專利名稱：轉(zhuǎn)換器·逆變器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置。
背景技術(shù)：
目前，具有用于從三相交流變換為直流的PWM轉(zhuǎn)換器裝置和為 了驅(qū)動三相交流電動機(jī)而將直流變換為交流的逆變器裝置的電動機(jī)
驅(qū)動系統(tǒng)得到廣泛普及。
在這種系統(tǒng)中，為了抑制中間直流電壓的變動，通常設(shè)置大電容 的平滑電容器。作為平滑電容器使用的電解電容器的體積大，故成為 裝置小型化的障礙。另外，電解電容器的充放電電流大時(shí)，存在內(nèi)部 發(fā)熱等現(xiàn)象，從而影響裝置的使用壽命。
目前，為了實(shí)現(xiàn)平滑電容器的小電容化，例如象在專利文獻(xiàn)1 中記載的那樣，提出了如下方法通過檢測來自轉(zhuǎn)換器電路的直流電 流和流向逆變器電路的直流電流、或者流向平滑電容器的電流，將電 容器電流控制為0。
另外，專利文獻(xiàn)2公開了如下方式作為減小平滑電容器的瞬時(shí) 充放電電流的方法，使轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路的PWM載波同步。
專利文獻(xiàn)1:日本特開2006 - 67754號公報(bào)
專利文獻(xiàn)2:日本特開平4 - 121065號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
采用專利文獻(xiàn)l的方式，可以降低流經(jīng)平滑電容器的電流的平均 值，但是無法減少脈沖狀的瞬時(shí)充放電電流。換句話說，若采用上述 方法，則在使平滑電容器小電容化的同時(shí)，雖然可以抑制平均的直流 電壓變動，但是無法解決由于瞬時(shí)充放電電流而導(dǎo)致的電容器的發(fā)熱或壽命縮短等問題。
另外，釆用專利文獻(xiàn)2的方式可以減少平滑電容器的瞬時(shí)充放電 電流，但是需要將轉(zhuǎn)換器電路的PWM頻率設(shè)定成與逆變器電路相同。
一般來講，希望與轉(zhuǎn)換器電路的交流側(cè)連接的電抗器盡可能小， 從而該電抗器被設(shè)計(jì)成比與逆變器連接的電動機(jī)的線圏電感還小。因 此，為了減少紋波電流成分，需要將轉(zhuǎn)換器電路的PWM頻率設(shè)定成 比逆變器電路的PWM頻率高。
另外，在空調(diào)機(jī)的壓縮機(jī)驅(qū)動中使用轉(zhuǎn)換器.逆變器系統(tǒng)時(shí)，作 為壓縮機(jī)的電動機(jī)控制，希望通過降低PWM載波頻率來提高效率， 同時(shí)轉(zhuǎn)換器側(cè)為了實(shí)現(xiàn)AC電抗器的小型化，希望較高地設(shè)定栽波頻 率。
另外，在交流電源電壓高時(shí)(例如400V的電源)，希望將輸出 直流電壓抑制得較低，為此作為PWM方式希望使用動作范圍寬的2 相調(diào)制方式。
如上所述，要求在轉(zhuǎn)換器和逆變器之間設(shè)定成使載波頻率不同， 并且要求在轉(zhuǎn)換器側(cè)采用2相調(diào)制方式，同時(shí)，還非常期望可以減小 平滑電容器的電容的技術(shù)。而對比文件2的方式無法應(yīng)對這些需求。
本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)如下的轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置通過減少流 向平滑電容器的瞬時(shí)充放電電流，可以實(shí)現(xiàn)直流部分的平滑電容器的 小電容化和低發(fā)熱化，并且可以將轉(zhuǎn)換器部分和逆變器部分的栽波頻 率設(shè)定為不同的值。
本發(fā)明的一種轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置具有
將交流變換為直流的轉(zhuǎn)換器電路，其結(jié)構(gòu)為輸入側(cè)經(jīng)由電抗器 與三相交流電源相連接，且輸出側(cè)的直流端子之間連接有平滑電容 器；
連接在所述直流端子之間、并將直流變換為三相交流的逆變器電 路；以及
控制所述轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路的控制單元，
其中，通過PWM (脈寬調(diào)制)驅(qū)動所述轉(zhuǎn)換器電路和所述逆變器電路，并在所述轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路之間使所述PWM頻率同 步，將所述轉(zhuǎn)換器或所述逆變器中的一方的PWM頻率設(shè)定成另一方 的PWM頻率的2倍，并且佳 i殳定成2倍的電路的PWM調(diào)制方式為 2相調(diào)制方式。
