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Α7 Β7 五、發明説明（/) 使用主反向換流器以控制電力轉換之方法 本發明係關於使用主反向換流器（mains inverter)以控制電 力轉換之方法，該主反向換流器一端連接於直流中間電路（DC intermediate circuit)，另一端則經感抗器（reactors)連接於一 η相主交流系流（n-phase AC main system)，而該主交流系統 電壓的頻率與振幅並不單獨受主反向換流器的影響。該主反向換 流器含有η條支路，該η條支路上具備適當的開關，藉以在η相 主交流系統及直流中間電路間執行雙方向的電力轉換。 依據上揭說明，本發明係關於控制連接於主交流系統與直 流Φ間電路間之主反向換流器。 典型的做法是該直流中間電路供應電力於該反向換流器， 再經該反向換流器供電於一具或數具電動機。在此方式的配置 上，最普通的情形乃由電力網路供電於電動機，但例如當電動機 減速時，介直流中間電路將電力自負載反饋於電力網路的狀況亦 一定要發生的。 經濟部中央標唪局員工消费合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再4·寫本頁) 上揭狀況的原理，可以圖1的說明與圖2所示的向量圖來 解釋。在電力網路內的交流電勢係由供電於該網路的發電機當位 於其軸上之磁通回轉包圍發電機之繞組時所產生者，此乃可料想 之事。此時發電機繞組所產生的電壓可以式（1 )表示之：即 本紙炫尺度遠州中W國家橾準（（:NS ) Λ4坭格（210Χ297公釐） S01723 A7 B7 五、發明説明（）） 相應的，由電壓所引起的磁通可依式（2 )將電壓就時間積分而 得，即 γν =巧沾+ ⑵ 假如電壓向量abs设ν)數時，磁通向量abs (γν)的長度也是常 數。在交流系統中具有可變特性的電壓當各向量的角速度一定時 可以我表其所引起的磁通，乃意想中事，如圖2所示，磁通Υν 與電壓yv之間有90°C之位相差。 當將另一電勢源連接上揭的交流主系統的電勢時，如圖1 所示，該電源電壓為Uws，經感抗器L，在此二系統間有效電力 的轉換可用式（3)來說明，即 p = ^^sin(5 ⑶ 於式（3)中X=coL。式（3)表示兩電壓向量間的相角差δ 為該兩電勢間轉換電力的先決條件，此相角差亦表示在圖2內。 如一般所悉；電力Ρ可以轉矩及角速度的乘積表示，於上 掲場合，該角速度ω係以主交流系統電勢的頻率為基準計算而得 之值。轉矩可依據已知的公式（4)來決定，即 | ΙΊ = | γν X ΐ | ⑷ 由是，交流電動機原理所應用的式（4)與電力輸送原理所應用 的式（3)間的關連得以決定。由於在定態時系統間的有效電力 本紙张尺度適用中國阈孓標率（CNS ) Λ4規格（21()Χ29：?公犛） 經濟部中央標準局員工消费合作社印裝 A7 ___B7 五'發明説明（？） 轉換乃處於平衡狀態的，式（4)亦可利用另一電勢的磁通 Yvvs而以式（5 )的方式表示，即 | Τ'! = | Vvvs x i\ (5) 基於上文所述，如欲在兩電勢系統間轉換電力P ,顯然無 疑的可只須依據計算將電流向量I決定，然後依據式（2)就兩 電勢系統中之任一才將電壓向量積分，藉以計得磁通向量的位置 與大小。依本發明控制主反向換流器的中間電路的直流水準的方 法，係基於上揭的原理，乃具有如下之特徵：對欲由主反向換流 器轉換之電力，其控制之法乃先決定主反向換流器的轉矩與磁通 之參考值，並將該等值與其相對應之變數之實際值相比較，用以 產生引導主反向換流器之開關位置移向使磁通增加或減少；同時 也是使轉矩增加或減少方向之信號。該實際值之決定法為： 測定主交流系統η -1相中之電流值，藉以決定主反向換 流器的電流向量的位置與長度， 測定中間電路的電壓將其電壓向量積分值與主反向換流器 開關位置上的數據決定為主反向換流器所產生的磁通，及以該電 流向量和該磁通向量之相乘積來決定主反向換流器產生的轉矩。 