CN100527042C - 管理电动机的速度控制器直流母线上的电压的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于管理连接到配电网(Rd)的交流电动机(M)的速度控制器的直流母线电压(Vbus)的方法和系统。该方法的特征在于，它包括：比较在直流母线上测得的电压值(Vbus)与确定的极限值(Vlim)，当在直流母线上测得的电压值(Vbus)变为大于极限值(Vlim)时，迫使内部斜坡(R)的斜率变为零值，以使得将恒定的频率(Wstat)赋予定子，当在直流母线上测得的电压值(Vbus)再次变为小于极限值(Vlim)时，逐渐增加内部斜坡(R)的斜率值。

Description

管理电动机的速度控制器直流母线上的电压的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于管理连接到配电网的交流电动机的速度控制器直流母线上电压的方法和系统，所述控制器根据U/F型电压控制规则来工作。

背景技术

众所周知，用于电动机的传统的速度控制器包括将电动机连接到配电网上的直流母线。具体地，该直流母线承载有具有二极管的整流器桥、具有电容器的滤波器、和具有晶体管和二极管的逆变器桥。

正常工作中，将电能从配电网传递到电动机。但是，在特定情况下，电动机的能量可以再生到直流母线的电容器。这些情况列举如下：

-电动机过量及过度快速的制动(减速时间过短或制动转矩过高)，

-电动机恒速时，由负载驱动电动机，

-配电网的断电。

在这些特定情况下，直流母线的电容器可能要承受使其易于损坏的过电压。

在现有技术中，采用下列方式来管理这些不同的情况：

参考图2，在根据向量型控制规则工作的传统的速度控制器中，通常包括速度环和电流环。参考频率Wref作为输入被采用，并与作为输出而得到的预计频率West相比较。通过速度调节器放大这两个频率之间的差值，作为输出提供电流参考Iqref。通过电流调节器放大电流参考Iqref和在电动机上测得的电流值Iq之间的差值，用以提供预计频率West。派送到电动机定子的控制频率Wstat是预计频率West和滑动补偿Wslip之和。

在上面所描述的情况下，为了保护电容器使其避免承受过电压，采用电压调节电路C。该电压调节电路C首先比较在直流母线上测得的电压值Vbus与确定的极限值Vlim。该极限值对应于超过该值则直流母线的电容器经受使其易于损坏的过电压的值。

在电动机过制动的情况下，电压调节电路C的输出以这样的方式降低电流参考Iqref，以使得减少通过电动机返回到直流母线的电流，并设计出这样一种方式，使得在直流母线上测得的电压Vbus返回到低于极限值Vlim的值。

当以恒定速度由负载驱动电动机时，电压调节电路C以这样的方式提高电流参考Iqref，以使得提高预计频率West和电动机的速度，由此来限制直流母线上的电压。

在配电网断电的情况下，极限值Vlim被降低，然后，电压调节电路C施加以适合于使电动机缓慢减速同时优化可用电流消耗的电流参考Iqref。

在如上文中所给出的根据U/F型非向量电压控制规则工作的速度控制器中，不容许有电流环或速度环。这种速度控制器无可否认地是低效的，但却被证实更鲁棒，特别是可以用在如变压器或风扇的产品中。

在电动机过制动的情况下，通过专利申请JP56066189可知，管理速度控制器直流母线上的电压来保护直流母线的电容器。比较器承担比较在电容器端子上测得的电压值与极限值。当在电容器端子处测得的电压值大于极限值时，比较器的输出信号指示中断减速。因此，定子频率保持为恒定值。当跨电容器端子抽出的电压值再次变为低于极限值时，比较器不再对频率起作用，而频率可能再次根据具有确定斜率值的斜坡而下降。这样一种装置使得可以在过制动期间限制直流母线的电容器所要承受的过电压。但是，在比较器对斜坡动作之后，减速恢复遵循减速斜坡的标称斜率(nominal slope)直接发生。因此，电动机的减速伴随有连续的跳动(jerk)，其最终会导致降低电动机的工作性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种管理交流电动机速度控制器的直流母线上的电压的方法，该交流电动机根据U/F型电压控制规则来工作，其中，在过制动的情况下，电动机的减速发生不会伴有跳动，同时保护直流母线的电容器不受过制动所产生的过电压的影响。

