СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВХОДНЫМ/ВЫХОДНЫМ РЕЖИМОМ В УСТРОЙСТВЕ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
CONTROL METHOD OF INLET/OUTLET MODE IN DEVICE OF DIRECT CONVERSION OF ALTERNATING CURRENT INTO ALTERNATING CURRENT

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству прямого преобразования переменного тока в переменный ток (АС-АС) (матричному преобразователю), которое преобразует напряжение или частоту сигнала, подаваемого от однофазного или многофазного источника переменного тока, в сигнал произвольного напряжения или частоты с последующим его выводом, а в частности - к способу управления режимом входа-выхода в устройстве прямого преобразования АС-АС, в котором в виртуальном входном преобразователе создают конфигурацию переключения (switching pattern) посредством 2n базисных векторов, с помощью которых взаимно различные произвольные фазы связаны со стороной Р (положительной стороной) виртуального звена постоянного тока и его стороной N (отрицательной стороной), и n векторов нулевого напряжения, с помощью которых эти же фазы связаны со стороной Р виртуального звена постоянного тока и его стороной N в виртуальном выходном инверторе, где создают конфигурацию переключения из 2+2n базисных векторов, включая два вектора нулевого напряжения, и создают конфигурацию переключения, которая является синтезом вышеуказанных конфигураций переключения, при этом соответствующими двунаправленными переключателями управляют с использованием конфигурации переключения, которая является синтезом вышеуказанных конфигураций переключения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Этот тип известного устройства прямого преобразования АС-АС представляет собой преобразующее устройство, которое выполняет переключение с использованием высокоскоростных двунаправленных полупроводниковых переключателей с автоматической коммутацией с целью преобразования однофазного или многофазного входного сигнала переменного тока в сигнал произвольного напряжения или частоты. На фиг.21 показана базовая конструкция устройства прямого преобразования АС-АС. Входной фильтр 2 и схема 3 прямого преобразования АС-АС из двунаправленных переключателей S1~S9 связана с соответствующими фазами R, S, и Т источника 1 трехфазного переменного тока. Блок управления (контроллер) 4 управляет с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) работой соответствующих двунаправленных переключателей на частоте, значительно превышающей частоту источника мощности, с целью получения выходных сигналов U, V, и W переменного тока, которыми управляют для получения произвольного напряжения или частоты, подавая указанное входное напряжение непосредственно на нагрузку, например двигатель.
[0003] Конфигурация переключения двунаправленных переключателей в устройстве прямого преобразования АС-АС определяется условием "И" между конфигурацией преобразователя ШИМ, который вырабатывает сигнал, синхронизированный с входным напряжением, и конфигурацией преобразователя ШИМ, которая создается согласно частоте и напряжению выходного сигнала, например, в случае амплитудной модуляции несущей. Таким образом, входным током устройства прямого преобразования АС-АС управляет конфигурация преобразователя ШИМ, а выходным напряжением и частотой управляет конфигурация инвертора ШИМ. При входном коэффициенте мощности, равном "1", можно одновременно достичь синусоидальной формы входного тока, синусоидальной формы выходного сигнала и преобразования частоты. Следует отметить, что часто имеет место ситуация, при которой каждый двунаправленный переключатель сформирован с использованием множества однонаправленных переключателей, как показано на чертеже.
[0004] Способы управления устройством прямого преобразования АС-АС можно грубо разделить на два способа: виртуального звена постоянного тока и прямого преобразования АС-АС. Способ с использованием виртуального звена постоянного тока представляет собой способ, при котором рассматривается виртуальное промежуточное звено постоянного тока, а виртуальным входным преобразователем и виртуальным выходным инвертором можно управлять независимо друг от друга. Это аналогично конфигурации обычного преобразователя тока ШИМ + инвертор напряжения ШИМ, т.е. концепция управления является относительно простой. В то же время существует ограничение: невозможно создать такие шесть конфигураций переключения, в которых каждая фаза со стороны входа и каждая фаза со стороны выхода связаны с другими фазами "один к одному". В случае прямого преобразования АС-АС, хотя вышеупомянутое ограничение отсутствует, алгоритм обычно является слишком сложным.
[0005] Способы создания конфигурации ШИМ, главным образом, подразделяются на способ сравнения несущих и способ модуляции пространственных векторов. Способ сравнения несущих представляет собой способ, при котором создают конфигурацию ШИМ путем сравнения значений между несущей треугольной формы и синусоидальной. Как способ сравнения несущих, применимый к способу виртуального звена постоянного тока, был предложен подход, в котором несущую виртуального выходного инвертора создают из несущей виртуального входного преобразователя и виртуального импульса ШИМ. Таким образом, уменьшаются потери на переключения и шумы при том же количестве переключений переключателя при управлении ШИМ и повышается точность управления выходным напряжением (например, см. патентный документ 1).
[0006] Кроме того, в устройстве прямого преобразования АС-АС, в котором используются способ с виртуальным звеном постоянного тока и способ сравнения несущих, был предложен виртуальный способ управления посредством амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), в котором величиной выходного напряжения управляют, регулируя виртуальное напряжение постоянного тока посредством амплитудно-импульсной модуляции, а в виртуальном инверторе управляют только лишь выходной частотой (см., например, непатентный документ 2).
[0007] Подход с модуляцией пространственных векторов представляет собой подход, при котором выбирают мгновенный пространственный вектор тока в соответствии с состоянием переключения для каждого переключателя в матричном преобразователе. Способ, в котором используется такой подход с модуляцией пространственных векторов, также известен (см., например, непатентный документ 1). В таком подходе с модуляцией пространственных векторов соответствующую конфигурацию переключения выбирают так, чтобы уменьшить количество переключений переключателя, снизить потери на переключения, а кроме того, снизить изменение тока через нагрузку и искажения выходного напряжения.
