本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種功率轉(zhuǎn)換裝置及其初始充電方法。

背景技術(shù)：

關(guān)于通過輸入變壓器從電源對(duì)逆變器進(jìn)行初始充電的方法，采用使用限流電阻器或限流電抗器的傳統(tǒng)方法。然而，從裝置的緊湊化和成本降低的觀點(diǎn)來看，采用了在不使用用于初始充電的這些部件的情況下接通電源以直接對(duì)逆變器進(jìn)行充電的方法。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利申請(qǐng)公開no.2004-266978

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題

然而，在接通電源以直接對(duì)逆變器進(jìn)行初始充電而不使用用于初始充電的上述部件的方法中，存在以下問題：在輸入變壓器的漏電感中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)將不小于輸入電壓的峰值的電壓施加到逆變器的平滑電容器，從而引起部件損壞。

本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，其目的在于提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置及其初始充電方法，其在接通電源以直接對(duì)逆變器進(jìn)行初始充電而不使用用于初始充電的部件的方法中，控制接通電源時(shí)的合閘相位角，以抑制直流電壓的過電壓，從而可以使用充電方法來防止過電壓引起的過度充電，并且可以解決與上述的部件損壞有關(guān)的問題。

解決問題的手段

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換裝置的特征在于包括：輸入變壓器，所述輸入變壓器將高壓電源的高壓電力轉(zhuǎn)換為逆變器設(shè)備所需的交流電力；斷路器，所述斷路器被設(shè)置在高壓電源與輸入變壓器之間，并且閉合或斷開用于將從高壓電源提供的高壓電力提供給輸入變壓器的電路；轉(zhuǎn)換器部分，所述轉(zhuǎn)換器部分將輸入變壓器所轉(zhuǎn)換的交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力；平滑電容器，所述平滑電容器對(duì)轉(zhuǎn)換器部分所轉(zhuǎn)換的直流電力進(jìn)行平滑；以及同步開關(guān)控制設(shè)備，所述同步開關(guān)控制設(shè)備檢測(cè)高壓電源的電壓的相位角，并且在檢測(cè)到的相位角達(dá)到規(guī)定的相位角的時(shí)刻控制閉合或斷開斷路器。

附圖說明

[圖1]用于說明根據(jù)本實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換裝置100的結(jié)構(gòu)的圖。

[圖2]示出輸入變壓器10的次級(jí)側(cè)等效電路和連接到輸入變壓器10的次級(jí)側(cè)端子的逆變器設(shè)備20的電路結(jié)構(gòu)的圖。

[圖3]用于說明圖2所示的功率轉(zhuǎn)換裝置100的逆變器設(shè)備20的初始充電的圖。

[圖4]圖3(3)所示的模型的仿真波形。

[圖5]示出當(dāng)“電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值>輸入電壓v2的峰值電壓值”時(shí)，在初始充電時(shí)電容器c的直流電壓vdc、電容器電壓vc和輸入電壓v2之間的關(guān)系的圖。

[圖6]示出當(dāng)“電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值＝輸入電壓v2的峰值電壓值”時(shí)，在初始充電時(shí)電容器c的直流電壓vdc、電容器電壓vc和輸入電壓v2之間的關(guān)系的圖。

[圖7]示出當(dāng)“電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值<輸入電壓v2的峰值電壓值”時(shí)，在初始充電時(shí)電容器c的直流電壓vdc、電容器電壓vc和輸入電壓v2之間的關(guān)系的圖。

[圖8]示出獲取根據(jù)本實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換裝置100中的最佳合閘相位角θ1的方法的圖。

[圖9]用于說明以在本實(shí)施例中設(shè)置的最佳合閘相位角θ1閉合斷路器1的操作的流程圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖來說明根據(jù)本實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換裝置100及其充電方法的操作。

實(shí)施例1

圖1是用于說明根據(jù)本實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換裝置100的結(jié)構(gòu)的圖。功率轉(zhuǎn)換裝置100由斷路器1、電壓互感器2、同步開關(guān)控制設(shè)備3、輸入變壓器10、逆變器設(shè)備20等構(gòu)成。