这一目的是通过一种用于管理连接到配电网的交流电动机的速度控制器的直流母线上电压的方法来实现的，所述控制器包括在直流母线上的电子电路，并根据U/F型电压控制规则来工作，其中，初始斜率为确定值的电动机加速/减速的内部斜坡被插入在作为所述速度控制器的控制规则的输入而施加的参考频率和作为该规则的输出而得到的定子频率之间。所述方法的特征在于，该方法包括：

-比较直流母线上测得的电压值与确定的极限值，

-当直流母线上测得的电压值变为大于极限值时，迫使内部斜坡的斜率变为零，从而将恒定频率赋与定子，

-当直流母线上测得的电压值再次变为小于极限值时，例如根据确定的时间常数来逐渐增加内部斜坡的斜率值。

根据本发明，这种方法使得可以限制电动机的减慢，因此避免直流母线上的过电压。

根据一个特征，内部斜坡的斜率的逐渐增加在其零值和其初始值之间实行。在内部斜坡的斜率逐渐增加的过程中，并且在斜率达到其初始值之前，在母线上测得的电压可以再次变为大于极限电压。在这种情况下，内部斜坡的斜率必须再次被复位为等于零的值，以将恒定的速度赋予电动机，并等待在直流母线上测得的电压中的新下降。

根据另一个特征，恰好从检测到参考频率下降时开始，将内部斜坡的斜率值设定为零。在这种情况下，其包括了可能预期电动机的过制动。

根据另一个特征，当参考频率恒定并且直流母线上测得的电压值大于或等于极限值时，该方法还包括借助于积分器计算定子频率的校正值，并将该计算得到的值加到定子频率上。这样的特征特别使得可以管理当由负载驱动电动机时的过电压。

根据另一个特征，当直流母线上测得的电压值小于极限值时，积分器的输出被设定为零，以使得不对定子频率施以校正。

根据另一个特征，当检测到配电网断电时，该方法还包括将极限值降低到最小值，该最小值被限定为足以给直流母线的电子电路供电的电压值。在配电网的断电过程中，参考频率极大减小。在这种情况下，问题是不仅限制电动机的减速，还保持电动机尽可能长时间地工作，以希望配电网尽快恢复。从而，优化了剩余电流的消耗量。

本发明的目的还在于提供一种用于管理交流电动机的速度控制器直流母线上的电压的系统，该系统能够实现上文中所描述的方法，并能够管理上文中所描述的各种情况。

该系统的特征在于，它具体包括：

-电压调节电路，该电压调节电路包括用于比较在直流母线上测得的电压值与极限值的装置，还包括当在直流母线上测得的电压值大于极限值时，迫使内部斜坡的斜率为零值以保持定子频率为恒定值的装置，和

-当在直流母线上测得的电压值变为小于极限值时，用于指示例如根据确定的时间常数而内部斜坡的斜率值逐渐增加的控制装置。

根据本发明，该调节电路例如包括比较器和调节器，该比较器用于比较在直流母线上测得的电压值与极限值，该调节器用于控制将内部斜坡设定到零。

根据一个特征，该系统还包括用于恰好从指示定子频率减速这一时刻开始将内部斜坡的斜率设定为零值的装置。

根据另一个特征，电压调节电路还包括积分器，该积分器当参考频率恒定时并且当在直流母线上测得的电压值大于或等于极限值时能够计算要施加给定子频率的校正频率。

根据另一个特征，该积分器包括用于当直流母线上测得的电压值小于极限值时将其输出限定为零值的装置。

根据另一个特征，该系统包括用于检测配电网的断电，并用于在这种情况下将极限值降低到最小值的装置，其中该最小值被限定为足以给速度控制器直流母线上的电子电路供电的电压值。

