уменьшена приблизительно на 30% (более конкретно на 30,6%).
Выражения (10) и (12) являются теоретическими уравнениями на основе предположения, что пульсация напряжения постоянного тока Vc не оказывает влияния на выходную сторону инвертора 4; однако они справедливы, по существу, аналогично, даже когда мощность, выводимая из инвертора 4, содержит составляющую пульсации.
Последовательное повышение напряжения постоянного тока приводит к увеличению номинального напряжения переключающего устройства, составляющего инвертор 4, приводя, таким образом, к необходимости использования переключающего устройства, имеющего более высокое номинальное напряжение, поэтому возникает вероятность повышения затрат. Дополнительно, даже когда можно использовать переключающее устройство, которое не имеет то же номинальное напряжение, использование переключающего устройства с более высоким напряжением, чем номинальное напряжение, приводит к уменьшению срока службы устройства. Учитывая эти факторы, напряжение постоянного тока увеличивается только в течение момента времени, когда инвертор 4 генерирует напряжение, на угловую частоту ω которого оказывается значительное влияние, получаемое в результате пульсации напряжения постоянного тока, на крутящий момент и т.п.
Когда инвертор работает в одноимпульсном режиме, влияние напряжения постоянного тока на переключающее устройство уменьшается по сравнению с многоимпульсным режимом, даже при том что напряжение постоянного тока увеличивают до более высокого значения, чем номинальное напряжение, как будет более подробно описано ниже.
На фиг.5 показана схема, представляющая блок генерирования команды постоянного тока в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения. Блок 16 генерирования команды напряжения постоянного тока сконфигурирован на основе блока 18 абсолютного значения, который преобразует угловую частоту ω в ее абсолютное значение, и таблицы 19 установки значений напряжения постоянного тока. Блок 18 абсолютного значения получает абсолютное значение угловой частоты ω таким образом, что выбирается только положительное значение для упрощения таблицы 19 установки значений напряжения постоянного тока, поскольку подаваемой угловой частоте ω присваивают положительный или отрицательный знак. В таблице 19 установки значений напряжения постоянного тока угловая частота ω, преобразованная в абсолютное значение, показана по горизонтальной оси и значение команды напряжения постоянного тока, которое должно быть сгенерировано, по вертикальной оси. В таблице 19 установки значений напряжения постоянного тока, как показано на фиг.15, напряжение постоянного тока представляет собой максимальное напряжение 3600 В в диапазоне (в настоящем варианте осуществления в диапазоне от 115 Гц до 125 Гц включительно), включающем в себя частоту, которая в два раза выше (в данном случае частота находится на 120 Гц, однако, в некоторых случаях может использоваться 100 Гц в зависимости от источника питания переменного тока) частоты источника питания переменного тока, причем напряжение на конденсаторе 3 содержит составляющую пульсации, другими словами, это является явлением значительных биений. В предыдущем диапазоне (в диапазоне от 60 Гц до 115 Гц включительно) напряжение постоянного тока последовательно повышается, и в последующем диапазоне (в диапазоне от 125 Гц до 180 Гц включительно) напряжение постоянного тока последовательно понижается. Последовательное увеличение и уменьшение напряжения постоянного тока может уменьшать нагрузку, связанную с увеличением напряжения постоянного тока на переключающем устройстве, составляющем инвертор 4. В настоящем варианте осуществления напряжение постоянного тока увеличивается в заданном диапазоне (диапазон от 60 Гц до 180 Гц включительно). Диапазон, в котором напряжение постоянного тока становится максимальным, составляет от 115 Гц до 125 Гц включительно.
В таблице 19 установки значений напряжения постоянного тока заданный диапазон, в котором напряжение постоянного тока увеличивается больше чем обычно, определен, как находящийся в пределах диапазона, где степень β биений является допустимой. Степень биений основана на следующем уравнении, которое определено в непатентном документе 1.
,
а
где число b представляет диапазон колебаний выходного тока инвертора, и число  представляет диапазон колебаний выходной частоты выходного тока инвертора.
Верхнее предельное значение заданного частотного диапазона установлено, причем напряжение постоянного тока увеличивается больше чем обычно требуется, так, чтобы оно стало значением, при котором допустима степень биений при обычном постоянном напряжении. То же самое относится для значения нижнего предела заданного диапазона частоты. В диапазоне частот, где напряжение постоянного тока увеличивается больше чем обычно, диапазон должен быть выбран так, чтобы степень биений напряжения постоянного тока была допустима на любой частоте в этом диапазоне. Расширение диапазона частот, где напряжение постоянного тока увеличивается в большей степени чем обычно, обеспечивает то, что степень биения будет находиться в пределах допустимого диапазона. Допустимый диапазон может быть определен на основе другого индикатора, отличного от степени биений. Он также может быть определен любым способом, который позволяет управлять составляющей пульсации активной мощности, выводимой из инвертора в пределах допустимого диапазона.
Диапазон частот, в котором напряжение постоянного тока увеличивается больше чем обычно, соответствующим образом определяется с учетом таких значений как допустимая степень β биений, целевое значение коэффициента δ пульсаций на частоте, в два раза большей, чем частота источника питания переменного тока, и отношение максимального значения к обычному значению напряжения постоянного тока. Так же как и в настоящем варианте осуществления, когда степень β биений составляет 1,2 или меньше, коэффициент пульсации на частоте, в два раза превышающей частоту источника питания переменного тока, составляет 10%, и отношение максимального значения к обычному значению напряжения постоянного тока составляет 1,2, что обычно достаточно, если ширина диапазона частоты для обеспечения максимального значения напряжения постоянного тока будет определена как 10 Гц, как описано выше.