[0008] Методология, в которой принят подход с модуляцией пространственных векторов в способе виртуального звена постоянного тока, также опубликована (см., например, непатентный документ 3).
Патентный документ 1: Заявка на патент Японии. Издание (tokkai) Номер 2005-168198.
Непатентный документ 1: работа, опубликованная в Японии: "Способ анализа прямых преобразователей AC-AC". "An Analysis Method of AC-AC Direct Converters" Paper collections of Electrical Engineering Society In Japan, SPC97-53.
Непатентный документ 2: литература, изданная в Японии: "Способ управления посредством амплитудно-импульсной модуляции для матричного преобразователя на основе виртуального преобразования AC/DC/AC." "A РАМ control method for Matrix Converter based on virtual AC/DC/AC" proceedings of the 2005 Japan Industry Applications Society Conference 1-43, 1-203-1-206;
Непатентный документ 3: "Матричный преобразователь "три фазы -три фазы" с модуляцией пространственных векторов". Space Vector Modulated Three-Phase to Three-phase Matrix Converter with Input Power Factor Correction" L Huever etc. IEEE trans. On Industry Applications, vol.31, No.6, 1995.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
РЕШАЕМЫЕ ПРОБЛЕМЫ
[0009] В случае, когда в устройстве прямого преобразования АС-АС управление переключениями двунаправленных переключателей происходит с использованием способа с виртуальным звеном постоянного тока, управление выходным напряжением обычно выполняют посредством ШИМ-управления виртуальным выходным инвертором, как описано выше.
[0010] В непатентном документе 3, упомянутом выше, описан способ, заключающийся в том, что устройство прямого преобразования АС-АС разделяется на виртуальный преобразователь с источником тока и виртуальный инвертор с источником напряжения, как показано на фиг.1, и управление входным током и выходным напряжением можно рассматривать независимо друг от друга. Сектора и базисные векторы пространственных векторов сторон входа и выхода в виртуальном преобразователе (виртуальном входном преобразователе + виртуальном выходном инверторе), показанном на фиг.1, определяют так, как показано на фиг.2. Входной сигнал представляет собой базис напряжения фазы R (равносильно току фазы R при управлении с коэффициентом мощности 1), выходной сигнал представляет собой базис линейных (междуфазных) напряжений U-V, и эти сектор и векторы представлены в стационарной координатной системе α-β с взаимным преобразованием "три фазы - две фазы". В таблице на фиг.3 показаны секторы, в которых представлены команды пространственных векторов и виртуальные конфигурации переключения для этих моментов времени. Вход виртуального преобразователя и его выход соединены посредством виртуального промежуточного звена постоянного тока. Следовательно, если таблицу на фиг.3 заменить номерами переключателей 1~9 (S1~S9 на фиг.1) действительного устройства прямого преобразования АС-АС и рассматривать комбинацию состояний ВКЛЮЧЕН переключателей, таблицу на фиг.3 можно расширить до таблицы на фиг.4. Кроме того, как следует из конфигурации устройства прямого преобразования АС-АС на фиг.21, в качестве ограничения, накладываемого на переключения переключателей, имеет место запрет короткого замыкания источника мощности на входе и необходимость непрерывного протекания тока нагрузки на выходе. Следовательно, из трех групп переключателей "1, 2, 3", "4, 5, 6", и "7, 8, 9", связанных с фазой U на выходе, фазой V на выходе и фазой W на выходе, в состоянии ВКЛЮЧЕН должен оставаться только один переключатель в каждой из трех групп переключателей. Поэтому возможные комбинации переключателей, находящихся в состоянии ВКЛЮЧЕН, из девяти двунаправленных переключателей S1~S9 ограничены 27 конфигурациями, как показано в таблице на фиг.5. Однако следует отметить, что поскольку в способе с виртуальным звеном постоянного тока присутствует секция виртуального звена постоянного тока, то не реализуются шесть режимов, в которых вход и выход связаны "один к одному" (режимы 6, 8, 12, 16, 20, и 22 в таблице на фиг.5), а в отношении управления проблем нет.
[0011] Ниже описано создание команды использования вектора в способе с виртуальным звеном постоянного тока и способ модуляции пространственных векторов. На фиг.6 показаны базисные векторы и продолжительности (коэффициенты) их использования в произвольном секторе из определенных на фиг.2. Следует отметить, что базисные векторы - это векторы, которые фактически можно сформировать, они образуют шестиугольник на фиг.2, а произвольные пространственные векторы создают путем усреднения, задавая продолжительности использования базисных векторов. На фиг.6 предполагается, что продолжительность использования первого входного базисного вектора im - А, продолжительность использования второго входного базисного вектора in - В, продолжительность использования первого выходного базисного вектора vi - Х и продолжительность использования второго выходного базисного вектора vj - Y. Базисный вектор в опережающем направлении, т.е. в направлении против часовой стрелки, является первым базисным вектором, а в обратном направлении - вторым базисным вектором. Значения m, n, i и j изменяются синхронно при перемещении по секторам. Предполагается, что конечные продолжительности использования, которые являются синтезом входных и выходных значений, выражены умножением соответствующих продолжительностей использования на входе на соответствующие продолжительности использования на выходе, как AX, AY, BX и BY, изображенные на фиг.7. Следует отметить, что продолжительность использования Z базисного вектора нулевого напряжения после синтеза определяется как Z=1-(AX+AY+BX+BY) и соответствует полной сумме интервалов времени, когда любой из входных или выходных векторов представляет собой базисный вектор нулевого напряжения. Существуют различные способы расчета этих продолжительностей использования векторов. Значения А, В, X, Y и Z определяют за текущий рабочий период. Например, на фиг.7 в случае, когда продолжительность использования вектора А составляет 1/3 за период, а продолжительность использования вектора Х - 1/3 за период, распределение импульсов использования таково, что результирующая продолжительность использования вектора АХ виртуального преобразователя составляет 1/9 периода.