通過采用本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)如下的轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置可以實(shí) 現(xiàn)直流部分的平滑電容器的小電容化和低發(fā)熱化，并且可以將轉(zhuǎn)換器 部分和逆變器部分的載波頻率設(shè)置成不同的值。


圖l是示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器'逆變器裝置的構(gòu)成圖。
圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器控制框圖。
圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施例的逆變器控制框圖。
圖4是逆變器和轉(zhuǎn)換器的電壓指令和載波波形。
圖5是逆變器和轉(zhuǎn)換器的電壓指令、栽波和電流波形。
圖6是逆變器和轉(zhuǎn)換器的電壓指令、栽波和電流波形。
圖7是逆變器和轉(zhuǎn)換器的電壓指令、載波和電流波形。
圖8是將轉(zhuǎn)換器的載波相位轉(zhuǎn)換180。的方法的說明圖。
圖9是示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置的構(gòu)成圖。
圖10是示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器*逆變器模塊的構(gòu)成圖。
符號說明 1交流電源 2紋波濾波器 3電抗器 4轉(zhuǎn)換器電路 5平滑電容器 6逆變器電路 7電動才幾 8控制部9輸入電流檢測器
10輸出電流檢測器
11直流電壓檢測器
12電壓控制器
13、 16矢量控制器
14轉(zhuǎn)換器的載波發(fā)生器
15電流控制器
17逆變器的載波發(fā)生器
18模塊基板
具體實(shí)施例方式
下面，利用圖1至圖8說明本發(fā)明的第一實(shí)施例。 (第一實(shí)施例)
圖1中示出本發(fā)明的實(shí)施例的電動機(jī)驅(qū)動用轉(zhuǎn)換器，逆變器裝置 的構(gòu)成圖。
如圖1所示，轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置具有經(jīng)由紋波濾波器2和電 抗器3與三相交流電源1相連接的轉(zhuǎn)換器電路4;與轉(zhuǎn)換器的直流輸 出端子相連接的平滑電容器5和逆變器電路6;電動機(jī)7;控制所述 轉(zhuǎn)換器電路4和所述逆變器電路6的控制部8;檢測輸入電流和輸出 電流的電流檢測器9a、 9b、 10a、 10b;以及直流電壓檢測器11。另 外，控制部8使用微型計(jì)算機(jī)或DSP (數(shù)字信號處理器)等半導(dǎo)體運(yùn) 算元件。
圖2中示出所述轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置中的控制部8內(nèi)的與"轉(zhuǎn)換器 控制，，相關(guān)的構(gòu)成圖。電壓控制器12利用來自所述直流電壓檢測器11 的電壓信號(Ed)與直流電壓指令值(Ed*)的偏差生成q軸電流指 令值(iq_cnv*)。接著，將來自所述輸入電流檢測器9a、 9b的檢測 信號變換為dq坐標(biāo)軸上的值，求出與各自的指令值(id一cn")、 (iq_cnv*)之間的偏差，并通過矢量控制器13算出dq軸上的指令 電壓。為了將輸入電流的無效電流成分最小化，使d軸電流指令值(id—cnv"為0。最后，利用dq軸的指令電壓和相位信息(0dc—cnv) 生成轉(zhuǎn)換器的三相電壓指令，并通過與來自載波發(fā)生器14的載波相 比較，輸出各PWM脈沖信號。
圖3示出所述轉(zhuǎn)換器，逆變器裝置中的控制部8內(nèi)的與"逆變器控 制"相關(guān)的構(gòu)成圖。與圖2的構(gòu)成相同，將來自所述輸出電流檢測器 10a、 10b的檢測信號變換為dq坐標(biāo)軸上的值，求出與各自的指令值
(id_inv*) 、 (iq_inv*)之間的偏差，并通過電流控制器15a、 15b 以及矢量控制器16算出dq軸的指令電壓。利用dq軸的指令電壓和 相位信息(edc—inv)，生成三相輸出電壓指令，并通過與來自載波發(fā) 生器17的載波相比較，輸出各PWM脈沖信號。
