專利名稱：高頻鏈電源換流設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與根據(jù)用作高頻電源的進(jìn)相電容器上的電壓進(jìn)行自然換向的變頻鏈電源換流設(shè)備有關(guān)。
本發(fā)明申請人提出過一種交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器(日本專利申請No.61-165028，相應(yīng)于1988年7月26日頒發(fā)的美國專利No.4，760，321)可以作為高頻鏈電源換流設(shè)備的一個(gè)應(yīng)用范例。
在這種交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器中，二個(gè)循環(huán)換流器由加在用作高頻電源的進(jìn)相電容器上的電壓進(jìn)行自然轉(zhuǎn)向，第一個(gè)循環(huán)換流器控制由交流電源提供的輸入電流，使加在進(jìn)相電容器上的電壓峰值保持在一個(gè)恒定的電平上。第二個(gè)循環(huán)換流器利用進(jìn)相電容器作為高頻電源完成頻率轉(zhuǎn)換，向交流電動(dòng)機(jī)提供電壓可變、頻率可變的正弦電流。
在上述設(shè)備中，由交流電源提供的輸入電流能控制成具有與電源電壓同相的正弦波形，因此運(yùn)行可以達(dá)到輸入功率因子等于1，并且并且沒有多少高次諧波。供給交流電動(dòng)機(jī)的電流能夠控制成具有正弦波形，使電動(dòng)機(jī)能毫無轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行。此時(shí)，最高輸出頻率可以高達(dá)數(shù)百赫茲。因此就能提供一種高速大功率的可變速交流電動(dòng)機(jī)。
然而上述日本專利申請的高頻鏈電源換流設(shè)備具有下列問題。
原則上，在上述日本專利申請的設(shè)備中第一循環(huán)換流器的循環(huán)電流自然增大或減小，以使加在進(jìn)相電容器上的電壓的頻率和相位與供給該循環(huán)換流器的相位控制器的基準(zhǔn)信號(高頻3相電源電壓)的頻率和相位一致。然而實(shí)際上，由于電路的損耗或其它類似原因，加在進(jìn)相電容器上的電壓與基準(zhǔn)電壓之間會(huì)出現(xiàn)相位差。結(jié)果，實(shí)際加在每個(gè)換流器輸入端的電壓就會(huì)與確定換流器觸發(fā)相位的相位基準(zhǔn)電壓不一致，使換流器產(chǎn)生不了需要的輸出電壓。這樣，相位輸入信號相應(yīng)有可偏離，可控范圍變差，使電源控制成為非線性和飽和。
當(dāng)高頻鏈電源換流設(shè)備的負(fù)載突然改變時(shí)，加在進(jìn)相電容器上的電壓相位隨基準(zhǔn)電壓變化，但這種變化衰減的速度在以上日本專利申請的預(yù)備中是很緩慢的。此時(shí)，由于加在進(jìn)相電容器上的電壓相位的這種變化以及過流等使自然換向發(fā)生換向故障，換向故障會(huì)對器件產(chǎn)生不良影響。
本發(fā)明的目的提供一種高頻鏈電源換流設(shè)備。在這種設(shè)備中，由于使加在用作高頻電源的進(jìn)相電容器上的電壓相位穩(wěn)定和將該電容器電壓與基準(zhǔn)電壓間的相位差抑制到最小值擴(kuò)展自然換向的換向極限，因此能夠獲得很寬的相位可控范圍。
上述目的能用一種高頻鏈電源換流設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)備的組成為一個(gè)直流或交流電源;一個(gè)具有與電源相接的輸出端的循環(huán)電流型循環(huán)換流器;一個(gè)與循環(huán)換流器輸入端相接的高頻進(jìn)相電容器;一個(gè)用來控制循環(huán)換流器觸發(fā)相位的相位控制器，一個(gè)供給相位控制器相位基準(zhǔn)信號和外振蕩器;用來控制加在進(jìn)相電容器上的電壓峰值的裝置;用來檢測外振蕩器供給的基準(zhǔn)信號與加在進(jìn)相電容器上的電壓之間的相位差的裝置;以及用來控制檢測到的相位差的裝置。
循環(huán)電流型循環(huán)換流器根據(jù)加在進(jìn)相電容器上的電壓進(jìn)行自然換向。通過用循環(huán)換流器調(diào)整由直流或交流電源供給的電流的方法將加在進(jìn)相電容器上的電壓峰值控制成大體不變。再者，用來控制循環(huán)換流器觸發(fā)相位的相位控制器被加有來自外振蕩器的相位基準(zhǔn)信號。這樣，加在進(jìn)相電容器上的電壓的頻率和相位就能改變成與基準(zhǔn)信號的頻率和相位一致。然而實(shí)際上，由于電路的損耗或其它類似的原因，加在進(jìn)相電容器上的電壓與基準(zhǔn)電壓之間會(huì)有相位差。將這個(gè)相位差檢測出來，再根據(jù)所檢測出的相位差調(diào)整循環(huán)換流器的循環(huán)電流，使這相位差減小到零。