因此，根据本发明提出了用于管理速度控制器直流母线上电压的完整的系统，使得可以应付容易在直流母线上产生过电压并由此损坏该母线上的电容器的各种情况。

附图说明

在下面参考通过实例给出并通过附图表示出的实施例而给出的详细描述中将使其它的特征和优点更清楚，所述附图中：

图1示意性地且部分地表示出连接到交流电动机的速度控制器。

图2通过功能图表示出根据现有技术的能够管理速度控制器直流母线上过电压的传统速度控制器的工作方式。

图3通过功能图表示出根据本发明的能够管理速度控制器直流母线上过电压的根据U/F型控制规则工作的速度控制器的工作方式。

图4所表示的曲线图说明了在电动机的过制动过程中利用根据本发明的管理电压的系统的速度控制器的工作方式。

图5所表示的曲线图说明了在配电网断电过程中利用根据本发明的管理电压的系统的速度控制器的工作方式。

图2涉及现有技术，在前面已经对其进行了描述。

具体实施方式

参考图1，用于交流电动机的速度控制器包括在将配电网Rd连接到电动机M的直流母线上的电子电路，特别是具有二极管的整流器桥20、具有电容器的滤波器21和具有晶体管和二极管的逆变器桥22。逆变器22例如是常用的被称为PWM逆变器的通过脉冲宽度调制控制的电压逆变器。这种PWM逆变器根据电压控制规则将经过脉宽调制的具有正或负固定幅度的一串脉冲传送到电动机M。通过具体包括微控制器的驱动电路来掌握逆变器的电子开关。

在根据U/F型电压控制规则工作的速度控制器中，没有采用电流环。这样，根据该控制规则，作为输入加到速度控制器上的参考频率Wref始终等于该速度控制器输出端的定子控制频率Wstat。

如前面所解释的，在特定情况下，通常经由由速度控制器的直流母线所承载的电子电路从配电网Rd传送到电动机M的能量可以被再生到直流母线的电容器21。这种情况特别是会出现在电动机M的过制动过程中，当由负载来驱动电动机M时，或者在配电网Rd断电时。

因此，为了保护电容器21不受过电压影响，有必要提供一种在适当的系统中实现的管理速度控制器直流母线上电压的方法。

参考图3，在根据本发明的用于管理直流母线上电压的系统中，电动机加速/减速的内部斜坡R被引入到U/F型电压控制规则中。该内部斜坡R表现出具有确定初始值(Pi)的斜率，根据这点，在减速过程中，作为输出而得到的定子频率Wstat跟随作为输入而施加的参考频率Wref变化。正常工作过程中，该斜坡足够快，以使得在预定速度和电动机M的相应反应之间不会观察到延迟。

测量装置始终承担测量直流母线上的电压。此后，由包括比较器10和调节器11的电压调节电路1来处理该测得的电压值Vbus。该比较器10比较控制器直流母线上测得的电压值Vbus与存储在存储器中的极限值Vlim。

