CN105577041B - 用于控制变换器的设备 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种用于控制变换器的设备。所述设备确定当输入功率减少至额定功率之下时的、考虑电动机的输入电压的频率的、重启区间中的命令电压的相位、重启时的电动机的输入电压的频率、用于生成扭矩的时段以及重启时的电动机的输入电压的相位。

Description

用于控制变换器的设备

技术领域

本公开涉及用于控制变换器的设备。

背景技术

中压变换器指的是使用大于600V_RMS线路电压的输入功率的变换器，并且它的额定功率容量在从几百千瓦(kW)变化到几万千瓦。中压变换器普遍用在鼓风机、泵、压缩机中等等。在这种中压变换器中，频繁使用级联多电平变换器，该级联电平变换器的输出相电压具有三个或多个输出电压电平。取决于多电平变换器的电池的数量来确定多电平变换器的输出电压电平的振幅和数量。每个电池使用隔离的输入电压。

典型地，由中压变换器驱动的中压电动机具有非常高的惯性。相应地，当误差在输入功率中发生或服务中断发生时，电动机花费长时间来完全地停止用于重启的操作。为了减少用于重启的时段，可以在电动机旋转期间根据电压/频率比(V/f)来施加电压。然而，这也许会导致大的浪涌电流(inrush current)从而使变换器或者电动机中的故障。

因为这个原因，为了减少用于重启的时段并且避免变换器或电动机中的故障，电压测量装置被使用。

现有电压测量装置在没有控制的情形下测量旋转中的电动机的感应电动势，以获得用于重启的电动机的电压信息和速度信息。当变换器生成输出时，然而电压测量装置测量来自变换器的输出，并且因此可以不再获得关于电动机的状态的信息。

当电动机根据电压/频率操作时，变换器不控制电动机的相-电流。当在自由转动期间测出的电动机的电压的频率用作变换器的输出频率时，取决于负载的尺寸来确定电动机的电流的放大器。

在电动机的自由转动状态(其被触发为抵抗输入功率中的误差的保护操作)下，如果负载的尺寸较小，则生成电流的幅度较小，因为感应电动势的振幅以及频率的减少较小，并且在输出用于重启的电压之后的转差频率较小。然而，如果负载的尺寸较大，则生成电流的幅度较大，因为感应电动势的振幅以及频率的减少较大，并且在输出用于重启的电压之后转差频率较大。

像这样，在大负载条件中，感应电动势大幅减少并且因此用于重启的可用电压的振幅较小。此外，由于更大转差频率而需要更大电流容量。

发明内容

本公开的一个方面在于提供一种用于控制变换器的设备，所述设备能够通过在电动机重启时对输出频率进行补偿来降低由转差频率生成的电流从而平稳重启电动机。

根据本公开的一个方面，用于在变换器***中使用的变换器的设备包括：第一确定单元，其被配置为确定当输入功率减少到额定功率之下时的电动机的输入电压的频率，并且如果恢复所述输入功率，则确定重启时的所述电动机的输入电压的振幅、相位和频率；以及第二确定单元，其被配置为在重启时间之后确定命令电压以在重启区间中将所述命令电压施加至所述变换器直到来自所述变换器的输出电压达到预定输出电压为止。所述第二确定单元被配置为基于当所述输入功率减少到所述额定功率之下时的所述电动机的输入电压的频率、重启时的所述电动机的输入电压的频率、用于生成扭矩所需的时段以及重启时的电动机的输入电压的相位来确定所述命令电压的相位。

附图说明

本发明的上面和其他的方面、特征及优点将从结合所述附图给出的示例性实施例的下面描述变得显而易见，其中：

图1是示出根据本公开示例性实施例的使用用于控制变换器的设备的中压变换器***的示例的视图；

图2是示出图1中显示的电池中的一个的具体配置的示意图；

图3是根据本公开示例性实施例的用于控制变换器的设备的框图；

图4和图5是现有技术中的用于概念性地示出确定命令电压的幅度和相位的方式的示意图；

图6是现有技术中的用于示出重启变换器的序列的图示；

图7是根据本公开示例性实施例的用于示出在重启区间确定命令电压的频率的方式的示意图；

图8是根据本公开示例性实施例的用于示出在重启范围确定命令电压的相位的方式的示意图；以及

图9是根据本公开示例性实施例的用于示出重启变换器的序列的图示。

具体实施方式

因为本公开可以以多种方式进行修改并且具有多个示例性实施例，所以具体示例性实施例将在附图中显示并且在详细描述中详细地描述。然而，应该理解的是，本公开并非限于具体示例性实施例，而是包括包含在本公开的精神和保护范围内的所有修改、等同以及替代。

