專利名稱：使磁能量再生的交流電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以改善交流負(fù)載的功率因數(shù)的交流電源裝置，具體講，涉及一種實(shí)現(xiàn)了低成本和小型化的交流電源裝置，其代替以往的無功補(bǔ)償電容器，與交流負(fù)載串聯(lián)地插入使磁能量再生的雙向電流開關(guān)，從而發(fā)揮無功補(bǔ)償電容器的作用。
背景技術(shù)：
在使交流電流流過具有電感器的負(fù)載時，需要在上升沿時施加大于直流電阻成分(正常時的電阻成分電壓)的電壓，功率因數(shù)因電流的相位延遲而降低，但為了改善該交流電流的功率因數(shù)，串聯(lián)插入無功補(bǔ)償電容器來減少電抗成分并增加電流，從而改善功率因數(shù)。
基于串聯(lián)插入的無功補(bǔ)償電容器方式的功率因數(shù)改善，存在不適合負(fù)載的功率因數(shù)因運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)而變化的情況、或者電源頻率大幅變化的電路的問題。
另一方面，在像感應(yīng)電機(jī)那樣從起動到轉(zhuǎn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)的初期動作時，負(fù)載電流的功率因數(shù)變化，但為了對此進(jìn)行補(bǔ)償，使用采用了半導(dǎo)體開關(guān)的AC-DC-AC鏈接的逆變器·轉(zhuǎn)換器單元(inverter/converterset)，降低頻率和電壓進(jìn)行起動，在運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，但是因成本高，基于PWM控制形成的高頻干擾，及需要用于保持DC電壓的大電解電容器，從而具有尺寸增大的缺點(diǎn)。
并且，存在以下問題，在感應(yīng)電機(jī)的初期動作時，電感成分大，電流的功率因數(shù)惡化，在以較小的有效電流進(jìn)行初期動作時，不能獲得較大的轉(zhuǎn)矩(起動轉(zhuǎn)矩)。

發(fā)明內(nèi)容
這種以往的功率因數(shù)改善方法具有限度，因此需要具有代替無功補(bǔ)償電容器方式的功率因數(shù)改善電路的、實(shí)現(xiàn)了低成本和小型化的交流電源裝置。
本發(fā)明就是鑒于上述情況而提出的，其目的在于，提供一種可以改善交流負(fù)載的功率因數(shù)、并且實(shí)現(xiàn)了低成本和小型化的交流電源裝置。
本申請的發(fā)明人著眼于以下內(nèi)容的研究，將切斷負(fù)載電流時殘留在電路中的磁能量儲存在電容器中，在下一次接通時把該能量釋放給負(fù)載，使電流急速上升，由此可以提高功率因數(shù)。即，流過負(fù)載的電流在電流切斷時將其磁能量儲存在電容器中并停止，在下一次接通時再生提供給負(fù)載，從而使電流急速上升，結(jié)果，流過的電流增加，能夠以更低的電壓流過較大的電流，成為廣義上的電源功率因數(shù)的改善。
由此，想到在交流電路中使用磁能量再生雙向開關(guān)，在任意定時切斷電流，將磁能量儲存在電容器中，在任意定時再次使電流反方向流向負(fù)載，從而可以強(qiáng)制控制交流電流的電流相位。
另外，所述磁能量再生雙向開關(guān)是無損耗的電流開關(guān)，并且已由本申請人作為專利申請的開關(guān)(參照日本特開2000-358359號公報(bào))，該開關(guān)將切斷負(fù)載電流時殘留在電路中的磁能量儲存在設(shè)于開關(guān)橋內(nèi)的儲存電容器中，在下一次接通時將該能量釋放給負(fù)載，從而使電流急速上升。
本發(fā)明涉及可以改善交流負(fù)載的功率因數(shù)的交流電源裝置，本發(fā)明的上述目的如上所述是通過交流電源裝置實(shí)現(xiàn)的，該交流電源裝置向感應(yīng)性負(fù)載提供交流電流，并且使電流切斷時的磁能量再生而用于向所述感應(yīng)性負(fù)載提供電流，該交流電源裝置的特征在于，具有由4個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的橋電路；連接在所述橋電路的直流端子之間，儲存所述電流切斷時的磁能量的電容器；與所述感應(yīng)性負(fù)載串聯(lián)連接，并連接在所述橋電路的交流端子之間的交流電壓源；以及向所述各個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)的柵極提供控制信號，進(jìn)行各個半導(dǎo)體開關(guān)的接通/斷開控制的控制電路，所述控制電路進(jìn)行以下控制，使構(gòu)成所述橋電路的4個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)中、位于對角線上的一對的逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)分別同時進(jìn)行接通/斷開動作，并且在兩對中的一對接通時，使另一對斷開，而且所述控制信號與所述交流電壓源的電壓同步地切換。


圖1表示本發(fā)明涉及的交流電源裝置的實(shí)施例。