這里，將所述轉(zhuǎn)換器電路的PWM頻率設(shè)定為所述逆變器電路的 PWM頻率的2倍。由此，轉(zhuǎn)換器電路的PWM頻率高，故可以實(shí)現(xiàn) 所述紋波濾波器2和電抗器3的小型化并減小輸入電流紋波。另外， 為了減小切換損失，在轉(zhuǎn)換器電路的PWM控制中采用2相調(diào)制。該 2相調(diào)制方式是在基本波周期的1個周期期間中，在大致1/3個周期 期間不進(jìn)行l(wèi)相的切換的方式，其用于減小切換損失。
另外，該2相調(diào)制方式如圖4的上面部分所示，指令值的波形大 致正負(fù)對稱。
另外，逆變器電路的PWM控制可以采用3相調(diào)制或2相調(diào)制(線 間調(diào)制)。在本實(shí)施例中利用3相調(diào)制(模式化調(diào)制)進(jìn)行說明。
圖4中示出使用上述PWM調(diào)制方法時(shí)的轉(zhuǎn)換器電路的載波和1 相的指令值、以及逆變器電路的載波和1相的指令值波形。
在圖5中，示出使用上述PWM調(diào)制方法時(shí)的U)逆變器電路 的載波和逆變器的三相電壓指令；(b)從平滑電容器流向逆變器電 路的放電電流；(c)轉(zhuǎn)換器電路的栽波和轉(zhuǎn)換器的三相電壓指令； (d)從轉(zhuǎn)換器電路流向平滑電容器的充電電流；以及(e)流向平滑 電容器的充放電電流波形。
如圖5所示，來自轉(zhuǎn)換器電路的充電電流和流向逆變器電路的放 電電流利用PWM控制信號成為脈沖狀的電流。另外，從平滑電容器流向逆變器電路的放電電流脈沖對應(yīng)于逆變器電路的電壓指令的最 大值或最小值與載波的交點(diǎn)。同樣，從轉(zhuǎn)換器電路流向平滑電容器的 充電電流脈沖對應(yīng)于轉(zhuǎn)換器電路的電壓指令的最大值或最小值與載 波的交點(diǎn)。
如圖5所示，通過采用上述PWM控制方法，可以使兩個電流脈 沖(充電電流脈沖、放電電流脈沖)同步，因此可以減少流向平滑電 容器的充放電電流。由此，可以實(shí)現(xiàn)平滑電容器的小電容化和長壽命 化。
但是，在上述PWM控制方法中，有時(shí)會由于條件的原因而無法 使充電電流脈沖和放電電流脈沖始終同步。圖6中示出僅使用上述 PWM控制方法時(shí)的(a )逆變器電路的載波和逆變器電路的三相電壓 指令；(b)轉(zhuǎn)換器電路的載波和轉(zhuǎn)換器電路的三相電壓指令；(c) 從轉(zhuǎn)換器電路流向平滑電容器的充電電流；(d)從平滑電容器流向 逆變器電路的放電電流；以及(e)流向平滑電容器的充放電電流波形。
如圖6所示，在兩個電流脈沖同步時(shí)(右邊部分)，流向平滑電
容器的充放電電流小，而在不同步時(shí)(左邊部分)，流向平滑電容器
的充放電電流大。
這個問題起因于轉(zhuǎn)換器電路的PWM控制中的2相調(diào)制方式。在 2相調(diào)制方式中，相對于一個周期期間存在大致1/3個期間的中止切 換的期間。為了實(shí)現(xiàn)該"切換的中止"，使各相的電壓指令交互飽和。 在達(dá)到該飽和狀態(tài)的相轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，電流脈沖的相位發(fā)生變化，無法 取得流向平滑電容器的充放電電流脈沖的同步。
因此，為了使上述充電電流脈沖和放電電流脈沖始終同步，采用 在轉(zhuǎn)換器電路的2相調(diào)制的電壓飽和的轉(zhuǎn)換點(diǎn)(轉(zhuǎn)換作為2相調(diào)制方 式的特征的中止切換的相的點(diǎn))，將轉(zhuǎn)換器電路的PWM載波信號的 相位轉(zhuǎn)換180。的方法。
為了比較，在圖7中示出采用上述轉(zhuǎn)換方法的情況下的波形。與 圖6的電流波形相比可知，平滑電容器的充電電流脈沖和放電脈沖始終同步，并且流向平滑電容器的充放電電流變小。
作為改變在PWM控制中使用的載波信號的相位的方法，如圖8 所示，具有六個圖形。在圖8 (a)和(b)中，示出通過修正轉(zhuǎn)換器 電路的載波的相位(實(shí)際上是將微型計(jì)算機(jī)的PWM輸出計(jì)時(shí)器的周 期計(jì)數(shù)值設(shè)為0或?qū)ζ溥M(jìn)行預(yù)設(shè))，將相位轉(zhuǎn)換180。的方法。
在圖8 (c)和(d)中，示出通過縮短或延長轉(zhuǎn)換器電路的載波 的1個周期，來將相位轉(zhuǎn)換180。的方法(實(shí)際上是通過調(diào)整微處理器 的計(jì)時(shí)器或計(jì)數(shù)器的周期(縮短或延長)，來調(diào)節(jié)載波信號的周期)。
