CN108540039A - 逆变器控制设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制逆变器的设备包括指令电压确定电路部分，其被配置为在初始起动时确定预定的第一补偿电压作为指令电压并向逆变器提供该指令电压；转换电路部分，其被配置为将逆变器的输出电流转换成同步参考坐标系上的转矩分量电流；以及补偿电压确定电路部分，其被配置为基于q轴电流来确定第二补偿电压并向指令电压确定电路部分提供该第二补偿电压。

Description

逆变器控制设备
技术领域
本发明涉及逆变器控制设备。
背景技术
一般地，逆变器是一种电力转换装置，其接收商用交流(AC)电力，将AC电力转换成直流(DC)电力，将DC电力重新转换成适合于电机的AC电力，并向电机供应AC电力。此类逆变器有效地控制电机以减少电机的电力消耗，从而提高能量效率。
在工业领域的许多应用负载中，通过电压/频率(下文中简写为“V/F”)控制方法控制逆变器，该控制方法主要被用于在低于额定速度的驱动区域中不需要快速动态特性的诸如风扇、泵和鼓风机的领域中。
而且，在诸如电梯或起重机的上升/下降负载中，用于根据电机的旋转状态来测量电机的绝对位置或电机的相对位置的位置传感器的编码器，可以被用于精确地控制速度并因此实现高起动转矩性能。然而，在一些***中，由于编码器的维护所引起的成本而执行V/F控制。
然而，当通过V/F控制来控制逆变器时，由于在其中电机的输出电压低的慢驱动区域中的电机的定子电阻和漏电感所导致的电压降，因此起动转矩可能是不足的。而且，由于起动转矩的不足而导致的起动故障导致过大电流，其可以导致逆变器故障或电机故障。
发明内容
因此，本公开的目的是提供一种逆变器控制设备，其用于通过改善在电压或频率控制时由于电压降的起动转矩不足，使得当制动器被释放时要求高起动转矩和快速响应的***稳定地起动。
为了实现这些及其他优点并且根据本公开的目的，如本文具体实施的和广泛描述的，提供了一种用于控制用于驱动电机的逆变器的设备，该设备包括：指令电压确定电路部分，其被配置为在初始起动时确定预定的第一补偿电压作为指令电压并向逆变器提供该指令电压；转换电路部分，其被配置为将逆变器的输出电流转换成同步参考坐标系上的转矩分量电流；以及补偿电压确定电路部分，其被配置为基于转矩分量电流来确定第二补偿电压并向指令电压确定电路部分提供该第二补偿电压。
根据本公开的优选方面，指令电压确定电路部分被配置为向逆变器提供第二指令电压，通过将第二补偿电压补偿到在考虑第一补偿电压中所确定的第一指令电压来确定该第二指令电压。
根据本公开的另一优选方面，指令电压确定电路部分被配置为当逆变器的指令频率达到目标频率时固定目标指令电压并输出所固定的目标指令电压。
根据本公开的又一优选方面，补偿电压确定电路部分包括放大器，该放大器被配置为用增益放大转矩分量电流并输出第二补偿电压，并且增益对应定子电阻。
根据本公开的又一优选方面，补偿电压确定电路部分包括：第一放大器，其通过第一增益放大预定的额定转矩分量电流，以输出放大的额定转矩分量电流；减法器，其从转矩分量电流中减去从第一放大器输出的放大的额定转矩分量电流；比较器，其将减法器的输出与预定的参考电流值进行比较以在减法器的输出不少于预定的参考电流值时输出逻辑高输出；乘法器，其在比较器的输出是逻辑高输出时将比较器的输出乘以转矩分量电流，以输出转矩分量电流；低通滤波器，其衰减转矩分量电流的纹波分量，以输出将纹波分量从其去除的转矩分量电流；以及第二放大器，其用第二增益放大从低通滤波器输出的转矩分量电流并输出放大的转矩分量电流作为第二补偿电压。
附图说明
附图示出了示例性实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理，附图被包括以提供对本发明的进一步理解并被并入和构成此说明书的一部分。
在附图中：
图1是示意性地示出常规的电压/频率控制型逆变器***的框图；
图2是示出其中由图1的指令电压生成电路部分根据指令频率来确定指令电压的示例的示例图；
图3是示出常规的逆变器控制设备的框图；
图4是示意性地示出根据本发明实施例的逆变器控制设备的框图；
图5是示出根据本发明实施例所确定的频率-电压关系的示例图；以及