此后，参考附图详细本公开的示例性实施例。

图1是示出使用根据本公开示例性实施例的用于控制变换器的设备的中压变换器***的示例的视图。

如图1所示，在使用根据本发明的示例性实施例的用于控制变换器的的设备的***中，变换器2被配置为对从三相电源施加的具有600V_RMS或大于V_RMS的线路电压的三相功率进行转化并且将其提供至中压三相电动机3。三相电动机3可以为但不限于为感应式电机或同步电机。

变换器2可以包括相移变压器10，多个电池20，电压检测单元30以及控制单元30。

相移变压器10可以使功率输入与电源1隔离并且可以如由多个电池20所需要的改变电压的相位和振幅以将其提供至多个电池20。通过执行这种相移，可以改善输入电流的总谐波失真(THD)。

多个电池20可以从相移变压器10接收输出电压，并且可以通过对来自电池的在相应相位中的输出进行求和来合成来自于中压变换器2的输出电压。

也就是说，在图1中，来自变换器2的相位-a中的输出电压是来自串联的电池20a1和20a2的输出电压之和，来自变换器2的相位-b中的输出电压是来自串联的电池20b1和20b2的输出电压之和，来自变换器2的相位-c中的输出电压是来自串联的电池20c1和20c2的输出电压之和。虽然为了说明方便，在图1中串联两个电池，但是电池的数量不限于两个。本领域技术人员将明白串联的电池的数量可以取决于来自变换器2的输出电压而变化。多个电池具有相同配置。在以下描述中，不考虑它们的相位，电池被称为“电池20”。

来自变换器2的在相应相位中的合成的输出电压具有相同振幅但具有不同相位，其中，每一个距其它相位具有120度的相移。此外，应该理解的是，变换器2的电池20的数量可以增加，而且THD或者施加到电动机3的输出电压的电压变化比dv/dt可以由多种转换方式来改善。

电压检测单元30可以在正常操作模式检测输入到电动机3的电压，即来自变换器2的输出电压。检测到的输出电压可以用于同步旁路，输出功率计算以及重启电动机3等等。

根据本发明的示例性实施例，控制单元40可以被实施为用于控制变换器的设备。控制单元40可以从电压检测单元30接收电压并且相应地生成用于控制多个电池20的控制信号。下面参照附图来描述控制单元40的具体配置和功能。

图2是示出图1中显示的多个电池中的一个的具体配置的示意图。

如图2所示，根据本公开示例性实施例的中压变换器***中使用的电池20可以包括整流单元21、直流(DC)级电容器22、变换器单元23和电压驱动单元24。

整流单元21可以包括6个二极管并且可以将从相移变压器10(在图10中)输入的交流(AC)电压整流为DC电压。可以基于整流单元21的输入功率与来自电池20的输出功率之间的差值来确定在DC级处的整流电压的振幅。具体地，如果从相移变压器10供给的输入功率大于在载荷消耗的输出功率，则DC级电压增加，否则DC级电压降低。DC级电容器22可以吸收输入级和输出级之间的瞬时功率差值。

例如，配置为单相全桥变换器的变换器单元23可以经由多个功率开关23a至23d合成来自DC级电压的输出电压。

电压驱动单元24可以布置在每个电池20中，并且可以生成用于确定变换器单元23的功率开关23a至23d的接通/切断的选通信号，并将它们提供至变换器单元23的功率开关23a至23d。可以根据来自控制单元40的控制信号来操作电压驱动单元24(在图1中)。

在如此配置的变换器***中，控制单元40可以在正常操作模式下根据电压-频率关系来生成命令电压，并且将其提供至电压驱动单元24。当输入功率瞬时中断并且随后恢复时，控制单元可以将预定振幅和相位的电压施加至电池20，从而使电动机重启。