В таблице 19 установки значений напряжения постоянного тока данные таблицы сконфигурированы так, что значение Vc* команды напряжения постоянного тока не превышает значение установки напряжения инвертора 4. Максимальное значение повышающегося напряжения постоянного тока 3600 В определяют с учетом номинального напряжения и характеристик переключающего устройства, составляющего инвертор 4.
Блок 17 управления напряжением постоянного тока принимает значение Vc* команды напряжения постоянного тока, которое выводят из блока 16 генерирования команды напряжения постоянного тока, и значение напряжения постоянного тока Vc, детектируемое блоком 15 детектирования напряжения постоянного тока. Блок 17 управления вычисляет разность между значением Vc* команды напряжения постоянного тока и напряжением постоянного тока Vc для управления преобразователем 2 для получения нулевой разности напряжений между ними.
Далее будет описана работа блока 7 управления напряжением, который управляет напряжением, выводимым инвертором 4. Прежде всего, машинные постоянные асинхронной машины, которые используются для описания работы блока 7 управления напряжением, определяют следующим образом:
Rs - значение первичного сопротивления двигателя,
Ls - первичная индуктивность двигателя,
М - взаимная индуктивность двигателя,
Lr - вторичная индуктивность двигателя,
Rr - значение вторичного сопротивления двигателя,
σ=1-М M/Ls/Lr.
Блок 7 управления напряжением вычисляет значение ωs* команды угловой частоты скольжения, используя значение Iq* команды тока крутящего момента и значение Id* команды тока магнитного потока, на основе выражения (13).
Инвертор 4 вычисляет угловую частоту ωinv инвертора, которая соответствует частоте напряжения, выводимого из инвертора 4, путем вычитания из суммы значения ωs* команды угловой частоты скольжения и частоты ω величины коррекции F_BEET, получаемой путем умножения заданного коэффициента Kf на величину Р_ВЕЕТ пульсаций, вычисленную блоком 8 детектирования пульсаций. А именно, угловую частоту ωinv инвертора вычисляют на основе выражения 14.
Таким образом, в настоящем варианте 1 осуществления корректируют частоту напряжения, выводимого инвертором 4 на основе составляющей пульсации, получаемой из блока 8 детектирования пульсаций. Значение Vd* команды напряжения по оси d и значение Vq* команды напряжения по оси q по двум осям вращения может быть вычислено с использованием угловой частоты ωinv инвертора, значения Iq* команды тока крутящего момента и значения Id* команды тока магнитного потока на основе выражения (16) и выражения (17).
Как известно для специалиста в данной области техники, когда преобразуют координаты трехфазного напряжения или трехфазного тока в координаты двух ортогональных вращающихся осей, требуется ось управления координатами. Фаза оси управления координатой (вращающаяся двухосевая система координат на основе угловой частоты ω) обозначена как θ. Фазу θ вычисляют на основе выражения (18) путем интегрирования угловой частоты ωinv инвертора.
[Уравнение 6]
Поскольку фаза θv значения команды напряжения несколько опережает фазу θ, значение фазы θv напряжения вычисляется на основе выражения (19)
Значения команды напряжения по трем фазам Vu*, Vv* и Vw* вычисляются на основе выражения (20) с использованием фазы θv напряжения, вычисленной с помощью выражения (19), значения Vd* команды напряжения по оси d и значения Vq* команды напряжения по оси q.
[Уравнение 7]
Инвертор 4 выполняет преобразование постоянного тока в переменный ток на основе значений Vu*, Vv* и Vw* команды трехфазного напряжения, вычисляемых на основе выражения (20) и получаемых из блока 7 управления напряжением.
Частота напряжения, выводимого инвертором 4 на основе составляющей пульсаций, полученной из блока 8 детектирования пульсаций, корректируется, обеспечивая таким образом возможность уменьшения пульсации тока двигателя на выходной стороне инвертора 4 и соответствующей пульсации крутящего момента. На фиг.6 показан график, иллюстрирующий операцию блока детектирования пульсаций и блока генерирования команды постоянного тока. На фиг.6 предполагается, что Kf=1. Если составляющая пульсации Р_ВЕЕТ, полученная из блока 8 детектирования пульсаций синхронно с пульсацией тока двигателя на выходной стороне инвертора 4 и ассоциированно с пульсацией крутящего момента, имеет положительный знак, тогда выполняют регулировку для уменьшения угловой частоты инвертора ωinv и частоты значений команды трехфазных напряжений Vu*, Vv* и Vw*, которые выводятся из блока 7 управления напряжением. И, наоборот, если составляющая пульсации Р_ВЕЕТ, полученная из блока 8 детектирования пульсаций, будет иметь отрицательный знак, регулировку выполняют таким образом, чтобы повысить угловую частоту инвертора ωinv и частоты трехфазных значений команды напряжений Vu*, Vv* и Vw*, которые выводятся из блока 7 управления напряжением. Это позволяет осуществлять операцию управления в ответ на пульсацию тока двигателя на выходной стороне инвертора 4 и ассоциированную пульсацию крутящего момента, уменьшая таким образом пульсацию тока двигателя и пульсацию крутящего момента.
