УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2011 года по МПК H02M7/48 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству преобразования электрической энергии, имеющему преобразователь и инвертор, который преобразует электрическую энергию постоянного тока, выводимую из преобразователя, в изменяемую по частоте/ изменяемую по напряжению электрическую энергию переменного тока. В частности, это изобретение относится к устройству преобразования электрической энергии, посредством которого, когда двигатель соединен с его выходной стороной, колебание крутящего момента двигателя вследствие пульсаций выпрямления, сгенерированных преобразователем, может быть предотвращено.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Напряжение на конденсаторе, подключенном со стороны постоянного тока преобразователя (называемое как напряжение на конденсаторе), включает в себя составляющую пульсации (пульсации выпрямления). Если задано, что частота электрической энергии из источника - это f0, частота составляющей пульсации - это 2×f0, когда источник является однофазным источником переменного тока, и 6×f0, когда источник является трехфазным источником переменного тока.

Так как напряжение на конденсаторе вводится в инвертор, напряжение переменного тока, выводимое из инвертора, также включает в себя составляющую пульсации. Когда выходная частота инвертора становится близкой к частоте пульсации напряжения на конденсаторе вследствие разностной частоты между ними, происходит явление пульсации, в котором электрическая энергия переменного тока как выходной сигнал из инвертора и крутящий момент двигателя, приводимого в действие инвертором, колеблются. Причина возникновения явления пульсации приписывается характеристикам амплитуды выходного напряжения инвертора, в которых характеристика положительной стороны и характеристика отрицательной стороны не уравновешены в течение цикла.

Рассматривается способ для предотвращения явления пульсации, в котором в случае, когда составляющая пульсации содержится во входном напряжении инвертора, рабочая частота инвертора изменяется таким способом, что значение интегрирования напряжения-времени для полуцикла положительной стороны и оно же для полуцикла отрицательной стороны становятся равными друг другу. В этом способе причина для изменения рабочей частоты инвертора состоит в том, что явление пульсации возникает на частоте, которая содержится в области переменной частоты постоянного напряжения, где напряжение не может управляться (например, со ссылкой на патентный документ 1). Способ для удаления или управления пульсациями также рассматривается в векторном управлении, в котором управляется фаза вектора напряжения (например, со ссылкой на патентный документ 2).

Посредством обнаружения составляющей пульсации напряжения на конденсаторе фаза обнаруженной составляющей пульсации сдвигается вперед и значение напряжения получается посредством суммирования с составляющей постоянного тока напряжения на конденсаторе. Таким образом, также рассматривается способ для управления коэффициентом модуляции с использованием значения напряжения (например, со ссылкой на патентный документ 3).

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

[Задачи, решаемые в изобретении]

В стандартном способе для устранения или уменьшения явления пульсации, так как частота напряжения, выводимого из инвертора, колеблется, возникает проблема, если применяется к управлению скоростью, что колебание скорости увеличивает отклонение от значения команды.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства преобразования электрической энергии, посредством которого явление пульсации может быть устранена или уменьшена и также может выполняться надежное управление скоростью.

Устройство преобразования электрической энергии согласно настоящему изобретению включает в себя преобразователь для выпрямления электрической энергии переменного тока, соединенный последовательно набор конденсаторов, соединенный со стороной постоянного тока преобразователя, инвертор для выбора любого из уровней и вывода трехфазного переменного тока посредством установки одного конца соединенного последовательно набора конденсаторов на уровень высокого потенциала, другого конца набора на уровень низкого потенциала и точки соединения между конденсаторами на уровень среднего потенциала, блок управления инвертором для управления инвертором и устройство измерения напряжения для измерения напряжения на конденсаторе как напряжения между двумя концами набора, при этом блок управления инвертором включает в себя блок управления уменьшением пульсаций для управления коэффициентом модуляции в ответ на напряжение на конденсаторе и блок стабилизации частоты для стабилизации по значению команды частоты напряжения переменного тока, выводимого из инвертора.

Устройство преобразования электрической энергии согласно настоящему изобретению включает в себя преобразователь для выпрямления электрической энергии переменного тока, последовательно соединенный набор конденсаторов, соединенных со стороной постоянного тока преобразователя, инвертор для посредством установки одного конца соединенного последовательно набора конденсаторов на уровень высокого потенциала, другого конца набора на уровень низкого потенциала и точки соединения между конденсаторами на уровень среднего потенциала, выбора любого из уровней и вывода трехфазного переменного тока, блок управления инвертором для управления инвертором и устройство измерения напряжения для измерения напряжения на конденсаторе как напряжения между двумя концами набора, при этом блок управления инвертором включает в себя блок управления уменьшением пульсаций для управления коэффициентом модуляции в ответ на напряжение на конденсаторе и блок стабилизации частоты для стабилизации по значению команды частоты напряжения переменного тока, выводимого из инвертора; поэтому в результате имеется эффект устранения или уменьшения явления пульсации и также может выполняться надежное управление скоростью.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид конфигурации устройства преобразования электрической энергии согласно варианту 1 воплощения настоящего изобретения.

Фиг.2 - вид внутренней конфигурации блока управления инвертором устройства преобразования электрической энергии согласно варианту 1 воплощения настоящего изобретения.

Фиг.3 - вид внутренней конфигурации блока создания селекторного импульса устройства преобразования электрической энергии согласно варианту 1 воплощения настоящего изобретения.

Фиг.4 - вид отношения в случае, в котором блок управления уменьшением пульсаций не управляется от сигнальных волн, несущих волн и U-фазного и V-фазного выходных напряжений инвертора в устройстве преобразования электрической энергии согласно варианту 1 воплощения этого изобретения.

