TWI467902B - Improvement of Output Current Waveform of Current Control Type Power Converter and Current Control Type Power Converter - Google Patents

Description

電流控制型電力轉換器及電流控制型電力轉換器之輸出電流波形改善方法

本發明係關於電流控制型電力轉換器、及改善該轉換器之輸出電流波形失真的電流控制型電力轉換器之輸出電流波形改善方法。

在日本特開2000-224862號公報(專利文獻1)中係顯示三相4線式之電壓控制型電力轉換器的習知技術。在該電壓控制型電力轉換器中，係在直流電源的一對直流輸出端子間具備有經串聯連接的一對電容器，將一對電容器的連接點形成為中性相。

此外，在日本特開2007-274825號公報(專利文獻2)中所顯示的三相4線式的電壓控制型電力轉換器係對三相電力轉換器設置將2組半導體切換元件作串聯連接的中性相臂，另外具備有：其中一端連接於中性相臂的中間點，另一端作為中性線而被取出的電抗器。中性相臂係以能率(duty)50%交替切換。接著藉由將中性相臂的切換元件作PWM控制來抵消第3次諧波。

(專利文獻1)日本特開2000-224862號公報

(專利文獻2)日本特開2007-274825號公報

在前者之三相4線式之電壓控制型電力轉換器中，係在輸出電流波形發生較大的失真。此外，在後者的電壓控制型電力轉換器中，雖然輸出電壓波形失真較小，但是必須設置中性相臂，且對中性相臂作PWM控制，構成較為複雜。此外，習知的電壓控制型電力轉換器係將輸出電壓控制為一定的電力轉換器，因此難以積極地改善輸出電流波形的失真。其中，該問題係在使用多相反相器電路而將一對電容器的連接點設為中性相的電流控制型電力轉換器中會共通發生的問題。

本發明之目的在提供可改善輸出電流波形失真的電流控制型電力轉換器及電流控制型電力轉換器之輸出電流波形改善方法。

本發明所改良的對象的電流控制型電力轉換器係具備有：在直流電源的一對直流輸出端子間被串聯連接的一對電容器；被連接於一對直流輸出端子的多相反相器電路；及發生用以將多相反相器電路作回授控制之多相分的電流指令訊號的電流指令訊號發生電路，將一對電容器的連接點形成為中性相。電流指令訊號發生電路係具備有：根據多相反相器電路的多相輸出電壓，作成與多相的相電壓同步的第3次諧波電壓成分的第3次諧波電壓成分作成部；用以輸出將第3次諧波電壓成分朝向在時間上延遲的方向移位預定時間而得之移位後的第3次諧波電壓成分的諧波移位部；及由多相分的電流指令訊號分別減算在移位後的第3次諧波電壓成分乘算預定的增益所得的減算訊號，形成為多相分經補正後的電流指令訊號而輸出至多相反相器電路的訊號減算部。

在具體的三相四線式電流控制型電力轉換器中，係具備有：在直流電源的一對直流輸出端子間作串聯連接的一對電容器、三相反相器電路、電流指令訊號發生電路、及閘極訊號發生電路。三相反相器電路係包含經橋接的6個半導體切換元件所構成且與直流電源的一對直流輸出端子相連接。此外，電流指令訊號發生電路係發生用以將6個半導體切換元件作回授控制之三相分的電流指令訊號。此外，閘極訊號發生電路係根據三相分的電流指令訊號而發生用以將6個半導體切換元件作PWM控制的閘極訊號。在該電流控制型電力轉換器中，係將一對電容器的連接點形成為中性相。

本案發明人發現以三相4線式之電流控制型電力轉換器而在輸出電流的波形發生較大失真的原因在於輸出電流所包含的第3次諧波電流成分。發明人係思及藉由對閘極電路提供可去除輸出電流所包含的第3次諧波電流成分之經補正後的三相分的電流指令訊號，來去除輸出電流所包含的第3次諧波成分的技術思想，且確認出具有效果。

