Трехфазное устройство преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой
THREE PHASE DEVICE FOR POWER TRANSFORMATION WITH FIXED NEUTRAL POINT

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к трехфазному устройству преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой и в частности к регулированию тока с использованием ШИМ-регулирования.
[0002] Фиг. 6 представляет структурную схему, показывающую основную схему трехфазного устройства преобразования мощности, соединенного с нагрузкой в виде двигателя. Устройство преобразования мощности управляет переключающими устройствами S1~S12 (биполярные транзисторы с изолированным затвором, БТИЗ (IGBT) на фиг. 6) в режиме ВКЛ/ВЫКЛ путем подачи команд управления затворами на переключающие устройства S1~S12, и тем самым выводит напряжение переменного тока на выходные клеммы U, V и W.
[0003] Это устройство преобразования мощности предназначено для разделения напряжения P-N постоянного тока с использованием сглаживающих конденсаторов Cdc1 и Cdc2 и для создания выходного сигнала с ШИМ (широтно-импульсная модуляция) из потенциалов Р (положительный) и N (отрицательный) постоянного тока и потенциала NP нейтральной точки с тремя уровнями.
[0004] В обоих патентных документах 1 и 2 используют регулирование потенциала нейтральной точки (Регулятор Нейтральной Точки) для подавления неравномерности напряжений Vdc1 и Vdc2 постоянного тока после ACR (регулирование тока: Automatic Current Regulator (Автоматический Регулятор Тока)). Регулирование потенциала нейтральной точки представляет собой регулирование с целью определения расхождения между напряжением Vdc1 постоянного тока сглаживающего конденсатора Cdc1 на положительной стороне (Р стороне) напряжения P-N постоянного тока и напряжением Vdc2 постоянного тока сглаживающего конденсатора Cdc2 на отрицательной стороне (N стороне) и выполнения операции регулирования для уменьшения расхождения до нуля.
[0005] Схема регулирования устройства преобразования мощности поясняется ниже на примере, в котором трехфазный выход переменного тока этого устройства преобразования мощности соединен с нагрузкой в виде двигателя М, и выполняется регулирование тока. Фиг. 7 представляет структурную схему, демонстрирующую схему регулирования трехфазного устройства преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой.
[0006] Фазовый детектор enc прикреплен к двигателю М и выполнен с возможностью измерять фазу и выводить измеренную фазу theta_det. Преобразователь 1 трех фаз в две фазы преобразует выходные токи (токи двигателя) Iu, Iv, Iw путем преобразования трех фаз в две фазы на основе измеренной фазы theta_det и тем самым выдает измеренный ток Id_det d-оси и ток Iq_det q-оси.
[0007] Затем секция 2 регулятора тока выполняет ПИ-регулирование (пропорционально-интегральное регулирование), чтобы заставить измеренный ток Id_det d-оси и измеренный ток Iq_det q-оси следовать за соответствующими целевыми значениями, установленными равными командному току Id_cmd d-оси и командному току Iq_cmd q-оси, соответственно. На выходной стороне ПИ-регулятора, предусмотрены ограничители LMT1 и LMT2 для ограничения сигналов интегральных выходов в момент насыщения выхода и тем самым для стабилизации системы. Выход секции 2 регулятора тока представляет собой двухфазное командное напряжение Vd_cmd и Vq_cmd.
[0008] Двухфазное командное напряжение Vd_cmd, Vq_cmd преобразуется, с помощью преобразования двух фаз в три фазы посредством преобразователя 3 двух фаз в три фазы, в трехфазное командное напряжение V_cmd. Далее секция 4 регулятора потенциала нейтральной точки прибавляет величину V_cmp компенсации потенциала нейтральной точки к трехфазному командному напряжению V_cmd и тем самым передает командное напряжение, полученное с помощью сложения, в виде скорректированного командного напряжения V_cmd'.
[0009] Кроме того, ограничитель LMT3 накладывает ограничение по напряжению на скорректированное командное напряжение и подает обработанное ограничителем командное напряжение Vcmd'', полученное с помощью ограничения напряжения, в секцию ШИМ для ШИМ-обработки. Ограничитель LMT3 предусмотрен для предотвращения превращения упомянутых далее команд GI_H и GI_L управления затворами в аномальный импульс (минимальный импульс, например) и для предотвращения искажения выходного напряжения и выходного тока устройства преобразования мощности.
[0010] Секция ШИМ, предназначенная для ШИМ-обработки, формирует команды GI_H, GI_L управления затворами для каждого из переключающих устройств S1~S12 путем использования обработанного ограничителем командного напряжения Vcmd''. В общем, команды GI_H, GI_L управления затворами формируются путем сравнения между сигналом несущей треугольной волны и обработанного ограничителем командного напряжения V_cmd'', хотя это и не показано на фиг. 7.