Фиг.4A - вид отношения между сигнальными волнами и несущими волнами.

Фиг.4B-4D - виды выходных напряжений из инвертора 3, где U-фазное напряжение представляется на фиг.4B, V-фазное напряжение представляется на фиг.4C и напряжение между U- и V-фазной линиями представляется на фиг.4D соответственно.

Фиг.5 - вид, как устройство преобразования электрической энергии согласно варианту 1 воплощения настоящего изобретения устраняет или уменьшает явление пульсации и также побуждает частоту напряжения переменного тока не колебаться.

Фиг.5A - вид, представляющий оцененное колебание напряжения Vdc на конденсаторе.

Фиг.5B - вид, представляющий временное изменение коэффициента y модуляции и скомпенсированного коэффициента y1 модуляции.

Фиг.5C изображает поясняющий вид отношения между сигнальными волнами и несущими волнами.

Фиг.5D-5F изображают поясняющие виды выходных напряжений инвертора 3, где U-фазное напряжение представляется на фиг.5D, V-фазное напряжение представляется на фиг.5E, и напряжение UV-линии представляется на фиг.5F соответственно.

Фиг.6 - вид различия в напряжении UV-линии, напряжении VW-линии и напряжении WV-линии между случаем, в котором коэффициент модуляции управляется для устранения или уменьшения явления пульсации, и случаем, в котором коэффициент не управляется.

Фиг.6A - вид оцененного колебания напряжения Vdc на конденсаторе.

Фиг.6B-6D показывают соответствующие напряжения UV-линии, напряжения VW-линии и напряжения WV-линии, где напряжения, показанные выше, предназначены для случая без управления коэффициентом модуляции, и напряжения, показанные ниже, предназначены для случая управления коэффициентом модуляции.

Фиг.7 - вид конфигурации устройства преобразования электрической энергии согласно варианту 2 воплощения настоящего изобретения.

Фиг.8 - вид внутренней конфигурации блока управления инвертором устройства преобразования электрической энергии согласно варианту 2 воплощения настоящего изобретения.

Фиг.9 - вид внутренней конфигурации блока создания селекторного импульса устройства преобразования электрической энергии согласно варианту 2 воплощения настоящего изобретения.

Фиг.10 - вид, как устройство преобразования электрической энергии согласно варианту 2 воплощения настоящего изобретения устраняет или уменьшает явление пульсации и также побуждает частоту напряжения переменного тока не колебаться.

Фиг.10A изображает вид, представляющий оцененное колебание напряжения Vdc на конденсаторе.

Фиг.10B изображает вид, представляющий временное изменение коэффициента y модуляции и скомпенсированного коэффициента y1 модуляции.

Фиг.10C изображает поясняющий вид отношения между сигнальными волнами и несущими волнами.

Фиг.10D-10F изображают поясняющие виды выходных напряжений инвертора 3, где U-фазное напряжение представляется на фиг.10D, V-фазное напряжение представляется на фиг.10E и напряжение UV-линии представляется на фиг.10F соответственно.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вариант 1 воплощения

Фиг.1 изображает вид конфигурации устройства преобразования электрической энергии согласно варианту 1 воплощения настоящего изобретения.

Как представлено на фиг.1, устройство преобразования электрической энергии включает в себя преобразователь 1 для преобразования однофазной энергии переменного тока в энергию постоянного тока, конденсаторы 2A и 2B, соединенные последовательно друг с другом, для накопления энергии постоянного тока, полученной выпрямлением посредством преобразователя 1, инвертор 3, соединенный параллельно с конденсаторами 2A и 2B, для преобразования постоянного тока в трехфазную энергию переменного тока любой частоты, и блок 4 управления инвертором для управления инвертором 3. Энергия переменного тока, выводимая из инвертора 3, предоставляется в двигатель 5, такой как асинхронный двигатель.

Частота fm вращения двигателя 5 измеряется посредством детектора 6 скорости. U-фазный ток Iu и V-фазный ток Iv среди трехфазных переменных токов, выводимых из инвертора 3, измеряются посредством амперметров 7U и 7V соответственно. С использованием реляционного выражения, представляющего, что суммирование U-фазного, V-фазного и W-фазного токов равняется нулю, может быть вычислен W-фазный ток; поэтому W-фазный ток не измеряется. Могут измеряться трехфазные токи, включающие в себя W-фазный ток, или альтернативно, могут измеряться двухфазные токи, такие как U-фазный и W-фазный токи, или V-фазный и W-фазный токи. Является подходящим/достаточным/адекватным измерять, по меньшей мере, две из трехфазных составляющих.

Инвертор 3 является трехуровневым устройством инвертора, которое может выводить напряжения на трех потенциальных уровнях, таких как высокопотенциальный, низкопотенциальный и среднепотенциальный. Один конец конденсаторов 2A и 2B, соединенных последовательно друг с другом, должен быть высокопотенциальным, другой конец должен быть низкопотенциальным, и последовательно соединенная точка между ними должна быть среднепотенциальной. Практически, три набора последовательно соединенных конденсаторов 2A и 2B обеспечиваются индивидуально и размещаются распределенным образом близко к соответствующему переключающему плечу фазы инвертора 3. Три набора конденсаторов соединяются так, чтобы потенциальные уровни в соответствующих точках последовательного соединения стали эквивалентными друг другу. Чтобы избежать усложнения чертежа, только один набор конденсаторов 2A и 2B нарисован на фигуре. Практически может применяться один набор и может также применяться множество других, нежели три, наборов. При применении множества наборов конденсаторы соединяются так, что потенциальные уровни на всех точках последовательного соединения становятся эквивалентными друг другу. Вольтметр 8 обеспечивается для измерения напряжения Vdc на конденсаторе, которое является напряжением между двумя концами соединенных конденсаторов 2A и 2B.