当电压Vbus低于极限值Vlim时，比较器10的输出为负，因此，不触发调节器11，并且调节器11提供对内部斜坡R没有影响的负输出。

在电动机M的过制动过程中(减速时间过短或者制动转矩过高)，参考频率Wref大幅度减小(图4中的48)，直流母线上测得的电压Vbus大幅度增加，直到其超过极限值Vlim为止。在这种情况下，比较器10的输出为正，从而导致触发调节器11。这样，调节器11提供正输出，并通过将一等于零的值分配给其斜率而对内部斜坡R起作用(40，图4)。这样，由于具有表现为零值斜率的减速斜坡，定子频率Wstat停止减小(41，图4)，电动机M此后以恒定速度工作。当在速度控制器的直流母线上测得的电压Vbus大于极限值Vlim时，调节器11的正输出将内部斜坡的斜率值固定于零(40)。通过将电动机M在恒定速度保持一定时间，在直流母线上再生了的能量逐渐地减小。当在直流母线上测得的电压Vbus的值再次变为小于极限值Vlim时，比较器10的输出再次变为负，这样的结果是使调节器11不起作用。因此，调节器11产生使内部斜坡R不受限制的负输出。这样，内部斜坡R可以恢复其初始斜率(Pi)，以继续减速。根据本发明，在内部斜坡R的斜率被保持在零之后，其不会瞬间恢复其初始值Pi，而是根据确定的时间常数逐渐增加(42)。因此，内部斜坡R斜率值的增加遵循在其零值和其初始值Pi之间的一个恒定的线性级数(progression)。在内部斜坡R不受限制时，速度控制器的控制装置能够控制内部斜坡R斜率值的这种逐渐增加。因此，电动机的减速为轻缓地且没有跳动地恢复(44)。内部斜坡R斜率的逐渐增加可以持续到其斜率回到其初始值Pi为止。然而，如果在斜率值的逐渐增加过程中结果出现直流母线上测得的电压Vbus的值再次变为大于极限值Vlim，则比较器10的正输出再次触发调节器11。如前所述，然后，调节器11的正输出将再次对内部斜坡R起作用，使其斜率值降为零(43)。这样，定子频率Wstat再次被保持为恒定值(45)。当在直流母线上测得的电压Vbus再次小于极限值Vlim时会使内部斜坡R的不受限制将发生。这样，内部斜坡R的斜率会再次遵循从其零值上升到最大达到其初始值Pi这样的逐渐增加过程(46)。

在电动机M的过制动过程中，上文中所述的各个步骤可以连续地发生，以使电动机M根据可能的最线性的曲线(图4)进行缓慢减速。

在配电网Rd的断电过程中，参考频率Wref也非常大幅度地减小，并非常快地变为零(50，图5)。因此，这种情况类似于电动机的过制动，并如前面所述的情况，可能在速度控制器的直流母线的电容器上引起过电压。但是，在这样情况下，假定网络Rd不再提供任何电流，需要监控电动机M的减速，以便着眼于配电网Rd的可能恢复而尽可能长时间地维持电动机M的工作。为了避免电动机M完全快速的停机，有必要通过将直流母线上的电压Vbus维持在某值使其足以给由直流母线所承载的电子电路供电，来管理直流母线上的电压Vbus。因此，当检测到配电网Rd断电时，极限值Vlim被减小到与用于给直流母线上的电子电路供电的最小电压值相对应的较低值(51，Vlimab)。一旦减小了极限值Vlim，就可以以相同的方式执行上文中已经描述的在电动机M的过制动情况下所实现的管理直流母线上的电压Vbus的方法。根据该方法，我们见证了定子频率Wstat的减小(52)以及电动机M因此而缓慢逐渐的减速。通过将在直流母线上测得的电压Vbus限制到基本上等于减小的极限值Vlimab，我们优化仍可用的电流消耗，用以着眼于配电网Rd有希望恢复而保持电动机M尽可能长时间的工作。

根据本发明，为了恰好从减速开始时因而恰好从检测到参考频率Wref下降时提高电容器保护的有效性，即使在直流母线上测得的电压Vbus还没有增加，内部斜坡R的斜率也可以按常规被设定成等于零的值(47)。

根据本发明的系统还可以管理在负载驱动电动机M时直流母线上的过电压。在根据本发明的系统的电压调节电路1中，采用了设置在调节器11输出端的积分器12(图3)。因此，调节器11通过积分器12提供了对定子频率Wstat的校正。该积分器12使得可以计算要直接施加给定子频率Wstat的校正值，以便得到经校正的定子频率Wstatc。