高壓電源連接到斷路器1的輸入端子，其輸出端連接到輸入變壓器10的初級(jí)側(cè)端子。此外，在本實(shí)施例中，將在下面說明其中高壓電源是單相交流電源的情況。

斷路器1閉合或斷開用于將從上述高壓電源提供的高壓電力提供給輸入變壓器10的電路。

輸入變壓器10的次級(jí)側(cè)端子連接到逆變器設(shè)備20的輸入端子，逆變器設(shè)備20構(gòu)成根據(jù)本實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換裝置100。

同步開關(guān)控制設(shè)備3檢測(cè)高壓電源的電壓的相位角，并且在相位角達(dá)到規(guī)定的相位角的時(shí)刻控制斷路器1的閉合或斷開。因此，將從高壓電源提供的高壓電力經(jīng)由輸入變壓器10提供給逆變器設(shè)備20或者從逆變器設(shè)備20斷開。

輸入變壓器10將高壓電源的電壓變換為低壓電源的電壓。以這種方式變換的電力被提供給逆變器設(shè)備20。

逆變器設(shè)備20向未示出的負(fù)載提供所需的電力。

圖2示出了輸入變壓器10的次級(jí)側(cè)等效電路以及連接到相關(guān)的輸入變壓器10的次級(jí)側(cè)端子的逆變器設(shè)備20的電路結(jié)構(gòu)。

逆變器設(shè)備20被配置為具有轉(zhuǎn)換器部分21、平滑電容器c1、c2以及逆變器部分22。

轉(zhuǎn)換器部分21由多個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成，并且將從輸入變壓器10的次級(jí)側(cè)端子提供的交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力。構(gòu)成轉(zhuǎn)換器部分21的各個(gè)開關(guān)器件的柵極端子連接到控制器30，并且由相關(guān)控制器30控制，并且由此產(chǎn)生直流電力。

平滑電容器c1、c2是用于平滑由轉(zhuǎn)換器部分21產(chǎn)生的直流電力的電容器，并且因此使用具有大電容的電容器。當(dāng)上述轉(zhuǎn)換器部分21將交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力時(shí)，構(gòu)成相關(guān)轉(zhuǎn)換器部分21的多個(gè)開關(guān)器件被切換，從而產(chǎn)生電壓紋波。相關(guān)的平滑電容器c1、c2用于平滑電壓紋波。

逆變器部分22以與轉(zhuǎn)換器部分21相同的方式由多個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成，并且將從轉(zhuǎn)換器部分21輸出的直流電力轉(zhuǎn)換為交流電力。構(gòu)成逆變器部分22的各個(gè)開關(guān)器件的柵極端子連接到控制器30，并且由相關(guān)控制器30控制，并且由此產(chǎn)生負(fù)載所需的交流電力。此外，可以通過控制構(gòu)成相關(guān)逆變器部分22的開關(guān)器件、根據(jù)負(fù)載基本上產(chǎn)生具有可選頻率的交流電力。

圖3是用于說明圖2所示的功率轉(zhuǎn)換裝置100的逆變器設(shè)備20的初始充電的圖。圖3(1)是輸入變壓器10的次級(jí)側(cè)等效電路的圖和逆變器設(shè)備20的主要部分的電路圖。

圖3(2)是其中以上述圖3(1)為模型的情況的等效電路圖。r[ω]是輸入變壓器10的次級(jí)繞組電阻和被轉(zhuǎn)換為次級(jí)側(cè)的初級(jí)繞組電阻的和。l[h]是輸入變壓器10的次級(jí)側(cè)漏電感和被轉(zhuǎn)換為次級(jí)側(cè)的初級(jí)側(cè)漏電感的和。結(jié)果，被轉(zhuǎn)換為輸入變壓器10的次級(jí)側(cè)的總阻抗zl可以由下面描述的數(shù)學(xué)表達(dá)式(1)來表示。

zl＝r+j·ω·l…(1)