Блок 4 управления инвертором управляет инвертором 3 посредством способа векторного управления и также устраняет или уменьшает явление пульсации без сопровождающего колебания выходной частоты. По меньшей мере, напряжение Vdc на конденсаторе, выходной ток Iu и Iv U-фазы и V-фазы и частота fm вращения двигателя вводятся в блок 4 управления инвертором, как представлено на фиг.1. Туда может вводиться и другое значение измерения, и частота fm вращения двигателя может оцениваться посредством вычисления с использованием Iu и Iv и т.д. без ввода частоты fm.

На фиг.2 показан вид внутренней конфигурации блока 4 управления инвертором. Элементы конфигурации блока 4 управления инвертором поясняются следующим образом. Блок 11 трехфазного/d-q координатного преобразования преобразует Iu и Iv среди трехфазных токов в Id и Iq в d-q координатной системе и выводит преобразованные значения. Здесь d-ось является осью, вращающейся с вращающимся магнитным потоком двигателя, в то время как q-ось является осью, перпендикулярной к d-оси. Блок 12 вычисления команды напряжения вычисляет Vd* и Vq* как значения команды вектора напряжения по d-оси и q-оси соответственно из Id и Iq с использованием значения Id* команды тока возбуждения и значения Iq* команды тока крутящего момента, которые вычисляются раздельно. Векторы значения команды напряжения Vd* и Vq* в d-q координатной системе преобразуются в амплитудное значение |V*| и фазовый угол θv посредством блока 13 преобразования полярных координат.

Id* и Iq* вводятся в блок 14 вычисления частоты скольжения, и частота fs скольжения выводится оттуда. Эта fs добавляется к частоте fm вращения двигателя 5 посредством сумматора 15, где вычисляется выходная частота finv для инвертора 3. Посредством интегрирования finv с использованием интегратора 16 вычисляется фазовый угол θ0. Посредством суммирования фазового угла θ0 с фазовым углом θv вектора напряжения с использованием сумматора 17 вычисляется фазовый угол θ. Фазовый угол θ является фазовым углом между d-q координатной системой и трехфазной координатной системой. Фазовый угол θ вводится в блок 11 трехфазного/d-q координатного преобразования, где выполняется координатное преобразование с использованием фазового угла θ.

Напряжение Vdc на конденсаторе и амплитудное значение |V*| вектора значения команды напряжения вводятся в блок 18 вычисления коэффициента модуляции, и коэффициент y0 модуляции выводится оттуда. В блоке 18 вычисления коэффициента модуляции, составляющая Vav постоянного тока получается посредством удаления составляющих частотного колебания, больших, нежели приблизительно f0, из напряжения Vdc на конденсаторе, и коэффициент y0 модуляции получается посредством деления |V*| на Vav. Коэффициент y0 модуляции вводится в ограничитель 19 и ограничитель 19 выводит коэффициент y модуляции, чей верхний предел ограничен ниже предопределенного значения. Максимальное значение коэффициента y модуляции устанавливается на 1. Ограничитель 19 регулируется в частотной области, где выполняется управление уменьшением пульсаций, что максимальное значение коэффициента модуляции является предопределенным значением, меньшим, чем 1, как, например, 0,95. Значение верхнего предела посредством ограничителя 19 может изменяться в зависимости от частоты.

Фазовый угол θ, коэффициент y модуляции и напряжение Vdc на конденсаторе вводятся в блок 20 создания селекторного импульса, из которого селекторный импульс выводится для управления ВКЛ/ВЫКЛ элемента переключения, включенного в инвертор 3. Блок 20 создания селекторного импульса включает в себя блок 21 управления уменьшением пульсаций для устранения или уменьшения явления пульсации, и блок 22 стабилизации частоты для управления частотой напряжения, выводимого из инвертора, так, чтобы не было колебания, даже когда работает контроллер 21 уменьшения пульсаций.

Различиями между устройством преобразования электрической энергии согласно варианту 1 воплощения и устройствами стандартного варианта воплощения является то, что напряжение Vdc на конденсаторе вводится в блок 20 создания селекторного импульса и что блок 20 создания селекторного импульса включает в себя блок 21 управления уменьшением пульсаций и блок 22 стабилизации частоты. Относительно других признаков, нежели вышеописанные, могут применяться конфигурации, отличающиеся от тех, что представлены на фиг.1 и 2.

На фиг.3 показан вид внутренней конфигурации блока 20 создания селекторного импульса. Фиг.3 представляет случай по отношению к системе для управления посредством сравнения величины сигнальной волны с величиной несущей волны, момента времени начала/конца селекторного импульса. На фиг.3 иллюстрируется конфигурация, где инвертор 3 работает в трехимпульсном режиме в окрестности частоты, на которой возникает явление пульсации. Хотя чертеж и описание опущены, конфигурация также включается сюда для управления инвертором аналогично стандартной конфигурации на частоте, другой, нежели окрестность частоты, на которой возникает явление пульсации.

Блок 20 создания селекторного импульса включает в себя, в дополнение к блоку 21 управления уменьшением пульсаций и блоку 22 стабилизации частоты, блок 23 генерирования сигнальной волны для генерирования сигнальной волны, блок 24 генерирования несущей волны для генерирования несущей волны и блок 25 создания сигнала для создания селекторного импульса.

