控制功率因數的方法、控制無功功率的方法和控制器技術

本發明專利技術提供一種控制功率因數的方法、控制無功功率的方法和控制器。在三相變換器中，將功率因數控制為任意設置的值從而控制無功功率。在對三相交流電壓進行PWM變換輸出直流電壓的電力變換中，根據三相變換器的三相交流輸入的Y相電壓計算三相平衡系統的對稱分量電壓值。在三相變換器的交流輸入側，設置功率因數，根據輸出電壓值和輸出電流值計算平均有功功率，根據設置的功率因數計算平均無功功率。基于對稱分量電壓值、平均有功功率、平均無功功率，生成用于補償三相交流電壓的不平衡電壓的補償信號以及控制功率因數的控制信號，生成對三相交流電壓進行PWM變換而輸出直流電壓的PWM控制信號。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及根據三相變換器的不平衡電壓補償，并且更具體地，涉及功率因數控制和無功功率控制以改善三相變換器中的功率因數和無功功率，其中三相變換器將三相AC (交流)電源變換為DC (直流)電源。
技術介紹
眾所周知，在電源側發生的電壓降低，例如瞬時電壓降低(電壓下陷(voltagesag))和長期的電壓降低，會在從電源接收電能供給的負載側產生影響，例如生產線停止和產品缺陷。特別地，由于其對半導體生產設備具有巨大影響，因此對于電壓下陷建立了標準:“SEMI F47-0200” (非專利文獻I)和“SEMI F47-0706” (非專利文獻2)。對于測試方法，在“ SEMI F42-0600 ”中對其進行了描述。通常，通過安裝例如電壓下陷補償裝置和使用電容器和存儲電池的不間斷電源 (UPS)的電子存儲設備可解決這種類型的電壓下陷。利用電子存儲設備的補償裝置可具有安裝在電源側或負載側作為并行設備的結構。或者，以在電源下陷時切換電源系統的結構，也可將其插入在電源側和負載側之間作為串行設備安裝。也已經眾所周知，用于將三相交流電源變換為直流電源的(AC-DC)電源變換器的三相交流輸入電壓發生短時中斷或瞬時電壓下降時，由電壓下陷補償裝置保持對負載的電能供給(例如，見專利文獻I和專利文獻2)。圖16說明傳統電壓波動補償裝置102的結構示例。圖16說明Y型連接的具有各個相位的交流電源101a、101b、IOlc的三相交流電源101。但是，在使用電子存儲設備的傳統系統中，使用哪種連接(Y型連接還是△型連接)是沒有關系的。電壓波動補償裝置102被安裝在三相交流電源101和直流負載(未示出)之間。這里需注意，具有電子存儲設備的三相交流電源適用于Y型連接和Λ型連接中的任何一種。在電壓波動補償裝置102中，就三相交流的相位(a相，b相和c相)而言，用于各個相位的電壓補償電路104a、104b、104c串行連接，對這些電壓補償電路分別提供電容105a、105b、105c作為能量存儲構件，并且設置控制電路103以控制用于各個相位的電壓補償電路 104a、104b、104c。三相交流電源不僅連接到三相等效負載，而且連接到不同的單相負載。這種不同負載的應用或例如天氣現象和突發現象等影響可偶爾在三相平衡或不平衡的狀態下導致電壓下陷。基于來自控制電路103的命令，用于各個相位的電源補償電路104a、104b、104c輸出用于各個相位的補償電壓，并補償電壓波動。電壓波動補償裝置102在正常操作期間對電容105a、105b、105c充電。在短時中斷或瞬時電壓下降的情況下，從電容105a、105b、105c釋放的電能保持恒定的輸出電壓，由此繼續給直流負載提供電能。上述電壓下陷補償裝置存在下面的問題不僅該系統需要用于安裝大型的電子存儲裝置或電容器單元的設備投資，而且還需要定期進行維護。所以，需要在不使用電子存儲裝置的情況下，即使在瞬時電壓降低時，也通過對三相交流輸入電能變換來穩定地提供電能。還需要在不使用電子存儲裝置的情況下改善功率因數。為了解決上述問題，給出下面的建議鑒于在瞬時電壓降低的情況下在電壓下陷期間的輸入電壓變為三相不平衡，因此使用三相PWM變換器補償電壓下陷，通過控制電壓下陷期間的三相不平衡輸入電壓來實現電壓下陷補償，而不使用采用了存儲裝置的電壓波動補償裝置。