此外，可以使用二極管電橋21a來表示轉(zhuǎn)換器部分21。

圖3(3)是其中通過省略上述圖3(2)所示的二極管電橋21a來簡(jiǎn)化圖3(2)的情況的等效電路圖。輸入變壓器10的次級(jí)端電壓v2可以使用該等效電路由下述數(shù)學(xué)表達(dá)式(2)來表示。

v2＝v2m·sin(ωl+θ)

＝l·(di/dt)+r·i+(1/c)·∫i(dt)…(2)

流過電容器c的電荷q與電容器c的電壓vc之間的關(guān)系由數(shù)學(xué)表達(dá)式(3-1)來表示，流過電容器c的電流i由下述數(shù)學(xué)表達(dá)式(3-2)來表示。

q＝c·vc…(3-1)

vc＝q/c

＝(1/c)·∫i(dt)

i＝c·(dvc/dt)…(3-2)

將數(shù)學(xué)表達(dá)式(3-2)代入數(shù)學(xué)表達(dá)式(2)中，由此得到下述數(shù)學(xué)表達(dá)式(4)。

v2＝l·c·(d²vc/dt²)+r·c·(dvc/dt)+vc…(4)

數(shù)學(xué)表達(dá)式(4)表示在電阻器r、電感l(wèi)和電容器c彼此串聯(lián)的情況下與電容器c的電壓vc相關(guān)的微分方程式，并且該微分方程式的解是穩(wěn)定電壓vc1和瞬變電壓vc2的和，由下述數(shù)學(xué)方程式(5)來表示。

vc＝vc1(穩(wěn)定電壓)+vc2(瞬變電壓)…(5)

穩(wěn)定電壓vc1表示與輸入電壓v2同步的振動(dòng)電壓。另一方面，瞬變電壓vc2是在振動(dòng)時(shí)衰減的電壓。電容器電壓vc由作為上述穩(wěn)定電壓vc1和瞬變電壓vc2之和的電壓來表示，并由下述數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)來表示。

vc＝vc1(穩(wěn)定電壓：a1·sin(ωt+x+y+θ))+vc2(瞬變電壓：e^αt·(a2·cos(βt+x+θ)+a3·cos(βt-y–θ)))…(6)

數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)中所示的a1、x、y、θ、α、β由下述數(shù)學(xué)表達(dá)式(7)來表示。

x＝tan^-1(ω-β)/α,y＝tan^-1(ω+β)/α

此外，數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)表示電容器電壓vc，并且根據(jù)該數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)顯而易見的是，電容器電壓vc是稍后說明的電源合閘相位角(以下稱為合閘相位角)θ的函數(shù)，并且合閘相位角θ變化，由此電容器電壓vc變化。在稍后說明的圖5-圖8等的說明中，由于上述原因，電容器電壓vc表示取決于合閘相位角θ的不同電壓值。

圖4示出了圖3(3)所示的模型的仿真波形。仿真條件如下所述。

v2＝894[vrms]

r＝44.9[mω]

l＝1.29[mh]

c＝3200[μf]

f＝50[hz]

θ＝0°

圖4(1)示出了在上述仿真條件時(shí)由數(shù)學(xué)表達(dá)式(4)表示的電容器電壓vc的電壓波形，并且成為如上所述的作為穩(wěn)定電壓vc1和瞬變電壓vc2之和的電壓的波形。

圖4(2)示出了在上述仿真條件時(shí)由數(shù)學(xué)表達(dá)式(2)表示的輸入電壓v2和由數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)表示的穩(wěn)定電壓vc1。

圖4(3)示出了在上述仿真條件時(shí)由數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)表示的瞬變電壓vc2。

圖4(4)是緊接在開始充電之后圖4(1)所示的電容器電壓vc的電壓波形的放大圖。稍后將描述關(guān)于圖4(4)的說明。

圖5是示出在下述條件下在初始充電時(shí)電容器c的直流電壓vdc、電容器電壓vc和輸入電壓v2之間的關(guān)系的圖。

條件：電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值>輸入電壓v2的峰值電壓值

通過構(gòu)成二極管電橋的整流器二極管的操作，當(dāng)初始充電時(shí)的直流電壓vdc等于電容器電壓vc時(shí)，在這種情況下的初始充電時(shí)的電容器c的直流電壓vdc變?yōu)榘氩ǚ逯惦妷褐?，并且由于直流電壓vdc保持不變，所以直流電壓vdc變?yōu)榇笥谳斎腚妷簐2的峰值的電壓。

