CN111492253B

CN111492253B - 电压不平衡判断方法和电力转换装置

Info

Publication number: CN111492253B
Application number: CN201880079154.0A
Authority: CN
Inventors: 堀田和茂; 田边启辅; 荒尾祐介
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2038-01-12
Also published as: JPWO2019138554A1; EP3739347B1; US11340310B2; CN111492253A; EP3739347A1; US20200400754A1; EP3739347A4; WO2019138554A1; JP6916305B2

Abstract

本发明提供一种电力转换装置的电压不平衡判断方法，其中该电力转换装置包括将三相交流电源的电压整流的整流器、使整流后的电压平滑的平滑电容器、检测平滑后的电压的检测部和控制部，控制部基于检测出的电压来生成表示频率成分的数据，对表示频率成分的数据中的电源频率的4倍成分的大小与6倍成分的大小进行比较，基于比较来判断三相交流电源的电压不平衡。

Description

电压不平衡判断方法和电力转换装置

技术领域

本发明涉及判断交流电源的不平衡的技术，特别涉及判断使用将三相交流电压整流而使其平滑的电力转换装置的交流电源的不平衡的技术。

背景技术

在工频电源中，因电源设备的环境和电力使用状况的变化等的影响，三相的各相的电压很少准确地平衡，其不平衡的大小情况也多为逐次变化。作为极端的电压不平衡对连接设备的影响，例如已知有在具有通用逆变器那样的整流电路(整流器)和平滑电容器的电力转换装置中，在整流电路的一部分流入过大的电流以至破损，或提早发生平滑电容器的劣化的情况。

基于这样的背景，为了确保装置的保护这样的电气安全，察觉输入电源的不平衡状态很重要。此外，在作为电气使用合理化措施监视电气的质量方面也有意义。

作为不平衡的最典型的例子，有缺少三相输入中的任一相的输入缺相状态。专利文献1记载有如下技术：在具有整流电路和平滑电容器的电力转换装置中，对整流、平滑后的直流电压实施FFT运算，从所得到的电源频率的2倍成分和6倍成分的电平增减检测输入缺相。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-62470号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在专利文献1所记载的技术中，仅进行缺少三相输入的任一相的输入缺相的判断，而未考虑到三相电压是否处于不平衡状态。如上所述，存在即使没达到缺相，根据电压不平衡的程度也有达到装置的破损的情况。在专利文献1的现有技术中存在不能正确地检测这样的未达到缺相的电压不平衡状态的可能性。

本发明的目的在于提供判断三相输入电源的各相电压是否不平衡的方法和利用该方法的电力转换装置。

用于解决问题的技术方案

本发明的一个优选的例子为一种电力转换装置的电压不平衡判断方法，其中所述电力转换装置包括将三相交流电源的电压整流的整流器、使整流后的所述电压平滑的平滑电容器、检测平滑后的所述电压的检测部和控制部，所述控制部基于检测出的所述电压来生成表示频率成分的数据，对所述表示频率成分的数据中的电源频率的4倍成分的大小与6倍成分的大小进行比较，基于所述比较来判断所述三相交流电源的电压不平衡。

此外，本发明的另一个优选的例子为一种电力转换装置，其包括：将来自三相交流电源的电压整流的整流器；使整流后的所述电压平滑的平滑电容器；检测所述平滑电容器的电压的电压检测部；和与所述电压检测部连接的运算部，其中所述运算部获取由所述电压检测部检测出的电压的时序数据，基于所获取的所述时序数据来生成表示频率成分的数据，对所述表示频率成分的数据中的电源频率的4倍成分与6倍成分的大小进行比较，基于所述比较来判断所述三相交流电源的电压不平衡。

发明的效果

根据本发明，能够判断三相输入电源的各相电压是否为不平衡。

附图说明

图1是表示实施例1中的电力转换装置的概略结构的框图。

图2A是表示三相输入电压的平衡、不平衡的各状态的电压波形和傅里叶频谱的仿真结果的图。

图2B是表示三相输入电压的不平衡、缺相各状态的电压波形和傅里叶频谱的仿真结果的图。

图3是表示实施例1中的电压不平衡判断的一例的流程的图。

图4是表示实施例1中的电压不平衡判断的另一例的流程的图。

图5是表示实施例2中的电力转换装置的概略结构的框图。

具体实施方式

以下，使用附图详细地说明实施例。

实施例1

图1表示实施例1中的电力转换装置1的框图。电力转换装置1从三相交流电源2将规定频率的电力转换为可变频率的三相交流电力，向负载装置3(包括作为所谓的电动机的感应电动机和同步电动机。)供给。电力转换装置1包括整流器4(还称为转换器或整流电路)、平滑电容器5、逆变器6(inverter)。整流器4由多个二极管(在图1中为6个)构成，将三相交流电源2的交流电力转换为直流电力。