图6是示出根据本发明的实施例的图4的补偿电压确定电路部分的详细配置的框图。
具体实施方式
为了完全理解本发明的配置和有益效果，将参照附图来描述本发明的示例性实施例。
在下文中，将参照附图来描述常规的逆变器控制设备和然后根据本发明实施例的逆变器控制设备。
图1是示意性地示出常规的电压/频率控制型逆变器***的框图。
当用户输入指令频率ωref时，指令电压生成电路部分110可以确定对应于指令频率ωref的逆变器120的指令电压的大小Vref和相位角θref。逆变器120基于由指令电压生成电路部分110所确定的逆变器120的指令电压的大小Vref和相位角θref来合成对应于电机130的指令电压的三相脉冲宽度调制(PWM)电压Vas、Vbs和Vcs，并且根据三相PWM电压Vas、Vbs和Vcs来驱动感应电机130。
图2是示出其中由图1的指令电压生成电路部分根据指令频率来确定指令电压的示例的示例图。可以看出，逆变器120的输出频率与输出电压大小成比例。
在图2中，在初始起动时，指令频率ωref从零开始增加，并且输出电压即逆变器的指令电压Vref根据频率-电压关系也从零开始增加。也就是说，指令电压随着指令频率ωref增加而成比例地增加。当指令频率ωref达到目标频率时，逆变器120用恒定速度驱动电机130。
当如图2所示的那样驱动电机130时，在初始起动时，与慢驱动区域中的频率成比例地生成输出电压，并且因此输出电压较低。此外，由于由电机130的定子电阻和漏电感所导致的电压降，因此驱动电机130所需的电压实际上减小。这显著地增加了起动电流并导致逆变器120和电机130的故障以及起动故障。
为了防止这种情况，考虑到由于定子阻抗的电压降，应该在慢驱动区域中增大电压。
图3是示出常规的逆变器控制设备的框图，其中将转换电路部分150和补偿电压计算电路部分160添加至图1的***。
如图1，指令电压生成电路部分110确定对应于指令频率ωref的输出指令电压的大小Vref和相位角θref，并且逆变器120合成对应于指令电压的三相PWM电压并根据三相PWM电压Vas、Vbs和Vcs来驱动电机130。
转换电路部分150将由测量电路部分140所测量的电机130的三相电流转换成同步参考坐标系上的d轴(磁通轴)电流(换句话说磁通分量电流)Idse和q轴(转矩轴)电流(换句话说转矩分量电流)Iqse，并且补偿电压计算电路部分160使用(基于)q轴电流Iqse来确定补偿电压。如下来确定坐标转换为Iqse：
[方程1]
其中，θ是指令电压的相位角θref。
Iqse与逆变器120的输出电压同相，并且对应于与负载转矩成比例的转矩分量电流。因此，从转矩分量电流Iqse的大小可以知道负载转矩的大小。所需的起动转矩随着电机130的负载增加而增加。因此，补偿电压计算电路部分160根据图2的频率-电压关系来补偿与转矩分量电流Iqse成比例的电压以增加起动转矩。
然而，根据该方法，在起动时其中仅摩擦负载操作的诸如风扇、泵或鼓风机的负载具有慢响应特性，并且因此在使用中不存在问题。然而，该方法不适合用于当其需要大起动转矩时(即，在诸如电梯或起重机的上升和下降负载中制动器被释放时)向其施加瞬时阶跃负载的此类***。
也就是说，当制动器被释放时需要高起动转矩的***只有当初始起动应该实现快速电压补偿时才可以被正常起动。然而，补偿电压计算电路部分160在电机130被起动之后基于转矩分量电流Iqse来确定补偿电压，并且因此该响应特性被减慢。而且，由于没有实现适当的电压补偿，所以由于起动转矩不足而导致的起动失败而引起过大电流，其导致逆变器120的故障和电机130的故障。
根据本发明，可以对由于定子阻抗引起的电压降进行补偿并且在当制动器被释放时需要大的起动转矩和快速响应特性的诸如电梯或起重机的***中提供已经改善了起动转矩的逆变器控制设备。
图4是示意性地示出根据本发明实施例的逆变器控制设备的框图。
如图4所示，根据本发明实施例的逆变器控制设备被配置为控制逆变器2，逆变器2向电机1输出具有预定的大小和频率的电压，并且可以包括指令电压确定电路部分10、输出电流检测电路部分20、转换电路部分30和补偿电压确定电路部分40。
当用户通过在逆变器2的外壳上设置的诸如键盘的用户输入单元(未示出)输入指令频率ωref时，指令电压确定电路部分10可以确定对应于指令频率ωref的逆变器2的指令电压的大小Vref和相位角θref。