下文中以參考圖更詳細說明本發明的方法，其中 圖1為兩電勢源系流互連的構成示意圖， 圖2係依據圖1以向量圖來解析系統中電氣變動值變化情形 的說明圖， 〜5〜 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、tT 本紙张尺度適用中闽阈家榡準（CNS ) Λ4说格（210Χ297公釐） 301723 A7 B7 經濟部中央棣準局貝工消費合作社印製 五、發明説明（0) 圖3則依據圖1做本系統更為具體的寅例說明， 圖4依據圖3說明本系統的本質， 圖5依據圖4表示本系統所產生的電壓向量， 圖6係以方塊圖說明本發明的方法， 圖7係就圖6中的方塊圖所示磁通比較器的運作情形更為詳 盡的解說，及 圖8係就圖6中的方塊圖所示轉矩比較器的運作情形更為詳 盡的解說。 圖3所爪者為一系統中一部份圖說，其主反向換流器為本 發明的方法所控制。圖3的方塊圖包含一個主交流系統U，係屬 三相，含有電壓源UO, U1及U2。主交流系統U的各相均經感抗 器L連接於相對應的主反向換流器Vvs各相的輸入側。每相中實 際的主反向換流器含有兩具控制半導體開關與與之並聯的兩個二 極體。在此情形下，當未經控制時主反向換流器可當做二極體整 流用電橋；但經控制時它可藉影響直流中間電路的直流電壓Uc 的水準來影響經過主反向換流器做電力轉換的典型用途。此直流 電壓在主反向換流器的正極與負極間，亦在連接於直流側的電容 器c的極間存在。在直流電路上連接一個Sdc系統當做負載。 本發明方法的主要目的在控制主反向換流器vvs的電力潮流 以維持直流中間電路1的直流電壓水準U c在預期狀態在本發 明的方法中，連接主反向換流器VVS至另一交流電勢，以此狀態 再連至主交流系統U，其電壓的振幅與頻率主反向換流器vvs無 法單獨影響，而將中間電路的電壓Uc選為主要控制變數，而企 圖調整該電壓Uc到所欲之參考值Uc-ref ’由於主交流系統的角 〜6〜 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Γ - 丁 本紙悵尺度丨4州中阁國家標準（CNS ) Λ4规格（2I0X297公嫠） 經濟部中央標準局負工消费合作社印5i Μ Β7 _ 五、發明説明（爻） 速度ω為己知，在定態時於主交流系統的電勢與主反向換流器的 電勢間欲予轉換的電力Pref^J為轉矩參考值Tref所取代。由上文 的敘述可以明暸，本發明的方法亦可應用於下述案例，即控制的 對象並非直流中間電路的直流電壓水準而是例如僅欲控制轉換至 主系統的電力，於是直流中間電路乃扮演供應能量的角色，此場 合下試圖維持其電壓水準為常數乃不必要甚至不可能的。 所應加以注意者乃主反向換流器vvs所產生的直流電壓水準 Uc係與圖1及圖2中所示電勢的電壓向量Uvvs的長度相當。由 於電壓向量的長度係直接為磁通向量長度所決定，又由於令主反 向換流器vvs運轉於功率因數1 · 〇亦即COS phi = 1.0的情形 下較為妥當，該磁通向量長度依圖2可被式（6)所決定，即 | Fvvj | = y | W | 2 + I i_* L I 2 (6) 在三相系統中，毫無疑問的，電流係由二相間之電流值所測定。 同樣在η相系統中只須測定n — 1相電流即可明確的決定電流 值。在形成電壓向量時所需者為測定中間電路的直流電壓以決定 電壓向量長度以及在那特定的瞬間主反向換流器的開關位置之諸 數據。這些開關的組合可用向量化來說明，其大小可用很多能 應用的電機技術成份組合來決定，如開關亦可認為其組合。如圖 夂4所示，該圖特別解說圖3的反換流器片段的運轉情形，依此賣< 例圖中的三具開關SO，S1及S2可用於三相系統的反向換流器 中，該等開關每具均備有兩個位置，即每一開關均可連至低分支 位置，亦即連至直流電壓的負極，或連接至高分支位置，亦即連 至直流壓的正極。