[0012] В принципе, управление устройством прямого преобразования АС-АС может быть выполнено в предположении, что работают обычные преобразователь с источником тока и инвертор с источником напряжения. Следовательно, управление производят при напряжении на секции виртуального звена постоянного тока виртуального преобразователя, равном максимальному напряжению, полученному из трехфазного линейного напряжения, в виде постоянного значения (в 200-вольтовой системе  = виртуальное напряжение постоянного тока приблизительно 245 вольт при управлении с коэффициентом мощности (1)), и выходные линейные напряжения являются синусоидальными при обычном ШИМ-управлении с использованием виртуального напряжения постоянного тока. Поэтому, если это выразить в виде пространственных векторов, как показано на фиг.8, командным вектором входного тока управляют на круговой траектории в шестиугольнике, а входные линейные напряжения используются наиболее эффективно, когда фаза командного вектора входного тока согласована с фазой входного напряжения источника мощности на входе, при коэффициенте мощности, поддерживаемом равным "1". С другой стороны, в случае командного вектора выходного напряжения величиной (радиусом) и частотой (фазой) движения вектора по круговой траектории управляют произвольно. Путем синтеза продолжительностей использования векторов, реализованного с помощью описанного выше управления, устройство прямого преобразования АС-АС может управлять формой напряжения на входе и выходе так, чтобы она была синусоидальной.
[0013] Как сказано выше, был описан обычный способ управления. В обычных методиках виртуальное напряжение постоянного тока всегда разбивают на части в соответствии с теоретически максимальным постоянным значением и выполняют управление посредством ШИМ независимо от величины желаемого выходного напряжения. Поэтому в области низкого выходного напряжения часто имеет место выдача узких импульсов с большой разницей в амплитуде напряжения; таким образом, область низкого выходного напряжения восприимчива к проблеме минимальной ширины импульса и к погрешностям напряжения из-за к влияния "мертвого" времени. Кроме того, в этой области выходного сигнала имеет место влияние высших гармоник из-за большого перепада напряжений. С другой стороны, в области выходного сигнала высокого напряжения возрастает интервал времени, в течение которого на выходе присутствует нулевое напряжение, что характеризуется большим перепадом напряжения.
[0014] В частности, в области чрезвычайно низких выходных напряжений влияние вышеописанной погрешности напряжения становится значительным, и параметры импульсов на выходе ухудшаются. Следовательно, если приводят в движение двигатель, возможно возникновение ряда проблем в области низких скоростей двигателя. При управлении V/f и т.д может легко иметь место влияние погрешностей напряжения во всем диапазоне напряжений, и весь диапазон напряжений оказывается чувствителен к "мертвому" времени.
[0015] С другой стороны, в непатентном документе 2 раскрыт способ АИМ-управления в виртуальном преобразователе. Виртуальное АИМ-управление выполняют в конфигурации виртуального преобразователя. Этот способ управления АИМ обсуждался в отношении подхода сравнения несущих и не может быть распространен на подход с модуляцией пространственных векторов.
[0016] Целью настоящего изобретения является создание способа управления режимами (продолжительностями использования векторов) входа/выхода в устройстве прямого преобразования АС-АС, в котором в виртуальном входном преобразователе создают конфигурацию переключения путем комбинации 2n базисных векторов и n векторов нулевого напряжения и в виртуальном выходном инверторе создают другую конфигурацию переключения с использованием 2+2n базисных векторов, включая два вектора нулевого напряжения; соответствующими двунаправленными переключателями управляют с использованием еще одной конфигурации переключения, которая является синтезом этих конфигураций, что позволяет уменьшить погрешности выходного напряжения и уменьшить флуктуации перепада напряжения импульсов, уменьшая тем самым высшие гармоники, уменьшая синфазное напряжение, отрицательно влияющее на шумы оборудования, и улучшая параметр минимальной ширины импульса в области низких напряжений.
[0017] Для решения вышеуказанных проблем настоящее изобретение предлагает следующие способы.
[0018] (1) N-фазное устройство прямого преобразования "переменный ток - переменный ток" (АС-АС), в котором в виртуальном входном преобразователе создают конфигурацию переключения путем комбинирования 2n базисных векторов, через которые взаимно различные произвольные фазы входного сигнала связаны с Р-стороной и М-стороной виртуального звена постоянного тока, и создают n векторов нулевого напряжения, через которые эти же фазы связаны с упомянутыми Р-стороной и М-стороной, а в виртуальном выходном инверторе конфигурацию переключения создают с использованием 2+2n видов базисных векторов, включая два вектора нулевого напряжения, и соответствующими двунаправленными переключателями управляют с использованием конфигурации переключения, синтезированной из упомянутых конфигураций переключения, отличающееся тем, что выбирают три базисных вектора, имеющих мгновенные значения вблизи значения команды выходного линейного напряжения, для командного вектора входного тока виртуального входного преобразователя; и управляют величиной виртуального напряжения постоянного тока.
[0019] (2) Способ, отличающийся тем, что базисные векторы выбирают из следующих базисных векторов: максимального входного линейного напряжения, второго по величине промежуточного входного линейного напряжения, третьего по величине промежуточного входного линейного напряжения и нулевого напряжения.
[0020] (3) Способ, отличающийся тем, что область выходного напряжения разделяют на область низкого выходного напряжения и область высокого выходного напряжения в соответствии с величиной командного вектора входного тока, и командный вектор входного тока образуют из базисных векторов, которые различаются в зависимости от области выходного напряжения.
[0021] (4) Способ, отличающийся тем, что в области низкого выходного напряжения командный вектор входного тока образуют с использованием базисных векторов промежуточного входного линейного напряжения и нулевого напряжения без использования максимального входного линейного напряжения.
