CN1179645A - 有源变换器的功率因数控制器 - Google Patents

Abstract

控制具有由DC链路连接的线路和负载变换器的再生驱动器的方法和设备,所述的负载变换器与AC机器相连接,所述的线路变换器通过线路电感器与AC电源/换能器相连接。驱动器使有效功率流入线路电感器以便用选用的DC电压控制DC链路电压,和确定被指令的线路变换器是否超出了最大线路变换器电压。驱动器还使无功功率流入线路电感器以减小控制有效功率流所需的线路变换器电压。

Description

有源变换器的功率因数控制器

本发明涉及再生驱动器，特别是一种以选择的高(电压)值控制其DC链路的技术。

再生驱动器通常包括借助于DC链路与负载变换器连接的线路变换器。负载变换器用于连接AC机器，而线路变换器用于连接AC电源/换能器。在电动方式中，来自AC电源/换能器的电源向把AC转换为用于DC链路的DC的线路变换器提供电能，负载变换器把DC变换为用于驱动AC机器，如电动机的AC。在再生方式中，AC机器产生AC，负载变换器把该AC电源变换为DC，然后线路变换器将DC变换回AC，并作为电源供给AC电源/换能器。

在具有有源线路变换器的再生驱动器中，DC线被控制到与AC线路电压无关的固定电压上。例如，CD电压希望的高电压，如750VDC被保持，以为CD线电容器和变换器开头器件(如IGBTS)提供足够的裕度。在这种设计中，有源线路变换器将用于起升压变换器的作用，用单一功率固数控制是正弦波的AC线路电流。

然而，问题出现在用480伏±10％的AC线操作这种类型的变换器。在这种情况下，AC线路电压可以变得足够高以致在线路电感器侧的线路变换器上的线电压不足以控制AC线路电流，在这种情况中，AC线路电流可能变得不可控制，导致驱动器关闭。技术上的一般作法是使用由公共电力网提供的电压装置上的变压器把电压降低到440至460VAC来避免该问题的出现。然而这会导致额外变压器的使用，从而增加***的费用和可能对DC链路上可达到的DC电压值造成有害的作用。

本发明的目的是能够用比其它可能出现的情况明显高的AC线路电压使有源线路变换器工作。

本发明的另一个目的是通过在线路电感器中输入无功功率使控制的AC线路电流是具有如此高的AC线路电压的正弦波，从而不再保持是单一的功率因数，同时维持正弦波电压和电流。

根据本发明的第一个方面，使有效功率流入在AC电源/换能器与线路变换器之间连接的线路电感器中直到被指令的线路变换器电压或感测的线路变换器电压超过最大值被确定，用于以期望值控制DC线电压；此后，使无功功率也流入线路电感器中，以减小控制有效功率流所需的线路变换器电压。

根据本发明的第二个方面，一种控制具有由DC链路连接的线路和负载变换器的再生驱动器的方法，负载变换器连接AC机器，线路变换器通过线路电感器连接AC电源/换能器，该方法包括以下步骤：通过提供控制线路变换器AC电压的线路变换器电压指令信号控制线路电感器中的有效功率流动，以便以选择的振幅控制DC链路的电压；把线路线路变换器电压指令信号与选择的最大线路变换器电压信号比较，以便提供使无功功率流入线路电感器的控制信号以减小控制有效功率流所需的线路控制器AC电压。

根据本发明的第三个方面，控制通过线路电感器连接AC电源/换能器的再生驱动器的线路变换器的方法，包括以下步骤：把被指令的DC链路电压与实际DC链路电压比较，以便提供有效电流指令信号；把有效电流指令信号与实际有电流指令信号比较，以便提供有效电压指令信号；把最大线路变换器电压与被指令线路变换器电压比较，以便提供误差信号；积分没有比例增益的误差信号，以便提供无功电流指令信号；把无功电流指令信号与实际无功电流指令信号比较，以便提供无功电压指令信号；处理处理有效电压指令信号和无功电压指令，以便提供被指令的线路变换器电压；和处理有效电压指令信号和无功电压指令信号，以提供线路变换器相位电压指令信号。