圖5所示者為依此方式可能產生的電壓向量 〜1 I. 策—；-----訂------f (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙张乂度遏;丨]屮㈨阈家標苹（（，ns ) Λ4規格（2!()χ2(;7公筇） 經濟部中块標準局貝工消費合作.杜印裝 A7 B7_ 五、發明説明（ό) 的大小與方向。其結果為六個不同的電壓向量’此乃由於有兩個 向量其所有開關全連接至低分支或高分支，致使該向量對原點而 言成為零祠蓍。該開關組合可以向量㉟可狀態夺卿，狀態 (S1)，狀態（S2)]來描述，在此狀態下乃為指示開關位置數 據的涵數；亦即此開關組合如非連接至高分支即是連接至低分 支，亦即連至直流電壓的負極或正極。藉上揭方式利用中間電路 的的電壓Uc與向量化，主反向換流器ws所產生的磁通，可以 式（7 )來計算，SP Vvvs = f Uc(Sw) dt + VO (7) 式中為磁通積分的原點。 圖6表示該系統的方塊圖，適於做為本發明方法的工作流 程。於該系統，如同於依據圖3所示的系統，主反向換流器係連 接於主交流系統U及直流系統Sdc間，其連接情形為主交流系統 U及主反向換流器的電力模型2間介有感抗器，而直流電壓上的 電容器c則介於電力模型2與直流系統Sdc之間。由於在本發明 的方法中直流中間電路的電壓Uc係調整在較為期望之數值，該 電壓經測出且加入主反向換流器vvs的方塊3及4中。而方塊4 為控制系統的一部份，依據一般系統所慣行的控制原理F (UC，Ucref，gff，sign(c〇)),用以決定轉矩參考值Tref。如從控 制原理的定義中可獲悉，轉矩參考值Tref的定義乃利用下列數據 決定者，即在某一時刻直流中間電路的電壓Uc值r該霉壓的參 考值Ucref，特別考慮直流系統的品質而採用的正回饋變數§ff， 及交流電力系統電墼各相的開關順序，該電壓可參照另一控制原 理G來取代，其中將轉矩參考值視為完全依外部正回饋vvs(sign( ω)而獲知，假如將本發明的方法應用於另一種佈置，其中間電路 ~8^ 本纸乐尺度制'|’關家標命（⑽）Λ4· ( 21〇χ 2y7公婼） 4 (1閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 、νβ 經濟部中央標準局月工消费合作社印敦 301723 五、發明説明（々） 的電壓水準可照系統Sdc所決定的狀態變動時，則控制原理可以 的變數而定，或依預期在直流及交流電路間轉換的電力參考值 Prefix定。主反向換流器產生的磁通Vvvs係在方塊3中運用式 (7)依據該中間電路電壓及從方塊5獲得的電力模型2的開關 組合數據以計算而得，中間電路電壓上的數據亦應用於方塊3 中。這些由主反向換流器產生的磁通上的數據亦應用於磁通比較 器電路6及方塊7中，於此基於該等磁值數據與主交流系統U的二 相所測得的電流數據la和Ic，運用式（5 )決定主反向換流器產 生的轉矩T值。該轉矩T的這些數據，與由方塊4所得轉矩的參 考值Tref上的數據，一併應用於轉矩比較器的方塊8，於該方塊 中將實際轉矩值與其參考值互相比較，其目的在為方塊5產生控 制信號，藉以控制電力模型2的開關位置，該控制信號可調整主 反向換流器的開關位置的指向究竟趨增力抑或減少轉矩之方向， 端視比較的結果而定。該轉矩數元可以具有三個不同之值，俟關 連到圖8時再做更詳細的敘述。 --·------八 i衣—； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 方塊6中含有一磁通比較器，在該器中將以由式（7 )在 方塊3中計得的磁通長度，與在方塊8中以式（6)得到的磁通 參考值Vvvs-ref5相比較。 