因此在本發明之具體構成中，係由第3次諧波電壓成分作成部、諸波移位部、及訊號減算部來構成電流指令訊號發生電路。第3次諧波電壓成分作成部係根據三相反相器電路的三相輸出電壓，來作成與三相的相電壓的全部同步的第3次諧波電壓成分。此外，諧波移位部係輸出將第3次諧波電壓成分朝向在時間上延遲的方向移位預定時間而得之移位後的第3次諧波電壓成分。

此外，訊號減算部係由三相分的電流指令訊號分別減算在移位後的第3次諧波電壓成分乘算預定的增益所得的減算訊號，形成為三相分經補正後的電流指令訊號而輸出至閘極訊號發生電路。減算訊號係輸出電流所包含之第3次諧波電流成分的原因成分。因此，若使用由三相分的電流指令訊號減算減算訊號而得的三相分經補正後的電流指令訊號而由閘極訊號發生電路發生閘極訊號，則在由三相反相器電路所被輸出的三相的輸出電流波形並未包含有諧波成分。因此，藉由本發明之電流控制型電力轉換器，可改善輸出電流波形的失真。其中本發明之技術思想係可適用於將一對電容器的連接點形成為中性相的電流控制型電力轉換器。

前述的「預定時間」及「預定的增益」係以抑制在多相反相器電路的多相輸出電流發生根據第3次諧波電流成分之電流波形失真的方式分別作設定。「預定時間」及「預定的增益」係若藉由解析而由未應用本發明之習知之電流控制型電力轉換器之輸出電流波形中抽出第3次諧波電流成分，根據該第3次諧波電流成分的波形來設定即可。具體而言，預定時間係相當於多相輸出電流所包含之第3次諧波電流成分相對於多相輸出電壓的時間延遲份的時間。此外，預定的增益係若被設定為：使移位後的第3次諧波電壓成分的振幅與多相輸出電流所包含的第3次諧波成分的振幅相一致即可。如此一來，即可以較高精度來改善輸出電流波形的失真。

本發明亦可作為改善上述電流控制型電力轉換器中之多相輸出電流之波形失真的方法來加以掌握。亦即，在本發明之方法中，係藉由將多相分的電流指令訊號，以去除多相輸出電流所包含的第3次諧波成分的方式進行補正，來改善多相輸出電流的波形失真。

在以三相4線式之電流控制型電力轉換器為對象的具體方法中，首先根據三相反相器電路的三相輸出電壓，由三相的相電壓作成與三相的相電壓同步的第3次諧波電壓成分。接著，以使第3次諧波電壓成分的相位與三相輸出電流所包含的第3次諧波成分的相位相一致的方式，形成將第3次諧波電壓成分分別在時間上延遲的方向移位後的第3次諧波電壓成分。此外將使移位後的第3次諧波電壓成分的振幅與三相輸出電流所包含的第3次諧波電流成分的振幅相一致的預定的增益乘算移位後的第3次諧波電壓成分而形成減算訊號。接著，最後由三相分的電流指令訊號分別減算減算訊號而形成三相分經補正後的電流指令訊號，且輸出至閘極訊號發生電路。如此一來，由於在三相輸出電流波形變得未包含第3次諧波電流成分，因此可改善輸出電流波形的失真。

藉由本發明之電流控制型電力轉換器，將由多相分之電流指令訊號去除成為使第3次諧波成分發生之原因的訊號後之多相分經補正後的電流指令訊號輸入至閘極訊號發生電路，因此由多相反相器電路的輸出電流，係可獲得在實質上未包含第3次諧波電流成分的輸出電流波形。