[0022] (5) Способ, отличающийся тем, что в области высокого выходного напряжения вектор входного тока образуют с использованием базисных векторов максимального входного линейного напряжения и промежуточных входных линейных напряжений без использования базисного вектора нулевого напряжения.
[0023] (6) Способ, отличающийся тем, что в дополнение к управлению амплитудой виртуального напряжения постоянного тока выполняют управление посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в виртуальном выходном инверторе для обеспечения синусоидальной формы сигнала на входе и выходе и для уменьшения количества разделений одного рабочего периода на импульсы, управляющие продолжительностями использования векторов.
[0024] (7) Способ, отличающийся тем, что в виртуальном входном инверторе командный вектор входного тока образуют из базисных векторов максимального входного линейного напряжения, второго по величине промежуточного входного линейного напряжения, третьего по величине промежуточного входного линейного напряжения и нулевого напряжения, а величиной виртуального напряжения постоянного тока в области высокого выходного напряжения управляют так, чтобы командный вектор входного тока был постоянным на траектории максимального круга.
[0025] (8) Способ, отличающийся тем, что при определении конфигурации переключения для управления виртуальным напряжением постоянного тока используют базисный вектор нулевого напряжения, связанный с промежуточной входной фазой.
ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0026] Как описано выше, в устройстве прямого преобразования АС-АС, в котором в виртуальном входном преобразователе создается конфигурация переключения путем комбинации 2n базисных векторов и n векторов нулевого напряжения и в виртуальном выходном инверторе создается другая конфигурация переключения с использованием 2+2n базисных векторов, включая два вектора нулевого напряжения, соответствующими двунаправленными переключателями управляют с использованием еще одной конфигурации переключения, которая является синтезом этих конфигураций; при этом способ управления режимом входа/выхода позволяет уменьшить погрешности выходного напряжения и снизить флуктуации перепада напряжения импульсов, позволяет достичь уменьшения высших гармоник, уменьшить синфазное напряжение, которое оказывает отрицательное воздействие на шумы оборудования, и позволяет улучшить параметр минимума ширины импульса в области низких напряжений.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0027] (Базовое объяснение способа управления)
[0028] Вначале будут описаны основы управления посредством АИМ. На фиг.8 и 9 показаны примеры пространственных векторов, управляемых способами широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). Предполагается, что обе результирующие команды для выходного напряжения и частоты эквивалентны. В способе широтно-импульсной модуляции, в котором круговая траектория вектора в виртуальном входном преобразователе считается постоянной и максимальной, величиной круговой траектории вектора управляют в виртуальном выходном инверторе. С другой стороны, поскольку при амплитудно-импульсной модуляции управляют амплитудой круговой траектории вектора в виртуальном входном преобразователе, полагают, что шестиугольник виртуального выходного инвертора изменяется при управлении амплитудой круговой траектории вектора в виртуальном входном преобразователе. Таким образом, виртуальным выходным инвертором управляют так, чтобы круговая траектория вектора всегда была максимальной.
[0029] На фиг.10 показаны примеры распределения значений продолжительности использования векторов для командных импульсов, управляющих продолжительностью использования, в пределах одного рабочего периода Т (следует отметить, что порядок следования импульсов не имеет значения) для обоих способов ШИМ и АИМ. Можно видеть при сравнении друг с другом распределений командных импульсов между виртуальным входным преобразователем и виртуальным выходным инвертором, что они просто меняются местами. Однако, поскольку окончательные выходные команды для виртуального преобразователя неизменны в любом из способов управления, распределение импульсов, управляющих продолжительностью использования векторов, в схеме 3 прямого преобразования АС-АС после синтеза не изменяется. Другими словами, это просто изменение способа управления виртуальным преобразователем. Только применение обычного управления АИМ к виртуальному преобразователю неспособно улучшить способ управления ШИМ.
[0030] Ниже рассмотрены причины вышеописанного отсутствия каких-либо улучшений способа управления ШИМ. Естественно, в способе управления АИМ напряжением постоянного тока управляют в соответствии со значением команды выходного напряжения. Аналогично, в виртуальном входном преобразователе постоянным током можно управлять в соответствии со значением команды выходного линейного напряжения. Однако, поскольку напряжение постоянного тока, описанное здесь, фактически представляет собой виртуальное напряжение постоянного тока, мгновенные значения входного линейного напряжения на базисных векторах в виртуальном входном преобразователе изменяются в соответствии с назначенными им продолжительностями использования. Например, когда командный вектор входного тока находится во входном секторе I, напряжение RS и напряжение RT, которые являются линейными напряжениями на двух базисных векторах и векторе нулевого напряжения, взаимно переключаются и оказываются приложены к секции виртуального звена постоянного тока. В течение интервала их подключения два базисных вектора линейного напряжения и вектор нулевого напряжения связаны с виртуальной секцией постоянного тока, будучи дискретизированы с высокой частотой в соответствии с коэффициентами их использования в пределах рабочего периода.
[0031] Имея в виду вышеизложенное, рассмотрим область, ограниченную осью Re и i1 (RT) на фиг.9. Поскольку в этой области соотношение величин мгновенных значений трех фаз входного фазного напряжения таково, что фаза R > 0 > фазы S > фазы Т, линейные напряжения на вышеописанных базисных векторах имеют такое соотношение, что RT индицирует максимальное линейное напряжение, a RS индицирует второе по величине линейное напряжение. Это соотношение может быть в равной степени применено к управлению АИМ на фиг.9 и управлению ШИМ на фиг.8. То есть при определении пространственного вектора на фиг.8 и фиг.9 для генерации выходного напряжения всегда дискретизируют максимальное линейное напряжение и второе по величине линейное напряжение. Следовательно, даже при том, что способы виртуального управления взаимно отличаются, частоты распределения синтезируемых продолжительностей использования векторов не изменяются, если входные линейные напряжения, которые являются источниками для дискретизации, одинаковы.