根據此比較結果，一所謂磁通數元(flux bit)的控制信號於焉 決定，利甩該信號電力模型2的開關位置邏輯控制可調整其方 向，趨於增加抑或減少磁通。該磁通數元可以具備兩個不同之 值，將關連到圖7時再做更詳細敘述。 與所謂磁通數元的產生有關連的磁通比較器6的運作情形 — 9 — ( (、S ) Λ4ΑΙ,格（210x297公筇） 五、發明説明（（5 ) A 7 B7 在圖7中有更詳盡的表示。經計算得到的實際磁通值Vvvs在一 邊，而該磁通的參考值Vvvs-refffi另一邊，均加入該比較器中。 依據圖7，該比較結果可能有兩個數值，非-1既1，端視Vvvs 值與Vvvs-ref何者較高而定。如果經計算而得的磁通值VVvs低於 磁通參考值Vvvs-ref時，應選磁通數元值1為增加磁通方向，使 磁通增加的磁通數元值保亦即使磁通減少者，此磁通數元值應一 直保持到Vvvs值因磁滯Vh而持到計算所得的磁通值Vvvs，由於 磁滯Vh而高於磁通參考值時為止。相對應的，假如Vvvs高於 Vvvs-ref時磁通數元值應被選定為-1，低於磁通參考值Vvvs-ref 時為止。 請 先 閲 讀 背

I 填 寫〜 本 頁 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 在圖8中更詳盡的說明轉矩比較器8的運作情形。該轉矩 比較器8可將依據控制原理而在方塊4中決定的轉矩參考值 Tref，與由主反向換流器產生而依式（5 )在方塊了中計算而得 的實際轉矩值T做互相比較。依據圖8，經比較結果，轉矩數元 具有三個基準值，亦即能具有三個主要的不同數值。假如轉矩參 考值Trefg於經決定的轉矩值T，則選定增加轉矩的值1做為轉 矩數元值。當轉矩的實際值與參考值雙雙達於同樣高的數彳直的場 合來臨時，轉矩數元的數值變成0。只要轉矩的實際與參考值之 差值在任一方向均不超過磁滯值Th，轉矩數元之數值將一直保 持在值0。當轉矩數元值為0時，一個0指示（意即一種開關組 合其代表向量減少為零）在作用，則依式（了）磁通維持不變。 但若經決定的轉矩值T高於轉矩參考值Tref ,則轉矩數元值被選 定為趨於減少轉矩的-1值。轉矩比較器的磁滯Th可以胃定為 零，由是比較器的零值無法實現，但轉矩數元由值-1移彳立至值 1，反之亦然。 〜10〜 訂 终 本紙张尺度過;丨]屮阀阀家行苹（CNS ) Λ4坭格（210X2W公雄） 經濟部中央標準局員工消費合作杜印敦 A 7 __B7 五、發明説明（？） 如上文所述，有兩種數元的狀態控制著磁通，且轉矩加入 邏輯5以選定開關位置，此邏輯選定的開關組合可用於電力模型 2，其使用方式為數元狀態所提供的磁通與轉矩應改變的方向應 適當考慮，亦即開關組合對於磁通及轉矩而言將完成磁通與轉矩 的數元狀態所代表的目標。至於輸出，邏輯5產生開關組合數為 2的某次方。可能的開關組合數目乃依開關的數目成為開關位置 數目的指數倍。於圖4的場合，其中開關數目為3，每一開關有 兩個位置，可能的開關組合數目及23，亦即8。假如主交流系 統的相數為η，而主反向換流器的每具開關有兩個為置，則可能 的開關組合數為2η。 本發明方法的優點乃例如說具有極優異的動作性能，可確 保負載變動期間中間電路的電壓可迅速獲得穩定，而不致於從指 定的電用，其所選主感抗器的典型值大約為l〇~20%P.U。儘管 主感抗器較壓參考值偏離太多。當應用本發明的方法時，主感抗 器寧可選用較小者，譬大約5%P.U (標么值），較之從前的 主反向換流器的運小，電流的畸變成份亦小。運用本發明的兩點 間調整法，在中間電路的電容器C容量亦可減少。 與傳統的脈衝波寬調變（Pulse width modulation)比較本發 明的調變可用較簡單的方式完成。並不須要產生任何特別的參考 波藉供決定使用的開關位置，但可根據在指定的瞬間流通的磁通 與轉矩的實際數值，來直接在主反向換流器內完成控制。