Напряжение Vdc на конденсаторе и коэффициент y модуляции вводятся в блок 21 управления уменьшением пульсаций, который выводит скомпенсированный коэффициент y1 модуляции, который является значением, полученным посредством деления опорного значения Vdc на Vdc с использованием устройства 26 деления и умножения разделенного значения на коэффициент y модуляции с использованием устройства 27 мультиплексирования. Скомпенсированный коэффициент y1 модуляции должен быть обратно пропорциональным напряжению Vdc на конденсаторе.

Коэффициент y модуляции и скомпенсированный коэффициент y1 модуляции вводятся в блок 22 стабилизации частоты, который выводит y или y1 способом переключения в подходящее время для каждой из U-фазной, V-фазной и W-фазной составляющих. Переключатели 28U, 28V и 28W обеспечиваются в блоке 22 стабилизации частоты для переключения y или y1, для каждой из U-фазной, V-фазной и W-фазной составляющих для вывода. Выводы посредством переключателей 28U, 28V и 28W представляются как yU, yV и yW соответственно. Операция переключения переключателя 28U управляется посредством выходного сигнала от блока 29U определения необходимости компенсации U-фазы, операция переключения переключателя 28V управляется посредством выходного сигнала от блока 29V определения необходимости компенсации V-фазы, и операция переключения переключателя 28W управляется посредством выходного сигнала от блока 29W определения необходимости компенсации W-фазы. Фазовый угол θ вводится в блок 29U определения необходимости компенсации U-фазы, блок 29V определения необходимости компенсации V-фазы и блок 29W определения необходимости компенсации W-фазы, и переключатели 28U, 28V и 28W управляются следующим образом. Здесь единица фазового угла - это градусы. 180 градусов равны π радиан.

Блок 29U определения необходимости компенсации U-фазы управляет переключателем 28U следующим образом. Здесь период для вывода y1 указывается как период компенсации, в то время как период для вывода y указывается как период остановки компенсации.

yU=y, когда -30<θ<30 или 150<θ<210,

yU=y1, когда θ находится в другом диапазоне.

Блок 29V определения необходимости компенсации V-фазы управляет переключателем 28V следующим образом.

yV=y, когда 90<θ<150 или 270<θ<330,

yV=y1, когда θ находится в другом диапазоне.

Блок 29W определения необходимости компенсации W-фазы управляет переключателем 28W следующим образом.

yW=y, когда 30<θ<90 или 210<θ<270,

yW=y1, когда θ находится в другом диапазоне.

В предопределенной частотной области, включающей в себя частоту, на которой возникает явление пульсации, блок 22 стабилизации частоты изменяет коэффициент модуляции, чтобы выводить скомпенсированный коэффициент y1 модуляции, полученный блоком 21 управления уменьшением пульсаций, в течение части периода одного цикла, как описано выше. В частотной области, в которой явление пульсации не возникает, блок 21 управления уменьшением пульсаций не работает или блок 22 стабилизации частоты управляется, чтобы выводить коэффициент y модуляции все время. Причина состоит в том, что на частоте, более высокой, чем та, на которой происходит явление пульсации, для эффективности преобразования устройства преобразования электрической энергии является предпочтительным выполнять операцию с коэффициентом модуляции 1 как максимальным значением. Здесь блок 21 управления уменьшением пульсаций и блок 22 стабилизации частоты могут управляться, чтобы работать все время.

Блок 23 генерирования сигнальной волны включает в себя генераторы 30U, 30V и 30W синусоидальных волн, в которые вводится волна с фазовым углом θ и из которых выводятся соответствующие синусоидальные волны U-фазы, V-фазы и W-фазы, каждая отличающаяся на фазовый угол 2π/3 радиан, и устройства 31U, 31V и 31W мультиплексирования для умножения соответствующих сигналов синусоидальной волны на любой из коэффициентов модуляции yU, yV, и yW. Выведенные сигналы из устройств 31U, 31V и 31W мультиплексирования являются сигнальной волной SU U-фазы, сигнальной волной SV V-фазы и сигнальной волной SW W-фазы соответственно. На фиг.4 показан поясняющий вид соотношения сигнальных волн, несущих волн и U-фазных и V-фазных выходных напряжений инвертора 3, когда блок управления уменьшением пульсаций не управляется. Фиг.4A - это поясняющий вид соотношения между сигнальными волнами и несущими волнами. На фиг.4A сигнальная волна SW W-фазы пропущена для простоты. Фиг.4B по фиг.4D - это поясняющие виды выходных напряжений из инвертора 3, в котором U-фазное напряжение представляется на фиг.4B, V-фазное напряжение представляется на фиг.4C и напряжение между U- и V-фазными линиями представляется на фиг.4D соответственно. На фиг.4A-4D пересечения между сигнальными волнами и несущими волнами соответствуют положениям, где изменения значения происходят в U-фазном напряжении, V-фазном напряжении и напряжении между U- и V-фазными линиями. Относительно линейного напряжения, такого как напряжение UV-линий, представленного на фиг.4D, заштрихованные части, расположенные выше и ниже линии 0-напряжения, указываются как импульсы первого шага, и незаштрихованные части, расположенные выше или ниже импульсов первого шага, указываются как импульсы второго шага.

В предопределенной частотной области, включающей в себя частоту, на которой возникает явление пульсации, высокоуровневая несущая волна H1 и низкоуровневая несущая волна H2, которые являются треугольными волнами, чья частота является двойной частотой сигнальных волн, выводятся из блока 24 генерирования несущей волны. Моменты времени, когда уровни высокоуровневой несущей волны H1 и низкоуровневой несущей волны H2 становятся максимальными и становятся минимальными, являются совпадающими друг с другом, при этом в них различие между этими уровнями является постоянным все время.