[0032] В то же время обратим внимание на базисные векторы, составляющие виртуальное напряжение постоянного тока при управлении АИМ. В отличие от способа (ниже называемого трехвекторной системой), в котором базисные векторы образованы тремя векторами: максимального входного линейного напряжения, второго по величине промежуточного входного линейного напряжения и нулевого напряжения, как описано выше для обычного способа ШИМ и АИМ, в способе виртуального АИМ-управления, предложенном в настоящем изобретении, для формирования пространственных векторов используют четыре базисных вектора: максимального входного линейного напряжения, второго по величине промежуточного входного линейного напряжения, третьего по величине промежуточного входного линейного напряжения и нулевого напряжения. Из этих четырех базисных векторов выбирают три базисных вектора (ниже называемые новой трехвекторной системой), имеющих мгновенные значения вблизи выдаваемой значения команды линейного напряжения, которое должно быть подано на выход, и виртуальным напряжением постоянного тока управляют для достижения величины команды выходного линейного напряжения.
[0033] На фиг.11 показан пример пространственного вектора новой векторной системы. На фиг.11 базисный вектор максимального входного линейного напряжения отложен по оси М, базисный вектор промежуточного входного напряжения 1 отложен по оси А, базисный вектор промежуточного входного напряжения 2 отложен по оси В, а продолжительности их использования соответственно установлены равными М, А и В. Следует отметить, что промежуточное входное линейное напряжение 1 - это промежуточное напряжение, которое сильнее сдвинуто назад относительно направления против часовой стрелки, если смотреть на фиг.11, а промежуточное входное линейное напряжение 2 - это промежуточное напряжение, которое сильнее сдвинуто вперед относительно направления против часовой стрелки, при этом соотношение величин между промежуточными входными напряжениями 1 и 2 меняется в зависимости от области, как будет описано ниже. Продолжительность использования вектора нулевого напряжения полагается равной Zi. Базисные векторы, которые рассматриваются, как оси М, А и В, перемещаются синхронно с состоянием командного вектора входного тока при сохранении пространственного соотношения между ними. Следует отметить, что угол, образованный между командным вектором входного тока в стационарной координатной системе α-β и осью М, равен σ; угол, образованный между командным вектором входного тока и осью А, равен - α, угол, образованный между командным вектором входного тока и осью В, равен β, и угол, образованный между командным вектором входного тока и осью α, равен θ (-π≤θ≤π).
Ниже поясняются детали каждого предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.
[0034] (Вариант 1 осуществления настоящего изобретения)
[0035] На фиг.11 командный вектор Is входного тока нормализован относительно амплитуды (пикового значения) каждого входного линейного напряжения, и задана его величина |I| (следует отметить, что 0<|I|<√3/2). Это значение |I| соответствует радиусу круговой траектории движения вектора. Если компоненты этого значения |I| после разложения на направление оси А и направление оси В равны |Ia| и |Ib| соответственно, можно провести прямую линию |Ia|+|Ib|=1, как показано на фиг.12. Будем считать, что области разделены этой прямой линией, как границей, на область |Ia|+|Ib|≤1 и область |Ia|+|Ib|>1.
[0036] В данном варианте осуществления настоящего изобретения описан способ создания виртуального пространственного вектора АИМ для случая, когда командный вектор входного тока |Ia|+|Ib|≤1 представляет собой малую величину (т.е. в диапазоне низкого выходного напряжения, когда виртуальное напряжение постоянного тока является низким, а именно в области низкого выходного напряжения).
[0037] Поскольку в области низкого выходного напряжения амплитуда значения команды выходного линейного напряжения является малой, то коэффициент, с которым выводится вектор нулевого напряжения, уменьшается в случае, когда командный вектор входного тока составлен тремя векторами: вектором промежуточного входного линейного напряжения 1, вектором промежуточного входного линейного напряжения 2 и вектором нулевого напряжения, - без использования базисного вектора, который соответствует максимальному входному линейному напряжению, дающему большую разность высокого-низкого напряжения в отношении выходного напряжения.
[0038] Например, предположим, что имеется командный вектор входного тока в таком состоянии, как на фиг.12(а). Пример распределения продолжительностей использования векторов в случае управления ШИМ или управления АИМ при применении обычной трехвекторной системы с использованием оси М и оси А показан в верхней части фиг.13, а пример распределения продолжительностей использования векторов в случае управления АИМ, при котором применяется новая трехвекторная система с использованием оси А и оси В для данного варианта осуществления настоящего изобретения, показан в нижней части фиг.13. Как очевидно из примеров распределения продолжительностей использования векторов для входных сигналов, выходные интервалы для векторов Zi нулевого напряжения в значительной степени отличаются друг от друга, даже если имеются одинаковые командные векторы входного тока, и понятно, что импульсы, управляющие продолжительностью использования, эффективно используются даже для продолжительности использования, определяемой после синтеза. Как показано на примере АХ и AY, помещенных в верхней части фиг.13, в обычной системе ширина этих импульсов имеет тенденцию к сужению. Однако в реальном оборудовании для поддержания тока в выходной нагрузке и предотвращения короткого замыкания источника мощности на входе необходимо установить время перекрытия коммутации, равное нескольким микросекундам, и минимальная ширина импульса ограничена именно из-за влияния времени перекрытия коммутации.
[0039] Следовательно, такие узкие импульсы, как АХ и AY, показанные в верхней части фиг.13, в обычной системе оказываются восприимчивы к погрешностям напряжения, поскольку сами такие импульсы неспособны влиять на состояния переключения в реальном оборудовании. В технических решениях согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения ширина импульсов для соответствующих импульсов использования векторов увеличена, а степень использования нулевого напряжения уменьшена. Следовательно, до некоторой степени становится возможным выдавать импульсы даже в области чрезвычайно низкого выходного напряжения. В результате достигается улучшение работы в области низкого выходного напряжения и достигается уменьшение погрешности напряжения. Кроме того, поскольку обязательно используется входная фаза с промежуточным напряжением, используется входное напряжение в состоянии вблизи мгновенного значения команды выходного напряжения, в результате чего можно ожидать уменьшения высших гармоник. Другими словами, поскольку в обычной системе, в сравнении с системой согласно данному варианту осуществления настоящего изобретения, всегда используются интервалы максимального напряжения, имеющие узкую ширину и большое падение напряжения, обычная система проигрывает в отношении погрешности напряжения и высших гармоник.