根據通過使用三相PWM變換器的電壓下陷補償，即使在發生電壓下陷后，也能持續地提供在電壓下陷狀態之前的正常狀態下供給的電力。以下，將說明三相PWM變換器如何控制三相不平衡輸入電壓。圖17表示電壓下陷時的等效電路。在圖17中，er, es和et表示三相平衡的傳輸線電壓，Z1表不輸電線的阻抗、Z12、Z23> Z31是電壓下陷時的等效阻抗，eab、ebc> eca表不在電 壓下陷時生成的三相不平衡的線電壓、ei。表示零相序電壓，Za、Zb、Z。表示負載阻抗，該負載阻抗是通過將直流負載RtJ圖18所示)變換到三相交流輸入側獲得的負載阻抗的形式來表示的。如果將幅值設為Em，通過下面的等式(I) (3)表示三相平衡的傳輸線電壓電壓ΘΓ、θ” et er = EmCos cot . · · (I)es = EmCos (ω t_2 Ji /3) . · · (2)et = EmCos ( ω t+2 Ji /3) …(3)由于ep es、et代表三相平衡的傳輸線電壓，所以不會出現負相序分量enfrst)和零相序分量θ。—因此，通過下面的等式⑷來表示負相序分量enfrst)和零相序分量e。—)en(rst) = eo(rst) = O · · ·⑷在圖17的示例中，出現電壓下陷的情況對應于對輸電線阻抗Z1施加了等效阻抗Z12、Z23、Z31的狀態。此時，端子a、b、c中的線電壓eab、ebe、eea成為三相不平衡狀態，并生成圖17所不的零相序分量電壓e1()。如圖18所示,對于圖17中的端子a、b和c,左邊所示為三相交流電源100B,右邊所示為三相變換器200的主電路單元。以與三相平衡電壓er、es、et和不平衡因數等效的方式來表示三相交流電源100B。這里,應用圖17所示的等效阻抗Z12、Z23、Z31來等效地表示不平衡因數。不平衡電壓補償裝置400利用特定或可測量的三相不平衡輸入相電壓來生成補償信號。對三相PWM變換器200設置三相PWM電路200a和三相PWM控制脈沖生成器200b。三相PWM控制脈沖生成器200b基于三相不平衡輸入電壓補償裝置400生成的三相不平衡輸入電壓而生成控制脈沖信號，由此在三相PWM電路200a上執行PWM控制。根據P麗控制，三相PWM變換器200給直流負載300提供已經進行了不平衡電壓補償的直流電壓。如上所述，由三相PWM變換器控制在電壓下陷期間的三相不平衡輸入電壓，并且在不使用采用了電容器或蓄電池等蓄電設備的電壓波動補償裝置的情況下，實現電壓下陷補償。然而，一般來說，為了控制包含PFC (功率因數校正)的三相PWM變換器，必須得到相互之間具有120°的相位差的Y型連接的三相不平衡相電壓。將得到的檢測信號變換為旋轉坐標系(dq-軸向)中的變量的處理后，它們被分離成正相序電壓、負相序電壓和零相序電壓，并且使用它們作為控制所必須的反饋信號。作為描述根據三相PWM變換器控制的電壓下陷補償，例如已知非專利文獻3 5。在這些非專利文獻描述的三相PWM變換器控制中，把相互之間具有120°相位差的Y連接的三相不平衡電壓假設為特定或能夠測量的輸入相電壓。另一方面，一般的三相配電系統是Λ連接。在Λ連接三相配電中能夠實測的電壓是Λ連接三相電壓。Λ連接三相電壓是Λ連接的各端子間的線電壓，不能實測Y連接電壓以及零相序電壓。因此，為了通過目前提出的三相PWM變換器控制來補償Λ連接三相配電中的三相不平衡電壓，必需要從測量的線電壓中獲得相互之間具有120°相位差的Y連接三相不平衡相電壓。當使用三相PWM變換器控制電壓下陷補償時，必需要將接收到的三相不平衡電壓中的△型電壓變換成Y型電壓，以獲得控制參數。特別重要的是提取零相序電壓。例如，已知專利文獻3公開了一種通過根據三相PWM變換器進行控制來補償瞬時電壓下降的裝置或方法。專利文獻3所示的瞬時電壓降低補償裝置具備線相電本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
