电流控制型电力转换器及其输出电流波形改善方法

摘要

提供一种可以改善输出电流波形失真的电流控制型电力转换器。谐波移位部(4)得到以相电压波形(Vu)为基准的情况下的三次谐波电压成分(V3)移位所规定时间Δt而得到的被移位后的三次谐波电压成分(V3′)。信号减法部(5)利用增益(K1)乘以三次谐波电压成分(V3′)，得到减法信号(ΔI3)，从用于反馈控制的三相的电流指令信号(Iu_ref～Iw_ref)中，分别减去减法信号(ΔI3)，得到三相的被修改后的电流指令信号(Iux～Iwx)。栅极信号生成电路(2)根据三相的被修改后的电流指令信号(Iux～Iwx)，向三相逆变电路(IV)的6个半导体开关元件输出栅极信号。

说明书

技术领域

本发明涉及电流控制型电力转换器以及改善该转换器的输出电流波形的失真的电流控制型电力转换器的输出电流波形改善方法。

背景技术

日本特开2000-224862号公报(专利文献1)中公开了以往的三相四线式的电压控制型电力转换器。在该电压控制型电力转换器中，在直流电源的一对直流输出端子之间，具有串联连接的一对电容器，并将一对电容器的连接点作为中性相。

另外，日本特开2007-274825号公报(专利文献2)中公开了具有电抗器(reactor)的三相4线式的电压控制型电力转换器，该电抗器中，相对于三相电力转换器，设置将2组半导体开关元件串联连接的中性相臂(arm)，而且，一端与中性相臂的中间点连接，另一端作为中性线取出。中性相臂在占空比50％下互相开关(switching)。通过对中性相臂的开关元件进行PWM控制，来消除三次谐波。

专利文献1：日本特开2000-224862号公报

专利文献2：日本特开2007-274825号公报

在前者的三相四线式的电压控制型电力转换器中，输出电流波形会产生比较大的失真。另外，在后者的电压控制型电力转换器中，输出电流波形的失真虽然小，但是需要设置中性相臂，对中性相臂进行PWM控制，结构变得复杂。再者，由于以往的电压控制型电力转换器是恒定地控制输出电压的电力转换器，所以，很难积极地对输出电流波形的失真进行改善。而且，该问题是利用多相逆变电路，以一对电容器的连接点作为中性相的电流控制型电力转换器共同面临的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以改善输出电流波形的失真的电流控制型电力转换器以及电流控制型电力转换器的输出电流波形改善方法。

作为本发明的改良对象的电流控制型电力转换器具有：在直流电源的一对直流输出端子之间串联连接的一对电容器；与一对直流输出端子连接的多相逆变电路；和生成用于对多相逆变电路进行反馈控制的多相的电流指令信号的电流指令信号生成电路，并将一对电容器的连接点作为中性相。电流指令信号生成电路具有：三次谐波电压成分生成部，其根据多相逆变电路的多相输出电压，生成与多相的相电压同步的三次谐波电压成分；谐波移位部，其输出将三次谐波电压成分向时间上滞后的方向移位所规定的时间后得到的被移位后的三次谐波电压成分；和信号减法部，其将被移位后的三次谐波电压成分乘以所规定的增益后的减法信号，从多相的电流指令信号中分别减去，作为多相的被修改后的电流指令信号输出到多相逆变电路中。

在具体的三相四线式的电流控制型电力转换器中，具有：在直流电源的一对直流输出端子之间串联连接的一对电容器；三相逆变电路；电流指令信号生成电路；和栅极信号生成电路。三相逆变电路包含电桥连接的6个半导体开关元件而构成，并与直流电源的一对直流输出端子连接。另外，电流指令信号生成电路生成用于对6个半导体开关元件进行反馈控制的三相的电流指令信号。另外，栅极信号生成电路根据三相的电流指令信号生成用于PWM控制6个半导体开关元件的栅极信号。在该电流控制型电力转换器中，以一对电容器的连接点作为中性相。