Сигнальные волны SU, SV и SW U-фазы, V-фазы и W-фазы, каждая, сравниваются с высокоуровневой несущей волной H1 и низкоуровневой несущей волной H2 в блоке 25 создания сигнала, который выводит селекторные импульсы 1 и 2 для U фазы, V фазы и W фазы. Когда уровень сигнальной волны выше, чем уровень высокоуровневой несущей волны H1, селекторный импульс 1 становится 1, и в другом случае импульс становится 0. Когда уровень сигнальной волны выше, чем уровень низкоуровневой несущей волны H2, селекторный импульс 2 становится 1, и в другом случае импульс становится 0. Соответствуя состоянию селекторных импульсов 1 и 2, следующие потенциальные сигналы выводятся от каждого из плеч переключателя фазы инвертора 3. Здесь, так как высокоуровневая несущая волна H1 > низкоуровневой несущей волны H2 все время, когда селекторный импульс 1 равен 1, селекторный импульс 2 никогда не становится 0.

(A) когда оба из селекторных импульсов 1 и 2 равны 1, выводится высокопотенциальный сигнал.

(B) когда селекторный импульс 1 равен 0, и селекторный импульс 2 равен 1, выводится среднепотенциальный сигнал.

(C) когда оба из селекторных импульсов 1 и 2 равны 0, выводится низкопотенциальный сигнал.

Фиг.4B-4D показывают, как реализуются вышеописанные отношения. Здесь, на фиг.4B и фиг.4C, среди переходных точек, в которых U-фазные и V-фазные напряжения изменяются, точки, показанные с ромбической меткой, означают точки, в которых моменты времени могут изменяться посредством управления уменьшением пульсаций. Момент времени не изменяется для точек без ромбической метки, то есть точки перехода, где напряжение изменяется, возникают между высоким потенциалом или низким потенциалом и средним потенциалом в области, где высокий потенциал и низкий потенциал являются смежными друг с другом со средним потенциалом, помещенным между ними. Причина состоит в том, что количество точек, где высокий потенциал и низкий потенциал, которые содержат между собой среднепотенциальный сигнал, являются смежными друг с другом, равно только двум внутри цикла, и посредством стабилизации на предопределенных значениях моментов времени этих двух точек в отношении к фазе несущей волны или сигнальной волны, частота основной волны напряжения переменного тока, выводимого из инвертора 3, может быть стабилизирована.

На фиг.5 показан вид, как устройство преобразования электрической энергии согласно варианту 1 воплощения настоящего изобретения устраняет или уменьшает явление пульсации и также побуждает частоту напряжения переменного тока не колебаться. Оцененное колебание напряжения Vdc на конденсаторе представляется на фиг.5A, и коэффициент y модуляции и скомпенсированный коэффициент y1 модуляции представляются на фиг.5B. На фиг.5C представляется поясняющий вид отношения между сигнальными волнами и несущими волнами. На фиг.5C сигнальная волна W-фазы для простоты пропущена. Фиг.5D-5F - это поясняющие виды напряжений, выводимых из инвертора 3, где U-фазное напряжение, V-фазное напряжение и напряжение UV-линии представляются на фиг.5D, фиг.5E и фиг.5F соответственно.

Фиг.5 представляет случай, в котором частота пульсации напряжения Vdc на конденсаторе и частота переменного тока, выводимого из инвертора 3, соответствуют друг другу. Фиг.5 показывает пульсацию напряжения Vdc на конденсаторе для одного цикла. Как представлено на фиг.5A, в первой половине цикла значение Vdc увеличивается и затем возвращается к опорному значению, а во второй половине цикла значение уменьшается и затем возвращается к опорному значению. Как представлено на фиг.5B, коэффициент y модуляции является постоянным в течение цикла, показанного на фигуре. Так как скомпенсированный коэффициент y1 модуляции является обратно пропорциональным напряжению Vdc на конденсаторе, в первой половине цикла, значение y1 уменьшается и возвращается к опорному значению, и во второй половине цикла значение увеличивается и затем возвращается к опорному значению.

На фиг.5C сигнальная волна SU U-фазы и сигнальная волна SV V-фазы прерывисто изменяются на границах между периодами компенсации и периодами остановки компенсации. Причина состоит в том, что коэффициент y модуляции и скомпенсированный коэффициент y1 модуляции переключаются между собой в эти моменты времени. Относительно сигнальной волны SU U-фазы и сигнальной волны SV V-фазы в течение периодов компенсации, так как скомпенсированный коэффициент y1 модуляции умножается, амплитуда волн в первой половине цикла является меньше, чем амплитуда в случае фиг.4, в то время как она является больше во второй половине цикла. Относительно сигнальной волны SU U-фазы и сигнальной волны SV V-фазы в течение периодов остановки компенсации амплитуда волн является равной амплитуде в случае фиг.4. Так как величина сигнальной волны SU U-фазы и сигнальной волны SV V-фазы в течение периодов компенсации отличается от амплитуды на фиг.4, моменты времени точек перехода, показанных стрелкой, среди точек, где U-фазное или V-фазное напряжение изменяется, как показано на фиг.5D и фиг.5E, перемещаются в соответствующих направлениях, показанных стрелками. Как результат, относительно напряжения UV-линии, представленного на фиг.5F, ширина импульсов второго шага суживается в течение первой половины периода и расширяется в течение второй половины периода. Так как момент времени изменения фазового напряжения в течение периода остановки компенсации, который определяется посредством моментов времени в точках, где сигнальная волна и высокоуровневая несущая волна или низкоуровневая несущая волна пересекаются друг с другом, не изменяется, даже если напряжение Vdc на конденсаторе изменяется, момент времени начала и момент времени конца импульсов первого шага линейного напряжения также не изменяются.