作為此時(shí)的輸入電流i，充電電流僅在上述初始充電時(shí)間流動(dòng)，但之后(t1或以后)，由于輸入電壓v2變?yōu)椴淮笥陔娙萜鱟的直流電壓vdc，輸入電流i不流動(dòng)。

圖6是示出在下述條件下在初始充電時(shí)電容器c的直流電壓vdc、電容器電壓vc和輸入電壓v2之間的關(guān)系的圖。

條件：電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值＝輸入電壓v2的峰值電壓值

通過構(gòu)成二極管電橋的整流器二極管的操作，當(dāng)初始充電時(shí)的直流電壓vdc等于電容器電壓vc時(shí)，在這種情況下的初始充電時(shí)的電容器c的直流電壓vdc變?yōu)榘氩ǚ逯惦妷褐?，并且由于直流電壓vdc保持不變，所以直流電壓vdc變?yōu)閹缀醯扔谳斎腚妷簐2的峰值。

作為此時(shí)的輸入電流i，以與圖5的情況相同的方式，充電電流僅在上述初始充電時(shí)間流動(dòng)，但之后(t2或以后)，由于輸入電壓v2變?yōu)椴淮笥陔娙萜鱟的直流電壓vdc，輸入電流i不流動(dòng)。

圖7是示出在下述條件下在初始充電時(shí)電電容器c的直流電壓vdc、容器電壓vc和輸入電壓v2之間的關(guān)系的圖。

條件：電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值<輸入電壓v2的峰值電壓值

在這種情況下，初始充電時(shí)的電容器c的直流電壓vdc被一次充電至電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值(時(shí)刻t3)，并且當(dāng)輸入電壓v2的絕對(duì)值變?yōu)椴恍∮诔跏汲潆姇r(shí)的電容器c的直流電壓vdc時(shí)(時(shí)刻t3-t4)被再次充電。由于該充電對(duì)應(yīng)于圖7中電壓vdc和vc具有初始電壓的情況，所以直流電壓vdc最終被充電至大于輸入電壓v2的峰值的值。

此外，在時(shí)刻t3-t4期間，輸入電壓v2顯示為負(fù)電壓，但是由于通過上述二極管電橋的操作，相對(duì)于電容器c恒定地在一個(gè)方向上將輸入電壓v2轉(zhuǎn)換為電壓，當(dāng)輸入電壓v2的絕對(duì)值超過直流電壓vdc時(shí)，電容器c2成為由相關(guān)的輸入電壓v2充電。

圖8是示出獲取根據(jù)本實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換裝置100中的最佳合閘相位角θ1的方法的圖。在此，圖8是其中計(jì)算了初始充電時(shí)的電容器電壓vc和電容器c的直流電壓vdc與輸入電壓v2的合閘相位角θ[°]的關(guān)系的圖。

通過上述說明發(fā)現(xiàn)，直流電壓vdc變?yōu)樽畹椭档那闆r是圖6所示的情況，其中電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值＝輸入電壓v2的峰值電壓值。電容器電壓vc的第一半波電壓值根據(jù)電源合閘相位角θ而變化。因此，電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值＝輸入電壓v2的峰值電壓值的情況下的θ成為最佳合閘相位角θ1。

由于難以通過分析獲取最佳合閘相位角θ1，所以在θ的范圍(0°≤θ≤180°)內(nèi)使用上述數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)針對(duì)合閘相位角θ的每5°來計(jì)算電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值，并且根據(jù)圖8所示的曲線圖獲取最佳合閘相位角θ1。另外，仿真條件如下所述。

v2＝894[vrms]

r＝44.9[mω]

l＝1.29[mh]

c＝3200[μf]

f＝50[hz]

θ＝0°-180°

在本實(shí)施例的情況下，使用上述數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)計(jì)算的在各個(gè)合閘相位角θ時(shí)的電容電壓vc的第一半波峰值電壓值與輸入電壓v2的峰值電壓值的交叉點(diǎn)(時(shí)刻t5)成為最佳合閘相位角θ1。在圖中所示的示例的情況下，最佳合閘相位角θ1為103°。具體說明如下。