當(dāng)負(fù)載(如用來驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)的第二循環(huán)換流器之類)接到進(jìn)相電容器時(shí)，如果負(fù)載突然改變，加到進(jìn)相電容器上的電壓的峰值、頻率、和/或相位就會(huì)有起伏的趨勢。然而此時(shí)峰值控制裝置使電壓幅度保持不變，而相位差控制裝置使電壓的頻率和相位保持穩(wěn)定。
這樣，每個(gè)換流器的相位控制就非常穩(wěn)定，不會(huì)再發(fā)生什么換向故障，因此就能獲得很寬的相位控制范圍。


圖1為說明按本發(fā)明的高頻鏈電源換流設(shè)備的一個(gè)具體裝置的電路圖，圖2為用來說明圖1所示設(shè)備起動(dòng)工作的等效電路圖;
圖3A和3B為用來說明圖1所示設(shè)備工作的時(shí)間波形圖;
圖4A和4B為用來說明圖1所示設(shè)備工作的另二個(gè)時(shí)間波形圖;
圖5為說明圖1所示設(shè)備工作的另一個(gè)等效電路圖;
圖6為展示用于圖1設(shè)備中的相位差檢測器(SITA)的一個(gè)例子的電路圖;
圖6A展示了相位差檢測器(SITA)的另一個(gè)例子;
圖6B為說明圖6A檢測器工作的時(shí)間波形圖;
圖7為說明按本發(fā)明電源換流設(shè)備控制電路的另一個(gè)具體裝置的電路圖;
圖8為說明按本發(fā)明電源換流設(shè)備的另一個(gè)具體裝置的電路圖;
圖9為說明按本發(fā)明電源換流設(shè)備的又一個(gè)具體裝置的電路圖;以及圖10為說明按本發(fā)明電源換流設(shè)備的再一個(gè)具體裝置的電路圖。
圖1為說明按本發(fā)明高頻鏈電源換流設(shè)備的一個(gè)具體裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖1中，SUP可標(biāo)為直流電源，Ls為直流電抗器，cc為循環(huán)電流型循環(huán)換流器，CAP為進(jìn)相電容器，而LOAD為負(fù)載裝置。
循環(huán)電流型循環(huán)換流器CC包括至組合換流器SSp，負(fù)組合換流器SSN，以及作流電抗器L01和L02。
再者，電流變換器CTs，電位變換器PTcap，整流器D，相位差檢測器SITA，比較器C1至C4，加法器A1和A2，電壓控制補(bǔ)償器GV(S)，輸入電流控制補(bǔ)償器GI(S)，循環(huán)電流控制補(bǔ)償器GO(S)，相位差控制補(bǔ)償器HO(S)，反相放大器INV，相位控制器PHP和PHN，以及外振蕩器OSC用來構(gòu)成控制電路。
循環(huán)電流型循環(huán)換流管CC控制由直流電源SUP所供給的電流Is，使得加在進(jìn)相電容器CAP上的電壓Va，Vb和Vc的峰值Vcap保持不變。
作為例子，負(fù)載裝置LOAD是一個(gè)用來驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的循環(huán)換流器，該循環(huán)換流器的作用是向?qū)⒏哳l進(jìn)相電容器用作了相電源的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)電壓可變，頻率可變的交流電源。
現(xiàn)在來解釋在圖1具體裝置中實(shí)現(xiàn)的各個(gè)控制過程。
首先，解釋一下通約負(fù)組合轉(zhuǎn)流器SSN在相進(jìn)電容器上的電壓建立過程。
圖2為說明直流電源，負(fù)組合換流器SSN，相進(jìn)電容器Cab，Cbc和Cca以及直流電抗器Ls之間關(guān)系的等效電路。
在圖2的電路中，當(dāng)觸發(fā)脈沖輸入到可控硅S2和S4時(shí)，充電電流流過的路徑為電源V
→電抗器Ls→可控硅S4→電容器Cab→可控硅S2→電源V-s，另一路徑為電源Vs→電抗器Ls→可控硅S4→電容器Cca→電容器Cbc→可控硅S2→電源V-s。這樣，充在電容器Cab上的是電源電壓Vs，而在電容器Cbc和Cca上加有一Vs/2的電壓。
圖3A示出了負(fù)組合換流器SSN的可控硅S1至S6的觸發(fā)方式。在這種方式中，觸發(fā)脈沖是5來自圖1所示外振蕩器OSC的3相基準(zhǔn)信號ea，eb，和ec同步給出。在建立圖2所示的狀態(tài)后，一個(gè)觸發(fā)脈沖加到可控硅S3。這樣，由于電容器Cbc上充有電壓，可控硅S2上就加有一個(gè)負(fù)偏壓，因此可控硅S2就截止了。也就是說在起動(dòng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)相電容器CAP起著換向電容器的作謾５笨煽毓鑃4和S3接通時(shí)，加在電容器Cab，Cbc和Cca上的電壓有了改變。
圖3B示出了端點(diǎn)a和b之間的電壓Va-b以及在圖3A這種觸發(fā)方式下的相位電壓Va的波形。由于電壓Va-b是通過電抗Ls充上的，因此是逐漸上升的，如圖3B中虛線所示。該上升時(shí)間為2δ，則Va-b的基波分量延伸了δ。并且，相位電壓Va相對于線電壓Va-b遲延了(π/6)弧度。
參照圖3A和3B的觸發(fā)方式和相位電壓Va就很容易理解相位控制角αN能表示成αN≌π-δ(弧度)(1)由于δ并不怎么大，可以認(rèn)為該工作過程是在αN＝180°下實(shí)現(xiàn)。該圖2中箭頭所指方向?yàn)檎瑒t換流器SSN的輸出電壓VN能表示成VN＝-Kv·Vcap·CosαN(2)其中Kv為比例常數(shù)，Vcap為電容器CAP上相位電壓的峰值。