本申请发明者发现：在三相四线式的电流控制型电力转换器中，输出电流的波形中发生比较大的失真的原因在于输出电流中所包含的三次谐波电流成分。因此，发明者提出了以下的技术性思想，并确认其有效。该技术思想为：通过将可以除去输出电流中所包含的三次谐波电流成分的被修改后的三相的电流指令信号发给栅极电路，来除去输出电流中所包含的三次谐波成分。

因此，在本发明的具体构成中，电流指令信号生成电路由三次谐波电压成分生成部、谐波移位部、信号减法部构成。三次谐波电压成分生成部根据三相逆变电路的三相输出电压，生成与三相的所有相电压同步的三次谐波电压成分。另外，谐波移位部输出将三次谐波电压成分向时间上滞后的方向移位所规定的时间后得到的被移位后的三次谐波电压成分。

并且，信号减法部将被移位后的三次谐波电压成分乘以所规定的增益后的减法信号，从三相的电流指令信号中分别减去，作为三相的被修改后的电流指令信号输出到栅极信号生成电路中。减法信号是输出电流中所包含的三次谐波电流成分的原因成分。因此，若使用将减法信号从三相的电流指令信号中减去后得到的三相的被修改后的电流指令信号，栅极信号生成电路生成栅极信号，则在从三相逆变电路所输出的三相的输出电流波形中就不再含有谐波成分。因此，根据本发明的电流控制型电力转换器，可以改善输出电流波形的失真。另外，本发明的技术性思想适用于将一对电容器的连接点作为中性相的电流控制型电力转换器。

上述的“所规定的时间”以及“所规定的增益”是为了抑制在多相逆变电路的多相输出电流中发生基于三次谐波电流成分的电流波形失真而分别规定的。“所规定的时间”以及“所规定的增益”也可以这样规定，即，从未应用本发明的以往的电流控制型电力转换器的输出电流波形中，通过解析来抽出三次谐波电流成分，并根据该三次谐波电流成分的波形来规定。具体而言，所规定的时间是指：与相对于多相输出电压的多相输出电流中所包含的三次谐波电流成分的时间滞后部分相当的时间。另外，所规定的增益是指：可以将被移位后的三次谐波电压成分的振幅规定为与多相输出电流中所包含的三次谐波成分的振幅一致。如此，就可以高精度地改善输出电流波形的失真。

本发明也可以作为改善上述电流控制型电力转换器中的多相输出电流的波形失真的方法来掌握。即，本发明的方法，可以通过对多相的电流指令信号进行修改，以除去多相输出电流中所包含的三次谐波成分，来改善多相输出电流的波形失真。

在以三相四线式的电流控制型电力转换器为对象的具体方法中，首先，根据三相逆变电路的三相输出电压，由三相的相电压生成与三相的相电压同步的三次谐波电压成分。然后，生成将三次谐波电压成分分别向时间上滞后的方向移位的三次谐波电压成分，以使三次谐波电压成分的相位与三相输出电流中所包含的三次谐波成分的相位一致。另外，将使被移位后的三次谐波电压成分的振幅与三相输出电流中所包含的三次谐波电流成分的振幅一致的所规定的增益，与被移位后的三次谐波电压成分相乘，生成减法信号。最后，将减法信号从三相的电流指令信号中分别减去，生成三相的被修改后的电流指令信号，并向栅极信号生成电路输出。这样，三相输出电流波形中就不会包含三次谐波电流成分，因此，可以改善输出电流波形的失真。

根据本发明的电流控制型电力转换器，从多相的电流指令信号中除去成为生成三次谐波成分的原因的信号的、多相的被修改后的电流指令信号被输入到栅极信号生成电路中，所以，从多相逆变电路的输出电流，可以获得实质上不包含三次谐波电流成分的输出电流波形。