通过如附图所示的最佳实施例的详细说明将会进一步理解本发明的上述的和其它的目的以及特点和优点。

图1示出了根据本发明的具有非零无功功率特性的例如同电梯一同使用的再生驱动器；

图2示出了本发明中心思想(学说)的***级方框圈，根据这个思想在对高值AC线路电压中用仅具有积分增益的无功功率控制环引导无功功率；

图3更详细地示出了根据本发明的图1中的线路变换器控制器。

尽管下面的说明显示了用于特定操作(即，电梯操作)的再生驱动器，但本领域的熟练人员应该明白本发明的原理能够应用于其它的操作。

图1示出了用于连接AC(交流)机器12的再生驱动器10，该AC机器在12位于电梯机器房中并具有连接滑轮16上边，其一端与电梯车20连接，其另一端与平衡块22连接；它们构成了牵引型电梯，用于以公知的卷扬方式以不同的(相反的)垂直方向移动车厢20和平衡块。平衡块通常的这样的量值制造，其重量等于半载(half-loaded)电梯的重量，从而在小于半载的条件下向上移动电梯车厢时根据平衡块的下降和储存的势能的释放由AC机器产生电源。

过去，对通常使用的非再生驱动器来说，这样功率被引导到机器房中的再生功率电阻器上并以热的形式由该电阻器消耗掉。这种电阻器需要外壳以及适应的开关，而且在机器房中也许需要空调或冷却风扇。

另一方面，图1中的再生驱动器10不是简单的单向整流器，它包括用三个电感器(也称之为线路电抗器)L_a、L_b和L_c连接AC源/变换器26的双向线路变换器24。线路变换器24使再生功率反回到充当变换器的AC电源。为了实现本发明目的希望使用通常可从公共电力网得到480±10％VAD的AC电源。然而，由于受半导体器件(通常为IGBT_s器件)可用额定值的限制和受电解电容器可用额定值的限制，在再生驱动部分(不只用于电梯)中能够成功地使用如此简的AC电源电压一般来说存在问题。上述电解电容器是用于连接在线路变换器24与负载变换器30之间的DC线28的正端和负端的优选电容器。其负载变换器30通过AC线路29与AC机器12连接。

当用作电动机时，AC机器12从负载变换器30接收AC电源。负载变换器30充当把DC线28供应的DC电流变换为驱动AC机的AC电流的逆变器。负载变换器具有关联控制(未示出，因为它在不同情况下存在于DC线上的脉动成份。例如，根据本发明，DC线以800VDC设计和检验，但目标是以750VDC控制它。该电容器是具有几个微法，例如4,000-10,000微法电容量的电解电容。

在电动回转情况下，线路变换器24接收来自AC电源26的AC电源并由PWM控制器34控制以作为全波整流桥，以便把来自AC电源26的交变电流变换为用于DC线28的直流电流，从而使负载变换器30驱动作为电动机的AC机器以便用小于半负载的条件降低电梯或者在半满负载条件下提升电梯。

逆变出现在AC机器12作为产生器的再生情况中，此时电梯车厢20在小于半满负载条件下借助于平衡块的向下运动由平衡块存储的势能使其向上运动。在这种情况下，从AC机器12经线路29向负载变换器30提供三相AC电源。负载变换器30本身把该AC电源整流成用于供给DC线28的DC电源，该DC电源在PWM控制器34的控制下内线路变换器24连续地变换成AC电源。

为了使AC电源的可接受的形式由变换器供给AC电源/换能器26(一般是充当换能器的公用设备)，该电源必需满足某些严格技术要求，这包括不能存在有害的谐波和可接受的功率因数。因此，希望在这种情况中控制流经电感器La、Lb和Lc的AC线路电流，使其是具有单一功率因数的正弦波。