На фиг.7 показан набор графиков, представляющий эффект уменьшения пульсации крутящего момента устройством преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 1 осуществления настоящего изобретения. На фиг.7(a) показана форма колебаний крутящего момента, генерируемых при выполнении варианта 1 осуществления, на фиг.7(b) представлена форма колебаний крутящего момента, генерируемых, когда управление уменьшением пульсаций крутящего момента не выполняют. Формы колебаний крутящего момента, показанные на фиг.7, генерируются на основе моделирования, при котором напряжение постоянного тока установлено на уровне 3600 В и частота инвертора установлена на частоте 115 Гц. На фиг.7(b), когда уменьшением пульсаций крутящего момента не управляют, форма колебаний крутящего момента проявляет пульсации на частоте 120 Гц, что в два раза выше, чем частота однофазного источника питания, в то время как на фиг.7(a), где представлен вариант 1 осуществления, можно видеть, что форма колебаний крутящего момента имеет малую пульсацию.
Из приведенного выше описания, в результате воплощения варианта 1 осуществления, влияние пульсации вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток, выполняемое преобразователем, детектируется, как составляющая пульсации, содержащаяся в активной мощности инвертора, корректируя таким образом частоту напряжения, выводимого из инвертора, в результате чего обеспечивается предпочтительный эффект, состоящий в том, что пульсации крутящего момента и т.п. уменьшаются.
Дополнительно, в результате повышения напряжения постоянного тока в течение времени, когда инвертор генерирует выходную частоту, на которой явление биений становится значительным, то есть только в течение времени, когда напряжение на конденсаторе содержит составляющую пульсации, емкость конденсатора может быть уменьшена, что является необходимым для уменьшения явления биения в пределах допустимого диапазона. Вследствие этого могут быть достигнуты компактность и снижение стоимости устройства преобразования электроэнергии.
Кроме того, это также справедливо для других вариантов осуществления.
Вариант 2 осуществления
На фиг.8 показана блок-схема, представляющая пример конфигурации устройства преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 2 осуществления настоящего изобретения. На фиг.9 показана схема, иллюстрирующая конфигурацию блока детектирования пульсации в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 2 осуществления настоящего изобретения. В варианте 2 осуществления блок 8А детектирования пульсации, блок 7А управления напряжением и блок 16А генерирования команды напряжения постоянного тока отличаются по сравнению с вариантом 1 осуществления. В варианте 1 осуществления активная мощность вычисляется по соответствующим значениям команды для трех фаз и соответствующим токам трех фаз, и составляющую пульсации получают из активной мощности, и частотой управляют на основе составляющей пульсации. В варианте 2 осуществления блок 8А детектирования пульсации вычисляет активную мощность по значениям команды напряжения оси dq и по токам оси dq, и блок 7А управления напряжением корректирует амплитуду значения команды напряжения в соответствии с составляющей пульсации активной мощности. Блок 16А генерирования команды напряжения постоянного тока работает таким образом, что он управляет напряжением постоянного тока в соответствии с вычисленной активной мощностью и регулирует напряжение постоянного тока до его обычного значения, когда активная мощность Р мала по величине и находится в пределах диапазона, где явление биения допустимо. Следует отметить, что другие конфигурации, кроме тех, которые описаны выше, являются аналогичными представленным в варианте 1 осуществления и на соответствующих фигурах также используются те же номера ссылочных позиций. Здесь будут описаны только отличия.
В варианте 2 осуществления, как показано на фиг.9, блок 8А детектирования пульсаций, который детектирует составляющую пульсации, вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток с помощью преобразователя 2, включает в себя блок 20 вычисления фазы, блок 21 вычисления преобразования трех фаз в dq-оси и блок 11А вычисления активной мощности. Блок 20 вычисления фазы принимает угловую частоту ω как входные данные для вычисления фазы θ посредством интегрирования, как показано в выражении (18), ωinv, которое должно быть вычислено, как будет описано ниже. Блок 21 вычисления преобразования трех фаз в dq-оси вычисляет токи Id и Iq по dq-осям, из токов фаз iu, iv и iw, детектируемые блоком детектирования 6 тока, используя фазу θ.
Блок 11А вычисления активной мощности вычисляет активную мощность Р, используя токи Id и Iq по dq-осям, вычисленные с помощью блока 21 вычисления преобразования трех фаз в dq-оси, и значения Vd* и Vq* команды напряжения по dq-осям, вычисленные блоком 7А управления напряжением, на основе следующего уравнения.
Для вычисления значений на основе выражения (21) блок 11А вычисления активной мощности включает в себя умножители 22а и 22b и сумматор 23, в котором значение, полученное в результате умножения Vd* и Id, используя умножитель 22а, и значение, полученное в результате умножения Vq* и Iq, используя умножитель 22b, суммируются, используя сумматор 23, чтобы, таким образом, сгенерировать выходной сигнал сумматора 23 как активную мощность Р.
Активная мощность Р, которая представляет собой выходной сигнал блока 11А вычисления активной мощности, содержит пульсации тока двигателя и составляющую пульсации крутящего момента, получаемую из составляющей пульсации вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток, выполняемого преобразователем 2.
