CN1630177A

CN1630177A - 电力变换装置

Info

Publication number: CN1630177A
Application number: CNA2004100986943A
Authority: CN
Inventors: 永田浩一郎; 奥山俊昭; 秋田佳稔; 立川真; 根本治郎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: JP4151575B2; JP2005184974A; CN1630177B

Abstract

本发明涉及用于对感应电动机或同步电动机等多相负载装置进行制动运转、具有再生功能的电力变换装置，特别涉及具有能将负载装置的再生电力对蓄电机构进行充放电功能的变换装置。本发明提供的电力变换装置能迅速地对电动机进行制动减速。本发明的电力变换装置，由一个或多个串联的非再生型单相电源转换器构成一相的电力变换器，该非再生型单相电源转换器将交流电源的交流变换成具有可变电压、可变频率的交流，使用数个这种一相的电力变换器，通过可充放电的蓄电器连接电力变换器的反负载侧相互连接的中性点和上述多相负载装置的中性点，控制电力变换装置的输出电压零相成分，将再生电力对蓄电器充电，非再生时对电动机侧放电。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及用于对感应电动机或同步电动机等多相负载装置进行制动运转、具有再生功能的电力变换装置，特别涉及具有能将负载装置的再生电力对蓄电机构进行充放电功能的变换装置。

背景技术

高压(3kV-6kV)电动机的可变速运转中，为实现转换器的大容量及改善输出波形，可使用串联单相电源转换器(单相セルインバ一タ)构成的多重电力变换器。现有技术中的多重电力变换器如图10所示，具有数量为输出相数的电力变换器11、12、13；这些电力变换器11、12、13由n个具有二极管整流器部21、平滑电容器22和IGBT部23的单相电源转换器111、112、11n多重串联而成。来自交流电源1的一定频率电压经过电源变压器2，由各相电力变换器11、12、13按任意频率变换成任意大小的电压，施加在作为负载的感应电动机3上。其中，将与负载连接的多重电力变换器的端子定为负载侧，而将距负载最远处的端子定为反负载侧。如图10所示，将反负载侧相互连接，形成中性点。

在图10所示的多重电力变换器中，单相电源转换器111、112、11n因使用二级管整流器，负载侧不能再生能量。因此，专利文献1-日本特开2001-103766号公报中所公开的多重电力变换装置，用IGBT元件置换二级管整流器，从而能再生能量。

但是，与使用二级管整流器的非再生电力变换装置相比，使用这种具有再生功能的电力变换装置时，IGBT元件的数量必须为2倍以上，随着零件部件数量的增加，导致单向电源转换器大型化或复杂化。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有能迅速进行电动机的再生运转和电动机的制动减速的非再生型电力变换器的电力变换装置。

本发明的电力变换装置，由能将交流电源的交流变换成具有可变电压、可变频率的非再生型单向电源转换器n个(n是2以上的自然数)串联或由1个构成一相的电力变换器，使用数个这种一相的电力变换器，通过蓄电器将电力变换器的反负载侧相互连接的中性点和上述多相复合装置的中性点连接，控制上述电力变换装置的输出电压零相成分(直流)，将再生电力对蓄电器充电，在非再生时对电动机侧放电。另外，与蓄电池并列地设置着用于测定电池劣化状态的电池劣化测定部，测定蓄电池的内部阻抗、温度、充放电次数、充电电荷量、放电电荷量至少一个参数，判断劣化状态。

根据本发明，在非再生型电力变换器中，通过使用蓄电器对感应电动机或同步电动机等多相负载装置的再生电力进行充放电，从而能迅速地对电动机进行制动减速。

附图说明

图1是实施例1的电力变换装置构成图；

图2是实施例1的电力变换装置单相电源转换器的说明图；

图3是实施例1的电力变换装置的控制部的说明图；

图4是实施例2的电力变换装置的构成图；

图5是实施例3的电力变换装置的构成图；

图6是实施例4的电力变换装置的构成图；

图7是实施例5的电力变换装置的构成图；

图8是实施例6的电力变换装置的构成图；

图9是实施例7的电力变换装置的构成图；

图10是现有技术的电力变换装置的构成图；

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明。

实施例1

用图1说明本实施例的电力变换装置。在图1中，由电源变压器2对来自交流电源1的三相交流电压进行变压，通过U相、V相、W相的电力变换器11、12、13，对负载的感应电动机3施加任意频率、大小的多相交流电压。

另外，本实施例中作为多相负载装置既可以使用感应电动机也可以使用同步电动机，下面，以感应电动机作为负载的情况为例进行说明。在本实施例中，作为电力半导体开关元件虽以IGBT为例进行说明，但也可以使用功率MOSFET或J-FET、双极晶体管。本实施例中，虽以多个非再生型单相电源转换器串联的电力变换器11、12、13的情况为例进行说明，但本申请的发明也同样适用于使用一个非再生型单相电源转换器的情况。