正如上面所提到的那样，问题出现在用480VAC±10％的AC线路操作这种类型的变换器时。假定上述的IGBTS和电容器的电压额定值限定为施加所期望的750VDC线电压，则AC线路电压可能足够高(528VAC(rms))以致在电感器的线路器侧存在不足以适当控制AC电流的线电压。在这种情况下，AC线路电流甚至变得不可控制，导致驱动器关闭。本技术的解决方案一般是使用器把AC线路电压降到480VAC以下(例如在440至460VAC之间)，同时仍保持DC线电压为(例如)750VDC的高电压值。

根据本发明，具有非零无功功率控制特性的线路变换器控制器36能够使线路变换器24用经可能出现的其它状态明显高的AC线路电压来操作。特别是，线路变换器控制器36和所利用的信号处理方法通过在控制方式中改变单一功率因数并同时保特其稳定性就能够使被控制的AC线路电流是与AC实用线路电压同样高的正弦波。在AC实用线路电压为正常值的同时通过使有效功率流动(flow)就能做到这一点。但是当它被确定线路变换器被指令去提供超出期望值的AC电压或者检测到提供了超出期望值的电压(由于电源的AC线路电压在10％的范围内升高)时，则使无功功率也流入AC换能器与线路变换器之间的线路电感器中以便减小控制有效功率流动所需的线路变换器电压。换句话说，为了使线路变换器电压达到不超出上述有效限制的振幅，无功电压分量被加到指令电压上。

图1的线路变换器24称为有源变换器，它包括多个开关38、40、42、44、46、48，每个开关包括(例如，本技术领域公知的IGBT和回扫(fiyback)二极管，它们以简单的通-断开关进行图示说明。通过适当的IGBTS切换，可以控制节点50、52和54上施加的电压，以控制功率因数。线路电感器L_a、L_b和L_c接在AC电源26与变换器24之间的线路上，以实现相位电流的控制。需要施加的电压(忽略阻抗)为： ${\stackrel{-}{V}}_{\mathrm{dq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}{\stackrel{-}{V}}_{\mathrm{ac}}+{\mathrm{j\ω}}_{1}L\stackrel{-}{I}$ 在这里：V_dq是变换器上施加的电压矢量V_ac＝V_ac＋jo是AC线路的电压矢量(in line rms)I＝I_q＋JI_d是变换器中的电流矢量ω₁是AC线路的频率L是线路电感器的电感

为了以单一功率因数得到变换器24的操作，应使与AC线路异相的电流矢量的分量(I_d)保持(为)零。与AC线路同相的电流矢量的有效分量(L_q)用来把节点50、52、54上的线电压控制到期望的值(V_bus)。在这种情况下，这三个节点需要施加的电压为 ${\stackrel{-}{V}}_{\mathrm{dq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}{\stackrel{-}{V}}_{\mathrm{ac}}+j{\mathrm{\ω}}_{1}L{I}_q$ 其振幅为： $\left|V_{\mathrm{dq}}\right|=\sqrt{{\left(\sqrt{\frac{2}{3}\mathrm{Vac}}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{LI}}_q\right)}^2}$

加给IGBTS上变换器的电压振幅|V_dq|被限定为(

)。因此，能够被使用并仍能控制电流的最大AC电压为： $V_{\mathrm{ac}\_\max }=\sqrt{\frac{3}{2}}\sqrt{{\left(\frac{V_{\mathrm{bus}}}{\sqrt{3}}\right)}^2-{\left({\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{LI}}_q\right)}^2}$

如果与矢量线路不同相的电流矢量的分量(Id)不为零，则变换器的电压的振幅可以写成： $V_{\mathrm{dq}}^2={(\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{LI}}_d)}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{LI}}_q\right)}^2$ $={\left(\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{LI}}_q\right)}^2-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{LI}}_d(2\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{LI}}_D)$ $\≈[{\left(\sqrt{\frac{2}{3}{V}_{\mathrm{ac}}}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{LI}}_q\right)}^2-{\left({2\mathrm{\ω}}_{1}L\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}\right)}_{\mathrm{Id}}]$