Активная мощность Р, вычисленная блоком 11А вычисления активной мощности, вводится в полосовой фильтр 12, и выходной сигнал Р_ВЕЕТ из полосового фильтра вводится в блок 7А управления напряжением.
Вычитатель 24 вычитает выходной сигнал Р_ВЕЕТ полосового фильтра из выходного сигнала блока 11А вычисления активной мощности для вывода блоком 16А генерирования команды напряжения постоянного тока результата вычитания в качестве активной мощности Р, которая не содержит составляющей пульсации.
Блок 7А управления напряжением вычисляет значение ωs* команды угловой частоты скольжения из значения Iq* команды тока крутящего момента и значения Id* команды тока магнитного потока, используя машинную постоянную асинхронной машины. А именно, значение ωs* команды угловой частоты скольжения вычисляется, используя выражение (13), как и в варианте 1 осуществления.
В результате суммирования значения ωs* команды угловой частоты скольжения и угловой частоты ω инвертор 4 вычисляет угловую частоту ωinv инвертора, которая соответствует частоте напряжения, которое должно быть сгенерировано. Таким образом, угловая частота ωinv инвертора вычисляется на основе выражения (22), показанного ниже.
Значение Vd* команды напряжения оси d и значение Vq* команды напряжения оси q двух вращающихся осей может быть вычислено по угловой частоте ω инвертора, значению Iq* команды тока крутящего момента и значению Id* команды тока магнитного потока. А именно, значение Vd* команды напряжения оси d и значение Vq* команды напряжения оси q вычисляются на основе выражения (16) и выражения (17), как и в варианте 1 осуществления. Поскольку фаза θv напряжения значения команды напряжения несколько опережает фазу θ, она вычисляется на основе выражения (19), как и в варианте 1 осуществления.
Значения Vu*, Vv* и Vw* команды напряжения трех фаз вычисляются на основе выражения (21) из фазы θv напряжения, полученной с использованием выражения (19), значения Vd* команды напряжения оси d и значения Vq* команды напряжения оси q. Амплитуды значений команды напряжений трех фаз уменьшают на величину коррекции V_BEET, полученную путем умножения составляющей пульсаций Р_ВЕЕТ активной мощности на коэффициент Kv.
[Уравнение 8]
В соответствии с выражением (23), если составляющая пульсации Р_ВЕЕТ, полученная из блока 8А детектирования пульсаций синхронно с током двигателя и пульсацией крутящего момента на выходной стороне инвертора 4, имеет положительный знак, тогда амплитуды значений Vu*, Vv* и Vw* команд напряжений трех фаз, которые выводятся из блока 7А управления напряжением, уменьшаются. И наоборот, если составляющая пульсации Р_ВЕЕТ, полученная из блока 8А детектирования пульсаций, имеет отрицательный знак, тогда амплитуды значений Vu*, Vv* и Vw* команд напряжений трех фаз, которые выводятся из блока 7А управления напряжением, увеличиваются, обеспечивая, таким образом, возможность уменьшения пульсаций тока двигателя на выходной стороне инвертора 4 и ассоциированной пульсации крутящего момента.
Следует отметить, что поскольку в настоящем варианте осуществления корректируются амплитуды значений команд напряжения, напряжение постоянного тока не может быть увеличено до его максимального значения даже в зоне частоты, которая находится в режиме управления с изменяющимся напряжением и изменяющейся частотой (CVVF), и, таким образом, напряжение постоянного тока должно быть понижено от максимального значения на величину управления, требуемую для уменьшения пульсации.
Блок 16А генерирования команды напряжения постоянного тока принимает активную мощность Р, которая не содержит ее составляющей пульсаций и выводится из блока 8А детектирования пульсаций, и угловой частоты ω. Блок 18 абсолютного значения и таблица 19 установки значений напряжения постоянного тока являются теми же, что и в варианте 1 осуществления. Назначение блока 16А генерирования команды напряжения постоянного тока в соответствии с вариантом 2 осуществления состоит в уменьшении нагрузки на переключающее устройство, составляющее инвертор 4, в результате изменения амплитуды увеличения напряжения постоянного тока в соответствии с активной мощностью в дополнение к ограничению периода времени увеличения напряжения постоянного тока, в большей степени, чем в варианте 1 осуществления. Настоящий вариант осуществления основан на том факте, что явление биений изменяется в зависимости от мощности или крутящего момента, генерируемого двигателем, то есть чем больше мощность при той же скорости, тем больше проявляется явление биений. И наоборот, когда мощность мала, ее коэффициент пульсаций находится в пределах допустимого диапазона, даже если напряжение постоянного тока представляет собой номинальное напряжение. На фиг.7 непатентного документа 1 также показано, что, когда напряжение постоянно, чем больше выходная мощность преобразователя, тем большим становится коэффициент пульсаций.