图3是根据本公开示例性实施例的用于控制变换器的设备的框图，在该框图中显示图1的控制单元40的具体配置。

如图3所示，控制单元40可以包括：变换单元41、电压振幅和相位确定单元42、重启命令电压确定单元43、命令电压确定单元44、标志设置单元45以及选择单元46。

命令电压确定单元44可以根据命令频率(ω_ref)来确定命令电压。以电压和频率之间的恒定比来驱动变换器2，并且因此可以确定与输入命令频率对应的命令电压。

变换单元41将由电压检测单元30(在图1中)检测到的电动机3的输入电压变换为同步坐标系中的d轴电压分量和q轴电压分量。电压振幅和相位确定单元42可以根据d轴电压分量和q轴电压分量来检测电动机的输入电压的振幅、相位和频率。相位检测可以由典型的锁相环(PLL)等来执行。

重启命令电压确定单元43可以使用由电压振幅和相位确定单元42确定的、输入到电动机的电压的振幅和相位来确定重启命令电压。

当在输入功率中发生异常时，标记设置单元45可以将标志设置为1，并且当正常操作可以将输入功率提供至选择单元46时，标志设置单元45可以将标志设置为0。

当接收正常输入功率并且标志被设置为1时，即在重启区间，选择单元46可以从重启命令电压确定单元43中选择命令电压以将该命令电压提供至多个电池20。当标志被设置为0时，选择单元46可以将来自命令电压确定单元44的命令电压提供至多个电池20。

此后，首先描述用于在现有变换器***的重启命令电压确定单元中的命令电压的振幅和相位的方式，并且随后描述根据本公开的用于控制变换器的设备中使用的重启命令电压确定单元43的命令电压的振幅和相位以用于进行比较。

图4和图5是概念性地示出现有技术中用于确定命令电压的振幅和相位的方式的示意图。

如图4和5所示，重启区间中的命令电压的振幅通过将由电压振幅和相位确定单元确定的电动机的输入电压V_mag的振幅增加到由梯度确定单元4A确定的、相对于时间的电压变化的振幅来计算。命令电压的振幅可以用以下等式表示：

[数学表达式1]

V_{ref_fly}＝V_mag+a·t

其中，a代表相对于时间的电压变化。

此外，重启区间中的命令电压的相位可以通过将电动机的输入电压的相位(θ_est)增加到通过积分单元5A、电动机的输入电压的频率的时间积分的相位来计算，该电动机的输入电压由电压振幅和相位确定单元来确定。

[数学表达式2]

θ_{ref_fly}＝θ_est+∫ω_estdt

图6为现有技术中的用于示出重启变换器的序列的图示。重启变换器的序列使用根据图4和图5中示出的方式确定的命令电压的振幅和相位来执行。

如图6可见，从电源供给的输入功率在时间点A中断并且在时间点B恢复。即使输入功率在时间点B恢复，然而，在某个时间间隔之后，电动机在时间点C重启并且在时间点D之后正常操作，如图6所示。也就是说，电动机在区间E和H中正常操作，异常发生在区间F中的输入功率中，并且电动机在区间G中重启。

当如图5中被确定的重启命令电压的相位被使用时，不考虑取决于负载的频率的变化。因此，存在以下问题，即由于载荷引起的转差频率的存在，差值J发生在电动机的速度和变换器的输出频率之间，使得浪涌电流I发生在在重启时的电动机的输入电流中。

为了克服该问题，被实施为根据本公开的示例性实施例的用于控制变换器的设备的控制单元40对取决于基于自由转动中的电动机的测出的相-电流或者线路电压的频率估计的负载的频率进行补偿并且因此确定变换器2的命令电压的相位。因此，可以减少在重启时可能发生的电动机的相-电流的振幅，使得可以稳定重启电动机。

图7是根据本公开示例性实施例的用于示出确定在重启区间中的命令电压的频率的方式的示意图。图8是根据本公开示例性实施例的用于示出确定在重启范围中的命令电压的相位的方式的示意图。图9是根据本公开示例性实施例的用于示出重启变换器的序列的图示。为了与现有技术容易比较，在图9中使用与图6中的那些相同的参考数字。

如从图9可见，从电源1(在图1中)供给的输入功率在时间点A中断并且在时间点B恢复。即使输入功率在时间点B恢复，在某个时间间隔之后，电动机在时间点C重启并且在时间点D之后正常操作，如图6所示。也就是说，电动机在区间E和H中正常操作，在区间F中，异常发生在输入功率中，并且电动机在区间G中重启。重启区间指的是从当变换器重启时至变换器恢复其额定电压或更大时的时段。