从这个最后的等式的近似值可以看出在适当的时候通过Id的适当控制可以减小节点50，52，54上所需的变换器电压。这一技术允许无功功率流过线路电感器，以产生与AC线路同相的电压降。

假定电流控制器用来在同步参考帧中操作，则V_dq ²能够容易地从电流调节器的输出算起： $V_{\mathrm{dq}}^2\left(\mathrm{command}\right)=V_d^2\left(\mathrm{command}\right)+V_q^2\left(\mathrm{command}\right)$

控制环路可以如图2所示的那样用来控制V_dq ²使其不超过最大的允许电压(V_bus ²/3)。使用上述近似等式中所示的用于V_dq ²的近似值，显示V_d ²与V_q ²之间的差值，就可以提供图2所示的控制环路，以实现预期的结果。该控制环路模型略去了包括环路延迟、电流环路动态等实际***的许多细节。然而，由于功率因数的带宽要求很低。对本申请所需的相对低的控制增益来说这些细节可以略去。

使用图2所示的模型，开环传递函数为： $G\left(S\right)=(K_P+\frac{\mathrm{Ki}}{S})\left(2{\mathrm{\ω}}_{1}L\sqrt{\frac{2}{3}{V}_{\mathrm{ac}}}\right)$

为了得到f_bw的交叉烦率，根据本发明的技术，控制器增益应该用下式选择：

K_p＝0 $K_I=\left(\frac{1}{2\mathrm{fiL}\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}}\right)f_{\mathrm{bw}}$

如上所示，根据本发明人的发现，采用纯积分控制(K_p＝0)是本发明非常重要的学说，与预期的相反，不使用比例-加-积分控制，因此使用纯积分控制对***的稳定性十分重要的。由于发电设备是以代数方程为基础，因此比例增益的任何量都被认为造成了稳定的问题。如图2的***模型所示，线路58a上所示的与AC线路异相的电流矢量(I_d)由纯积分器56a提供，该电流矢量Id由无功处理块60处理。无功处理块60经线路62向加法器64提供输出信号。加法器64还响应线路66上的来自有效功率处理块68的信号输出。方块60、68代表上面的V_dq ²近似等式右边的正的和负的数值。线路70a上的加法器的输出代表V_dq ²并反馈到第二加法器72a，在加法器72a中它与V_dq ²(max)值相加。加法器72a在线路76a上提供误差信号，该误差信号代表V_dq ²实际值与所期望的最大值间的差值。

为了在需要的时候只控制电压振幅，限制器必须位于积分器56中，以限制小于零的输出(和积分器状态)。这样，当需要降低控制电流所需的电压时将会仅仅使无功功率流动。

功率因数控制器的参考值是对输出电压振幅平方的期望的上限。因此，为了把输出电压限制到驱动器容量的97.5％(

)，参考值(V_dq ²(max))应设为0.95V_bus ²/3。

下面参考图3详细说明根据本发明的图1所示的线路变换器控制器36。考虑到结合图2讨论的原理，在线路74上提供作为具有恒定信号振幅并供给加法器72的V_dq ²max信号74。加法器72与图2中的加法器72a相似，它也响应线路70上的误差信号。纯积分器56具有表示在小于零的情况下限制输出(和积分器状态)以便在需要时仅控制电压振幅的位于积分器中的限制。正如结合图2所讨论的那样，这样在需要降低控制电流所需的电压时能够仅使无功功率流动。

来自纯积分器56的线路58上的id指令信号供给加法器(加法端)78，在这里它与信号处理器82提供的线路80上的id有效信号相加。若干个感测线路电流信号84与表(明)示线路电压旋转角的线路86上的信号由图1所示的响应线路电压的锁相环88来提供。线路86上的旋转信号能够确保信号处理器82(也许还包括电流控制器)用来在同步参考帧中操作。