在圖8 (e)和(f)中，示出通過縮短或延長逆變器電路的栽波 的l個周期，來將相位轉(zhuǎn)換180。的方法。在實(shí)際的使用時(shí)，只要根據(jù) 控制電路的規(guī)格來選擇容易實(shí)現(xiàn)的圖形即可。可以每次選擇使用多個 圖形。
在將本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置適用于空調(diào)機(jī)的壓縮機(jī)電動機(jī) 驅(qū)動的情況下，通過將轉(zhuǎn)換器電路的三角波載波頻率設(shè)定為逆變器電 路的2倍，并將轉(zhuǎn)換器側(cè)設(shè)為上述的2相調(diào)制方式，來實(shí)現(xiàn)可以減小 平滑電容器電容的系統(tǒng)。這種情況下，轉(zhuǎn)換器的載波頻率是逆變器的 2倍，但是由于采用2相調(diào)制，故在1/3個期間中止切換，其結(jié)果成 為1.33倍(=2x2/3)的平均切換頻率。實(shí)際上，在轉(zhuǎn)換電壓飽和相 時(shí)，由于切換次數(shù)不同，因此可以考慮1.2-1.5倍左右的差異。
在本實(shí)施例中，將轉(zhuǎn)換器電路的三角波載波頻率設(shè)定為逆變器電 路的2倍，但是也可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用，與上述設(shè)定方法相反地將逆 變器電路的三角波載波頻率設(shè)定為轉(zhuǎn)換器電路的2倍。這種情況下， 若使上述的轉(zhuǎn)換器電路的逆變器電路的控制方法相反，則可以得到相 同的減少紋波電流的效果。 (第二實(shí)施例)
圖9中，作為本發(fā)明的第二實(shí)施例，示出電動機(jī)驅(qū)動用的轉(zhuǎn)換 器-逆變器裝置的另一個例子的構(gòu)成圖。在圖10中，作為本發(fā)明的產(chǎn) 品的最終形態(tài)的一個例子，示出將圖9的轉(zhuǎn)換器'逆變器裝置模塊化的 構(gòu)成。在控制部基板21上配置控制電路的電源、控制微型計(jì)算機(jī)、檢測電路、功率系統(tǒng)的開關(guān)元件(IGBT模塊)，若將其模塊化，則 可以實(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)可以削減裝置成本。
上述裝置與圖1示出的裝置的不同部分在于交流電流的檢測方 法。這里，代替直接檢測三相電流，通過分流電阻檢測轉(zhuǎn)換器電路和 逆變器電路的兩個母線電流，并在考慮到各變換器的開關(guān)狀態(tài)后，在 微型計(jì)算機(jī)內(nèi)分別進(jìn)行三相交流電流的再現(xiàn)處理。另外，圖9示出的 方法利用分流電阻檢測母線電流，但實(shí)際上并不局限于分流電阻，也 可以利用電流傳感器等。根據(jù)本實(shí)施方式，與第一實(shí)施例相比，可以 省略電流傳感器。
在上述電流檢測方法以外，其他的控制部分采用與第一實(shí)施例相 同的方法。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)換器·逆變器裝置，其特征在于，具有將交流變換為直流的轉(zhuǎn)換器電路，其結(jié)構(gòu)為輸入側(cè)經(jīng)由電抗器與三相交流電源相連接，在輸出側(cè)的直流端子之間連接有平滑電容器；連接在所述直流端子之間、并將直流變換為三相交流的逆變器電路；以及控制所述轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路的控制單元，其中，通過PWM、即脈寬調(diào)制來驅(qū)動所述轉(zhuǎn)換器電路和所述逆變器電路，并在所述轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路之間使所述PWM頻率同步，將所述轉(zhuǎn)換器或所述逆變器中的一方的PWM頻率設(shè)定成另一方的PWM頻率的2倍，并且使設(shè)定成2倍的電路的PWM調(diào)制方式為2相調(diào)制方式。
2. 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器*逆變器裝置，其特征在于， 2相調(diào)制方式是在基本波周期的1個周期期間中，設(shè)置在大致1/3個周期期間不進(jìn)行1相切換的期間的方式。
3. 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器*逆變器裝置，其特征在于， 將所述轉(zhuǎn)換器的PWM頻率設(shè)定為所述逆變器的PWM頻率的2倍。