2011.02.22 JP 2011-0362671.一種控制三相變換器的功率因數的方法，所述方法在通過三相變換器對電能進行變換時對三相變換器的功率因數進行控制，所述三相變換器使三相AC受到PWM變換以輸出DC,所述方法包括 對稱分量計算步驟，用于根據三相變換器的三相AC輸入的Y相電壓，計算三相平衡系統的對稱分量電壓值； 平均有功功率運算步驟，用于利用三相變換器的DC輸出的輸出電壓值和輸出電流值，計算平均有功功率 值； 功率因數控制步驟，用于根據在所述平均有功功率計算步驟中計算出的所述平均有功功率值和設置的功率因數，基于平均有功功率值、平均無功功率值和功率因數之間的關系，計算平均無功功率值，所述平均無功功率值與所述設置的功率因數相關聯； 電流指令值生成步驟，用于根據在所述平均有功功率計算步驟中計算出的所述平均有功功率值、在所述功率因數控制步驟中計算出的所述平均無功功率值和在所述對稱分量計算步驟中計算出的三相AC電壓的對稱分量電壓值，計算電流指令值；以及 恒定電流控制步驟，用于基于所述電流指令值和所述三相變換器的輸入電流值，通過使所述三相AC電壓的正相序電壓值受到恒定電流控制，計算恒定電流控制值；其中， 基于在所述恒定電流控制步驟中計算出的所述恒定電流控制值，生成用于補償三相AC電壓的不平衡電壓的補償信號以及用于控制功率因數的PWM控制信號， 基于所述補償信號和所述PWM控制信號，獲得用于控制不平衡電壓和功率因數的多個Y相電壓，所述多個Y相電壓相互之間具有120°的相位差，及 基于所獲得的多個Y相電壓，生成用于使三相AC受到PWM變換以輸出DC的PWM控制信號。2.根據權利要求I所述的控制三相變換器的功率因數的方法，進ー步包括重心向量運算步驟，用于從三相AC的線電壓獲得相互之間具有120°的相位差的多個Y相電壓，其中， 所述重心向量運算步驟，對從多個線電壓中選擇出的兩個線電壓的全部組合進行向量運算，通過所述向量運算獲得從端子電壓重心指向各個端子電壓的重心向量電壓，并使所述向量電壓分別作為相互之間具有120°的相位差的多個Y相電壓，以及 所述對稱分量計算步驟根據變換器的三相AC輸入中的多個Y相電壓，計算三相平衡系統的對稱分量電壓值，所述多個Y相電壓是在所述重心向量運算步驟中獲得的。3.根據權利要求I或2所述的控制三相變換器的功率因數的方法，其中， 所述平均有功功率運算步驟，通過將DC輸出的輸出電壓值和輸出電流值的合并值，與通過使輸出電壓值和電壓指令值之間的差受到比例積分控制獲得的值進行相加，來計算平均有功功率值。4.根據權利要求I所述的控制三相變換器的功率因數的方法，其中， 所述功率因數控制步驟通過將平均有功功率值乘以[(1-(設置的功率因數)2)V(設置的功率因數)]，來計算平均無功功率。5.根據權利要求I所述的控制三相變換器的功率因數的方法，其中， 功率因數控制步驟將功率因數設置為負值，并且從三相變換器的DC輸出側到AC輸入側再生平均有功功率值的功率。6.一種控制三相變換器的無功功率的方法，所述方法在通過三相變換器對電能進行變換時對三相變換器的功率因數進行控制，所述三相變換器使三相AC受到PWM變換以輸出DC,所述方法包括 對稱分量計算步驟，用于根據三相變換器的三相AC輸入的Y相電壓，計算三相平衡系統的對稱分量電壓值； 平均有功功率計算步驟，用于利用三相變換器的DC輸出的輸出電壓值和輸出電流值，計算平均有功功率； 無功功率控制步驟，用于根據在所述平均有功功率計算步驟中計算出的所述平均有功功率值和設置的功率因數，基于所述平均有功功率值、平均無功功率值和功率因數之間的關系，計算平均無功功率值，所述平均無功功率值與所述設置的功率因數相關聯； 電流指令值生成步驟，用于根據在所述平均有功功率計算步驟中計算出的所述平均有功功率值、在所述無功功率控制步驟中計算出的所述平均無功功率值和在所述對稱分量計算步驟中計算出的三相AC電壓的對稱分量電壓值，計算電流指令值；以及 恒定電流控制步驟，用于基于所述電流指令值和所述三相變換器的輸入電流值，通過使所述三相AC電壓的正相序電壓值受到恒定電流控制，計算恒定電流控制值；其中， 基于在所述恒定電流控制步驟中計算出的所述恒定電流控制值，生成用于補償三相AC電壓的不平衡電壓的補償信號以及用于控制功率因數的PWM控制信號， 基于所述補償信號和所述PWM控制信號，獲得用于控制不平衡電壓和無功功率的多...

【專利技術屬性】
技術研發人員：讓原逸男，高柳敦，秦佳久，岡野毅，
申請(專利權)人：株式會社京三制作所，
類型：發明
國別省市：