以下參照圖示，詳加說明本發明之實施形態。第1圖係顯示本發明之電流控制型電力轉換器之實施形態之一例之構成的電路圖，第2圖係顯示電流指令訊號發生電路及閘極訊號發生電路之構成之一例圖。第1圖所示之三相4線式的電流控制型電力轉換器係在直流電源DC的一對直流輸出端子間具備有經串聯連接的一對電容器C1及C2。此外，在一對直流輸出端子間係連接有三相反相器電路IV。三相反相器電路IV係構成為包含有：經橋接的6個半導體切換元件Tr1~Tr6；及與6個半導體切換元件Tr1~Tr6作逆並聯連接的6個二極體D1~D6。三相反相器電路IV的3個輸出端子係分別透過電抗器L1~L3而連接於交流源AC的三相交流線。此外，一對電容器C1及C2的連接點被連接於交流源AC的中性相線。在三相交流線與中性相線之間係分別連接有電容器C3~C5。接著，電流指令訊號發生電路1係發生用以對6個半導體切換元件Tr1~Tr6作回授控制的三相分的電流指令訊號。此外，閘極訊號發生電路2係發生根據三相分的電流指令訊號而對6個半導體切換元件Tr1~Tr6作PWM控制的閘極訊號。

如第2圖所示，本實施形態的電流指令訊號發生電路1係包含有：第3次諧波電壓成分作成部3、諧波移位部4、及訊號減算部5。在電流指令訊號發生電路1係被輸入有藉由3台電流檢測器CT1~CT3所被檢測到的三相交流輸出電流，而且被輸入有來自三相交流輸出線的輸出電壓(U相電壓、V相電壓、W相電壓)。此外，中性相線的電壓係作為對三相的相電壓波形Vu、Vv、Vw進行檢測並控制時之0V的基準點而被輸入至電流指令訊號發生電路1。其中，在第2圖中並未圖示有中性相線。

如第2圖所示，第3次諧波電壓成分作成部3係根據三相反相器電路IV的三相輸出電壓，作成與三相的相電壓波形Vu、Vv、Vw同步的第3次諧波電壓成分。第3圖係顯示以相電壓波形Vu為基準時的第3次諧波電壓成分V3。對於三相的相電壓波形Vu、Vv、Vw，第3次諧波電壓成分V3係僅存在1個。因此第3次諧波電壓成分V3的相位與三相的相電壓波形Vu、Vv、Vw的相位的相位差係分別不同。

諧波移位部4係將所作成的一個第3次諧波電壓成分V3，在時間上延遲的方向移位預定時間△t，且輸出所被移位的一個第3次諧波電壓成分V3，。其中，第3次諧波電壓成分作成部3中之第3次諧波電壓成分的作成方法為眾所週知，故省略說明。訊號減算部5係由回授控制所使 用的三相分的電流指令訊號Iu_ref~Iw_ref，將在移位後的第3次諧波電壓成分V3’乘算預定的增益K1所得的一個減算訊號△I3分別作減算而形成為三相分經補正後的電流指令訊號Iux~Iwx，且輸出至閘極訊號發生電路2。第3圖係顯示在將以相電壓波形Vu為基準時的第3次諧波電壓成分V3移位預定時間△t所得之移位後的第3次諧波電壓成分V3’乘算增益K1所得的減算訊號△I3。預定的增益K1係以使移位後的第3次諧波電壓成分V3的振幅與三相輸出電流所包含的第3次諧波電流成分的振幅相一致的方式作設定。增益K1亦作為固定值而預先設定。其中，若過於加大增益K1，電流指令訊號與所被補正的電流指令訊號的相位關係會偏離，因此在本實施形態中，該增益K1係形成為相位關係不會偏離的程度的較小的值(例如0.02以下的值)。

在此，諧波移位部4中之預定時間△t及訊號減算部5中之預定的增益K1係以抑制在三相反相器電路IV的三相輸出電流發生根據第3次諧波電流成分的電流波形失真的方式分別作設定。具體的預定時間△t及預定的增益K1，係可藉由解析，由未應用本發明之習知的電流控制型電力轉換器之輸出電流波形中抽出第3次諧波電流成分，根據該第3次諧波電流成分的波形來預先作設定。該第3次諧波電流成分係以全部相同的相位而被包含在三相輸出電流的各個。此外，具體而言，預定時間△t係相當於三相輸出電流所包含的第3次諧波電流成分相對於三相輸出電壓的時間延遲份的時間。一般而言，該預定時間Δt係以1msec~10msec為固定值而預先設定。