Блок 18b абсолютного значения блока 16А генерирования команды напряжения постоянного тока принимает в качестве входных данных активную мощность Р, имеющую положительный или отрицательный знаки, для того чтобы получить абсолютное значение активной мощности Р и затем вывести абсолютное значение в качестве значения Р1 активной мощности. Делитель 25 делит значение Р1 на заданное значение (например, максимальную мощность) для вывода коэффициента Кр. Коэффициент Кр определенно ограничен диапазоном 0=<≅Kp=<≅1 с помощью ограничителя 26. Умножитель 27 выполняет умножение выходного значения ограничителя 26 на выходное значение таблицы 19 установки значения напряжения постоянного тока, и значение Vc* команды напряжения постоянного тока, таким образом, становится значением, которое учитывает активную мощность. Поскольку, когда значение, вычисляемое умножителем 27, представляет собой малое значение, такое как ноль, производят малое значение, такое как 0 В, ограничитель 28 выполняет функцию ограничения напряжения так, что значение Vc* команды напряжения постоянного тока попадает в диапазон от 3000 В до 3600 В включительно.
Поскольку в соответствии с выражением (12) коэффициент пульсаций пропорционален активной мощности, выводимой инвертором, и обратно пропорционален квадрату напряжения постоянного тока, и, если коэффициент Кр выполнен пропорциональным квадратному корню активной мощности, коэффициенты пульсации, по существу, будут теми же независимо от активной мощности до тех пор, пока активная мощность велика.
В настоящем варианте осуществления значение команды напряжения постоянного тока увеличивается по мере увеличения активной мощности, однако ожидается, что аналогичный предпочтительный эффект будет предусмотрен также в результате увеличения значения команды напряжения постоянного тока, когда значение (значения), отличное от активной мощности (такое как значение тока, значение команды крутящего момента, значение команды тока крутящего момента или значение тока крутящего момента), увеличивается (увеличиваются). Это справедливо для вариантов осуществления, представленных ниже.
Из приведенного выше описания, на основе выполнения варианта 2 осуществления, обеспечивается предпочтительный эффект, состоящий в том, что влияние пульсаций, вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток преобразователем, детектируется как составляющая пульсации, содержащаяся в активной мощности, корректируя, таким образом, амплитуду напряжения, выводимого из инвертора, в результате чего пульсация крутящего момента и т.п. уменьшается. Дополнительно, когда действующее значение мощности меньше, чем заданное значение, напряжение постоянного тока делают равным обычному значению, и когда активная мощность больше, чем заданное значение, и значение напряжения постоянного тока увеличивают, когда активная мощность возрастает, обеспечивая, таким образом, предпочтительный эффект, состоящий в том, что нагрузка на переключающее устройство, составляющее инвертор, может быть уменьшена в дополнение к уменьшению емкости конденсатора. Следовательно, другой предпочтительный эффект обеспечивается в том, что достигается компактность и снижение стоимости устройства преобразования электроэнергии.
Вариант 3 осуществления
На фиг.11 показана блок-схема, представляющая пример конфигурации устройства преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 3 осуществления. Вариант 3 осуществления отличается от варианта 2 осуществления только блоком 16В генерирования команды напряжения постоянного тока. В варианте 3 осуществления используют таблицу 19 задания значений напряжения постоянного тока, которая выражает условие, когда напряжением постоянного тока управляют в соответствии со значением вычисленной активной мощности, дополнительно ограничиваясь случаем, когда активная мощность имеет положительное значение. Другими словами, увеличение напряжения постоянного тока ограничено только временем во время работы в режиме потребления мощности, и во время операции регенерации напряжение постоянного тока зафиксировано на номинальном напряжении 3000 В. Настоящий вариант осуществления основан на том, чтобы явление биения во время операции регенерации было меньше, чем в режиме потребления мощности, и имеет целью достижение большей экономии энергии путем передачи как можно большего количества энергии обратно в источник питания переменного тока с точки значения сохранения энергии во время операции регенерации. Следует отметить, что другие конфигурации, кроме описанных здесь, аналогичны представленным в варианте 2 осуществления и на соответствующих фигурах также используются те же номера ссылочных позиций. Здесь будут описаны только отличия.
На фиг.12 показана схема, представляющая блок генерирования команды постоянного тока в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 3 осуществления настоящего изобретения. По сравнению с фиг.10 в варианте 2 осуществления добавлены ограничитель 29, компаратор 30 и блок 31 переключения.
Если активная мощность Р больше нуля, то есть во время работы в режиме потребления мощности компаратор 30 генерирует единичный выходной сигнал, что означает, что блок 31 переключения установлен в положение А. Когда активная мощность Р равно нулю или меньше, то есть во время движения по инерции или во время операции регенерации мощности компаратор 30 дополнительно генерирует нулевой выходной сигнал так, что блок 31 переключения устанавливается в положение В.
Для того чтобы зафиксировать напряжение постоянного тока на номинальном значении 3000 В во время операции регенерации, ограничитель 29, который подключен к контакту положения В блока 31 переключения, выполняет две операции ограничения напряжения, причем одна операция ограничивает до 3000 В и более, а другая операция ограничивает до 3000 В и менее.
В качестве сигнала для переключения между установками А и В блока 31 переключения для того же предпочтительного эффекта может быть использована не только активная мощность, но также и команда крутящего момента, команда операции в режиме потребления мощности или команда операции в режиме регенерации (торможения).