輸出電壓VN與電源電壓Vs相等。然而，在這個(gè)條件下，進(jìn)相電容器CAP上的電壓充不到高于電源電壓Vs，為了增加電容器電壓Vcap將觸發(fā)相位角αN向90°稍加移動(dòng)。這樣由方程(2)所表示的輸出電壓VN就會(huì)減小，因此Vs＞VN。其結(jié)果是充電電流Is增加以增加電容器電壓Vcap。當(dāng)Vs＝VN時(shí)Vcap達(dá)到穩(wěn)定。為了進(jìn)一步增加電容器電壓Vcap，將αN再向90°移動(dòng)，以減小輸出電壓VN。
當(dāng)αN＝90°時(shí)，VN＝0，因此理論上是能夠用很低的電源電壓將電容器電壓Vcap充到一個(gè)很高的電壓。然而實(shí)際上由于電路損耗不可避免，總要提供與電路損耗相應(yīng)的能量。
用這種方法，進(jìn)相電容器CAP上的電壓能充到所要求的電壓電平。
現(xiàn)在來解釋用上述方式所確定的進(jìn)相電容器CAP上的電壓Va，Vb和Vc在頻率和相位上與供給圖1所示的相位控制器PHP和PHN的3相基準(zhǔn)電壓ea，eb和ec一致的過程。
為了控制由電源供給的輸入電流Is，循環(huán)換流器CC按照電源電壓Vs改變輸出電壓Vcs。循環(huán)換流器CC的輸出電壓Vcs等于正組合換流器SSP輸出電壓Vp和負(fù)組合換流器SSN輸出電壓VN的平均值，表示為Vcs＝(VP+VN)/2(3)此外，當(dāng)正組合換流器的輸出電壓與負(fù)組合換流器的輸出電壓之間的差值(VP-VN)加到直流電抗器L01和L02上的時(shí)候，引起循環(huán)電流Io的流動(dòng)。即當(dāng)VP＞VN時(shí)I0增加。而當(dāng)VP＜VN時(shí)I0減小。
一般說來，VP＝VN，因此循環(huán)電流I0不會(huì)變化。此時(shí)，觸發(fā)相位角滿足以下條件αN≌180°-2P(4)圖4A和4B示出了正組合換流器和負(fù)組合換流器的觸發(fā)脈沖信號以及相位控制基準(zhǔn)信號ea，eb和ec，其中2P＝45°而αN＝135°。
由外振蕩器POSC所供給的基準(zhǔn)信號ea，eb和ec表示為ea＝Sin(ωc·t)(5)eb＝Sin(ωc·t-2π/3)(6)ec＝Sin(ωc·t+2π/3)(7)其中ωc＝2πfc為變頻角頻率，而fc例如選為大致1千赫。
在進(jìn)相電容器CAP的電壓Va，Vb和Vc在頻率上和相位上分別與基準(zhǔn)電壓ea，eb和ec一致的情況下，換流器SSP和SSN的輸出電壓表示為VP＝K·Vcap·Cos2P(8)VN＝-K·Vcap·Cos2P(9)因此，如果方程(2)滿足，則就有VP≌VN，從而循環(huán)電流I0就不會(huì)發(fā)生變化。
設(shè)想電容器電壓的頻率fcap降低了，而所得到的電壓Va′，Vb′和Vc′如圖44中虛線所示的情況。
換流器SSP的觸發(fā)相位角從2P改變?yōu)?P′，而換流器SSN的觸發(fā)相位角從αN改變?yōu)棣罭′。結(jié)果，VP＞VN，從而循環(huán)換流器CC的循環(huán)電流I0就增加。
就從進(jìn)相電容CAP來看，循環(huán)電流I0成為循環(huán)換流器CC輸入側(cè)的有遲延的無功源。
圖5示出了與在循環(huán)換流器CC輸入側(cè)的1相電路相應(yīng)的等效電路，循環(huán)換流器CC用提供遲延電流的可變電感器Lcc來代替。該電路的諧振頻率fcap為fcap＝1/(2πL cc Cc a p]]>) (10)循環(huán)電流的增加可以看作為等于等效電感Lcc的減小。因此，電壓Va′，Vb′和Vc′的頻率fcap增加，成為更接近基準(zhǔn)電壓ea，eb和ec的頻率fc。
類似地，當(dāng)fcap＞fc時(shí)，循環(huán)電流I0減小，而Lcc增加，在fcap＝fc時(shí)達(dá)到穩(wěn)定條件。
在進(jìn)相電容器CAP電壓相位落后于基準(zhǔn)電壓相位的情況下，猶如在fcap＜fc的情況一樣循環(huán)電流增大，從而使進(jìn)相電容器CAP電壓相位提前。反之，在進(jìn)相電容CAP電壓相位超前于基準(zhǔn)電壓相位的情況下，猶如在fcap＞fc的情況一樣循環(huán)電流減小小，從而使進(jìn)相電容器CAP電壓相位滯后。就這樣，自動(dòng)調(diào)整循環(huán)電流的幅度，使進(jìn)相電容CAP確電壓Va，Vb和Vc在頻率上和在相位上調(diào)整到等于基準(zhǔn)電壓ea，eb和ec。
然而，實(shí)際上由于電路損耗加在進(jìn)相電容器CAP上的電壓Va，Vb和Vc的相位要滯后于基準(zhǔn)電壓ea，eb和ec的相位。如果滯后角為θ，則電容器電壓Va，Vb和Vc表示為;
Va＝VcapSin(ωc·t-θ)(11)Vb＝VcapSin(ωc·t-θ+2π/3)(12)Vc＝VcapSin(ωc·t-θ-2π/3)(13)其中Vcap為電容器CAP上電壓的峰值。
現(xiàn)在參照圖1來說明控制加壓進(jìn)相電容器CAP上電壓Va，Vb和Vc的峰值Vcap的過程以及控制相位角θ的過程。