[0040] Следует отметить, что продолжительность использования векторов в области низкого выходного напряжения согласно предлагаемому техническому решению можно вычислить с использованием уравнения (1).
[Уравнение 1]
Zi=1-(A+B)
M=0
…(1)
[0041] Кроме того, углы α и β связаны следующим соотношением.
[Уравнение 2]
[0042] (Вариант 2 осуществления настоящего изобретения)
[0043] В варианте 2 осуществления настоящего изобретения предложен способ определения продолжительности (коэффициента) использования входного вектора в области высокого выходного напряжения при виртуальном АИМ-управлении, как показано на фиг.12(b).
[0044] Как показано на фиг.12(b), в области высокого выходного напряжения (максимальное RT > промежуточное RS > промежуточное ST>0 и |Ia|+|Ib|>1), виртуальное напряжение постоянного тока также становится высоким. В противоположность варианту 1 осуществления настоящего изобретения желательно представить командный вектор входного тока только базисными векторами оси А и оси В промежуточного входного линейного напряжения и базисным вектором оси М максимального входного линейного напряжения без использования вектора Zi нулевого напряжения. Следует отметить, что, если, как в случае обычного способа управления АИМ/ШИМ, пытаться представить командный вектор входного тока только осями М и А, необходимо заполнить оставшийся период вектором нулевого напряжения. Следовательно, в этом варианте осуществления настоящего изобретения продолжительность использования векторов представлена так, чтобы получить единицу путем сложения с использованием комбинации из двух промежуточных входных линейных напряжений и максимального входного линейного напряжения.
[0045] Ниже будет описан способ определения продолжительности использования векторов в области высокого выходного напряжения. Имея в виду проблему высших гармоник и т.п., командный вектор входного тока можно предпочтительно представить по возможности с использованием базисных векторов промежуточного входного линейного напряжения даже в области высокого выходного напряжения. Для использования промежуточного входного линейного напряжения с максимальной эффективностью, как показано на фиг.12(b), командный вектор I входного тока разделен граничной линией |Ia|+|Ib|=1 на сегмент I1, соответствующий области низкого выходного напряжения, и сегмент Ih, соответствующий области высокого выходного напряжения. Сегмент Ih соответствует значению команды в состоянии А+В=1 в области низкого выходного напряжения, а именно в режиме, в котором, главным образом, используются промежуточное входное линейное напряжение. Оставшийся сегмент Ih считается эквивалентным командному вектору, который не может быть представлен только осью А и осью В. Продолжительность использования векторов вычисляют следующим образом, различая I1, созданный из составляющих в направления оси А и оси В, и Ih, созданный из составляющих по оси М и оси А.
Если: |Ia|+|Ib|>1
|Ih|=|I|-|Il|
A'=Ah+Al
B'=Bh+Bl
Zi=0
… (3)
[Уравнение 4]
…(4)
[0046] В уравнении (4) AI и BI обозначают компоненты разложения I1; Ah, Bh и М' обозначают компоненты разложения In'; А' и В' обозначают добавляемые значения компонентов разложения I1 и In, это предварительные значения продолжительностей использования векторов до начала процесса пересчета. А, В и М обозначают результирующие значения продолжительностей использования, пересчитанные для обеспечения суммарного значения 1.
[0047] Следует отметить, что величину |I| командного вектора входного тока, используемого в уравнениях (1)-(4), определяют из эффективного значения |Vref| командного значения выходного линейного напряжения Vref, а нормализованное значение |I| определяют из уравнения (5) с использованием эффективного значения |VsI| входного линейного напряжения.
[Уравнение]
где:
…(5)
[0048] Кроме того, значения sinα, sinβ и sinσ переключают в соответствии с состояниями входного сектора. Следует отметить, что при использовании фазы θ (базис оси α) командного вектора входного тока, α, β и σ табулируют, как показано в таблице на фиг.14, и входные значения нагрузок определяют подстановкой значений α, β и σ в уравнения (1)-(4). Следует отметить, что фаза θ сделана совпадающей с фазой фазного напряжения источника мощности в случае управления при коэффициенте мощности 1.
[0049] Согласно варианту 2 осуществления настоящего изобретения по сравнению с известным способом удается уменьшить погрешности напряжения и уменьшить высшие гармоники.
[0050] (Вариант 3 осуществления настоящего изобретения)
[0051] При обычном АИМ-управлении напряжением постоянного тока управляет преобразователь со стороны входа, и лишь частотную команду выдает инвертор на стороне выхода. Если эти же соображения применить к виртуальному АИМ-управлению, предложенному в каждом из вариантов 1 и 2 осуществления настоящего изобретения, инвертор со стороны выхода выдает только выходную команду частоты. Следовательно, траектория командного вектора выходного напряжения образует шестиугольник, как на фиг.9. Если управление АИМ для инвертора со стороны выхода выполняют только посредством частотной команды, без изменения, то в выходном напряжении естественно появятся составляющие пульсаций. С другой стороны, величину командного вектора входного тока регулируют в соответствии с выходной командой частоты, а величину самого шестиугольника регулируют в соответствии с составляющими пульсации. При этом вектор выходного напряжения рисует круговую траекторию, чтобы на выходе была синусоида. Составляющие пульсации шестиугольника передаются командному вектору входного тока. В результате этого входной ток не может быть сформирован в точности синусоидальным.