在本實施形態中，將回授控制所使用的三相分的電流指令訊號Iu_ref~Iw_ref，在從由未圖示的電流指令發生手段所被輸出的各相的電流指令訊號(U相電流指令訊號、V相電流指令訊號、W相電流指令訊號)減算藉由電流檢測器CT1~CT3所檢測到的U相電流~W相電流所得的訊號乘上增益K2而得的訊號，加算U相電壓~W相電壓而得。在獲得該回授控制所使用的三相分的電流指令訊號Iu_ref~Iw_ref時，之所以加算U相電壓~W相電壓係為了使輸出相電流與輸出相電壓同步之故。

一個減算訊號ΔI3係三相輸出電流所包含之第3次諧波成分的原因成分。因此使用將減算訊號ΔI3由三相分的電流指令訊號Iu_ref~Iw_ref作減算所得之三相分經補正後的電流指令訊號Iux~Iwx，閘極訊號發生電路2係發生PWM控制所需的閘極訊號Su、XSu、Sv、XSv、Sw、XSw。其中，閘極訊號發生電路2係利用比較器CMP將由載波發生器6所被輸出的載波與電流指令訊號Iux~Iwx作比較而發生PWM控制訊號所需的閘極訊號Su、XSu、Sv、XSv、Sw、XSw。其中，在閘極訊號發生電路2中，係將用以使閘極訊號Su、閘極訊號Xsu不會將一對半導體切換元件同時導通(ON)的失效時間(dead time)追加在兩訊號之間。此外，在閘極訊號發生電路2中，係作閘極訊號間的絕緣，在各半導體切換元件Tr1~Tr6供予閘極訊號。

在本發明之方法中，將三相分的電流指令訊號Iu_ref~Iw_ref，以去除三相輸出電流所包含之第3次諧波成分的方式作補正，藉此改善三相輸出電流的波形失真。因此，根據三相反相器電路的三相輸出電壓，作成與三相的相電壓同步的一個第3次諧波電壓成分V3。接著，以使第3次諧波電壓成分V3的相位與三相輸出電流所包含的第3次諧波電流成分的相位相一致的方式，將第3次諧波電壓成分V3分別朝時間上延遲的方向移位而形成移位後的第3次諧波電壓成分V3’。此外，將使移位後的第3次諧波電壓成分V3’的振幅與三相輸出電流所包含的第3次諧波電流成分的振幅相一致的預定的增益K1，乘算移位後的第3次諧波電壓成分V3’而形成減算訊號ΔI3。接著，最後將減算訊號ΔI3分別由三相分的電流指令訊號Iu_ref~Iw_ref作減算而形成三相分經補正後的電流指令訊號Iux~Iwx，且輸出至閘極訊號發生電路2。如此一來，在三相輸出電流波形變得未包含有第3次諧波電流成分，因此可改善輸出電流波形的失真。

在上述實施形態中，係以三相4線式的電流控制型電力轉換器為對象，但是本發明係可適用於使用多相反相器電路而且將一對電容器的連接點作為中性相的電流控制型電力轉換器。

1．．．電流指令訊號發生電路

2．．．閘極訊號發生電路

3．．．第3次諧波電壓成分作成部

4．．．諧波移位部

5．．．訊號減算部

6．．．載波發生器

AC．．．商用交流電源(交流源)