如图7所示，重启命令电压确定单元43(在图3中)可以确定补偿的命令电压ω_{ref_fly}的频率(此后被称为“命令频率”)。如图8所示，可以使用确定的命令频率来确定重启命令电压的相位。

具体地，重启命令电压确定单元43可以从电压振幅和相位确定单元42(在图3中)接收在误差发生在输入功率中的时间点A测出的电动机的输入电压的频率ω_est1使得完成正常操作，以及接收在电动机重启的时间点C测出的电动机的输入电压的频率ω_est2。为此，电压振幅和相位确定单元42可以确定在时间点A由电压检测单元30(在图1中)测出的电动机的输入电压的频率以将该频率提供至重启命令电压确定单元43，并且可以确定在时间点C由电压检测单元30测出的电动机的输入电压的频率以将该频率提供至重启命令电压确定单元43。

随后，重启命令电压确定单元43可以通过除法单元将由减法单元7A计算出的两个频率ω_est1、ω_est2之间的误差除以两个时间点之间的时间T_fault，从而确定降低频率的梯度。降低频率的梯度ω_grad由负载的量来确定。负载越大，频率的梯度越高，并且负载越小，频率的梯度越低。因此，取决于负载的频率的变化可以近似如下：

[数学表达式3]

ω_grad＝(ω_est1-ω_est2)/T_fault

当生成命令电压用于重启时，以电压/频率比(V/f)操作的感应电机需要大约几十至几百兆秒的时段生成合适的扭矩。也就是说，不同电动机需要不同时段来生成合适的扭矩。本公开的示例性实施例将其用作补偿值T_comp。具体地，作为补偿值T_comp，可以使用从感应式电机的马达的时间常量的四分之一到三分之一的范围内的数值。

在重启命令电压确定单元43中，乘法单元7C将频率梯度乘以T_comp并且当减法单元7D重启时将来自于乘法单元7C的输出从在图9的时间点C测出的电动机的输入电压的频率ω_est2中减去。因此，生成合适扭矩的时间的频率可以被确定为如下的命令频率ω_{ref_fly}：

[数学表达式4]

ω_{ref_fly}＝ω_est2-ω_grad·T_comp

感应电机的马达的时间常数被限定如下：

[数学表达式5]

T_r＝L_r/R_r

考虑数学表达式5中的马达的时间常数来确定在数学表示式4中的T_comp，其中，Lr指代感应电机的马达电感，以及Rr指代马达电阻。

一旦命令频率以这种方式确定，重启命令电压确定单元43就可以确定如图8所示的相位。也就是说，重启区间的命令电压的相位可以通过将电动机的输入电压的相位(θ_est)增加到由积分单元8A积分的命令频率ω_{ref_fly}的相位来确定。命令电压的相位可以用下面等式来表示：

[数学表达式6]

θ_{ref_fly}＝θ_est+∫ω_{ref_fly}dt

参考图9，标记设置单元45可以在误差发生输入功率的时间点A将标记设置为1，如(a)所示，并且可以在重启区间结束的时间点D将标记设置为0。

当误差发生在输入功率中时，为了保护而中断变换器2。因此，来自变换器的输出电压立即变为0，如图(b)所示，并且电压检测单元30可以测量在时间点A处的电动机的输入电压，并且电压振幅和相位确定单元42可以确定输入电压的频率。

在误差出现在输入功率中的区间F测出的电动机3的输入电压为电动机3的感应电动势。，电动机3的输入电压的振幅和电动机的速度根据电动机3的负载和时间常数降低并且没有形成用于电动机电流的通路。因此来自电动机3的输出电流为0。

当在时间点B再次施加输入功率时，电压振幅和相位确定单元42通过电压测量单元30在距时间B的时间间隔之后的时间点C的测量来确定电动机3的输入电压的振幅、相位和频率。变换器2可以基于由重启命令电压确定单元43确定的重启命令电压的振幅、命令电压的相位和命令频率来重启。在其中电动机重启的区间G中，可以将由重启命令电压确定单元43确定的命令电压提供至变换器2。