[0052] Поэтому в этом варианте осуществления настоящего изобретения для достижения синусоидальности как на входе, так и на выходе, в дополнение к виртуальному АИМ-управлению, используемому в каждом из вариантов 1 и 2 осуществления настоящего изобретения, в виртуальном выходном инверторе обычным способом выполняют управление ШИМ. При этом ШИМ-управление виртуальным выходным инвертором может быть выполнено путем добавления вектора нулевого напряжения в малом количестве. Следовательно, по сравнению с обычной системой, в которой как преобразователь, так и инвертор со стороны входа и выхода выполняют только управление ШИМ, назначаемая продолжительность использования вектора нулевого напряжения значительно уменьшена. На фиг.15 показаны соответствующие примеры распределения продолжительностей использования векторов в соответствующих областях для данного варианта осуществления изобретения.
[0053] Согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения, в дополнение к эффекту, обеспечиваемому каждым из вариантов 1 и 2 осуществления изобретения, интервал времени, в течение которого выдается нулевое напряжение, может быть сокращен настолько, насколько это возможно, и может быть обеспечен синусоидальный сигнал как со стороны входа, так и со стороны выхода.
[0054] (Вариант 4 осуществления настоящего изобретения)
[0055] В варианте 2 осуществления настоящего изобретения командный вектор входного тока виртуального входного преобразователя задает продолжительность использования вектора за один рабочий период с использованием новой трехвекторной системы в области высокого выходного напряжения. Кроме того, в варианте 3 осуществления настоящего изобретения к командному вектору выходного напряжения виртуального выходного инвертора добавляют небольшое количество нулевого вектора напряжения, в то время как в виртуальном выходном инверторе выполняют управление ШИМ. Синтезируемое распределение продолжительностей использования векторов приводит к тому, что в области высокого выходного напряжения имеется семь видов импульсов, как показано в нижней части фиг.15.
[0056] С другой стороны, в обычной трехвекторной системе ШИМ и при виртуальном АИМ-управлении в области низкого выходного напряжения в варианте 1 осуществления настоящего изобретения, как показано в верхней части фиг.15, пять видов векторов составляют вектор выходного напряжения обычным способом. Следовательно, в варианте 2 осуществления настоящего изобретения при виртуальном АИМ-управлении в области высокого выходного напряжения количество изменений состояний переключателей за один рабочий период увеличено вдвое. Это может вызвать погрешности напряжения из-за увеличения потерь на переключения и увеличить количество моментов времени, в которые проявляется эффект "мертвого" времени.
[0057] Поэтому в данном варианте осуществления настоящего изобретения система согласно варианту 1 осуществления настоящего изобретения и обычный способ ШИМ переключаются контролируемым способом в соответствии с областью выходного напряжения. Так, в области низкого выходного напряжения система, описанная в варианте 1 осуществления настоящего изобретения, способна уменьшить погрешности напряжения и уменьшить высшие гармоники, а в области высокого выходного напряжения возвращение к способу ШИМ-управления обеспечивает синусоидальную форму сигналов на входе и выходе. В то же время можно осуществить такое управление, чтобы, считая приоритетным уменьшение количества разделений на части одного рабочего периода при синтезе импульсов продолжительности использования, уменьшить количество времени, в которое проявляется эффект "мертвого" времени.
[0058] Следует отметить, что граничная линия для переключения этого управления представляет собой прямую линию, определяемую выражением |Ia|+|Ib|=1, как описано в вариантах 1 и 2 осуществления настоящего изобретения.
[0059] (Вариант 5 осуществления настоящего изобретения)
[0060] Этот вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает оптимизацию таблицы переключений в случае осуществления виртуального АИМ-управления, предложенного в каждом из вариантов 1 и 2 осуществления настоящего изобретения.
[0061] Прежде всего на фиг.16 показано определение секторов входного/выходного пространственного вектора при виртуальном АИМ-управлении. В преобразователе со стороны входа входное напряжение фазы U (которое совпадает с входным током фазы U) отложено по оси α. Использована новая трехвекторная система. Следовательно, предполагается, что сектор разделен на двенадцать частей. Например, сектор 1а или 1b - это область, в которой входное линейное напряжение RT является максимальным линейным напряжением, а в секторе 1а соотношение между двумя промежуточными входными линейными напряжениями RS и ST имеет вид RS>ST. В секторе 1b RS<ST. Аналогично, для других секторов имеем: для секторов на стороне "а" имеют место соотношения "ось А > оси В", а для секторов на стороне b имеем соотношения "ось А < оси В". Распределение секторов стороны "а" и стороны b определяется уравнениями (3) и (4). Для таблиц переключения, которые будут описаны ниже, эти определения не столь важны, и можно рассматривать по существу шесть отдельных секторов. Однако следует отметить, что необходимо определить режим низкого выходного напряжения и режим высокого выходного напряжения для каждого из секторов с использованием граничной линии |Ia|+|Ib|=1 (пунктир на фиг.16(а)).
[0062] В инверторе выходной стороны по оси α помещают команду UV линейного напряжения. Затем обычным способом определяют секторы в трехвекторной системе. При виртуальном АИМ-управлении вектор рисует траекторию максимального круга в мгновенном шестиугольнике.