平滑电容器5设置在整流器4与逆变器6的直流中间电路，用于使由整流器4整流后的直流电压平滑。逆变器6由与多个相对应地各配置2个的开关元件(在实施例1中按3相总计为6个)，例如由IGBT那样的元件构成。进一步，在电力转换装置1中，为了向负载装置3供电，设置有用于驱动构成逆变器6的开关元件的驱动器电路9。逆变器6具有将变得平滑的电压转换为频率不同的交流电压的功能。

控制电路8(也可以称为控制部)进行电力转换装置1整体的控制。控制电路8例如由微机那样的运算装置10(也可以称为运算部)、存储装置11等构成。控制电路8与驱动器电路9连接，基于从外部施加的关于向负载装置3的输出的指令(例如电压、频率等)，经由运算装置10、驱动器电路9控制逆变器6的开关元件。

此外，在控制电路8连接有检测平滑电容器5的两端的直流电压的电压检测电路7。运算装置10例如经由构成控制电路8的A/D转换器等，作为电压检测值导入由电压检测电路7检测出的电压。导入到运算装置10的检测值例如在内部运算中使用，或者作为发生异常时的记录保存于存储装置11。

上级装置12(例如操作面板等)配置在电力转换装置1的外部，与电力转换装置1连接。上级装置12对电力转换装置1施加各种控制数据的设定和指令来进行动作的控制，从电力转换装置1获取内部信息(例如，运转、停止状态和直流电压等检测值)。所获取的数据例如作为运转状况的时序数据保存，在动作状况、异变的征兆的分析等电力转换装置1的监视上发挥作用。另外，关于上级装置12，并不限定于操作面板，例如也可以为经由网络的可编程逻辑控制器或通信装置。

另外，在实施例1中，将逆变器6、负载装置3作为3相的输出，不过并不限定于此。例如，也可以为单相输出的感应电动机或电阻负载那样的感应电动机以外的负载装置3，只要是消耗电力的装置就能够应用。

接着，关于实施例中的输入电源的电压不平衡的判断方法，使用图2A和图2B进行说明。图2A和图2B表示通过仿真对相当于图1的三相交流电源2的输入电压进行操作，对适合于电压平衡状态或不平衡状态的图1的平滑电容器5的直流电压波形以及对该直流电压波形进行傅里叶变换而得到的振幅谱的结果。此处，在图2A(a)、图2A(b)、图2B(a)、图2B(b)中，上方的图分别表示直流电压波形(纵轴为直流电压，横轴为时间的相对关系)，下方的图分别表示振幅谱(纵轴为振幅谱，横轴为频率的相对关系)。

在本仿真中，作为三相交流电源的基本的电压为200V。图2A(a)表示三相各相的电压分别由200V、200V、200V构成的三相平衡状态。图2A(b)表示三相各相的电压分别由200V、200V、195V构成的电压不平衡状态的情况。图2B(a)表示由200V、200V、185V构成的电压不平衡状态。图2B(b)表示单相200V的缺相的结果。此外，三相交流电源的电源频率为50Hz。(以下将电源频率记作f。)

另外，在说明中使用了通过傅里叶变换得到的振幅谱，不过并不限定于此。例如也可以所以纵轴对应功率的功率谱等。频率成分的大小的相对强度能够比较即可。

如图2A(a)所示，在三相的输入电压平衡的情况下，在直流电压波形出现f的6倍的脉动成分。在振幅谱也能够在f的6倍(6f成分)的频率成分中确认振幅的峰，以证实该脉动成分。这意味着，通过在图1的整流器4被三相全波整流而在平滑电容器5的两端被施加相当于三相交流电压的正和负的峰的脉动电压，由此在每个电源周期进行6次充放电。

与此相对，例如在图2A(b)那样电源电压变得不平衡时，图2A(a)中看到的直流电压的脉动的波形开始变形。在振幅谱中，不仅在平衡时存在的6f成分的振幅的峰而且在2倍、4倍(2f、4f)的成分开始出现振幅的峰，以反映该波形变形。