Здесь моменты времени, когда изменения напряжения возникают между высоким потенциалом и средним потенциалом и между низким потенциалом и средним потенциалом в области импульсов выходного напряжения каждой фазы, где высокий потенциал и низкий потенциал являются смежными друг с другом, со средним потенциалом, помещенным между ними, определяются из моментов времени точек, где сигнальная волна пересекает высокоуровневую несущую волну или низкоуровневую несущую волну в течение периода остановки компенсации. Поэтому моменты времени, где изменения напряжения происходят между высоким потенциалом и средним потенциалом и между низким потенциалом и средним потенциалом в области, где высокий потенциал и низкий потенциал являются смежными друг с другом, со средним потенциалом, помещенным между ними, являются фиксированными по отношению к фазе несущей волны или сигнальной волны, и интервал между моментами времени, где изменения напряжения происходят между высоким потенциалом и средним потенциалом и между низким потенциалом и средним потенциалом, является также фиксированным.

На фиг.6 показан вид различия в напряжении UV-линии, напряжении VW-линии и напряжении WV-линии между случаем, в котором коэффициент модуляции управляется для устранения или уменьшения явления пульсации, и случаем, в котором коэффициент не управляется. Фиг.6A - это поясняющий вид оцененного колебания напряжения Vdc на конденсаторе, что является таким же, как фиг.5A. На фиг.6B-6D представляются напряжения UV-линии, напряжения VW-линии и напряжения WV-линии, из которых напряжения, показанные выше, предназначены для случая без управления коэффициентом модуляции, и напряжения, показанные ниже, предназначены для случая управления коэффициентом модуляции.

Как представлено на фиг.6, колебание напряжения Vdc на конденсаторе отражается в линейных напряжениях. Соответственно, в случае, когда коэффициент модуляции не управляется, области участка, на котором линейное напряжение является большим, чем ноль, и участка, на котором напряжение является меньшим, чем ноль, являются отличающимися друг от друга для каждого одного цикла линейного напряжения, поэтому происходит явление пульсации. В случае, когда коэффициент модуляции управляется, ширина импульсов второго шага становится короткой в области увеличения линейного напряжения, в то время как ширина становится более длинной в области уменьшения линейного напряжения. Соответственно, различие между областями участка, на котором линейное напряжение является больше чем ноль, и участка, на котором напряжение является меньшим, чем ноль, для каждого одного цикла линейного напряжения становится меньшим, чем различие в случае, когда коэффициент модуляции не управляется; поэтому явление пульсации уменьшается. Более того, различие среди областей участков, на которых линейные напряжения являются большими чем ноль (или меньшими чем ноль) для каждого одного цикла линейного напряжения, также является маленьким.

Момент времени начала и момент времени конца импульсов первого шага не изменяются, управляется ли коэффициент модуляции и не управляется, и даже в случае, когда коэффициент модуляции управляется, фаза и частота выходного напряжения инвертора не изменяются. Так как частота и фаза выходного напряжения инвертора не изменяются, его векторное управление может выполняться надежно и устойчиво. Этот факт означает, что, применительно к электрическому железнодорожному вагону и т.д., колебание скорости, исходящее от значения команды по управлению скоростью, может уменьшаться, и дополнительно может реализовываться надежное и устойчивое управление.

Это устройство может применяться к двигателю, который является не только асинхронным двигателем, но также синхронным двигателем. В синхронном двигателе его крутящий момент определяется разностью фаз между напряжением на зажимах и внутренней электродвижущей силой, при этом отсутствие изменения этих фаз также ведет к надежному и устойчивому управлению крутящего момента.

Так как коэффициент модуляции компенсируется посредством деления на напряжение на конденсаторе, нет необходимости обеспечивать устройство для выделения пульсации напряжения на конденсаторе или для компенсации временной задержки обнаружения пульсации, что приводит к дополнительному эффекту - количество частей может быть уменьшено. Соответствующее напряжение для напряжения на конденсаторе, используемого для компенсации коэффициента модуляции, может генерироваться посредством обнаружения пульсации и посредством использования составляющей постоянного тока и составляющей пульсации, включенной в пульсацию.

Хотя был объяснен способ, в котором время генерирования селекторного импульса управляется посредством сравнения амплитуды сигнальной волны с амплитудой несущей волны, может приниматься любой другой способ до тех пор, пока явление пульсации не возникает или может быть уменьшено, даже если напряжение на конденсаторе колеблется, и, в дополнение, может быть получен такой момент времени генерирования селекторного импульса, посредством которого различие между частотой и фазой составляющей основной волны выходного напряжения и их значением команды находится в пределах допустимого диапазона. Например, время генерирования селекторного импульса может получаться посредством сохранения напряжений на конденсаторе для периода как раз перед циклом и основываясь на предположении, что изменение, аналогичное изменению сохраненных напряжений на конденсаторе для этого периода, будет возникать в цикле. Более того, если целевые значения положительных или отрицательных напряжений в одном цикле и их значение интегрирования во времени для каждой фазы являются ранее определенными, момент времени генерирования селекторного импульса может определяться, когда значение интегрирования во времени в одном цикле отличается от целевого значения, так что различие становится близким к нулю.

Вариант 2 воплощения

На фиг.7 показан вид конфигурации устройства преобразования электрической энергии согласно варианту 2 воплощения настоящего изобретения. Фиг.7 представляет случай использования двухуровневого инвертора. Объясняются только точки, отличающиеся от точек в случае, представленном на фиг.1, в котором используется трехуровневый инвертор.