[0011] Преобразование трех фаз в две фазы в преобразователе 1 трех фаз в две фазы и преобразование двух фаз в три фазы в преобразователе 3 двух фаз в три фазы представлены следующими выражениями (1) и (2).
[0012] [Математика 1]
[0013] Ограничители LMT1 и LMT2 предусмотрены на выходе ПИ-регулятора для стабилизации регулирования тока, и далее величина V_cmp компенсации потенциала нейтральной точки прибавляется к трехфазному командному напряжению V_cmd в схеме, показанной на фиг. 7. Скорректированное командное напряжение V_cmd' после сложения вводится в ограничитель LMT3 до ШИМ-обработки. Когда скорректированное командное напряжение V_cmd' достигает порогового значения, обработанное ограничителем командное напряжение V_cmd'' подвергается ограничению напряжения. Поэтому эффективное значение выходного напряжения устройства преобразования мощности (напряжение между клеммами U и V на фиг. 6, например) не может сохранять линейность. Более того, когда время ограничения напряжения становится долгим, эффективное значение выходного тока устройства преобразования мощности также теряет линейность, и работа становится неустойчивой.
[0014] Это связано с тем, что регулирование тока включает интегральное действие. Интегральное действие функционирует так, чтобы усиливать отклонение с течением времени. Однако из-за ограничения выходного напряжения отклонение не уменьшается, и интегральное действие приводит к чрезмерному усилению командного выходного напряжения. Следовательно, эффективное значение выходного тока теряет линейность. Это явление называется перерегулированием. Когда выходные токи Iu, Iv и Iw во время возникновения перерегулирования наблюдают на оси частот, в них появляется смещение широкой полосы частот от нескольких Гц до нескольких сотен Гц. То есть в токах появляется много нежелательных флуктуаций или вибраций.
[0015] Регулирование тока осуществляется по осям d, q. Тем не менее, система не работает должным образом, выполняя процесс подавления перерегулирования автоматического регулятора тока (ACR) непосредственно без модификации. Скорректированное командное напряжение V_cmd' создается путем наложения величины V_cmp компенсации потенциала нейтральной точки на трехфазное командное напряжение V_cmd, а ограничение командного напряжения осуществляется ограничителем LMT3. Следовательно, скорректированное командное напряжение V_cmd' достигает порогового напряжения, ограничение напряжения накладывается на обработанное ограничителем командное напряжение V_cmd'', и, следовательно, система не может правильно выполнить процесс защиты от перерегулирования.
[0016] В проиллюстрированном примере ограничители LMT1 и LMT2 предусмотрены на выходной стороне секции 2 регулятора тока. В общем, емкости сглаживающих конденсаторов Cdc1 и Cdc2, показанных на фиг. 6, установлены равными друг другу. Однако величины начального заряда сглаживающих конденсаторов Cdc1 и Cdc2 не равны друг другу из-за различий, вызванных процессом производства и ухудшением характеристик в результате старения. Следовательно, возникает расхождение между напряжениями Vdc1 и Vdc2 постоянного тока, и величина V_cmp потенциала нейтральной точки увеличивается. В частности, двигатель М требует большого выходного тока во время запуска двигателя. Следовательно, наложение величины V_cmp компенсации потенциала нейтральной точки в момент старта имеет тенденцию вызывать увеличение скорректированного командного напряжения V_cmd' до порогового значения и ограничение его до обработанного ограничителем командного напряжении V_cmd'', и тем самым препятствует стабильной работе. Можно исключить ограничение до обработанного ограничителем командного напряжение V_cmd'', уменьшив коэффициент усиления регулятора тока или регулятора потенциала нейтральной точки. Однако компромисс для того, чтобы избежать ограничения, приводит к снижению эффективности управления в установившемся режиме. Следовательно, необходим механизм регулирования для учета взаимного влияния между регулятором тока и регулятором потенциала нейтральной точки без уменьшения коэффициента усиления регулятора потенциала нейтральной точки.
[0017] Кроме того, в случае, когда нагрузкой устройства преобразования мощности является асинхронная машина или синхронная машина, возникновение перерегулирования может вызвать флуктуацию крутящего момента, подобную флуктуации выходного тока.
[0018] Как объяснялось выше, проблема заключается в подавлении взаимного влияния между регулятором тока и регулятором потенциала нейтральной точки в трехфазном устройстве преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой, выполняющем ШИМ-регулирование.