该2f成分和4f成分的成长在电源的不平衡情况进一步变大时变得显著。在不平衡的程度小的图2A(b)中，振幅谱的大小关系为“4f成分＜2f成分＜6f成分”。另一方面，在不平衡的程度变大的图2B(a)成为“6f成分＜4f成分＜2f成分”。即，对图2A(b)与图2B(a)两者相比较可知，4f成分的大小与6f成分的大小相反。

至于图2B(b)的缺相状态，6f成分的大小减少，“6f成分＜4f成分＜2f成分”的大小关系清晰可见。由图可知频率成分的大小的大小关系这样从平衡状态经过不平衡状态至缺相，按“4f成分＜2f成分＜6f成分”、“4f成分＜6f成分＜2f”、“6f成分＜4f成分＜2f成分”的顺序变迁。

其中，出现作为不平衡状态有意义的区别的是4f与6f的成分的大小开始逆转处，在其附近，直流电压波形的脉动出现变化。例如，图2B(a)的直流电压波形，在平衡时，在电源的1周期(1/f)中曾有6个峰的波形变为4个峰波形。至于图2B(b)的缺相状态，成为2个峰波形。这是电压下降后的一个相(在图2B(b)的缺相的情况下为二个相)对平滑电容器的充电无益，通过平滑电容器的放电来供电的状态。

即，意味着在图1所示的整流器4的特定的二极管中不流动电流。在该状态下，通过经由与不流动电流的相不同的相的充电来补充与原来在向平滑电容器充电的区间放电相应的量的电力，因此负载集中于特定的二极管。

这样，在4f成分超过6f成分的附近，导致发生二极管的负载集中的电平的电压不平衡的可能性高。因此，对直流电压的频率成分4f与6f的大小的大小关系进行比较，例如看作按“6f成分＜4f成分”这样的判断条件不能容许的电平的电压不平衡状态，从电力转换装置1的保护的观点出发可以说这是妥当且实用的判断。图2A(b)的状态理论上为电压不平衡状态，不过是不能容许的电压不平衡。仅按2f成分与6f成分的大小进行判断时，将图2A(b)的状态作为是不平衡的状态检测的可能性高。

此外，随着上述那样不平衡的程度变大，大小关系按“4f成分＜2f成分＜6f成分”、“4f成分＜6f成分＜2f成分”、“6f成分＜4f成分＜2f成分”逐步变迁。因此，通过在6f成分与4f成分的比较中还加入与2f成分的关系性，能够判断达到了这样的不平衡的阶段中的哪个不平衡的阶段。例如，不平衡的状态自图2A(b)的状态前进，达到图2B(a)之前的电压不平衡的状态时，是不能容许的不平衡的状态。但是，在想早些知道不平衡的趋势的情况下等，通过对上述的3个频率成分比较，作为不平衡电平这样的电压不平衡的指标向上级装置12提示，例如还能够促使在较早的阶段进行预防性保护。此外，各频率成分的大小与三相交流电源的输出电压的大小一致地上下变动。因此，例如，如果2f成分一超过一定电平就判断为不平衡，则存在在宽的输出电压范围高精度地判断不平衡时不能唯一地确定电平的问题。但是，通过对多个频率成分的大小进行比较，能够避免这样的问题。

接着，基于上述电压不平衡的判断方法，使用图3、图4的流程图说明实际的判断。另外，以下所述的处理由构成图1的运算装置10的微机执行。首先对图3的流程图进行说明。运算装置10按一定周期获取经图1的电压检测电路7得到的平滑电容器5的直流电压，作为N个时序数据进行保存(步骤100)。

然后，运算装置10对N个时序数据进行傅里叶变换，生成表示振幅谱那样的频率成分的数据(步骤102)。另外，虽然直流电压的检测周期和数据个数N对傅里叶变换的频率解析度有影响，但只要在2f、4f、6f能够分离的频谱的范围内，至少能够实现电源频率的不到2倍的解析度即可。

然后，运算装置10对电源频率的4倍、6倍(4f，6f)成分的大小进行比较(步骤106)。比较的结果，4f成分的大小大于6f成分的情况下(在步骤106中为是)判断为不平衡而转移至步骤108。在4f成分的大小不大于6f成分的情况下(在步骤106中为否)，判断为平衡而转移至步骤110。步骤106的比较并不限定于上述单纯的大小比较。例如，也可以进行设置任意的修正项并将该修正项与4f(或6f)的成分的大小相加或相乘等的修正，进行修正后的4f成分与6f成分的大小的比较(其中，在调整项为1的情况下，与上述单纯的大小比较相同)。这种方式根据状况具有能够调整不平衡判断的电平的优点。