輸入電壓v2的峰值電壓值與通過繪制電容器電壓vc的第一半波(θ＝0°-180°)的峰值電壓值而獲得的曲線圖的交叉點(diǎn)(時(shí)刻t5)的相位角θ1成為最佳合閘相位角。在本實(shí)施例的情況下，如上所述，最佳合閘相位角θ1為103°。

圖9是用于說明用于在本實(shí)施例中設(shè)置的最佳合閘相位角θ1下閉合斷路器1的操作的流程圖。

首先，將輸入電壓v2的峰值電壓值v2m[v]、輸入變壓器10的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的總次級(jí)側(cè)轉(zhuǎn)換繞組電阻r[ω]、輸入變壓器10的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的總漏電感l(wèi)[h]、電容器c[f]、電源頻率f[hz]代入上述數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)中，并且從0°至180°以每5°-10°的間隔改變合閘相位角θ[°]，以獲得在各個(gè)合閘相位角θ[°]處的電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值(s1)。此外，合閘相位角θ[°]表示數(shù)學(xué)表達(dá)式(6)中的θ[°]。

接下來，繪制其中橫軸表示合閘相位角θ、縱軸表示電容器電壓vc的第一半波峰值電壓值的圖，獲取與輸入電壓v2的峰值電壓值的交叉點(diǎn)。交叉點(diǎn)的合閘相位角θ為最佳合閘相位角θ1(s2)。

接下來，使用同步開關(guān)控制設(shè)備3，在最佳合閘相位角θ1閉合被連接到輸入變壓器10的初級(jí)側(cè)的斷路器1。在接收到閉合命令之后，同步開關(guān)控制設(shè)備3依據(jù)諸如斷路器1的溫度和控制電壓之類的狀態(tài)通過添加閉合操作時(shí)間和延遲時(shí)間來閉合斷路器1(s3)。

在上述處理之后，斷路器1以最佳合閘相位角θ1閉合，并且將輸入電壓v2提供給輸入變壓器10。

如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，可以防止由超過輸入電壓v2的直流電壓vdc引起的過度充電，從而可以提供能夠解決“本發(fā)明要解決的問題”的功率轉(zhuǎn)換裝置及其初始充電方法。

實(shí)施例2

已經(jīng)描述了關(guān)于向斷路器1供電的高壓電源是單相交流電源的情況的實(shí)施例1。然而，本發(fā)明可以應(yīng)用于上述高壓電源是u相、v相、w相的三相交流電源的情況下的功率轉(zhuǎn)換裝置，其被提供有用于u相、v相、w相中的每一相的在實(shí)施例1中所述的斷路器1、輸入變壓器10、逆變器設(shè)備20、同步開關(guān)控制設(shè)備3和控制器30。

在這種情況下，上述同步開關(guān)控制設(shè)備3針對(duì)u相、v相、w相中的每一相檢測(cè)高壓電源的電壓的相位角，并且控制在達(dá)到每一相的規(guī)定相位角的時(shí)刻閉合或斷開為上述相中每一相提供的斷路器1。

斷路器1的控制方法與實(shí)施例1相同。即，被連接到輸入變壓器10的初級(jí)側(cè)的斷路器1以每一相的上述最佳合閘相位角θ1閉合。

在上述處理之后，斷路器1以最佳合閘相位角θ1閉合，并且將輸入電壓v2提供給輸入變壓器10。

如上所述，根據(jù)本實(shí)施例2，可以防止由超過輸入電壓v2的直流電壓vdc引起的過度充電，從而可以提供能夠解決“本發(fā)明要解決的問題”的功率轉(zhuǎn)換裝置及其初始充電方法。

符號(hào)說明

1斷路器

2電壓互感器

3同步開關(guān)控制設(shè)備

10輸入變壓器

20逆變器設(shè)備

21轉(zhuǎn)換器部分

22逆變器部分

30控制器

100功率轉(zhuǎn)換裝置