逆变器2可以基于由指令电压确定电路部分10所确定的指令电压的大小Vref和相位角θref来合成对应于电机1的指令电压的三相PWM电压Vas、Vbs和Vcs，并且可以根据所合成的三相PWM电压Vas、Vbs和Vcs来驱动电机1。
图5是示出根据本发明实施例所确定的频率-电压关系的示例图。图5中的虚线5A示出了图2的常规的频率-电压关系，并且图5中的实线5B示出了根据本发明实施例的频率-电压关系。
也就是说，参考虚线5A，指令频率ωref从零开始增加，并且逆变器120的指令电压Vref的大小也从零开始增加。然而，根据本发明实施例的指令电压确定电路部分10可以被配置为根据实线5B的频率-电压关系来输出指令电压Vref的大小，使得指令频率从零开始增加并且逆变器2的指令电压Vref的大小从Vmin开始增大。当指令频率ωref达到目标频率时，指令频率不再变化并且以恒定速度执行驱动。因此，输出电压即逆变器2的指令电压Vref的大小还可以被固定。在这种情况下，如图5所示，可以看出当指令频率ωref达到目标频率时，输出电压即指令电压Vref的大小达到目标指令电压。也就是说，在其中指令频率ωref为零的初始起动时，指令电压被确定为是Vmin，但实线5B中的斜率比虚线5A中的斜率更适中。因此，可以看出，随着指令频率增加，指令电压(指令电压的大小)以比常规情况下的斜率小的斜率增加。
当指令频率ωref为零时，可以由用户根据电机1的特性来预定(预设)输出电压，即由指令电压确定电路部分10所确定的指令电压Vmin的初始大小。在这种情况下，当设定过高的电压作为指令电压Vmin的初始大小时，则可以发生脱扣(通过被安装在逆变器与电机之间的断路器的自动断路)，并且当设定过低的电压时则不可能移动诸如电梯的负载。
因此，根据本发明的实施例，当驱动电机1时，可以根据指令电压Vmin的初始大小通过补偿电压而禁止由于由定子电阻和漏电感所导致的电压降的起动失败，并且然后可以由补偿电压确定电路部分40执行随后的负载补偿。
转换电路部分30将由输出电流检测电路部分20测量的逆变器2的三相输出电流(静态参考坐标系电流；例如，Ias、Ibs和Ics)转换成同步参考坐标系上的d轴电流(磁通分量电流)Idse和q轴电流(转矩分量电流)Iqse，并且补偿电压确定电路部分40可以基于q轴电流Iqse确定补偿电压Vcomp。
q轴电流(转矩分量电流)Iqse与逆变器2的输出电压同相，并且对应于与负载转矩成比例的转矩分量电流。因此，如上所述，可以从q轴电流(转矩分量电流)Iqse的大小看出负载转矩的大小。所需的起动转矩随着电机1的负载增加而增加。因此，补偿电压确定电路部分40可以根据图5的频率-电压关系提供与指令电压上的转矩分量电流Iqse成比例的补偿电压以增加起动转矩。
图6是示出图4的补偿电压确定电路部分40的示例的详细框图。
如图6所示，根据本发明的补偿电压确定电路部分40包括第一放大器41、减法器41-1、比较器42、乘法器43、低通滤波器(LPF)44和第二放大器45。
第一放大器41被配置为通过第一增益K1放大预设(预定)的额定转矩分量电流Iqs_rate。也就是说，第一放大器41被配置为提供乘以第一增益K1的额定转矩分量电流Iqs_rate。
减法器41-1被配置为从所测量的转矩分量电流Iqse中减去第一放大器41的乘以第一增益K1的额定转矩分量电流Iqs_rate，以输出差值。
减法器41-1具有两个输入，两个输入中的一个被连接至转换电路部分30的输出(如图4所示)且两个输入中的另一个被连接至第一放大器41的输出。
根据本发明实施例的补偿电压确定电路部分40可以在确定补偿电压Vcomp之前借由比较器42确定是否执行电压补偿。也就是说，补偿电压确定电路部分40可以包括乘法器43，该乘法器43被配置为当比较器42的输出是使能输出(即，逻辑高输出)时将来自比较器42的输出乘以转矩分量电流Iqse，以向LPF 44输出转矩分量电流Iqse。
乘法器43具有两个输入，两个输入中的一个被连接至比较器42的输出且两个输入中的另一个被连接至转换电路部分30的输出(如图4所示)。