附图说明

图1为表示本发明的电流控制型电力转换器的实施方式的一个例子的构成的电路图。

图2为表示电流指令信号生成电路以及栅极信号生成电路的构成的一个例子的图。

图3为表示1个相电压波形、三次谐波电压成分以及减法信号的一个例子的波形图。

符号说明

1    电流指令信号生成电路

2    栅极信号生成电路

3    三次谐波电压成分生成部

4    谐波移位部

5    信号减法部

Tr1～Tr6 半导体开关元件

C1～C5   电容器

CT1～CT3 电流检测器

L1～L3   电抗器

D1～D6   二极管

DC    直流电源

AC    工业交流电源(交流源)

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1是表示本发明的电流控制型电力转换器的实施方式中的一个例子的构成的电路图，图2是表示电流指令信号生成电路以及栅极信号生成电路的构成的一个例子的图。图1所示的三相四线式的电流控制型电力转换器，具有在直流电源DC的一对直流输出端子之间串联连接的一对电容器C1以及C2。另外，在一对直流输出端子之间连接有三相逆变电路IV。三相逆变电路IV由电桥连接的6个半导体开关元件Tr1～Tr6、和与6个半导体开关元件Tr1～Tr6逆并联连接的6个二极管D1～D6构成。三相逆变电路IV的3个输出端子分别经由电抗器L1～L3连接到交流电源AC的三相交流线上。另外，一对电容器C1以及C2的连接点连接到交流电源AC的中性相线上。三相交流线和中性相交流线之间分别连接有电容器C3～C5。电流指令信号生成电路1生成用来对6个半导体开关元件Tr1～Tr6进行反馈控制的三相的电流指令信号。并且栅极信号生成电路2根据三相的电流指令信号，生成用来PWM控制6个半导体开关元件Tr1～Tr6的栅极信号。

如图2所示，本实施方式的电流指令信号生成电路1包含三次谐波电压成分生成部3、谐波移位部4、信号减法部5。在电流指令信号生成电路1中，输入通过3台电流检测器CT1～CT3检测出的三相交流输出电流，另外输入来自三相交流输出线的输出电压(U相电压、V相电压、W相电压)。中性相线的电压进一步检测出三相的相电压Vu、Vv、Vw，作为控制时的0V基准点，输入到电流指令信号生成电路1中。需要说明的是，图2中没有显示中性相线。

如图2所示，三次谐波电压成分生成部3根据三相逆变电路IV的三相输出电压，生成与三相的相电压波形Vu、Vv、Vw同步的三次谐波电压成分。图3表示以相电压波形Vu为基准的情况下的三次谐波电压成分V3。相对于三相的相电压波形Vu、Vv、Vw，仅存在一个三次谐波电压成分V3。因此，三次谐波电压成分V3的相位与三相的相电压波形Vu、Vv、Vw的相位的相位差各不相同。

谐波移位部4将生成的一个三次谐波电压成分V 3向时间上滞后的方向移位所规定的时间Δt，将移位的一个三次谐波电压成分V3′输出。另外，三次谐波电压成分生成部3的三次谐波电压成分的生成方法由于众所周知，故省略其说明。信号减法部5将所规定的增益与被移位后的三次谐波电压成分V3′相乘后的一个减法信号ΔI3，从用于反馈控制的三相的电流指令信号Iu_ref～Iw_ref中各自减去，作为三相的修改后的电流指令信号Iux～Iwx，输出到栅极信号生成电路2中。图3表示将以相电压波形Vu为基准的情况下的三次谐波电压成分V3移位所规定时间Δt后得到的被移位后的三次谐波电压成分V3′，与增益K1相乘后得到的减法信号ΔI3。所规定的增益K1被规定为使被移位后的三次谐波电压成分ΔI3的振幅与三相输出电流中所包含的三次谐波电流成分的振幅一致。增益K1也被作为固定值提前规定。另外，如果增益K1过大，则电流指令信号和修改后的电流指令信号的相位关系会发生偏离，所以在本实施方式中，该增益K1被设定为相位关系不发生偏离程度的很小的值(例如，0.02以下的值)。