Документы предшествующего уровня техники
Патентные документы
[0019] Патентный документ 1: WO 97/25766
Патентный документ 2: JP Н06-233537А
Патентный документ 3: JP Н10-248262А
Сущность изобретения
[0020] Настоящее изобретение было разработано с учетом вышеупомянутых проблем. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения трехфазное устройство преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой содержит, в качестве схемы регулирования, первый преобразователь трех фаз в две фазы для преобразования трехфазного измеренного тока в двухфазный измеренный ток для измеренного тока d-оси и измеренного тока q-оси; секцию регулятора тока, выполненную с возможностью вычислять двухфазное командное напряжение с помощью функции регулирования тока для выполнения ПИ-регулирования в соответствии с расхождением между командным током q-оси и измеренным током q-оси; преобразователь двух фаз в три фазы, выполненный с возможностью преобразовывать двухфазное командное напряжение в трехфазное командное напряжение; секцию регулятора потенциала нейтральной точки, выполненную с возможностью вычислять величину компенсации регулирования нейтральной точки в соответствии с расхождением между напряжением постоянного тока на положительной стороне и напряжением постоянного тока на отрицательной стороне и прибавлять величину компенсации регулирования нейтральной точки к трехфазному командному напряжению, чтобы вычислить скорректированное командное напряжение; ограничитель, выполненный с возможностью выводить обработанное ограничителем командное напряжение путем ограничения скорректированного командного напряжения до или ниже порогового значения; и второй преобразователь трех фаз в две фазы, выполненный с возможностью выводить величину обратной связи путем преобразования трех фаз обработанного ограничителем командного напряжения в две фазы; причем секция регулятора тока выполнена с возможностью выполнять интегральное регулирование в соответствии с величиной обратной связи, получаемой в результате преобразования трех фаз в две фазы, расхождением между командным током d-оси и измеренным током d-оси и расхождением между командным током q-оси и измеренным током q-оси.
[0021] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения нагрузка, на которую подается трехфазный выходной сигнал переменного тока, представляет собой двигатель; второй преобразователь трех фаз в две фазы выполнен с возможностью преобразовывать обработанное ограничителем командное напряжение в величину обратной связи в соответствии с измеренной фазой двигателя; преобразователь двух фаз в три фазы выполнен с возможностью преобразовывать двухфазное командное напряжение в трехфазное командное напряжение в соответствии с измеренной фазой двигателя; и первый преобразователь трех фаз в две фазы выполнен с возможностью преобразовывать трехфазный выходной ток в измеренный ток d-оси и измеренный ток q-оси в соответствии с измеренной фазой двигателя.
[0022] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения устройство преобразования мощности связано с системой; второй преобразователь трех фаз в две фазы выполнен с возможностью преобразовывать обработанное ограничителем командное напряжение в величину обратной связи в соответствии с измеренной фазой системы; преобразователь двух фаз в три фазы выполнен с возможностью преобразовывать двухфазное командное напряжение в трехфазное командное напряжение в соответствии с измеренной фазой системы; и первый преобразователь трех фаз в две фазы выполнен с возможностью преобразовывать ток трехфазной системы в измеренный ток d-оси и измеренный ток q-оси в соответствии с измеренной фазой системы.
[0023] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения скорректированное командное напряжение определяют путем сложения величины компенсации регулирования нейтральной точки и величины, получаемой в результате вычитания командного напряжения нулевой фазы из трехфазного командного напряжения, выданного преобразователем двух фаз в три фазы.
[0024] В устройстве преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой для выполнения ШИМ-регулирования возможно подавление взаимного влияния между регулятором тока и регулятором потенциала нейтральной точки в соответствии с настоящим изобретением.
Краткое описание чертежей
[0025]
Фиг. 1 представляет структурную схему, показывающую схему регулирования в соответствии с вариантом осуществления 1.
Фиг. 2 представляет основную схему трехфазного устройства преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой, связанную с системой.
Фиг. 3 представляет структурную схему, показывающую схему регулирования в соответствии с вариантом осуществления 2.
Фиг. 4 представляет структурную схему, показывающую схему регулирования в соответствии с вариантом осуществления 3.
Фиг. 5 представляет структурную схему, показывающую схему регулирования в соответствии с вариантом осуществления 4.
Фиг. 6 представляет основную схему трехфазного устройства преобразования с фиксированной нейтральной точкой, связанного с нагрузкой двигателя.
Фиг. 7 представляет структурную схему, показывающую в качестве примера схему регулирования более ранней технологии. Варианты осуществления изобретения
[0026] Фиг. 1-5 представляют виды для подробного объяснения устройства преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой в соответствии с настоящим изобретением в вариантах осуществления 1-4.