Конденсатор 2 для накопления электрической энергии постоянного тока, полученной с помощью выпрямления посредством преобразователя 1, конфигурируется с одиночным конденсатором или множеством конденсаторов, соединенных параллельно друг с другом. Один конец конденсатора 2 становится высокопотенциальным, в то время как другой конец становится низкопотенциальным, и конденсатор 2 не имеет точки среднего напряжения. Инвертор 3A является двухуровневым инвертором для вывода двухуровневых потенциалов, таких как высокий потенциал и низкий потенциал.

Блок 4A управления инвертором управляет двухуровневым инвертором 3A, и его входные сигналы являются такими же, как сигналы в варианте 1 воплощения.

На фиг.8 показан вид внутренней конфигурации блока 4A управления инвертором. Обеспечивается блок 20A создания селекторного импульса, который предназначен для двухуровневого инвертора 3A.

На фиг.9 показан вид внутренней конфигурации блока 20A создания селекторного импульса. Блок 24A генерирования несущей волны выводит одиночную несущую волну. Блок 25A создания сигнала генерирует посредством сравнения одиночной несущей волны с сигналом U-фазы, V-фазы и W-фазы, U-фазного, V-фазного и W-фазного импульса.

В предопределенной частотной области, включающей в себя частоту, где возникает явление пульсации, блок 24A генерирования несущей волны выводит несущую волну H как треугольную волну, имеющую в три раза более высокую частоту сигнальной волны.

Блок 25A создания сигнала выводит посредством сравнения сигнальной волны SU, SV и SW U-фазы, V-фазы и W-фазы с несущей волной H селекторные импульсы по отношению к U фазе, V фазе и W фазе. Когда амплитуда сигнальной волны является более большой чем амплитуда несущей волны, значение селекторного импульса равно "1", в то время как в других случаях значение равно "0".

На Фиг.10 показан вид, как устройство преобразования электрической энергии согласно варианту 2 воплощения настоящего изобретения устраняет или уменьшает явление пульсации и побуждает частоту напряжения переменного тока также не колебаться. Фиг.10A - это вид, представляющий колебание оцененного напряжения Vdc на конденсаторе. Фиг.10B - это вид, представляющий временное изменение коэффициента y модуляции и скомпенсированного коэффициента y1 модуляции. Здесь фиг.10A является такой же, как фиг.5A, в то время как фиг.10B является такой же, как фиг.5B. Фиг.10C - это поясняющий вид соотношения между сигнальными волнами и несущей волной. Фиг.10D-10F являются поясняющими видами напряжений, выводимых из инвертора 3, на которых U-фазное напряжение, V-фазное напряжение и напряжение UV-линии представляются на фиг.10D, фиг.10E и фиг.10F соответственно.

Относительно каждого из импульсов их напряжение равно "1" в течение периода, в котором каждая амплитуда сигнальных волн является более большой, чем амплитуда несущей волны, в то время как напряжение равно "0" в течение другого периода. Моменты времени, где обе волны - сигнальная и несущая равны "0", для которых круговые метки помечаются как U-фазные данные и треугольные метки помечаются как V-фазные данные, не изменяются, даже когда напряжение Vdc на конденсаторе колеблется. Моменты времени, когда сигнальная волна и несущая волна пересекают друг друга рядом с их максимальными амплитудами, изменяются с колебанием напряжения Vdc на конденсаторе. Здесь значение "1" означает, что напряжение Vdc на конденсаторе напрямую выводится как напряжение переменного тока. Значение "0" означает, что выводится нулевое напряжение.

Каждый из импульса U-фазы и V-фазы имеет форму, в которой значения "0" и "1" берутся для каждого полуцикла. Период "1", чей интервал колеблется с колебанием напряжения Vdc на конденсаторе, существует в окрестности центра периода "0". Период "0", чей интервал колеблется с колебанием напряжения на конденсаторе, также существует в окрестности центра периода "1". Периоды, чьи интервалы колеблются, становятся более длинными, когда напряжение Vdc на конденсаторе является более высоким, и становятся более короткими, когда напряжение на конденсаторе является более низким.

Напряжение UV-линии имеет период напряжения "0" для электрического угла приблизительно 60 градусов для каждого полуцикла, и периоды напряжений "1" и "-1" содержат между собой период напряжения "0". Начальные моменты времени периодов напряжения "0" с электрическим углом 60 градусов для каждой фазы являются постоянными с их интервалом 120 градусов. Поэтому частота напряжения UV-линии является фиксированной. Два периода напряжения "0" существуют в периоде напряжения "1" или "-1". Ширина этих периодов изменяется с колебанием напряжения на конденсаторе. Поэтому значение интегрирования напряжения по времени в течение периода напряжения "1" является приблизительно равным значению в течение периода напряжения "-1". Соответственно, явление пульсации может уменьшаться.

Как описано выше, даже в двухуровневом инверторе фаза и частота напряжения, выводимого из инвертора, также не изменяется, когда коэффициент модуляции управляется для уменьшения явления пульсации. Так как частота и фаза напряжения, выводимого из инвертора, не изменяются, может надежно и устойчиво выполняться векторное управление. Этот факт означает, что применительно к электрическому железнодорожному вагону и т.д. колебание скорости по отношению к значению команды, когда скорость управляется, может уменьшаться и дополнительно может реализовываться надежное и устойчивое управление.