[0063] Ниже поясняется случай, когда входные/выходные секторы являются секторами "1а-1" на фиг.16. Сначала рассмотрим структуру, которая способна предотвратить одновременное переключение двух или более фаз в пределах периода управления. Если продолжительности использования векторов по входной оси М, входной оси А и входной оси В обозначить как "М, А, В", то продолжительности использования выходных первого и второго базисных векторов будут "X, Y". Все синтезируемые комбинации перечислены в таблице на фиг.17. Перечислены три вида базисных векторов нулевого напряжения из девяти видов базисных векторов, и выбирается и используется любой из этих трех видов векторов нулевого напряжения. На фиг.18 показана схема коммутации переключателей в секторе 1а-1 виртуального АИМ-управления. Хотя направление и начальное положение произвольны, если переключатели меняют свое состояние в порядке соединения, предотвращается одновременное переключение двух или более фаз и можно минимизировать количество переключений. В течение режима низкого выходного напряжения базисные векторы оси М не используются. Таким образом, в этом режиме импульсами продолжительности использования векторов являются только AX→AY→Z→ВХ→BY, а вектор нулевого напряжения ограничен конфигурацией "2, 5, 8", в которой все соединения выходной фазы связаны с фазой S. С другой стороны, поскольку в течение подачи высокого напряжения на фиг.18(b) образуется замкнутая петля, следовательно, даже при использовании любого из векторов нулевого напряжения может быть сформирована таблица минимизации количества переключений переключателя. Таблица на фиг.19 демонстрирует конфигурации импульсов в этот момент. В каждом режиме на фиг.19 предполагается, что используется симметричный порядок переключения с возвратом (порядок переключения переключателей изменяет направление на высшей и на низшей ступеньках (вверх → вниз, вниз → вверх). Если речь идет о режиме 2 выдачи высокого напряжения, возможна циркуляция и без возврата (поскольку отсутствуют одновременные переключения, даже если происходит переход между высшей ступенькой и низшей ступенькой и происходит переключение режима между высшей ступенькой и низшей ступенькой). Следовательно, нет никакой проблемы в том, чтобы начать работу с любого импульса продолжительности использования вектора. В любых других режимах изменение переключателей необходимо начинать с высшей ступеньки или низшей ступеньки.
[0064] Ниже обсуждается уменьшение синфазного напряжения. Синфазное напряжение - это всегда напряжение фазы, для которой значение входного напряжения является промежуточным среди трех фаз (ниже - промежуточная входная фаза), как показано жирной линией на фиг.20. Для уменьшения синфазного напряжения желательно выводить нулевое напряжение с использованием промежуточной входной фазы. Поскольку во входных/выходных секторах "1а-1" промежуточная входная фаза представляет собой фазу S, следует использовать Z="2, 5, 8". Как видно из таблицы на фиг.19, вектор нулевого напряжения естественно фиксирован на значение Z="2, 5, 8", поскольку промежуточная входная фаза используется в режиме низкого выходного напряжения. В режиме вывода высокого напряжения имеется степень свободы в выборе Z. В этом случае в состоянии установившегося режима может использоваться режим 2 выдачи высокого напряжения (Z="2, 5, 8"). Даже в течение переходного времени изменения сектора, в режиме 2 вывода высокого напряжения таблица может сдвигаться по кругу. Следовательно, активное изменение стартового положения в этой циркулирующей таблице может предотвратить одновременное переключение переключателей для двух или более фаз (в случае режима вывода низкого напряжения это невозможно из-за фиксированного характера таблицы).
[0065] Как описано выше, во входных/выходных секторах "1а-1" стационарное использование" Z="2, 5, 8" позволяет достичь уменьшения синфазного напряжения и минимизировать количество переключений переключателей. Таким же образом составляют таблицу и для любых других секторов. Следовательно, использование вектора нулевого напряжения позволяет достичь уменьшения синфазного напряжения и оптимизировать количество переключений переключателей.
[0066] Следовательно, согласно варианту 5 осуществления настоящего изобретения, можно оптимизировать конфигурацию переключения, уменьшить синфазное напряжение и уменьшить количество переключений переключателей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0067] [фиг.1] Эквивалентная схема устройства прямого преобразования АС-АС с виртуальным звеном постоянного тока.
[0068] [фиг.2] Диаграммы секторов пространственных векторов и базисных векторов.
[0069] [фиг.3] Таблицы конфигураций переключения для виртуального входного преобразователя и виртуального выходного инвертора.
[0070] [фиг.4] Таблицы результатов синтеза виртуальных конфигураций переключения.
[0071] [фиг.5] Таблица с 27 конфигурациями переключения.
[0072] [фиг.6] Диаграмма соотношений между входными и выходными векторами и продолжительностями их использования.
[0073] [фиг.7] Диаграмма временного интервала создания импульсов в одном периоде переключения.
[0074] [фиг.8] Диаграммы пространственных векторов (ШИМ) в способе с виртуальным звеном постоянного тока.
[0075] [фиг.9] Диаграммы пространственных векторов (АИМ) в способе с виртуальным звеном постоянного тока.
[0076] [фиг.10] Диаграммы сравнения распределения продолжительностей использования векторов для способов ШИМ и АИМ без контрмер в отношении к промежуточному входному линейному напряжению.
[0077] [фиг.11] Диаграммы базисных векторов со стороны входа, используемых при виртуальном АИМ-управлении.
[0078] [фиг.12] Векторные диаграммы при виртуальной АИМ в зависимости от области.
[0079] [фиг.13] Примеры распределения продолжительностей использования векторов для соответствующих областей при АИМ с обязательным использованием промежуточного входного линейного напряжения.
[0080] [фиг.14] Таблица для α, β и σ в соответствующих входных секторах.
[0081] [фиг.15] Примеры распределения продолжительностей использования векторов для соответствующих областей промежуточного входного линейного напряжения при прямом использовании АИМ.
[0082] [фиг.16] Диаграммы секторов пространственных векторов при виртуальном АИМ-управлении.
[0083] [фиг.17] Таблица соединений переключателей при виртуальном АИМ-управлении.
[0084] [фиг.18] Схемы соединений переключателей при виртуальном АИМ-управлении.
[0085] [фиг.19] Таблицы конфигураций импульсов для сектора виртуальной АИМ "1а-1".
[0086] [фиг.20] Изменение синфазного напряжения, когда входная промежуточная фаза задана для вектора нулевого напряжения.
[0087] [фиг.21] Схема базовой конфигурации устройства прямого преобразования АС-АС.