也就是说，重启命令电压的振幅可以通过将重启时的电动机的输入电压的振幅V_mag增加至相对于时间的电压变化的振幅来确定。

此外，重启命令电压的相位可以通过将重启时的电动机的输入电压的相位(θ_est)增加至命令频率的时间积分的相位来确定，该命令频率通过从重启时的频率中减去相对于时间的降低频率的梯度ω_grad乘以用于生成扭矩的时间来获得。

换就话说，在时间D(即重启时间)施加到变换器2的命令电压的振幅可以为电动机的输入电压的振幅。命令电压的相位可以为电动机的输入电压的相位(θ_est)。在区间G(即重启区间)中的命令电压的相位可以通过使用命令频率来计算，该命令频率通过从重启时的频率中减去相对于时间的降低频率的梯度ω_grad乘以用于生成扭矩的时间来获得。

区间G即重启区间结束于来自变换器的输出电压达到预定振幅的时间点D，并且标记可以被设置为0。通过这样做，选择单元46将由命令电压确定单元44确定的命令电压提供至变换器2，使得变换器***可以正常操作。

此外，作为变换器的输出频率，在区间G中施加在时间点C确定的、与由电压振幅和相位确定单元42确定的那个相同的频率。变换器的输出频率可以在时间点D之后根据电压-频率关系增加。

因此，根据本公开的示例性实施例，根据用于控制变换器的设备，可以看到浪涌电流在重启区间中从电动机电流移除。此外，与图6不同，电动机3的速度和变换器2的输出频率在整个操作区间中几乎彼此一致，如从图9的(c)可见。根据本公开的示例性实施例，用于控制变换器的设备可以对与用于生成取决于负载的扭矩的可能转差频率对应的误差进行补偿，使得转差频率可以较小。因此，可以减少用于重启所需的电流的幅度。

根据本公开的示例性实施例，可以通过在重启时的电动机的输出频率中对与用于生成取决于负载的扭矩的转差频率对应的误差进行补偿来重启变换器，从而防止电动机的浪涌电流。

虽然详细描述了本公开的示例性实施例，但是这些仅仅是示例性的。本领域技术人员应该明白的是，在不背离本公开的保护范围的情况下，多种修改和等同是可能的。因此，本公开追求保护的真实范围仅由所附权利要求书来限定。

Claims (6)

1.一种用于控制在变换器***中使用的变换器的设备，所述设备包括：

电压检测单元，其被配置为测量电动机的输入电压；

变换单元，其被配置为将由所述电压检测单元测出的电动机的输入电压变换为同步坐标系中的d-轴电压分量和q-轴电压分量并且将所述输入电压提供至第一确定单元；

第一确定单元，其被配置为使用从所述变换单元提供的信息来确定当输入功率减少到额定功率之下时的电动机的输入电压的频率，并且如果恢复所述输入功率，则确定重启时的所述电动机的输入电压的振幅、相位和频率；以及

第二确定单元，其被配置为在重启时间之后确定命令电压以在重启区间中将所述命令电压施加至所述变换器直到来自所述变换器的输出电压达到预定输出电压为止，

其中，所述第二确定单元被配置为基于当所述输入功率减小到所述额定功率之下时的所述电动机的输入电压的频率、重启时的所述电动机的输入电压的频率以及作为用于生成适当扭矩所需的时段的补偿值来确定在生成适当扭矩时的命令频率，并且基于重启时的所述电动机的输入电压的相位以及所述命令频率来确定在所述重启区间中的命令电压的相位。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二确定单元被配置为确定在重启时和当所述输入功率降低至额定功率之下的时间点之间的降低的频率的梯度，并且通过从重启时的所述电动机的输入电压的频率中减去降低的频率的梯度乘以所述补偿值的值来确定所述命令频率。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述补偿值被确定在从所述电动机的时间常量的四分之一至三分之一的范围内。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第二确定单元被配置为通过将所述命令频率的时间积分增加到重启时的所述电动机的输入电压的相位来确定在所述重启区间中的所述命令电压的相位。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二确定单元被配置为确定重启时的所述命令电压的振幅与重启时的所述电动机的输入电压的振幅一致。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二确定单元被配置为通过将相对于时间的预定电压变化增加到重启时的所述电动机的输入电压的振幅来确定在所述重启区间中的命令电压的振幅。