进一步，运算装置10执行在不平衡时进行的处理(步骤108)和在平衡时进行的处理(步骤110)。例如，在步骤108中，为了中断输出或发出警告，以停止逆变器6的开关的方式控制驱动器电路9，或对上级装置12传送警告信息。此外，也可以在步骤106中，运算装置10进一步对2f成分与6f成分进行比较。在这种情况下，因为包含4f成分在内的3成分的大小关系确定，所以还能够决定不平衡判断的电平那样的电压不平衡的指标。作为在平衡时进行的步骤110的处理的一个例子，也可以对上级装置12通知为平衡状态的情况，或者将步骤106的比较结果与时刻一起存储在存储装置11。

此外，在不仅通过一次执行决定图3的流程，例如运算装置10执行3次图3的流程，均得到相同的结果的情况下，也可以作为最终结果做出平衡、不平衡的判断。通过综合多次的执行结果，能够提高判断的精度。通过这样进行特定的频率成分(4f与6f)的相对的比较，能够判断电源电压的不平衡状态。

接着说明图4的流程图。这是在图1所示的负载装置3中消耗的电力小，平滑电容器5的直流电压的脉动不显著地出现的情况下，即，通过傅里叶变换得到的频谱小，被周围的电平埋没那样的情况下，高精度地进行判断的结果。另外，对在图3和图4中相同的处理标注相同的参照附图标记。此处关于相同处理省略说明，仅对针对图3有变更的步骤进行以下说明。

运算装置10从表示在之前步骤得到的频率成分的数据提取作为比较对象的4f成分和6f成分，除以作为直流成分的0f成分进行归一化(步骤103)。为了判断4f成分和6f成分是否处于在不平衡的判断中能够使用的电平，预先设置可判断值(level)。运算装置10判断已经归一化的4f成分和6f成分中的任一成分是否在可判断值以上(步骤104)。在4f成分和6f成分为可判断值以上的情况下(在步骤104中为是)作为能够判断而转移至步骤106。在4f成分和6f成分不到可判断值的情况下(在步骤104中为否)作为不能判断而转移至步骤112。在作为能够判断而转移至步骤106的情况下，也可以不像在图3中说明的那样，对电源频率的4倍、6倍(4f，6f)的大小进行比较，而通过对已经归一化的4f成分的大小与6f成分的大小进行比较，判断是平衡还是不平衡。

通过按0f成分归一化而得到相对于直流成分的变动比例。因此，即使三相电源电压的整体的电平上下变动，也容易判断是否发生了能够得到对直流电压波形有意义的电平的频谱的程度的脉动。另外，作为将图2A(a)的6f成分归一化的情况下的一个例子，为6f成分/0f成分＝5V/275V＝1.8％左右。步骤103中的可判断值例如也可以成为该电平的1/5等，能够根据状况进行调整。

另外，步骤112为按不能判断进行的处理，考虑在步骤108中说明的那样的各种处理。此外，也可以将多次执行图4所示的流程而得到的结果进行综合而提高判断精度。通过步骤103和步骤104的处理，例如在4f成分、6f成分受到噪声的影响的情况下，能够排除错误的判断。此外，在消耗电力小的情况下也能够进行高精度的不平衡的判断。

实施例2

接着说明实施例2。图5表示实施例2的电力转换装置1的框图。本实施例是在电力转换装置1停止的情况下，即在负载装置3侧不消耗电力时也判断输入电源的电压不平衡的方法。

与实施例1的图1相比，在图5中追加将电阻负载13与开关14串联连接的结构和驱动开关14的开关驱动电路15。另外，这以外的结构与图1相同，标注相同的参照附图标记。由于它们与实施例1相同，因此省略说明。

串联连接的电阻负载13和开关14与平滑电容器5并联连接，进一步，在开关14连接有用于将开关14导通、关断的开关驱动电路15。开关驱动电路15与控制电路8连接，控制电路8经开关驱动电路15控制开关14的导通、关断。

另外，作为该电阻负载13、开关14、开关驱动电路15的结构的具体例，例如能够列举为了消耗来自负载装置3的再生电力而设置的制动电阻器和再生制动单元。但是，在实施例2中并不限定于此，只要是能够主动消耗平滑电容器中蓄积的电力的结构就能够应用。

当在图5的结构中将开关14导通时，在导通的期间，平滑电容器5的两端的直流电压施加至电阻负载13，通过平滑电容器的放电而向电阻负载13供电。此时供给至电阻负载13的电力作为热被消耗。另外，在本说明中，令电力转换装置1为停止中，不进行经由逆变器6的与负载装置3的动力运行、再生的电力转换。此外，与电力转换装置1的运转、停止无关，能够与之独立地进行开关14的驱动。