圖2是表示本發(fā)明涉及的交流電源裝置的電流電壓波形的仿真結(jié)果的圖。
圖3表示本發(fā)明涉及的交流電源裝置在感應(yīng)電機(jī)中的應(yīng)用示例。
圖4是對比表示連接(有開關(guān))及不連接(沒有開關(guān))本發(fā)明涉及的交流電源裝置時的感應(yīng)電機(jī)的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的實(shí)測值的圖。
圖5是用于說明磁能量再生雙向電流開關(guān)在交流時的動作原理的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明為了提供結(jié)構(gòu)簡單且可以實(shí)現(xiàn)小型化和低成本的交流電源裝置，利用了如下現(xiàn)象對插入交流電壓源和感應(yīng)性負(fù)載之間的磁能量再生雙向電流開關(guān)的脈沖電流產(chǎn)生功能，以與電源同步的定時進(jìn)行接通/斷開，可以控制交流電流的相位。以下，參照附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1是表示本發(fā)明涉及的交流電源裝置10的基本結(jié)構(gòu)的圖，在交流電壓源20和具有電感器的感應(yīng)性負(fù)載50之間插入磁能量再生雙向電流開關(guān)30(橋式連接4個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)31而構(gòu)成。)，利用控制單元40以與交流電壓源20的電壓同步的信號控制功率MOSFET31(逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)的一例)的各個柵極(G1～G4)，使電流接通/斷開。
所述磁能量再生雙向電流開關(guān)30內(nèi)置有用于儲存電流斷開時的磁能量的電容器32，因此在下一次接通時，可以借助于電容器32的放電再生與斷開時相同的電流。
感應(yīng)性負(fù)載50在電流接通/斷開時被施加脈沖電壓，電壓的大小可以通過選擇電容器32的靜電容量而控制在功率MOSFET31和感應(yīng)性負(fù)載50的耐電壓允許范圍內(nèi)，結(jié)果，與以往的串聯(lián)功率因數(shù)改善電容器不同，具有可以使用直流電容器的優(yōu)點(diǎn)。
控制單元40控制4個功率MOSFET31的柵極，對峙的對即順時針方向電流的對(G1和G2)或逆時針方向的對(G3和G4)，可以根據(jù)想要使電流流過的方向進(jìn)行導(dǎo)通/截止，而在電容器32具有電壓的期間，需要注意不要使順時針方向電流的對和逆時針方向的對同時導(dǎo)通。
柵極控制與交流電壓源20的電壓同步進(jìn)行，但例如在改善電流的功率因數(shù)的示例中，如果在電壓為正的期間，導(dǎo)通順時針方向的柵極(G1、G2)，在電壓為負(fù)的期間，導(dǎo)通逆時針方向的柵極(G3、G4)，則方向與電壓完全相同的電流流過，不僅如此，該開關(guān)將電流斷開時的磁能量儲存在電容器32中，本次利用該能量進(jìn)行逆向放電，使電流急速上升，從而增加負(fù)載供給電流。關(guān)于交流電壓源20的電壓和柵極的狀態(tài)關(guān)系如下面表1所示。
表1

以下，參照圖5說明磁能量再生雙向電流開關(guān)在交流時的動作原理。
(1)在SW1和SW2接通的期間，電流從圖中的下方流向上方(正的方向)，形成兩個并聯(lián)導(dǎo)通狀態(tài)(圖2中電流較平直的狀態(tài)時)。
(2)在交流電壓源20的電壓從正翻轉(zhuǎn)為負(fù)之前(在本實(shí)施例中約為2ms前)，使SW1和SW2斷開時(此時，SW3和SW4變?yōu)榻油?，按照(1)的路徑向電容器充填磁能量。
(3)在充電結(jié)束后電流被斷開、電壓翻轉(zhuǎn)時(正→負(fù))時，(3)在充電結(jié)束后電流被斷開、電壓翻轉(zhuǎn)時(正→負(fù))時，SW3和SW4已經(jīng)接通，所以開始按照(2)的路徑放電(電流從上方流向下方。)。在放電結(jié)束后，形成兩個并聯(lián)導(dǎo)通狀態(tài)。
(4)在交流電壓源20的電壓從負(fù)翻轉(zhuǎn)為正之前(在本實(shí)施例中約為2ms前)，使SW3和SW4斷開時(此時，SW1和SW2變?yōu)榻油ā?，按照(3)的路徑向電容器充填磁能量。
(5)在充電結(jié)束后電流被斷開、電壓翻轉(zhuǎn)時(負(fù)→正)時，SW1和SW2已經(jīng)接通，所以開始按照(4)的路徑放電(電流從下方流向上方。)。在放電結(jié)束后，形成兩個并聯(lián)導(dǎo)通狀態(tài)，返回上述(1)的狀態(tài)。以后重復(fù)該動作。
如上所述，將切斷負(fù)載電流時殘留在電路中的磁能量儲存在電容器中，在下一次接通時將該能量釋放給負(fù)載，使電流急速上升，從而可以提高功率因數(shù)。
圖2是表示本發(fā)明涉及的交流電源裝置的動作仿真結(jié)果的圖，得知在具有磁能量再生雙向電流開關(guān)30時，電流的相位與電壓同步，電流增加，這除了改善負(fù)載的功率因數(shù)外，該裝置還作為廣義上的功率因數(shù)改善裝置發(fā)揮作用。