这里，谐波移位部4中的所规定的时间Δt以及信号减法部5中的所规定的增益K1被分别规定，以便在三相逆变电路IV的三相输出电流中，控制由三次谐波电流成分引起的电流波形失真的发生。具体的所规定的时间Δt以及所规定的增益K1可以通过解析，从未利用本发明的以往的电流控制型电力转换器的输出电流波形中，抽出三次谐波电流成分，并根据该三次谐波电流成分的波形提前规定。该三次谐波电流成分，在各自的三相输出电流中都以相同的相位被包含。另外，具体而言，所规定的时间Δt相当于相对于三相输出电压的在三相输出电流中所包含的三次谐波电流成分的时间滞后部分的时间。一般而言，该所规定的时间Δt可以事先规定以1msec～10msec作为固定值。

在本实施方式中，从未图示的电流指令生成单元所输出的各相的电流指令信号(U相电流指令信号、V相电流指令信号、W相电流指令信号)中，减去由电流检测器CT1～CT3检测出的U相电流～W相电流，将进行该减去而得到的信号乘以增益K2，再将该相乘后得到的信号加上U相电压～W相电压，就得到用于反馈控制的三相的电流指令信号Iu_ref～Iw_ref。在得到该用于反馈控制的三相的电流指令信号Iu_ref～Iw_ref时，加上U相电压～W相电压，是为了使输出相电流与输出相电压同步。

一个减法信号ΔI3是三相输出电流中所包含的三次谐波成分的原因成分。因此，使用从三相的电流指令信号Iu_ref～Iw_ref中减去减法信号ΔI3而得到的三相的修改后的电流指令信号Iux～Iwx，栅极信号生成电路2就生成PWM控制所需要的栅极信号3u、X3u，3v、XSv、Sw、XSw。另外，栅极信号生成电路2通过比较器CMP将由载波发生器6所输出的载波与电流指令信号Iux～Iwx进行比较，生成PWM控制信号所需的栅极信号Su、XSu、5v、X5v、5w、XSw。另外，在栅极信号生成电路2中，栅极信号Su、栅极信号Xsu在两信号之间，追加用于使一对半导体开关元件不同时处于开通状态的空白时间(dead timer)。另外，在栅极信号生成电路2中，使栅极信号之间绝缘，向各半导体开关元件Tr1～Tr6发送栅极信号。

在本发明的方法中，对三相的电流指令信号Iu_ref～Iw_ref进行修改，以便除去三相输出电流中所包含的三次谐波成分，从而改善三相输出电流的波形失真。因此，根据三相逆变电路的三相输出电压，生成与三相电压同步的一个三次谐波电压成分V3。然后，将三次谐波电压成分V3分别向时间滞后方向移位，生成被移位后的三次谐波电压成分V3′，以使三次谐波电压成分V3的相位与三相输出电流中所包含的三次谐波电流成分的相位一致。另外，用使被移位后的三次谐波电压成分V3′的振幅与三相输出电流中所包含的三次谐波电流成分的振幅一致的所规定的增益K1，乘以被移位后的三次谐波电压成分V3′，生成减法信号ΔI3。最后，从三相的电流指令信号Iu_ref～Iw_ref中分别减去减法信号ΔI3，生成三相的被修改后的电流指令信号Iux～Iwx，输出给栅极信号生成电路2。这样一来，由于在三相输出电流波形中不再包含三次谐波电流成分，从而可以改善输出电流波形的失真。

在上述实施方式中，虽然将三相四线式的电流控制型电力转换器作为对象，但是本发明也适用于使用多相逆变电路、并且将一对电容器的连接点作为中性相的电流控制型电力转换器。