电力变换器11、12、13具有n个(n是1以上的自然数)的单相电源转换器111、112、11n，各单相电源转换器111、112、11n图2所示，是具有二极管整流器部21、平滑电容器22、和IGBT部23的非再生电力变换器。图1中虽详细表示了U相电力变换器11，但V相电力变换器12、W相电力变换器13与U相电力变换器11的结构相同，都从电源变压器2输入电压(省略连接线)，并对感应电动机3施加高电压。

由控制部4对各单相电源转换器111、112、11n的IGBT部23进行控制，控制U相、V相、W相的各电力变换器11、12、13的输出电压。在本实施例中，将三相电力变换器11、12、13的反负载侧的端子相互连接，并将所连接的中性点(简称电力变换器侧中性点50)通过作为蓄电器部的二次电池31与感应电动机3的电动机侧中性点30连接。

控制部4中，如图3所示，将由零相电压指令计算部34计算的电动机零相电压V3的指令值即零相电压指令V3加到交流电压指令Vu^*、Vv^*、Vw^*中，由门脉冲生成部35生成门脉冲，控制各单相电源转换器111、112、11n。

对二次电池31进行充放电时，通过对零相电压指令V3^*赋予直流电压成分，可获得无脉动的稳定的电力。例如，减速时控制成电动机零相电压V3＞二次电池电压VB，对二次电池31进行充电；恒速时或加速时，控制成电动机零相电压V3＜二次电池电压VB，使二次电池31放电。

另外，在本实施例中，与二次电池31并列设置有电池劣化测定部32。由该电池劣化测定部32测定二次电池31的内部阻抗、温度、充放电次数、充电电荷量、放电电荷量中至少一个参数，如果该测定值大于预设的规定值或者在超过规定的范围，判断为二次电池处于劣化状态，在显示部33上显示出其状态。

在本实施例中，虽对使用二次电池(例如，锂离子电池或镍氢电池、铅蓄电池、镍镉电池)的情况进行了说明，但除此以外，也可以使用电解双层电容器等可充放电的蓄电器。二次电池31的容量可以设置为所必须的再生电力的最小限度的容量，在本实施例中，能以小型结构及低成本使电动机尽快地减速到所希望的速度或者停止，用户还能判断电池劣化状态，知道电池更换的时间。

本实施例的电力变换装置对电动机的驱动电压虽无特别限制，但以3kV～6kV的高电压驱动的电动机是适用于可变速运转的。

实施例2

用图4说明本实施例。说明本实施例与实施例1不同的部分。在本实施例中，如图4所示，将中性点引出用变压器36配置在电力变换器11、12、13的负载侧输出端子上。本实施例的中性点引出用变压器36具有与电力变换器11、12、13的个数相对应个数的绕组，各绕组的一端连接到电力变换器11、12、13的负载侧输出端子上，各绕组的另一端共同连接并作为变压器中性点(简称变压器侧中性点40)引出。通过二次电池31将这样引出的变压器侧中性点40和电力变换器侧中性点50连接。除此之外，与实施例1相同。

本实施例的电力变换装置再生时的动作与实施例1的相同。在本实施例中，即使在现有的电动机等中中性点不容易引出的情况下，只要将中性点引出用变压器36连接到变换器输出侧，就能与实施例1相同，将二次电池31的容量达到与所必须的再生电力相当的值，能将二次电池31小型化。

实施例3

用图5对本实施例进行说明，说明本实施例与实施例1、2不同的部分。在本实施例中，如图5所示，将三相电力变换器11、12、13的反负载侧端子相互连接，在其连接的中性点即电力变换器侧的中性点50与实施例1或实施例2所示的感应电动机3的电动机侧中性点30之间连接着二次电池31和半导体元件41、二级管42。半导体元件41可以使用IGBT、GTO、可控硅整流器、功率MOSFET等电力半导体开关元件。

在本实施例中，例如作为直流电压，赋予零相电压指令V3^*。在电动机零相电压V3＞二次电池电压VB的情况下，二次电池31处于充电状态。而在恒速时或加速时必须放电的情况下，控制零相电压指令V3^*使电动机零相电压V3＜二次电池电压VB，并且根据来自控制部4的信号控制半导体元件41，使二次电池31放电。

在本实施例中，与实施例1或实施例2相同，二次电池31的容量达到与所必须的再生电力相当的值，能将二次电池31小型化，并且因只用了一个半导体元件41，用少量零部件数的小型装置就能尽快地使电动机减速到所期望的速度或停止。在本实施例中，与实施例1、2相同，设置有电池劣化测定部32，用户还能判断二次电池31的劣化状态，并知道电池更换的时间。