如果使柵極信號的相位更超前，相位超前的電流流過，如果使之延遲，還可以減少電流，但再延遲180度，則電流停止。
另外，作為所述逆導(dǎo)通式半導(dǎo)體開關(guān)的實(shí)施例使用功率MOSFET進(jìn)行了說明，但是，使用逆導(dǎo)通式GTO晶閘管或并聯(lián)連接二極管和IGBT等半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的單元，也可以獲得相同效果。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明涉及的使磁能量再生的交流電源裝置，可以強(qiáng)制使電流的相位與和電源相位相同的相位同步，所以能夠改善電流的功率因數(shù)，與以往的DC鏈接方式相比，可以實(shí)現(xiàn)低成本且小型化的交流電源裝置。
通過把本發(fā)明涉及的交流電源裝置用作感應(yīng)電機(jī)的電源，可以增大起動時的起動轉(zhuǎn)矩。圖3表示用于實(shí)測起動轉(zhuǎn)矩的實(shí)驗(yàn)電路，圖4是對比表示該起動轉(zhuǎn)矩的實(shí)測值和使用以往的交流電源時的起動轉(zhuǎn)矩的曲線圖。根據(jù)該圖可知，使用本發(fā)明涉及的交流電源裝置時，可以在相同相電壓下獲得約4倍的起動轉(zhuǎn)矩。
權(quán)利要求
1.一種使磁能量再生的交流電源裝置，該交流電源裝置向感應(yīng)性負(fù)載提供交流電流，并且使電流切斷時的磁能量再生而用于向所述感應(yīng)性負(fù)載提供電流，該交流電源裝置的特征在于，該交流電源裝置具有由4個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的橋電路；連接在所述橋電路的直流端子之間，儲存所述電流切斷時的磁能量的電容器；與所述感應(yīng)性負(fù)載串聯(lián)連接，并連接在所述橋電路的交流端子之間的交流電壓源；以及向所述各個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)的柵極提供控制信號，進(jìn)行所述各個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)的接通/斷開控制的控制電路，所述控制電路進(jìn)行以下控制使構(gòu)成所述橋電路的4個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)中、位于對角線上的對的逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)分別同時進(jìn)行接通/斷開動作，并且在兩對中的一對接通時，使另一對斷開，而且所述控制信號與所述交流電壓源的電壓同步地切換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使磁能量再生的交流電源裝置，其中，所述各個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)是功率MOSFET、逆向?qū)ㄊ紾TO晶閘管、或者通過并聯(lián)連接二極管和IGBT等半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的單元中的任一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使磁能量再生的交流電源裝置，該交流電源裝置可以進(jìn)行交流負(fù)載的功率因數(shù)改善，實(shí)現(xiàn)低成本和小型化，并且使磁能量再生，該交流電源裝置的特征在于，該交流電源裝置具有由4個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的橋電路；連接在所述橋電路的直流端子之間，儲存所述電流切斷時的磁能量的電容器；與所述感應(yīng)性負(fù)載串聯(lián)連接，并插入所述橋電路的交流端子之間的交流電壓源；以及向所述各個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)的柵極提供控制信號，進(jìn)行所述各個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)的接通/斷開控制的控制電路，所述控制電路進(jìn)行以下控制使構(gòu)成所述橋電路的4個逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)中、位于對角線上的對的逆向?qū)ㄊ桨雽?dǎo)體開關(guān)分別同時進(jìn)行接通/斷開動作，并且在兩對中的一對接通時，使另一對斷開，而且所述控制信號與所述交流電壓源的電壓同步地切換。
文檔編號H02M5/293GK1954482SQ20048004303
公開日2007年4月25日 申請日期2004年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月12日
發(fā)明者嶋田隆一, 炭谷英夫, 高久拓, 磯部高范 申請人:財(cái)團(tuán)法人理工學(xué)振興會