首先，如下控制輸入電流Is輸入電流Is從電流變換器CTs饋到比較器C2，與指令值Is＊進(jìn)行比較，而偏差εI＝I＊S-Is輸入到控制補(bǔ)償器GI(S)的輸入電路。為了說明簡要起見，GI(S)僅起反向比例因子-KI作用。GI(S)的輸出信號eGI通過加法器A1送到正組合換流器SSP的相位控制器PHP。此外，GI(S)的輸出信號eGI還通過反向放大器INV和加法器A2送到責(zé)組合換流器SSN的相位控制器PHN。此時(shí)，如果循環(huán)電流控制補(bǔ)償器G0(S)的輸出信號eGo足夠小，相位控制器PHP和PHN的輸入電壓V2P和V2N可以表示為VαP≌-KI·εI(14)Vαα≌KI·εI(15)這樣，利用比例因子Kc，正組合換流器和負(fù)組合換流器的輸出電壓表示為VP＝Kc·VαP≌-Kc·KI·εI(16)VN＝-Kc·Vαα≌VP(17)當(dāng)Is＊＞Is時(shí)，偏差εI為正，使VP和VN減小。因此，加在電抗器Ls上的電壓Vs-(VP+VN)/2為正，使輸入電流Is增大。
反之，當(dāng)Is＊＜Is時(shí)，偏差εI為負(fù)，使VP和VN增加，從而使輸入電流Is減小。當(dāng)Is＝Is＊時(shí)過程成為穩(wěn)定。
其次，說明控制加在進(jìn)相電容器上電壓峰值的過程。
加在進(jìn)相電容器CAP上電壓Va，Vb，和Vc的瞬時(shí)值由3相電位變換器PTcap檢測。檢測到的值由整流器D整流的確定峰值Vcap。
可檢測的峰值Vcap輸入到比較器C1，與峰值指令Vcap＊比較。偏差εV＝Vcap＊-Vcap輸入到隨后的電壓控制補(bǔ)償器GV(S)，進(jìn)行比較放大或積分。GV(S)的輸出用作控制輸入電流Is的指令值Is＊。
當(dāng)Vcap＊＞Vcap時(shí)，偏差εV為正，通過GV(S)饋出，以增大電流指令值Is＊的大小。如前所述，輸入電流Is被控制到與指令值Is＊一樣。因此，Is增大，有效功率Ps＝Vs·Is由電源SUP饋送到進(jìn)相電容器CAP。這樣，電容器中所累的能量(1/2)Ccap·(Vcap)2＝Ps·t增加。從而電壓峰值就增大。
反之，當(dāng)Vcap＊＜Vcap時(shí)，偏差εV為負(fù)，通過GV(S)饋出，以減小電流指令值Is＊。當(dāng)偏差εV變?yōu)橐粋€(gè)大的負(fù)值時(shí)，Is＊可以成為負(fù)的。結(jié)果，有效功率Ps成為負(fù)的，從而電容器中積累的能量返回給電源SUP，因此使Vcap減小?？刂七^程一直進(jìn)行以使最終達(dá)到Vcap＝Vcap＊。
如上所述，進(jìn)相電容器CAP的電壓峰值Vcap被控制到與指令值Vcap＊一致。
下面說明控制值循環(huán)換流器中循環(huán)電流的過程。
利用正組合換流器和負(fù)組合換流器的輸出電流Ip和IN可以得到循環(huán)換流器CC的循環(huán)電流I0，為I0＝(IP+IN-｜IP-IN｜)/2 (18)因此所得的循環(huán)電流I0輸入到比較器C4，與指令值I＊0比較。偏差ε0＝I＊0-I0輸入到補(bǔ)償器G0(S)，進(jìn)行比較放大。當(dāng)G0(S)的比例因子為K0時(shí)，相位控制電壓VαP和
VαN能改寫成VαP＝-KI·εI+K0·ε0(19)VαN＝KI·εI+K0·ε0(20)當(dāng)I＊0＞I0時(shí)，偏差ε0為正，因此至組合換流器SSP的輸出電壓VP增大，而負(fù)組合換流器SSN的輸出電壓VN減小。結(jié)果，VP＞VN成立，可以循環(huán)電流I0增大。
反之，當(dāng)I＊0＜I0時(shí)，偏差εo為負(fù)，因此VP＜VN，從而減小循環(huán)電流I0。當(dāng)I0≌I＊0，過程成為穩(wěn)定。
下面將說明利用循環(huán)電流I0控制加在進(jìn)相電容器CAP上電壓Va，Vb和Vc的相位差0的方法。
圖6為說明圖1的相位差檢測器SITA結(jié)構(gòu)的電路圖。在圖6中，R1至R3為比例因子，ML1至ML3為乘法器，AD為加法圖，K為比例因子，以及VT為移相器。
首先，外振蕩器OSC的輸出信號ea，eb和ec用移相器VT變換成相位超前90°的信號ea′，ea′和ec′。因此可以得到下列關(guān)系式。
ea′＝(ec-eb)/3]]>＝Sin(ωc·t+π/2)＝Cos(ωc·t) (21)eb′＝(ea-ec)/3]]>＝Cos(ωc·t-π/3) (22)ec′＝(eb-ea)/3]]>＝Cos(ωc·t+π/2) (23)
由3相電位變換器PTcap所檢測的進(jìn)相電容器CAP上電壓瞬時(shí)值Va，Vb和Vc用比例因子R1至R3歸一化，變換成單位電壓Va，Vb和Vc。
乘法器ML1至ML3，加法器AD以及那些比例因子用來導(dǎo)出相位差θ的正弦值Sinθ，如以下方程所示2/3 (ea′·Va+eb′·Vb+ec′-Vc)＝ 2/3 ｛Cos(ωc·t)·Sin(ωc·t-θ)+Cos(ωc·t- (2π)/3 ·Sin(ωc·t- (2π)/3 -θ)+Cos(ωc·t- (2π)/3 )·Sin(ωc·t+-θ)｝＝-Sinθ當(dāng)相位差θ不怎么大時(shí)，θ≌Sinθ，因此即使用Sin0作為控制量也不會(huì)出現(xiàn)什么嚴(yán)重的問題。θ的精確值可以用通過函數(shù)變換器60對這導(dǎo)出值進(jìn)行Sin-1運(yùn)算的方法來得到。