实施例4

用图6对本实施例进行说明。说明本实施例与实施例3不同的部分。在本实施例中，如图6所示，在电力变换器侧的中性点50和电动机侧中性点30之间连接着二次电池31和两个半导体元件41a、41b及两个相互反向的二级管42a、42b。

在本实施例中，也可以不采用与图6同样的半导体元件41a、41b和二级管42a、42b的组合，而采用组合半导体元件的双向电路。

在本实施例中，恒速时或加速时二次电池31不进行放电、充电的情况下，将二个半导体元件41都控制成切断(打开)状。另外，再生时，半导体元件41a为切断(打开)，而半导体元件41b为接通(闭合)，对二次电池31进行充电。

恒速时或加速时，在二次电池31进行放电的情况下，将半导体元件41a控制成接通(闭合)，而将半导体元件41b控制成切断(打开)。恒速时或加速时，二次电池31进行放电的情况下，将半导体元件41a控制成接通(闭合)，而将半导体元件41b控制成切断(打开)。

在本实施例中，即使电动机零相电压V3＞二次电池电压VB，由于能用开关控制是否进行充电，所以除了再生状态以外，必须使电动机零相电压V3＞二次电池电压VB的情况下(例如，高速运转时提高电压利用率的情况下)，也能不充电地进行电动机的控制。

实施例5

用图7说明本实施例，说明本实施与实施例3不同的部分。如图7所示，在本实施例中，在电力变换器侧的中性点50和电动机侧中性点30之间连接看二次电池31和开关部43。

开关部43具有电力半导体开关元件(例如IGBT、功率MOSFET)和二级管，根据控制部4的信号进行控制。电力半导体开关元件相应于二次电池31的极性如图7所示配置两个，二级管配置四个。

在本实施例中，由于二级管具有整流作用，零相电压指令V3^*除直流电压外，还形成用于提高通常电压利用率的电力变换器的输出电压频率三倍的频率(三次谐波)成分。不过，必须使电动机中性点电压＞电力变换器中性点电压，再生电力取决于直流成分。

在本实施例中，与实施例3相同，二次电池31的容量达到与必须的再生电力相当的值，能使二次电池31小型化，并且通过在电力变换器侧的中性点50和电动机侧中性点30之间连接开关部43，可在电动机零相电压V3上还加上三次谐波成分，充放电中也能以基本波电压的电压利用率高的状态运行。

实施例6

用图8对本实施例进行说明，说明本实施例与实施例5不同的部分。如图8所示，在本实施例中，在电力变换器侧的中性点50和电动机侧中性点30之间，具有由四个电力半导体开关元件(例如IGBT、功率MOSFET)和四个二级管构成的开关部44。在本实施例中，零相电压V3^*既可以包含有直流成分，也可只有交流成分。总之，不依赖于电动机中性点电压和电力变换器中性点电压的大小，就能实现再生电力的更替(充放电)。

在本实施例中，与实施例3相同，可使二次电池31的容量达到与必须的再生电力相当的值，能将二次电池31小型化，并且，由于电力变换器侧的中性点50和电动机侧中性点30之间连接着开关部44，因而可将电动机零相电压V3做成只有三次谐波成分，不需要对电动机零相电压V3的直流成分进行控制，就能在充放电中以电压利用率高的状态进行运行。

实施例7

用图9对本实施例进行说明。说明本实施例与实施例1至实施例5不同的部分。如图9所示，在本实施例中，利用与二次电池31连接的电池电压测定部37测定二次电池电压VB。将该测定的二次电池电压VB输送给控制部4，由控制部4判断二次电池31的充电状态，例如，控制半导体元件41以防止过充电。这样，在本实施例中，能够适当地判断二次电池31的充放电时间。

另外，在本实施例中，虽对半导体元件41进行控制，但控制对象并不限于此，也可以控制图3所示的零相电压指令V3^*、图6所示的半导体元件41a、41b、图7所示的开关部43或图8所示的开关部44进行，也能同样地适当判断二次电池31充放电的时间。

Claims

1.一种电力变换装置，具有多台电力变换器，该电力变换器具有一个非再生型单相电源转换器或数个串联的非再生型单相电源转换器，该非再生型单相电源转换器将交流电源的电力变换成具有可变电压、可变频率的多相交流，其特征在于，具有可充放电的蓄电器部，该蓄电器部的一端与上述电力变换器反负载侧相互连接的中性点相连，另一端与上述多相负载装置的中性点相连。