C1~C5．．．電容器

CMP．．．比較器

CT1~CT3．．．電流檢測器

D1~D6．．．二極體

DC．．．直流電源

Iux~Iwx．．．電流指令訊號

Iu_ref~Iw_ref．．．電流指令訊號

K1、K2．．．增益

L1~L3．．．電抗器

Su、XSu、Sv、XSv、Sw、XSw．．．閘極訊號

Tr1~Tr6．．．半導體切換元件

V3、V3’．．．第3次諧波電壓成分

Vu、Vv、Vw．．．相電壓波形

ΔI3．．．減算訊號

第1圖係顯示本發明之電流控制型電力轉換器之實施形態之一例之構成的電路圖。

第2圖係顯示電流指令訊號發生電路及閘極訊號發生電路之構成之一例圖。

第3圖係顯示1個相電壓波形、第3次諧波電壓成分及減算訊號之一例的波形圖。

1．．．電流指令訊號發生電路

2．．．閘極訊號發生電路

3．．．第3次諧波電壓成分作成部

4．．．諧波移位部

5．．．訊號減算部

6．．．載波發生器

CMP．．．比較器

Iux~Iwx．．．電流指令訊號

Iu_ref~Iw_ref．．．電流指令訊號

K1、K2．．．增益

Su、XSu、Sv、XSv、Sw、XSw．．．閘極訊號

V3、V3’．．．第3次諧波電壓成分

Vu、Vv、Vw．．．相電壓波形

ΔI3．．．減算訊號

Claims (4)

1. 一種電流控制型電力轉換器，係具備有：在直流電源的一對直流輸出端子間作串聯連接的一對電容器；包含經橋接的6個半導體切換元件所構成而且被連接於前述一對直流輸出端子的三相反相器電路；發生用以將前述6個半導體切換元件作回授控制的三相分的電流指令訊號的電流指令訊號發生電路；及根據前述三相分的電流指令訊號，發生用以將前述6個半導體切換元件作PWM控制的閘極訊號的閘極訊號發生電路，且將前述一對電容器的連接點形成為中性相的電流控制型電力轉換器，其特徵為：前述電流指令訊號發生電路係具備有：根據前述三相反相器電路的三相輸出電壓，作成與三相的相電壓同步的第3次諧波電壓成分的第3次諧波電壓成分作成部；用以輸出將前述第3次諧波電壓成分朝向在時間上延遲的方向移位預定時間而得之移位後的第3次諧波電壓成分的諧波移位部；及由前述三相分的電流指令訊號分別減算在前述移位後的第3次諧波電壓成分乘算預定的增益所得的減算訊號，形成為三相分經補正後的電流指令訊號而輸出至前述閘極訊號發生電路的訊號減算部。
2. 如申請專利範圍第1項之電流控制型電力轉換器，其中，前述預定時間及前述預定的增益係以抑制在前述三相反相器電路的三相輸出電流發生根據第3次諧波電流成分的電流波形失真的方式分別作設定。
3. 如申請專利範圍第1項之電流控制型電力轉換器，其中，前述預定時間係相當於前述三相輸出電流所包含之第3次諧波電流成分相對於前述三相輸出電壓之時間延遲份的時間，前述預定的增益係以使前述移位後的第3次諧波電壓成分的振幅與前述三相輸出電流所包含的前述第3次諧波電流成分的振幅相一致的方式作設定。
4. 一種電流控制型電力轉換器之輸出電流波形改善方法，係將由電流控制型電力轉換器所被輸出的三相輸出電流的波形失真加以改善的方法，該電流控制型電力轉換器係具備有：在直流電源的一對直流輸出端子間作串聯連接的一對電容器；包含經橋接的6個半導體切換元件所構成而且被連接於前述一對直流輸出端子的三相反相器電路；發生用以將前述6個半導體切換元件作回授控制的三相分的電流指令訊號的電流指令訊號發生電路；及根據前述三相分的電流指令訊號，發生用以將前述6個半導體切換元件作PWM控制的閘極訊號的閘極訊號發生電路，且將前述一對電容器的連接點形成為中性相，其特徵 為：根據前述三相反相器電路的三相輸出電壓，作成與三相的相電壓同步的第3次諧波電壓成分，以使前述第3次諧波電壓成分的相位與前述三相輸出電流所包含的第3次諧波電流成分的相位相一致的方式，形成將前述第3次諧波電壓成分在時間上延遲的方向作移位而得之移位後的第3次諧波電壓成分，將使前述移位後的第3次諧波電壓成分的振幅與前述三相輸出電流所包含的第3次諧波電流成分的振幅相一致的預定的增益，與前述移位後的第3次諧波電壓成分作乘算而形成減算訊號，將前述減算訊號由前述三相分的電流指令訊號分別作減算而形成為三相分經補正後的電流指令訊號而輸出至前述閘極訊號發生電路。