В настоящем варианте осуществления блок 16В генерирования команды напряжения постоянного тока включает в себя компаратор 30, ограничитель 29 и блок 31 переключения таким образом, что увеличение напряжения постоянного тока ограничивается только временем потребления мощности и напряжение постоянного тока во время операции регенерации фиксируется как номинальное напряжение 3000 В. Это ограничивает условие повышения напряжения постоянного тока, обеспечивая, таким образом, предпочтительный эффект, состоящий в том, что нагрузка на переключающее устройство, составляющее инвертор 4, может быть уменьшена. В настоящем варианте осуществления напряжение постоянного тока во время операции потребления мощности остается недозаряженным до обычного значения, в то время как активная мощность мала по величине, и возрастает, когда активная мощность, которая не мала, возрастает. Такие же преимущественные эффекты получаются, когда напряжение постоянного тока во время операции регенерации зафиксировано на обычном значении, даже если напряжение постоянного тока во время операции потребления мощности возрастает без учета величины активной.
Вариант 4 осуществления
На фиг.13 показана блок-схема, представляющая пример конфигурации устройства преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 4 осуществления. На фиг.14 показана схема, представляющая блок детектирования пульсаций в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 4 осуществления настоящего изобретения. Отличия в варианте 4 осуществления, по сравнению с вариантом 2 осуществления, состоят в блоке 8В детектирования пульсаций и в блоке 16С генерирования команды напряжения постоянного тока.
Как и в варианте 2 осуществления, блок 8В детектирования пульсаций включает в себя блок 21 преобразования трех фаз по dq-осям, блок 20 вычисления фазы, блок 11А вычисления активной мощности и полосовой фильтр 12 и, кроме того, включает в себя блок 32 вычисления коэффициента усиления коррекции, который принимает угловую частоту ω как входной сигнал для вычисления коэффициента k усиления коррекции, и умножитель 33, который умножает коэффициент k усиления коррекции, который выводится из блока 32 вычисления коэффициента усиления коррекции, на выходное значение величины полосового фильтра 12.
При изменении угловой частоты ω изменяется коэффициент k усиления коррекции, и затем оно может быть определено, используя данные таблицы, или может быть представлено в форме математической функции. В частности, коэффициент усиления коррекции определяют так, чтобы он был максимальным, например, до составляющей частоты пульсаций 120 Гц. Дополнительно, если определено, что коэффициент усиления коррекции равен нулю, тогда коррекция не осуществляется, что обеспечивает предпочтительный эффект, состоящий в том, что в результате изменения коэффициента усиления коррекции относительно угловой частоты ω определяется, следует или нет выполнять коррекцию, или, если фактически ее выполняют, степень, в какой требуется коррекция, можно изменять в соответствии с угловой частотой ω.
На фиг.15 показана схема, представляющая блок 16С генерирования команды напряжения постоянного тока в устройстве преобразования электроэнергии в соответствии с вариантом 4 осуществления настоящего изобретения. Блок 16С детектирования пульсаций сконфигурирован с использованием блока 18 абсолютного значения, который преобразует угловую частоту ω в ее абсолютное значение, и таблицы 19В установки значений напряжения постоянного тока. Поскольку угловой частоте ω, которая должна быть подана, присваивают положительный или отрицательный знак, блок 18 абсолютного значения преобразует угловую частоту ω в абсолютное значение таким образом, что выбирается только положительное значение для упрощения таблицы 19 В установки значений напряжения постоянного тока. На чертеже абсолютное значение угловой частоты ω показано по горизонтальной оси и значение команды напряжения постоянного тока, которое должно быть сгенерировано, по вертикальной оси. В таблице 19В установки значений напряжения постоянного тока, как показано на фиг.15, напряжение постоянного тока представляет собой свое максимальное напряжение 3300 В в заданном диапазоне (диапазон от 115 Гц или больше в настоящем варианте осуществления), включая частоту, которая в два раза выше (в данном случае частота составляет 120 Гц; однако в некоторых случаях можно использовать 100 Гц, в зависимости от источника питания переменного тока) частоты источника питания переменного тока, на которой явление биения возрастает; и в предыдущем диапазоне напряжение постоянного тока последовательно увеличивается. Предпочтительный эффект состоит в том, что поддержание напряжения высоким также в диапазоне 120 Гц или выше устраняет операцию по уменьшению напряжения постоянного тока, и другой предпочтительный эффект состоит в том, что потери в диапазоне высокой скорости при 120 Гц или выше могут быть уменьшены из-за того, что увеличение напряжения уменьшает ток двигателя, протекающий через двигатель.
Выходным напряжением инвертора 4, то есть напряжением Vm двигателя, управляют таким образом, что значение Vm/ω, по существу, остается постоянным в диапазоне, где частота ω инвертора 4 выше нуля и ниже заданной угловой частоты (ω1) (то есть в диапазоне 0<ω<ω1). После того как напряжение Vm двигателя достигает максимального значения, показанного на основе следующего уравнения, инвертор 4 больше не может управлять амплитудой выходного напряжения. Угловая частота, при которой напряжение достигает максимального значения, равна ω1. Значение ω1 обычно меньше, чем частота, соответствующая удвоенной частоте источника питания переменного тока. В диапазоне, в котором угловая частота ω больше чем ω1, напряжение Vm двигателя фиксировано на его максимальном значении и изменяется только частота.
Характеристика максимального крутящего момента Tmax асинхронной машины, которым управляют, используя такую структуру напряжения Vm двигателя, представлена следующей взаимозависимостью в диапазоне с высокой скоростью (ω>ω1).