[0027] [Вариант осуществления 1]
Фиг. 1 представляет структурную схему, показывающую схему регулирования устройства преобразования мощности в соответствии с вариантом осуществления 1. Схема регулирования в варианте осуществления 1 разработана с учетом взаимного влияния между регулятором тока и регулятором потенциала нейтральной точки.
[0028] На фиг. 7 ограничители LMT1 и LMT2 предусмотрены на выходной стороне ПИ-регулятора, а схема регулирования выполнена с возможностью ограничения режима интегрирования путем использования расхождения между значениями до и после каждого ограничителя. В схеме регулирования на фиг. 1, с другой стороны, преобразователь трех фаз в две фазы или секция 5 преобразования выполнены с возможностью выполнять преобразование трех фаз в две фазы в отношении обработанного ограничителем командного напряжения V_cmd'', которое подлежит окончательному введению в ШИМ-секцию для ШИМ-регулирования. Обработанное ограничителем командное напряжение V_cmd'', преобразованное таким образом в две фазы из трех фаз, используется как величины Vd_back и Vq_back обратной связи. Схема регулирования на фиг. 1 ограничивает режим интегрирования путем подачи обратно на вход интегрирующей секции 25 расхождения между величиной Vd_back и Vq_back обратной связи и входным сигналом ограничителя LMT1 или LMT2 секции 2 регулятора тока.
[0029] Секция 2 регулятора тока в соответствии с вариантом осуществления 1 выполнена следующим образом. Пропорциональная секция 2 умножает расхождение между командным током Id_cmd и измеренным током Id_det на пропорциональный коэффициент усиления Kp.
[0030] Секция 22 вычитания выдает расхождение между величиной Vd_back или Vq_back обратной связи и входным сигналом ограничителя LMT1 или LMT2 секции 2 регулятора тока. Секция 23 коэффициента усиления обратной связи умножает выходной сигнал секции 22 вычитания на коэффициент Kfb усиления обратной связи.
[0031] Секция 24 сложения прибавляет выходной сигнал секции 23 коэффициента усиления обратной связи к расхождению между командным током Id_cmd и измеренным током Id_det. Интегрирующая секция 25 умножает выходной сигнал секции 24 сложения на интегральный коэффициент Ki усиления. Секция 26 сложения суммирует выходной сигнал интегрирующей секции 25 и предыдущий выходной сигнал секции 26 сложения на один цикл вычисления раньше. Секция 27 сложения суммирует выходной сигнал пропорциональной секции 21 и выходной сигнал секции 26 сложения и выдает результат сложения на ограничитель LMT1 и секцию 22 вычитания.
[0032] Хотя приведенное выше объяснение относится только к обработке по d-оси в секции 2 регулятора тока, секция обработки по q-оси идентична секции обработки по d-оси. Схема регулирования на фиг. 1 аналогична схеме на фиг. 7, за исключением секции 2 регулятора тока и преобразователя 5 трех фаз в две фазы.
[0033] Величины Vd_back и Vq_back обратной связи являются величинами после преобразования двух фаз в три фазы, и, соответственно, на эти величины обратной связи не оказывает влияние величина V_cmp компенсации потенциала нейтральной точки, которая является компонентом нулевой фазы. Поэтому регулирование тока и регулирование потенциала нейтральной точки не мешают друг другу. Кроме того, ограничитель LMT3 до ШИМ-обработки ограничивает обработанное ограничителем командное напряжение V_cmd'', даже если скорректированное командное напряжение V_cmd' достигает пороговой величины, и, соответственно, величины Vd_back и Vq_back обратной связи также ограничиваются. Следовательно, система может ограничить интегральное действие и стабильно выполнять регулирование тока.
[0034] Как упомянуто выше, трехфазное устройство преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой в соответствии с вариантом осуществления 1 может выполнять регулирование потенциала нейтральной точки и подавлять нежелательные флуктуации тока, даже если скорректированное командное напряжение V_cmd' достигает порогового значения и выполняется операция ограничителя.
[0035] Кроме того, когда подключена нагрузка двигателя, устройство может предотвратить флуктуацию крутящего момента путем предотвращения флуктуации тока. Когда подключена система, устройство может улучшить стабильность источника питания системы путем предотвращения флуктуации тока.
[0036] [Вариант осуществления 2]
В варианте осуществления 2 устройство связано с системой и выполнено с возможностью регулировать напряжения Vdc1 и Vdc2 постоянного тока. Фиг. 2 представляет схему основной цепи трехфазного устройства преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой, соединенного с системой. Между напряжениями Vrs, Vst, Vtr трехфазной системы и трехфазным устройством преобразования мощности с фиксированной нейтральной точкой предусмотрены входные фильтры Lf, Cf.