4. 如權(quán)利要求l所述的轉(zhuǎn)換器，逆變器裝置，其特征在于， 在轉(zhuǎn)換作為2相調(diào)制方式的特征的中止切換的相時(shí)，與該轉(zhuǎn)換的定時(shí)一致地，將用于所述PWM的載波信號的相位改變180°。
5. 如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置，其特征在于， 所述將相位改變180。的載波信號是轉(zhuǎn)換器的載波信號。
6. 如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)換器*逆變器裝置，其特征在于， 作為用于所述PWM的載波信號的發(fā)生單元，利用微處理器的內(nèi)部計(jì)時(shí)器或計(jì)數(shù)器，并將所述計(jì)時(shí)器或計(jì)數(shù)器設(shè)置為0,或?qū)ζ溥M(jìn)行 預(yù)先設(shè)置。
7. 如權(quán)利要求l所述的轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置，其特征在于， 在轉(zhuǎn)換2相調(diào)制方式的中止切換的相時(shí)，與該轉(zhuǎn)換的定時(shí)相一致地，改變用于所述PWM的載波信號的周期。
8. 如權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置，其特征在于， 所述改變周期的載波信號是轉(zhuǎn)換器的載波信號。
9. 如權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置，其特征在于， 作為所述PWM載波信號的發(fā)生單元，利用微處理器的內(nèi)部計(jì)時(shí)器或計(jì)數(shù)器，并調(diào)整所述計(jì)時(shí)器或計(jì)數(shù)器的周期。
10. 如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)換器.逆變器裝置，其特征在于， 在轉(zhuǎn)換作為2相調(diào)制方式的特征的中止切換的相時(shí)，與該轉(zhuǎn)換的定時(shí)相一致地，改變用于逆變器的PWM的載波信號的周期。
11. 一種轉(zhuǎn)換器*逆變器裝置，其特征在于，具有 將交流變換為直流的轉(zhuǎn)換器電路，其結(jié)構(gòu)為輸入側(cè)經(jīng)由電抗器與三相交流電源相連接，在輸出側(cè)的直流端子之間連接有平滑電容 器；連接在所述直流端子之間、并將直流變換為三相交流的逆變器電 路；以及控制所述轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路的控制單元，其中，相對于切換所述逆變器電路的PWM脈沖的平均切換頻率，切換所述轉(zhuǎn)換器電路的PWM脈沖的平均切換頻率在1.2-1.5倍的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種轉(zhuǎn)換器·逆變器裝置，其可以實(shí)現(xiàn)直流部的平滑電容器的小電容化，并可以將轉(zhuǎn)換器部和逆變器部的載波頻率設(shè)置為不同的值。該轉(zhuǎn)換器·逆變器裝置具有將交流變換為直流的轉(zhuǎn)換器電路，其結(jié)構(gòu)為輸入側(cè)經(jīng)由電抗器與三相交流電源相連接，在輸出側(cè)的直流端子之間連接有平滑電容器；連接在直流端子之間、并將直流變換為三相交流的逆變器電路；以及控制轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路的控制單元，其中，通過PWM來驅(qū)動轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路，并在轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路之間使PWM頻率同步，將轉(zhuǎn)換器和逆變器中的一方的PWM頻率設(shè)定成另一方的PWM頻率的2倍，并且使設(shè)定成2倍的電路的PWM調(diào)制方式為2相調(diào)制方式。
文檔編號H02M5/00GK101286708SQ20081009090
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者巖路善尚, 李東升, 栗田佳明, 能登原保夫 申請人:日立空調(diào)·家用電器株式會社