Когда предполагается, что напряжение постоянного тока Vc постоянно, максимальный крутящий момент Tmax обратно пропорционален квадрату угловой частоты ω. Таким образом, крутящий момент существенно уменьшается, в частности в диапазоне высокой скорости, поэтому в диапазоне высокой скорости трудно получить достаточный крутящий момент.
Даже без увеличения максимально допустимого напряжения устройства переключения, составляющего инвертор 4, напряжение постоянного тока Vc может быть повышено в диапазоне высокой скорости (ω>ω1), как будет описано ниже.
В устройстве переключения, составляющем инвертор 4, используется биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), выполненный с возможностью включения и выключения.
Пиковое значение Vp формы колебаний Vce напряжения коллектор-эмиттер устройства IGBT показано на фиг.16, когда устройство прерывает ток I, представлено эмпирически следующим уравнением.
,
где L представляет собой значение паразитной индуктивности IGBT и С представляет собой паразитную емкость паразитного конденсатора IGBT.
В том что касается значения тока, прерываемого IGBT при фактической работе, режим одного импульса является малым по сравнению с многоимпульсным режимом (асинхронный режим). IGBT прерывает ток на пиковом значении его пульсаций. Хотя максимальное значение тока Ip, прерываемого IGBT в многоимпульсном (асинхронном) режиме, мало изменяется в зависимости от таких факторов как машинная постоянная асинхронной машины, индекс модуляции выходного напряжения, выводимого инвертором 4, и длина проводов между инвертором 4 и асинхронной машиной, значение Ip тока, если действующее значение основной волны тока двигателя, протекающего через двигатель, обозначить как Im, будет эмпирически представлено следующим образом:
,
где представленный выше коэффициент 1,5 обычно имеет значение порядка от 1,3 до 1,5, и здесь используется верхнее предельное значение 1,5.
С другой стороны, в форме колебаний двигателя в одноимпульсном режиме прерываемый ток Iq, соответствующий тому, когда устройство IGBT прерывает ток один раз на цикл, представлен эмпирически, как показано ниже, если действующее значение основной волны тока двигателя обозначено как Im.
В выражении (28) и в выражении (29), если предположить, что значения Im в любом импульсном режиме недозаряжены, будет справедливо следующее уравнение:
.
Когда импульсный режим переводят в одноимпульсный режим, величина перезаряда I×√(L/C) в выражении (27) становится меньшей, и, даже если напряжение постоянного тока Vc повышается для компенсации такого уменьшения величины, пиковое значение Vp напряжения коллектор-эмиттер IGBT не увеличивается соответственно.
Значение индуктивности L для паразитной индуктивности IGBT составляет приблизительно 3,0 мкГн, и паразитная емкость С паразитного конденсатора составляет в диапазоне от приблизительно 1,5 мкФ до 3,0 мкФ. Если предположить, что L=3,0 мкГн и С=1,5 мкФ, √(L/C) в выражении (27) получает значение √2=1,41. Даже если напряжение постоянного тока Vc определяют равным 3300 В, в то время как ток I, прерываемый IGBT, равен 200 А или меньше, Vp, вычисленное на основе выражения (27), не превышает 3600 В (максимальное значение напряжения, применяемое для IGBT). В частности, если Ip составляет порядка 100 А, Vp получается порядка 3450 В, что, таким образом, снижает влияние на устройство IGBT. Напряжения 3600 В и 3300 В представляют собой примеры, и эти напряжения определяют с учетами характеристик и условий работы устройства переключения.
Из выражения (30) значение Ip приблизительно равно 257 А, когда Iq=120 А. Из выражения (27), если предположить Vc=3300 В и если I=120 А, значение Vp приблизительно равно 3470 А, и если I равняется 257 А, значение Vp приблизительно равно 3660 В. Другими словами, существует такой диапазон действующего значения Im основной волны тока двигателя, что пиковое значение Vp IGBT транзистора может превышать 3600 В или менее в одноимпульсном режиме, который является диапазоном высокой скорости, и что значение Vp превышает 3600 В в многоимпульсном режиме. Если значение Im находится в таком диапазоне, напряжение постоянного тока в диапазоне низкой скорости установлено как его обычное значение, и, даже когда напряжение увеличивается в диапазоне выше диапазона скорости, где возникает явление биения, максимально допустимое напряжение переключающего устройства, составляющего инвертор 4, не требует увеличения, если напряжение постоянного тока Vc будет увеличиваться. А именно, когда напряжение постоянного тока увеличивается во всем диапазоне скоростей, максимально допустимое напряжение переключающего устройства не требует увеличения; однако, даже если напряжение постоянного тока увеличивается в диапазоне за пределами диапазона скоростей, где возникает явление биений, так что при этом значение в диапазоне низких скоростей установлено равным обычному значению, максимально допустимое напряжение переключающего устройства не требует увеличения, достигая, таким образом, эффекта изобретения, при котором стоимость производства инвертора 4 остается той же.
Из приведенного выше описания следует, что благодаря выполнению варианта 4 осуществления влияние пульсаций, вследствие преобразования переменного тока в постоянный ток преобразователем, детектируются как составляющая пульсации, содержащаяся в активной мощности инвертора, корректируя, таким образом, амплитуду напряжения, выводимого инвертором, в результате чего обеспечивается предпочтительный эффект, состоящий в том, что уменьшаются пульсации крутящего момента и т.п.