这样，电阻负载13消耗电力的状态，在进行来自输入电源的电力供给的意思中与实施例1的在负载装置3消耗电力的状态本质上相同，在实施例2中也在直流电压产生与电源频率相应的脉动。因此，在实施例2中得到的傅里叶频谱中，也如实施例1中说明的那样，因电源不平衡的影响而出现的趋势(在2f成分、4f成分、6f成分的大小关系中出现变化)相同，能够利用与图4、图5的流程图相同的方法判断电压不平衡。

以上，在实施例2中，即使为电力转换装置1停止中，即对负载装置3不供给电力的状态，也能够进行电压不平衡的判断。另外，并不限定于上述的实施例，还包括各种各样的变形例。

附图标记的说明

1…电力转换装置、2…三相交流电源、3…负载装置、4…整流器、5…平滑电容器、6…逆变器、7…电压检测电路、8…控制电路、9…驱动器电路、10…运算装置、12…上级装置、13…电阻负载、15…开关驱动电路。

Claims

1.一种电力转换装置的电压不平衡判断方法，其中所述电力转换装置包括将三相交流电源的电压整流的整流器、使整流后的所述电压平滑的平滑电容器、检测平滑后的所述电压的检测部和控制部，所述电压不平衡判断方法的特征在于：

所述控制部基于检测出的所述电压来生成表示频率成分的数据，对所述表示频率成分的数据中的电源频率的4倍成分的大小与6倍成分的大小进行比较，基于所述比较来判断所述三相交流电源的电压不平衡，

用电源频率成分将所述表示频率成分的数据中的所述电源频率的4倍成分和所述6倍成分的大小除以作为直流成分的电源频率的0倍成分的大小来进行归一化，在所述归一化了的值为可判断值以上时判断所述三相交流电源的电压不平衡，在不到可判断值时作为不能判断所述三相交流电源的电压不平衡的情况。

2.如权利要求1所述的电压不平衡判断方法，其特征在于：

在所述电源频率的4倍成分的大小超过所述6倍成分的大小时判断为所述三相交流电源的电压不平衡。

3.如权利要求1所述的电压不平衡判断方法，其特征在于：

修正所述电源频率的4倍成分和所述6倍成分的大小并对修正后的所述电源频率的4倍成分与所述6倍成分的大小进行所述比较，来判断所述三相交流电源的电压不平衡。

4.如权利要求1所述的电压不平衡判断方法，其特征在于：

所述表示频率成分的数据中还包含所述电源频率的2倍成分的大小，对3个所述频率成分的大小进行所述比较，来判断所述三相交流电源的电压不平衡。

5.如权利要求2所述的电压不平衡判断方法，其特征在于：

对所述检测出的所述电压的时序数据进行傅里叶变换，来生成表示所述频率成分的振幅谱。

6.一种电力转换装置，其特征在于，包括：

将来自三相交流电源的电压整流的整流器；

使整流后的所述电压平滑的平滑电容器；

检测所述平滑电容器的电压的电压检测部；和

与所述电压检测部连接的运算部，其中

所述运算部获取由所述电压检测部检测出的电压的时序数据，基于所获取的所述时序数据来生成表示频率成分的数据，对所述表示频率成分的数据中的电源频率的4倍成分与6倍成分的大小进行比较，基于所述比较来判断所述三相交流电源的电压不平衡，

7.如权利要求6所述的电力转换装置，其特征在于：

所述平滑电容器与进行向交流电压的转换的逆变器连接，所述逆变器与负载装置连接。

8.如权利要求7所述的电力转换装置，其特征在于：

设置有与所述平滑电容器并联连接的元件，其在所述负载装置不消耗电力时消耗所述平滑电容器的电力，并且具有控制所述元件的电力消耗的驱动部。

9.如权利要求6所述的电力转换装置，其特征在于：

所述运算部对所述时序数据进行傅里叶变换来生成具有所述频率成分的振幅谱。

10.如权利要求7所述的电力转换装置，其特征在于：

在判断为电压不平衡的情况下，所述运算部控制所述逆变器的驱动器电路以停止所述逆变器的开关。

11.如权利要求6所述的电力转换装置，其特征在于：

该电力转换装置连接有上级装置，在所述运算部判断为电压不平衡的情况下，所述运算部向所述上级装置传送警告信息。