當(dāng)相位差θ超前時(shí)，θ表示成正的。
檢測到的相位差θ輸入到圖1的比較器C3，與指令值θ＊比較。指令值θ＊通常置為零。從比較器C3輸出的偏差εθ＝θ＊-0輸入到相位差控制器Hθ(S)，進(jìn)行比較放大或積分。H0(S)的輸出信號用作循環(huán)電流的指令值I＊0。
當(dāng)θ＊＞θ時(shí)，偏差εθ為正，通過Hθ(S)使循環(huán)電流的指令值I＊0增大。因此，指令值I＊0也增大，導(dǎo)致圖5等效電路中的Lcc減小。這樣，方程(10)中的頻率fcap升高，從而使進(jìn)相電容器CAP的電壓Va，Vb和Vc的相位θ提前。
當(dāng)θ＊＜θ時(shí)，偏差εθ為負(fù)，因此使循環(huán)電流的指令值I＊0減小，使方程(10)中的頻率fcap降低。結(jié)果，電壓Va，Vb和Vc的相位就被滯后。
該過程在θ＝θ＊時(shí)最終達(dá)到穩(wěn)定。如果θ＊為零，則相位差θ變?yōu)榱恪Ｒ虼?，進(jìn)相電容器CAP上所加的電壓Va，Vb和Vc相位上與來自外振蕩器OSC的基準(zhǔn)信號完全一致。
采用這種方法，相位控制過程中不會(huì)有什么諸如非線性、飽和之類的不良現(xiàn)象發(fā)生，可以獲得很寬的可控區(qū)域范圍。
此外，甚至當(dāng)負(fù)載很快變化，產(chǎn)生相位差θ時(shí)，相位控制回路有效工作，使相位差θ很快衰減，恢復(fù)原來的狀態(tài)，因此消除了換向故障出現(xiàn)的可能性。
圖6A示出了圖1中相位差檢測器SITA的另一個(gè)例子。圖6B畫出了圖6A電路中的信號波形。在圖6B的圖示中，除了相位差為120°此外，信號ea，eb和ec是相同的，用信號e來表示。類似地，電壓Va，Vb和Vc用電壓V來表示。
如圖6A所示，3相基準(zhǔn)信號ea，eb和ec輸入到信號形成器61，信號形成器61敏感每個(gè)信號ea，eb和ec的過零點(diǎn)，并產(chǎn)生了相矩形信號eφ。3相電容器電壓Va，Vb和Vc輸入到信號形成器62。信號形成器62敏感每個(gè)電壓Va，Vb和Vc的過零點(diǎn)，并產(chǎn)生了相矩形信號Vφ。信號eφ和Vφ輸入到相位比較器63。比較器63將Va，Vb和Vc的信號相位(＝Vφ)與ea，eb和ec的信號相位(＝eφ)分別進(jìn)行比較。比較器63產(chǎn)生表示Vφ與eφ之間相位差θ的選通信號φ。
信號φ作為一個(gè)選通信號饋送給計(jì)數(shù)器64。計(jì)數(shù)器64對的選通信號φ的每個(gè)周期內(nèi)的時(shí)鐘脈沖CK進(jìn)行計(jì)算。這樣，計(jì)數(shù)器64的數(shù)值或數(shù)字輸出θ就表示了Vφ與eφ之間的相位差(θ)。計(jì)數(shù)器64的數(shù)字輸出0在信號φ的每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)暫時(shí)儲(chǔ)存在寄存器65中。寄存在寄存器65中的數(shù)據(jù)(θ)由D/A變換器66變換成模擬信號θ。由此所得的模擬信號θ饋送給圖1或圖10中的控制器Hθ(S)，或饋送到圖8或圖9中的自動(dòng)相位調(diào)整器AOR。(調(diào)整器AθR與圖1中的電路器件C3，Hθ(S)相當(dāng))。
圖7為說明按本發(fā)明的控制器的另一個(gè)具體裝置結(jié)構(gòu)的電路圖。
在這個(gè)具體裝置中，補(bǔ)償器Hθ(S)的輸出信號并不用作循環(huán)電流的指令值，而是通過加法器A1和A2饋送給相位控制器PHPPHN。
循環(huán)換流器CC的循環(huán)電流可以用大體上與參照圖1所說明的那種方式進(jìn)行調(diào)整，因此相位差θ被控制到與指令值θ＊一致。
圖8為說明按本發(fā)明的另一個(gè)具體裝置結(jié)構(gòu)的電路圖。
在圖8中，SUP標(biāo)為3相交流電源，CC-1為第一循環(huán)電流型循環(huán)換流器;CAP為高頻進(jìn)相電容;CC-2為第循環(huán)換流器;M為三相交流電動(dòng)機(jī);PG為轉(zhuǎn)速檢測器;CTs和CT1為電流變換器;PTcap為電壓變換器;D為整流器;SITA為相位差檢測器;AVR為電壓控制器，ACRI為輸入電流控制器;AθR為相位差控制器;ACCR為循環(huán)電流控制器;OSC為外振蕩器，PHDI為第一循環(huán)換流器的相位控制器，SPC為速度控制器，ACR2為電動(dòng)機(jī)電流控制器;以及PHC2為第2循環(huán)換流器的相位控制器。
圖8的具體裝置除了電源SUP是交流電源外與圖1的具體裝置相同?？刂破鰽VR的輸出用作3相輸入電流ISR，ISS和IST的指令值ISR＊，ISS＊和IST＊。
第二循環(huán)換流器CC-2和交流電動(dòng)機(jī)M連接成一個(gè)負(fù)載裝置。CC-2以進(jìn)相電容器作為高頻電源，供給電動(dòng)機(jī)M電壓可變、頻率可變的正弦電流ILU，ILV和ILW。