Кроме того, в результате увеличения напряжения постоянного тока в течение времени, когда инвертор генерирует выходную частоту, в которой явление биений становится большим, емкость конденсатора может быть понижена, что необходимо для уменьшения явления биений до допустимого диапазона. Следовательно, достигается компактность и снижение стоимости устройства преобразования электроэнергии. Кроме того, в результате увеличения напряжения постоянного тока Vc на частоте работы в одноимпульсном режиме могут быть снижены потери, и больший крутящий момент, таким образом, может быть сгенерирован без приложения повышенной нагрузки к устройству переключения.
Максимальное значение в диапазоне значений команды напряжения постоянного тока Vc здесь предполагают равным 3300 В. Однако в случае источника питания с частотой 60 Гц в заданном диапазоне, включающем в себя частоту составляющей пульсации напряжения постоянного тока Vc, максимальное значение может быть последовательно увеличено, например в диапазоне от 85 Гц, и установлено как 3600 В, в диапазоне от 115 Гц до 125 Гц, в то время как оно может быть последовательно понижено на частоте выше 125 Гц, установлено равным 3300 В для 140 Гц или больше. На частоте, на которой инвертор работает в одноимпульсном режиме, напряжение определяется как находящееся в диапазоне, где значение команды напряжения постоянного тока Vc выше чем обычное, и нагрузка на переключающее устройство не увеличивается, в результате чего обеспечивается предпочтительный эффект, состоящий в том, что потери могут быть уменьшены, и, таким образом, может быть сгенерирован больший крутящий момент. Следует отметить, что верхнее предельное значение напряжения (например, 3300 В) в диапазоне, где значение команды напряжения постоянного тока Vc выше, чем его нормальное напряжение, и нагрузка на переключающее устройство не увеличивается, называется верхним предельным значением напряжения в одноимпульсном режиме. Верхнее предельное значение напряжения в одноимпульсном режиме определено таким образом, чтобы напряжение, прикладываемое к устройству переключения в предполагаемых условиях работы, не превышало его максимальное значение. Если на частоте, на которой работает инвертор в одноимпульсном режиме, значение команды напряжения постоянного тока Vc определяют, как превышающее обычное, но ниже, чем верхнее предельное значение напряжения в одноимпульсном режиме, значение напряжения может изменяться в зависимости от изменений частоты, и значение команды временно может быть установлено как обычное напряжение.
Следует отметить, что в каждом представленном выше варианте осуществления показан пример вращающейся машины переменного тока (асинхронной машины) в качестве нагрузки, подключенной к инвертору 4; однако вращающаяся машина переменного тока не ограничена асинхронной машиной и нагрузка не ограничена вращающейся машиной. Предполагается, что аналогичный предпочтительный эффект будет достигнут для другого примера, где изобретение используется для устройства, которое управляет другой нагрузкой, например электромагнитным исполнительным механизмом, таким как линейный асинхронный двигатель, линейный синхронный двигатель или соленоид.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение относится к инвертору, который приводит в действие в изменяющемся режиме двигатель переменного тока, используя питание постоянного тока, в качестве источника электроэнергии, получаемого в результате выпрямления источника питания переменного тока, используя преобразователь. В частности, инвертор используют для электрического железнодорожного вагона на железнодорожной дороге с однофазным источником питания переменного тока, где повышена составляющая пульсации, генерируемая во время выпрямления. Изобретение применимо в таком устройстве, которое представляет собой продукт потребления энергии, работающий от однофазной энергии, и управляет двигателем, используя инвертор, такой как кондиционер воздуха, холодильник и стиральная машина.
Список номеров ссылочных позиций
1 Однофазный источник питания переменного тока
2 Преобразователь
3 Конденсатор
4 Инвертор
5 Асинхронная машина (вращающаяся машина переменного тока)
6a Блок детектирования тока
6b Блок детектирования тока
6c Блок детектирования тока
7 Блок управления напряжением
7А Блок управления напряжением
8 Блок детектирования пульсаций
8А Блок детектирования пульсаций
9a Умножитель
9b Умножитель
9c Умножитель
10 Сумматор
11 Блок вычисления активной мощности
11А Блок вычисления активной мощности
12 Полосовой фильтр
13 Фильтр высокой частоты
14 Фильтр низкой частоты
15 Блок детектирования напряжения постоянного тока
16 Блок генерирования команды напряжения постоянного тока
16А Блок генерирования команды напряжения постоянного тока
16В Блок генерирования команды напряжения постоянного тока
16С Блок генерирования команды напряжения постоянного тока
17 Блок управления напряжением постоянного тока
18 Блок абсолютного значения
18b Блок абсолютного значения
19 Таблица установки значений напряжения постоянного тока
19В Таблица установки значений напряжения постоянного тока
20 Блок вычисления фазы
21 Блок вычисления преобразования трех фаз по dq-осям
22а Умножитель
22b Умножитель
23 Сумматор
24 Вычитатель
25 Делитель
26 Ограничитель
27 Умножитель
28 Ограничитель
29 Ограничитель
30 Компаратор
31 Блок переключения
32 Блок вычисления коэффициента коррекции
33 Умножитель