就线路82上的实际有效电流信号iq(actual)而言，线路80上的实际电流id具有其对应物。实际无功电流id与线路86上的实际指令电流信号一起送入加法器84。比例一积分控制88响应线路90上的误差信号，用于在线路86上提供实际电流指令信号。加法器92响应线路94上的信号与标记为VDC(actual)的线路96上的实际感测DC线电压之间的差值，在线路90上提供误送信号。线路90上的信号具有表示图1中DC线28正常电压(例如750VDC)的振幅。

加法器78、84经线路98、100分别向比例一积分放大器102、104提供误差信号。放大器102、104经线路106、108向一对信号处理器110、112提供相应的无功和有效电压指令信号。处理器110还响应线路86上的旋转信号，并在若干线路114上提供多个对应图1中PWM(脉宽调制)控制器34中的多个脉宽调相控制器的三相电压指令信号，用于控制相应的开头38、40、42、44、46、48的切换以便以期望的方式在线路变换器的任一侧控制AC与DC线之间的电源传递。

根据上述的V_dq ²等式，信号处理器112响应有效和无功电压指令信号108、106，在前面所述的场合加法器72提供线路70上的V_dq ²指令信号，它与提供变换指令电压的处理器110类似，尽管它有不同的结构。但是在某些场合它们应该被等效看待，这对本领域的熟练技术人员来说是能够理解的。

尽管已经根据最佳实施例说明了本发明，但是本领域的熟练技术人员应该懂得在不背离本发明精神和范围的条件下上述的内容和各种其它变化，构造和细节上的省略和增加都是可以做到的。

Claims (3)

1.控制再生驱动器的方法，该再生驱动器具有用直流(DC)链路连接的线路和负载变换器，负载变换器与交流(AC)机器连接，线路变换器通过线路电感器与AC机器连接，线路变换器通过线路电感器与AC电源/换能器连接，该方法包括以下步骤：

通过提供控制线路控制器AC电压的线路变换器电压指令信号来控制线路电感器中的有效功率流(flow)，以便以选用的振幅控制所述DC链路的电压；和

把线路变换器电压指令信号与选用的最大线路变换器电压信号比较，以便提供使无功功率流入线路电感器的控制信号，以减小控制有功功率所需的线路控制器交流电压。

2.控制再生驱动器的线路变换器(24)的方法，该线路变换器(24)通过线路电感器与AC电源/换能器(26)连接，该方法包括以下步骤：

把被指令的DC链路(28)的电压(94)与实际DC链路电路96)比较，以便提供有效电流指令信号(86)；

把所述的有效电流指令信号(86)与实际有效电流指令信号(82)比较，以便提供有效电压指令信号(108)；

把最大线路变换器电压(74)与被指令线路变换器电压(70)比较，以便提供误差信号(76a)；

积分无比例增益的所述误差信号，用于提供无功电流指令信号(58)；

把所述的无功电流指令信号(58)与实际无功电流指令(80)比较，用于提供无功电压指令信号(106)；

处理所述的有效电压指令信号(108)和所述的无功电压指令(105)，用于提供被指令的线路变换器电压(70)；和

处理所述的有效电压指令信号(108)和所述的无功电压指令信号(106)，用于提供线路变换器相位电压指令信号(114)。

3.用于连接交流(AC)机器的再生驱动器，包括：

连接AC电源/转能器(26)的多个线路电感器(L_a，L_b，L_c)，用于传导AC；

一个线路变换器(24)，它响应来自线路电感器的AC，用于把直流(DC)提供给具有跨接在其上的电容器(33)的DC链路(28)；

一个负载变换器(30)，它在电动方式中响应来自DC链路的DC，用于向AC机器提供AC；和在再生方式中响应来自AC机器的AC，以向DC链路提供DC；其中，在所述的再生方式中所述的线路变换器响应关于所述AC机器的来自DC线路的DC，以向多个线路电感器提供AC；和

一个线路变换器控制器(36)，它响应若干个输入信号，用于提供若干个控制所述第一变换器的输出，以控制在所述若干个线路电感器上传导的AC，其中仅使用一个积分控制环去控制在所述若干个线路电感器上传导的所述AC的无功部分，所述的控制环中没有任何比例增益。

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