2.根据权利要求1记载的电力变换装置，其特征在于，具有控制部，该控制部控制该电力变换装置的输出零相电压，并控制上述蓄电器部的充电或放电的至少一方的电力。

3.根据权利要求2记载的电力变换装置，其特征在于，上述蓄电器部进行充电或放电时，上述零相电压包含直流成分。

4.根据权利要求1记载的电力变换装置，其特征在于，在上述电力变换器的反负载侧相互连接的中性点和上述多相负载装置的中性点之间，通过具有二级管和半导体元件的开关部连接上述蓄电器部。

5.一种电力变换装置，具有多台电力变换器，该电力变换器具有一个非再生型单相电源转换器或数个串联的非再生型单相电源转换器，该非再生型单相电源转换器将交流电源的电力变换成具有可变电压、可变频率的多相交流，其特征在于，具有可充放电的蓄电器部，该蓄电器部的一端与上述电力变换器反负载侧相互连接的中性点相连，另一端与在上述电力变换器负载侧配置的中性点引出用变压器的中性点相连。

6.根据权利要求5记载的电力变换装置，其特征在于，具有控制部，该控制部控制该电力变换装置的输出零相电压，并控制上述蓄电器部充电或放电的至少一方的电力。

7.根据权利要求6记载的电力变换装置，其特征在于，上述蓄电器部进行充电或放电时，上述零相电压包含直流成分。

8.根据权利要求5记载的电力变换装置，其特征在于，在上述电力变换器的反负载侧相互连接的中性点和上述中性点引出用变压器的中性点之间，通过具有二级管和半导体元件的开关部连接上述蓄电器部。

9.根据权利要求1记载的电力变换装置，其特征在于，具有与上述蓄电器部并联的电池劣化测定部，以及显示该电池测定部的判断结果的显示部。

10.根据权利要求9记载的电力变换装置，其特征在于，上述电池劣化测定部对上述蓄电器的内部阻抗、温度、充放电次数、充电电荷量、放电电荷量至少一个参数进行测定。

11.根据权利要求1记载的电力变换装置，其特征在于，具有与上述蓄电器部并联的电池电压测定部，该电池电压测定部根据输出的测定值控制零相电压。

12.根据权利要求5记载的电力变换装置，其特征在于，具有与上述蓄电器部并联的电池劣化测定部，以及显示该电池测定部判断结果的显示部。

13.根据权利要求12记载的电力变换装置，其特征在于，上述电池劣化测定部对上述蓄电器的内部阻抗、温度、充放电次数、充电电荷量、放电电荷量至少一个参数进行测定。

14.根据权利要求5记载的电力变换装置，其特征在于，具有与上述蓄电器部并联的电池电压测定部，该电池电压测定部根据输出的测定值控制零相电压。

15.一种电力变换装置，具有三台电力变换器，该电力变换器具有数个串联的非再生型单相电源转换器，该非再生型单相电源转换器将三相交流电源的电力转换成具有可变电压、可变频率的三相交流，其特征在于，具有二次电池，该二次电池的一端与上述电力变换器反负载侧相互连接的中性点相连，另一端与上述多相负载装置的中性点相连；上述单相电源转换器具有作为半导体开关元件的多个IGBT。

16.一种电力变换装置，具有多台电力变换器，该电力变换器具有一个非再生型单相电源转换器或数个串联的非再生型单相电源转换器，该非再生型单相电源转换器将交流电源的电力变换成具有可变电压、可变频率的多相交流，其特征在于，通过由二级管和半导体元件构成的开关部，将可充放电的蓄电器部对该电力变换器反负载侧相互连接的中性点和上述多相负载装置的中性点进行连接；具有控制部，该控制部控制该电力变换装置的输出零相电压，并对上述蓄电器部的充电或放电至少一方的电力进行控制；具有与上述蓄电器部并联的电池电压测定部，该电池电压测定部根据输出的测定值对零相电压或上述半导体元件至少一方进行控制。

17.一种电力变换装置，具有多台电力变换器，该电力变换器具有一个非再生型单相电源转换器或数个串联的非再生型单相电源转换器，该非再生型单相电源转换器将交流电源的电力变换成具有可变电压、可变频率的多相交流，其特征在于，在上述电力变换器反负载侧相互连接的中性点和在上述电力变换器负载侧配置的中性点引出用变压器的中性点之间，通过由二级管和半导体元件构成的开关部连接着可充放电的蓄电器部；具有控制部，上述控制部控制该电力变换装置输出的零相电压，并对上述蓄电器部的充电或放电至少一方的电力进行控制；具有与上述蓄电器部并联的电池电压测定部，该电池电压测定部根据输出的测定值对零相电压或上述半导体元件至少一方进行控制。