圖9為說明按本發(fā)明的2一個(gè)具體裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖。
在圖9中，Vs可標(biāo)為第一直流電源，Ls為直流電抗器;CC為循環(huán)電流型循環(huán)換流器;CAP為高頻進(jìn)相電容器;SSL為分激換流器，LL為直流電抗，而VL為第二直流電源。
循環(huán)換流器CC包括正組合換流器SSP，負(fù)組合換流器SSN以及直流電抗器Lo1和Lo2。
電流變換器CTS和CTL，電壓變換器PTcap，整流器D，相位差檢測器SITA，電壓控制器AVR，第一直流電流控制器ACR1，相位差控制器AOR，循環(huán)電流控制器ACCR，第二直流電流控制器ACR2，外振蕩器OSC以及相位控制器PHC1和PHC2用來構(gòu)成一個(gè)控制電路。
可以考慮用一個(gè)太陽能電池VL作為第二直流電壓源。分激換流器SSL用進(jìn)相電容器作為高頻電源進(jìn)行自然換向，并且將太陽能電池VL所產(chǎn)生的能量饋送給高頻進(jìn)相電容器。
當(dāng)進(jìn)相電容器CAP中積累能量增大時(shí)，循環(huán)電流型循環(huán)換流器將積累能量傳遞給第一直流電源(例如，直流傳輸線)來控制加在進(jìn)相電容器上的電壓Va，Vb和Vc的峰值，以便使之保持不變。
相位差的控制以與參照圖1所說明的相同方式實(shí)現(xiàn)。
在上述這些具體裝置中，已經(jīng)對接有負(fù)載裝置LOAD的情況作了說明。然而，作為應(yīng)用高頻鏈電源換流設(shè)備的一個(gè)例子，還可以將本發(fā)明用于諸如有源濾波器那樣的電源調(diào)節(jié)器。
圖10說明如何將本發(fā)明應(yīng)用于上述有源濾波器。圖10的電路相當(dāng)于美國專利4，529，925(塔拿卡等)的圖1。輸出εV通過電路GV(S)變換成信號Ism。信號Ism在乘法器MLT中和與交流電源電壓VS同步的單位正弦波信號Sinωt相乘。乘法器MLT的輸出Is＊饋送給加法器AD。加法器AD接受代表負(fù)載電流的信號IL，給出電流指令I(lǐng)c(＝IL-Is＊)。指令I(lǐng)c＊送到比較器C2。比較器C2將循環(huán)換流器的電流Ic與指令I(lǐng)c＊進(jìn)行比較，將比較結(jié)果(εC送至電路GI(S)。除上述這些以外，該電路的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明的圖1類似。
如上所述，按照本發(fā)明可以使加在進(jìn)相電容器上的電壓Va，Vb和Vc的相位與由外振蕩器所提供的基準(zhǔn)信號ea，eb和ec的相位完全一致。此外，在循環(huán)換流器的相位控制上，并不會(huì)產(chǎn)生諸如非線性和飽和那樣的不良現(xiàn)象，因此能夠?qū)崿F(xiàn)很寬的可控區(qū)域范圍。由對進(jìn)相電容器電壓Va，Vb和Vc與基準(zhǔn)信號ea，eb，和ec之間的相位差θ得到檢測和控制，能夠?qū)⑾辔徊畹钠钜种瞥珊苄。词关?fù)載很快改變時(shí)，脈動(dòng)很快就被衰減了。因此，能防止循環(huán)換流器的換向儲(chǔ)備角變成非常小，也就消除了由于換向故障而危及器件的可能性。這樣就能獲得一種高可靠的高頻鏈電源換流設(shè)備。
為了支持本發(fā)明的內(nèi)容，本發(fā)明的說明中結(jié)合了下列美國專利的全部披露。
(1)塔拿卡等人的美國專利No.4，760，321，交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，1988年7月26日獲準(zhǔn)。
(2)塔拿卡的美國專利No.4，570，214，年功功率控制循環(huán)換流器，1986年2月11日獲準(zhǔn)。
(3)塔拿卡等人的美國專利No.4，529，925，年功功率補(bǔ)償循環(huán)換流器，1985年7月16日獲準(zhǔn)。
(4)塔拿卡等人的美國專利No.4，418，380，控制循環(huán)換流器的循環(huán)電流的方法和設(shè)備，1983年11月29日獲準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種電源換流設(shè)備，其組成為(圖1)供給電能的電源裝置(SUP)；一個(gè)用作高頻電源的電容器(CAP)，其上加有高頻電壓(Va，Vb，Vc)；一個(gè)循環(huán)電流型循環(huán)換流器(CC)，其一端接至所述電容器(CAP)，另一端接至所述電源裝置(SUP)；產(chǎn)生相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)的基準(zhǔn)信號裝置(OSC)；以及接至所述循環(huán)換流器(CC)和所述基準(zhǔn)信號裝置(OSC)的工作控制裝置(PTcap，D，PHP，PHN，C1-C4，A1，A2，INV，Hθ(S)，Go(S)，GV(S)，GI(S)，SIT)，用來控制所述循環(huán)換流器(CC)的工作，以使所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)與所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)之間的相位差(θ)收斂到一個(gè)規(guī)定的相位基準(zhǔn)值(θ＊)。