[0037] Фиг. 3 представляет структурную схему, показывающую регулирование напряжения постоянного тока и регулирование тока на фиг. 2. Напряжения Vrs, Vst and Vtr системы измеряют с использованием напряжения Vrs в качестве опорного напряжения на фиг. 2 и 3, а фазу системы или системную фазу pll_out определяют путем использования схемы ФАП (фазовой автоподстройки) (PLL, Phase Locked Loop).
[0038] Системную фазу pll_out используют в преобразователях трех фаз в две фазы или секциях 1 и 5 преобразования и преобразователе двух фаз в три фазы или секции 3 преобразования. В варианте осуществления 2 преобразователь трех фаз в две фазы преобразует системные токи Ir, Is, It в измеренные токи Id_det, Iq_det на основе системной фазы pll_out. Преобразователь 3 двух фаз в три фазы преобразует двухфазное командное напряжение Vd_cmd в трехфазное командное напряжение V_cmd на основе системной фазы pll_out. Преобразователь трех фаз в две фазы преобразует обработанное ограничителем командное напряжение V_cmd'' в величины Vd_back и Vq_back обратной связи на основе системной фазы pl_out.
[0039] Кроме того, в варианте осуществления 2 командные токи Id_cmd и Iq_cmd, используемые для регулирования тока, находят путем определения расхождения между командным напряжением Vdc_cmd постоянного тока (команда напряжения на клеммах PN на фиг. 2) и суммой напряжений Vdc1 и Vdc2 постоянного тока и путем применения AVR (регулирование напряжения: автоматический регулятор напряжения) (AVR - Automatic Voltage Regulator). Схема AVR показана в Патентном документе 2. В других аспектах вариант 2 является таким же, как и вариант осуществления 1.
[0040] Устройство в соответствии с вариантом осуществления 2 может предотвратить взаимное влияние между регулятором тока и регулятором потенциала нейтральной точки, ограничить интегральное действие и тем самым обеспечить стабильную характеристику регулирования, несмотря на ограничение, часто накладываемое на обработанное ограничителем командное напряжение V_cmd'', когда скорректированное командное напряжение V_cmd' достигает порога во время работы устройства преобразования мощности с повышением напряжения.
[0041] [Вариант осуществления 3]
В варианте осуществления 3 нуль-фазную модуляцию добавляют в схему регулирования варианта осуществления 1 для того, чтобы увеличить диапазон выходного напряжения устройства преобразования мощности. Фиг. 4 представляет схему регулирования в соответствии с вариантом осуществления 3.
[0042] Способ нуль-фазной модуляции объяснен в Патентном документе 3, поэтому подробное объяснение в настоящем документе опускается. Как видно на фиг. 4, секция 6 вычитания вычитает нуль-фазное командное напряжение V0_cmd из трехфазного командного напряжения, и затем выполняется регулирование потенциала нейтральной точки. Величины Vd_back и Vq_back обратной связи могут быть вычислены таким же образом, как в варианте осуществления 1. Поскольку величины Vd_back и Vq_back обратной связи после преобразования трех фаз в две фазы математически независимы от нуль-фазного напряжения, не возникает никаких проблем. Нуль-фазное командное напряжение V0_cmd на фиг. 4 соответствует сигналу коррекции команды напряжения, показанному на (b) фиг. 2 Патентного документа 3.
[0043] [Вариант осуществления 4]
В варианте осуществления 4 нуль-фазная модуляция добавляется к схеме регулирования варианта осуществления 2 для того, чтобы увеличить диапазон выходного напряжения устройства преобразования мощности. Фиг. 5 представляет схему регулирования в соответствии с вариантом осуществления 4.
[0044] На фиг. 5 секция 6 вычитания вычитает нуль-фазное командное напряжение V0_cmd из трехфазного командного напряжения V_cmd и после этого выполняется регулирование потенциала нейтральной точки. Величины Vd_back и Vq_back обратной связи могут быть вычислены таким же образом, как и в варианте осуществления 1. Нуль-фазное командное напряжение на фиг. 5 соответствует сигналу коррекции команды напряжения, показанному в (b) на фиг. 2 Патентного документа 3.
[0045] Хотя изобретение было описано выше со ссылкой на определенные варианты осуществления изобретения, различные модификации и варианты возможны в пределах объема изобретения, которые очевидны специалистам в данной области техники. Эти модификации и варианты входят в объем заявленного изобретения.