比较器42可以将从减法器41-1输出的差值与低参考电流值(例如零)进行比较，并且可以在差值不小于低参考电流值时输出使能输出(即，逻辑高输出)。
比较器42具有两个输入，两个输入中的一个被连接至减法器41-1且两个输入中的另一个被连接至大地(地)以接收零输入值。
根据另一个优选实施例，比较器42中的两个输入中的另一个不被连接至大地(地)但被连接至其他参考值输入电路部分(例如用恒流源和电阻配置的输入电路部分)。
如上所述，通过根据本发明实施例的补偿电压确定电路部分40，在将第一放大器41的乘以第一增益K1的额定转矩电流Iqs_rate与所测量的转矩电流Iqse进行比较之后，在无负载情况或轻负载情况下(当差值为零或低参考电流值的较小值时)不输出补偿电压Vcomp，但是当转矩不足时(当差值不少于低参考电流值时)输出补偿电压Vcomp。
可以适当地选择小于1(1)的值作为第一增益K1。
LPF 44可以通过从转矩分量电流Iqse中衰减(去除)纹波分量来提高稳定性。
LPF 44的输入被连接至乘法器43的输出，并且LPF 44的输出被连接至第二放大器45的输入。
第二放大器45可以将已经通过LPF 44的转矩分量电流Iqse乘以第二增益K2以输出补偿电压Vcomp。根据本发明的优选方面，第二增益K2可以被预设为与定子电阻相对应(相同)的值。并且可以根据应用领域(例如，起重机、电梯等)将第二增益K2预设为不同的值。
由补偿电压确定电路部分40所确定的补偿电压Vcomp(即，从第二放大器45输出的补偿电压Vcomp)可以被提供给指令电压确定电路部分10，以补偿由指令电压确定电路部分10所确定的指令电压，并且可以将已补偿的指令电压输出至逆变器2。
如上所述，根据本发明的用于控制逆变器的设备可以通过对需要快速动态特性的上升或下降负载中的初始起动时不足的电压进行补偿预定的电压以补偿由于定子阻抗的电压降而执行稳定的起动，并且然后可以通过根据负载的变化来确定和补偿补偿电压而执行逆变器的稳定的驱动。

Claims (5)

1.一种用于控制用于驱动电机的逆变器的设备，特征在于，所述设备包括：
指令电压确定电路部分，其在初始起动时确定预定的第一补偿电压作为指令电压并且向所述逆变器提供所述指令电压；
转换电路部分，其将所述逆变器的输出电流转换成同步参考坐标系上的转矩分量电流；以及
补偿电压确定电路部分，其基于所述转矩分量电流来确定第二补偿电压并向所述指令电压确定电路部分提供所述第二补偿电压。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述指令电压确定电路部分被配置为向所述逆变器提供第二指令电压，通过将所述第二补偿电压补偿到在考虑所述第一补偿电压时所确定的第一指令电压来确定所述第二指令电压。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述指令电压确定电路部分被配置为在所述逆变器的指令频率达到目标频率时固定目标指令电压并且输出已固定的目标指令电压。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述补偿电压确定电路部分包括放大器，所述放大器被配置为用增益放大所述转矩分量电流并输出所述第二补偿电压，并且所述增益对应定子电阻。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述补偿电压确定电路部分包括：
第一放大器，其通过第一增益放大预定的额定转矩分量电流以输出放大的额定转矩分量电流；
减法器，其从所述转矩分量电流中减去从所述第一放大器输出的放大的额定转矩分量电流；
比较器，其将所述减法器的输出与所述预定的参考电流值进行比较以在所述减法器的输出不小于预定的参考电流值时输出逻辑高输出；
乘法器，其在所述比较器的输出是逻辑高输出时将所述比较器的输出乘以所述转矩分量电流以输出所述转矩分量电流；
低通滤波器，其衰减所述转矩分量电流的纹波分量以输出将纹波分量从其去除的所述转矩分量电流；以及
第二放大器，其用第二增益放大从所述低通滤波器输出的所述转矩分量电流并且输出放大的转矩分量电流作为所述第二补偿电压。
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