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是所述規(guī)定的相位基準(zhǔn)值(θ＊)選擇成大體為零。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是所述工作控制裝置(PTcap，D，PHP，PHN，C1-C4，A1-A2，INV，H0(S)，Go(S)，GV(S)，GI(S)，SITA)包括(圖1)接至所述電容器(CAP)的電壓檢測裝置(PTcap)，用來檢測所述高頻電壓(Va，Vb，Vc);接至所述電壓檢測裝置(PTcap)和所述基準(zhǔn)信號裝置(OSC)的相位比較裝置(SITA)，用來比較所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)和所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)的相位，產(chǎn)生一個(gè)表示所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)與所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)之間相位差(θ)的相位差信號(θ);接至所述相位比較裝置(SITA)并且所述規(guī)定的相位基準(zhǔn)值(θ＊)敏感的誤差檢測裝置(C3)，用來檢測一個(gè)表示所述規(guī)定的相位基準(zhǔn)值(θ＊)與所述相位差信號(θ)之差的相位誤差信號(εθ);以及接至所述誤差檢測裝置(C3);所述循環(huán)換流器(CC)和所述基準(zhǔn)信號裝置(OSC)的裝置(PHP，PHN，C1，C2，C4，A1-A2，INV，H0(S)，Go(S)，GV(S)，GI(S)，SITA)，用來根據(jù)所述相位誤差信號(εθ)控制一個(gè)流過所述循環(huán)換流器(CC)的循環(huán)電流(Io)，以使所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)與所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)之間的相位差(θ)收斂到所述規(guī)定的相位基準(zhǔn)值(θ＊)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是所述工作控制裝置(PTcap，D，PHP，C1-C4，A1-A2，INV，Hθ(S)，Go(S)，GV(S)，GI(S)，SITA)包括(圖7)接至所述電容器(CAP)的電壓檢測裝置(PTcap)，用來檢測所述高頻電壓(Va，Vb，Vc);接至所述電壓檢測裝置(PTcap)和所述基準(zhǔn)信號裝置(OSC)的相位比較裝置(SITA)，用來比較所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)和所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)的相位，產(chǎn)生一個(gè)表示所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)與所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)之間相位差(θ)的相位差信號(θ);接至所述相位比較裝置(SITA)并且對所述規(guī)定的相位基準(zhǔn)值(θ＊)敏感的誤差檢測裝置(C3)，用來檢測一個(gè)表示所述規(guī)定的相位基準(zhǔn)值(θ＊)與所述相位差信號(0)之差的相位誤差信號(ε0);以及接至所述誤差檢測裝置(C3)，所述循環(huán)換流器(CC)和所述基準(zhǔn)信號裝置(DSC)的裝置(PHP，PHN，C1，C2，A1-A2，INV，Hθ(S)，GV(S)，GI(S)，SITA)，用來根據(jù)所述相位誤差信號(εθ)控制所述循環(huán)換流器(CC)的工作，以使所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)與所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)之間的相位差(θ)收斂到所述規(guī)定的相位基準(zhǔn)值(θ＊)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求3或4的設(shè)備，其特征是所述相位比較裝置(SITA)包括(圖6)接至所述基準(zhǔn)信號裝置(OSC)的移相裝置(VT)，用來將所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)的相位移動(dòng)大致90°，提供一個(gè)經(jīng)移相的信號(ea′，eb′，ec′);以及接至所述移相裝置(VT)的乘法裝置(K1-K3，ML1-ML3，AD，K，60)，用來使所述經(jīng)移相的信號(ea′，eb′，ec′)和一個(gè)與所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)相應(yīng)的信號進(jìn)行相乘，從相乘的結(jié)果中得出所述相位差信號(0)。