Конфигурации, представленные в вышеописанных вариантах воплощения, каждая, являются примером содержимого настоящего изобретения и могут комбинироваться с другой технологией в предшествующем уровне техники, а могут также модифицироваться, например частично опускаться, в пределах некоторого диапазона без отхода от сущности настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1: преобразователь, 2: конденсатор, 2A: конденсатор, 2B: конденсатор, 3: инвертор, 3A: инвертор, 4: блок управления инвертором, 4A: блок управления инвертором, 5: двигатель, 6: детектор скорости, 7U: амперметр, 7V: амперметр, 8: вольтметр, 11: блок трехфазного/d-q координатного преобразования, 12: блок вычисления команды напряжения, 13: блок преобразования полярных координат, 14: блок вычисления частоты скольжения, 15: сумматор, 16: интегратор, 17: сумматор, 18: блок вычисления коэффициента модуляции, 19: ограничитель, 20: блок создания селекторного импульса, 20A: блок создания селекторного импульса, 21: блок управления уменьшением пульсаций, 22: блок стабилизации частоты, 23: блок генерирования сигнальной волны, 24: блок генерирования несущей волны, 24A: блок генерирования несущей волны, 25: блок создания сигнала, 25A: блок создания сигнала, 26: устройство деления, 27: устройство мультиплексирования, 28U: переключатель, 28V: переключатель, 28W: переключатель, 29U: блок определения необходимости компенсации U-фазы, 29V: блок определения необходимости компенсации V-фазы, 29W: блок определения необходимости компенсации W-фазы, 30U: генератор синусоидальных волн, 30V: генератор синусоидальных волн, 30W: генератор синусоидальных волн, 31U: устройство мультиплексирования, 31V: устройство мультиплексирования, 31W: устройство мультиплексирования, H: несущая волна, H1: высокоуровневая несущая волна, H2: низкоуровневая несущая волна, SU: U-фазная сигнальная волна, SV: V-фазная сигнальная волна, SW: W-фазная сигнальная волна, Vdc: напряжение на конденсаторе, y: коэффициент модуляции, y1: скомпенсированный коэффициент модуляции.

Устройство преобразования электрической энергии включает в себя преобразователь (1) для выпрямления электрической энергии переменного тока, набор последовательно соединенных конденсаторов (2А) и (2В), соединенных со стороной постоянного тока преобразователя, инвертор (3) для посредством установки одного конца набора последовательно соединенных конденсаторов на высокопотенциальный уровень, другого конца набора на низкопотенциальный уровень и точки соединения между конденсаторами на средне потенциальный уровень, выбора любого из уровней и вывода трехфазного переменного тока, блок (4) управления инвертором для управления инвертором (3) и устройство (8) измерения напряжения для измерения напряжения Vdc на конденсаторе как напряжения между обоими концами соединенного последовательно набора конденсаторов (2А) и (2В); при этом блок (4) управления инвертором дополнительно включает в себя блок (21) управления уменьшением пульсаций для управления коэффициентом модуляции в ответ на напряжение Vdc на конденсаторе и блок (22) стабилизации частоты для стабилизации по значению команды частоты напряжения переменного тока, выводимого из инвертора (3). 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство преобразования электрической энергии, содержащее: преобразователь для выпрямления электрической энергии переменного тока; соединенный последовательно набор конденсаторов, соединенных со стороной постоянного тока преобразователя; инвертор для вывода трехфазного переменного тока посредством выбора высокого потенциала, низкого потенциала или среднего потенциала, при этом высокий потенциал представлен на одном конце соединенного последовательно набора конденсаторов, низкий потенциал представлен на другом конце соединенного последовательно набора конденсаторов, и средний потенциал представляется в точке соединения между конденсаторами;
блок управления инвертором для управления инвертором; и устройство измерения напряжения для измерения напряжения на конденсаторе, которое является напряжением между двумя концами набора конденсаторов; блок управления инвертором, содержащий блок управления уменьшением пульсаций для управления коэффициентом модуляции в ответ на напряжение на конденсаторе, и блок стабилизации частоты для стабилизации по значению команды, частоты напряжения переменного тока, выводимого из инвертора.

2. Устройство по п.1, в котором блок управления уменьшением пульсаций управляет коэффициентом модуляции обратно пропорционально напряжению на конденсаторе.

3. Устройство по п.1, в котором блок стабилизации частоты стабилизирует на определенном значении интервал между моментом времени, когда выходное напряжение каждой фазы инвертора изменяется между высоким потенциалом и средним потенциалом, и другим моментом времени, когда выходное напряжение изменяется между низким потенциалом и средним потенциалом, при этом момент времени и другой момент времени происходят в области, где выходные напряжения высокого потенциала и низкого потенциала являются смежными друг с другом и с напряжением среднего потенциала, помещенного между ними.

4. Устройство по п.1, в котором блок управления уменьшением пульсаций и блок стабилизации частоты работают в определенном частотном диапазоне, содержащем частоту колебания напряжения на конденсаторе, сгенерированную согласно выпрямлению посредством преобразователя.

5. Устройство преобразования электрической энергии, содержащее преобразователь для выпрямления электрической энергии переменного тока; конденсатор, соединенный со стороной постоянного тока преобразователя; инвертор для преобразования в электрическую энергию переменного тока электрической энергии постоянного тока, запасенной в конденсаторе; блок управления инвертором для управления инвертором; и устройство измерения напряжения для измерения напряжения на конденсаторе как напряжения конденсатора; блок управления инвертором, содержащий блок управления уменьшением пульсаций для получения скомпенсированного коэффициента модуляции посредством вычисления коэффициента модуляции, обратно пропорционального напряжению на конденсаторе, и блок стабилизации частоты для переключения, чтобы выводить либо коэффициент модуляции, либо скомпенсированный коэффициент модуляции, так чтобы стабилизировать по значению команды частоту напряжения переменного тока, выводимого из инвертора.