換言 之，本發明之方法可免除不必要的中間程序俾在主反向換流器內 產生正確的電壓與頻率，這些變數可直接利用兩點間調整法來產 生。 〜11〜 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙张反度讳)丨H，W阈苳栉枣（（'NS ) Λ4規格（2丨()/ 21;7公筇） — A7 ___B7_ 五、發明説明（/ ° ) 本發明的方法比從前沿用的主反向換流器之應用較少測定 工作的需要，此一事實亦可提出來當作其優點之一。本發明的方 法中主交)荒系統的相電壓根本不須測定，但所須測定者為中間電 路的直流電壓及n-1個電流測定，應用這些數據n相主交流系統的 電流毫無疑問的可以決定。 本發明的方法在上文中僅以一些代表性的具體實例加以解 說，但顯然的本發明的方法亦可應用於其他系統，其方塊圖及選 用到這些方塊圖的方塊主要與圖6所示實例的方塊圖有所相異 者0 (請先閲讀背面之注意事項再填离本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消费合作社印梦

Claims (1)

1. ¾濟郎中夾梂準局5HX消f.vt作杜印袈 A8 B8 C8 DS 六、申請專利範圍 1 · 一種使用主反向換流器以控制電力轉換之方法，該主反向換流器 (vvs) —端連接於直流中間電路（1)，另一端則經感抗器（L) 連接於一η相主交流系統（U)，而該主交流系統電壓的頻率與振幅 並不單獨受主反向換流器的影響；該主反向換流器含有具備適當開 關（S0，S1,S2)的η條支路，藉供在η相主交流系統（υ )及直流中 間電路（1 )間執行雙方向的電力轉換，其特徵在欲透過主反向換 流器（Vvs)轉換的電力受主反向換流器的轉矩與磁通的指定參考值 (Tref，Vws-ref)的控制，且將之與相對應變數的實際值（τ， Vvvs)相比較，用以產生調整主反向換流器開關位置的信號，其方 向為增加或減少磁通及相對應的，增加或減少轉矩，該實際值的決 定法為測定主交流系統η-1相的電流（la，Ic)以決定主反向換流 器電流向量的位置與長度，將依中間電路電壓測定（Ue)所得電壓 向量積分值與主反向換流器開關位置上的數據決定為主反向換流器 所產生的磁通（Vvvs)，及將該電流向量（I )與磁通向量(Vvvs) .的交叉乘積決定為主反向換流器產生的轉矩（T )。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為比較磁通的實際與參 考值（Vvvs,Vvvs-ref)而產生的控制開關位置信號係一個2狀態信 號（two-state signal)。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其特徵為比較磁通的實際與參 考值（Vvvs,Vvvs-ref)而產生的該2狀態信號僅在被比較的數值與 預定的磁滯值（V h)互相有差異時其狀態才有改變。 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵為比較轉矩的實際與參 考值（T，Tref)而產生的控制開關位置信號係一個3狀態信號 (three-state signal)。 5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其特徵為比較轉矩的實際與參 值（T，Tref)而產生的該3狀態信號在當經比較結果之差值大於預 定之磁滯值（T h)時，偏移至狀態1或-1，在其他狀況下則移至 狀態0。 n^fl nn K d^i nn en ftn· Bm ^pn liii-—tm tut 1>-11 11^ 一 、一5 一 v> (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ：- ! ；':'1 ： ( NS !