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求3或4的設(shè)備，其特征是所述相位比較裝置(SITA)包括(圖6A)接至所述基準(zhǔn)信號裝置(OSC)的第一電路裝置(61)，用來檢測相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)的過零點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)表示所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)相位的第一相位信號(eφ);接至所述電容器(CAP)的第二電路裝置(62)，用來檢測所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)的過零點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)表示所述高頻電壓(Va，Vb，Vc)相位的第二相位信號(Vφ);接至所述第一和第二電路裝置(61，62)的第三電路裝置(63)，用來檢測所述第一與第二相位信號(eφ，Vφ)間的相位差，產(chǎn)生一個(gè)相位差信號(φ)，其信號寬度表示所述相位差信號(θ);以及接至所述第三電路裝置(63)的裝置(64-66)，用來測量所述相位差信號(φ)的信號寬度，從這測量結(jié)果得出所述相位差信號(0)。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是還包括一個(gè)接至所述電容器(CAP)的負(fù)載(LOAD)，所述負(fù)載(LOAD)包括(圖8)一個(gè)電動(dòng)機(jī)(M);一個(gè)第二循環(huán)換流器(CC-2)，其一端接至所述電容器(CAP)，另一端接至所述電動(dòng)機(jī)(M);接至所述電動(dòng)機(jī)(M)，所述第二循環(huán)換流器(CC-2)以及所述基準(zhǔn)信號裝置(OSC)的裝置(PG，SPC，ACR2，PHX2)，用來根據(jù)一個(gè)給定的速度基準(zhǔn)(ωr＊)和所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)控制所述電動(dòng)機(jī)(M)的轉(zhuǎn)速。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是還包括一個(gè)接至所述電容器(CAP)的負(fù)載(LOAD)，所述負(fù)載(LOAD)包括(圖9)一個(gè)負(fù)載電路(AL);一個(gè)逆變器(SSL)，其一端接至所述電容器(CAP)，另一端接至所述負(fù)載電路(AL);以及接至所述負(fù)載電路(VL)，所述逆變器(SSL)和所述基準(zhǔn)信號裝置(OSC)的裝置(CTL，ACR2，PHC2)，用來根據(jù)一個(gè)給定電流基準(zhǔn)(IL＊)和所述相位基準(zhǔn)信號(ea，eb，ec)控制所述負(fù)載電路(VL)的電流(IL)。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是所述電源裝置(SUP)包括一個(gè)交流電源，并且該設(shè)備還具有(圖10)對所述規(guī)定的相位基準(zhǔn)值(θ＊)，一個(gè)在所述循環(huán)電流型循環(huán)換流器(CC)和所述交流電源之間流動(dòng)的電流(IC)以及一個(gè)與所述交流電源的電壓(Vs)同步的單位正弦波信號(Sinωt)敏感的裝置(MLT，AD，C2，GI(S)，A1-A2，PHP，PHN，SITA，C3，H0(S))。用來起動(dòng)所述循環(huán)電流型循環(huán)換流器(CC)，使所述循環(huán)換流器(CC)起一個(gè)有源濾波器的作用。
全文摘要
高頻鏈電源換流設(shè)備包括電源(SUP)，具有與電源連接的輸出端的循環(huán)電流型循環(huán)換流器(CC)，接到循環(huán)換流器輸入端的高頻進(jìn)相電容器(CAP)，控制循環(huán)換流器觸發(fā)相位的相位控制器(PHP，PHN)，供給相位控制器相位基準(zhǔn)信號的外振蕩器(OSC)，控制加在進(jìn)相電容器上的電壓峰值的第一電路(D，GV(S))，檢測基準(zhǔn)信號與加在進(jìn)相電容器上的電壓之間相位差的第二電路(SITA)，以及控制相位差，使相位差的值大體為零的第三電路(C3，H9(S))。
文檔編號H02J3/34GK1033132SQ8810702
公開日1989年5月24日 申請日期1988年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月12日
發(fā)明者田中茂, 三浦和敏 申請人:株式會(huì)社東芝