当由负载驱动电动机M时，由于没有进行减速，因此参考频率Wref是恒定的，并且内部斜坡R没有起作用。尽管如此，在这种情况下，在直流母线上测得的电压Vbus可以取比极限值Vlim大的值。当在直流母线上测得的电压Vbus大于极限值Vlim时，比较器10的正输出触发调节器11。调节器11的正输出还触发位于下游的积分器12，其由此计算校正值。该校正值对应于要施加给定子频率的频率增益，以使得在直流母线上的电压Vbus下降到低于或等于极限值Vlim的值。因此，根据在直流母线上测得的电压Vbus和极限值V1im之间的差值，由积分器12计算该频率的增益。

当在直流母线上测得的电压Vbus的值低于极限值时，调节器11的输出为负，并且积分器12的输出以这样的方式被限制到零，使得在这种情况下不对定子频率Wstat施以任何校正。另一方面，当在直流母线上测得的电压(Vbus)等于极限值Vlim时，积分器12具有即使在输入为零时也能够提供非零输出的属性。因此，这样使得即使在母线上测得的电压Vbus等于极限值Vlim时也可以对定子频率Wstat进行校正。

当然可以理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以考虑细节的其它变形和改进，同样也可以考虑采用等效的装置。

Claims (13)

1.一种用于管理连接到配电网的交流电动机的速度控制器的直流母线上电压的方法，所述控制器包括在其直流母线上的电子电路(20、21、22)，并根据U/F型电压控制规则来工作，其中，初始斜率为确定值的电动机加速/减速的内部斜坡被插入在作为所述速度控制器的控制规则的输入而施加的参考频率和作为该规则的输出而得到的定子频率之间，所述方法包括：

-比较直流母线上测得的电压值与确定的极限值，

-当直流母线上测得的电压值变为大于极限值时，迫使内部斜坡的斜率为零值，从而将恒定频率赋与定子，

-当直流母线上测得的电压值再次变为小于极限值时，逐渐增加内部斜坡的斜率值。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，内部斜坡的斜率值的逐渐增加根据确定的时间常数发生。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，内部斜坡的斜率的逐渐增加在其零值和其初始值之间实行。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，恰好从检测到参考频率下降的时刻开始，将内部斜坡的斜率值设定为零。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，当参考频率恒定并且当直流母线上测得的电压值大于或等于极限值时，该方法还包括借助于积分器(12)计算定子频率的校正值，并将该计算得到的值加到定子频率上。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，当直流母线上测得的电压具有小于极限值的值时，积分器(12)的输出被设定为零，以使得不对定子频率施以校正。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，当检测到配电网断电时，该方法还包括将极限值降低到最小值，该最小值被限定为足以给直流母线的电子电路(20、21、22)供电的电压值。

8.一种用于管理连接到配电网的交流电动机的速度控制器的直流母线上的电压的系统，所述控制器包括在其直流母线上的电子电路，并且根据U/F型电压控制规则来工作，其中，初始斜率为确定值的电动机加速/减速的内部斜坡被插入在作为所述控制规则的输入而限定的参考频率和作为所述控制规则的输出而施加于定子上的频率之间，所述系统包括：

-电压调节电路(1)，其包括用于比较在直流母线上测得的电压的值与极限值的装置(10)，还包括当在直流母线上测得的电压值大于极限值时，用于迫使内部斜坡的斜率为零值以保持定子频率于恒定值的装置(11)，和

-当在直流母线上测得的电压值变为小于极限值时，用于指示内部斜坡的斜率值逐渐增加的控制装置。

9.根据权利要求8的系统，其特征在于，该控制装置包括确定的时间常数，内部斜坡的斜率值的逐渐增加根据该时间常数发生。

10.根据权利要求8或9的系统，其特征在于，该系统还包括用于恰好从指示定子频率下降的时刻开始将内部斜坡的斜率设定为零值的装置。

11.根据权利要求8的系统，其特征在于，电压调节电路(1)还包括积分器(12)，该积分器当参考频率恒定时并且当在直流母线上测得的电压具有大于或等于极限值的值时能够计算要施加给定子频率的校正频率。

12.根据权利要求11的系统，其特征在于，该积分器(12)包括用于当直流母线上测得的电压具有小于极限值的值时将其输出限定为零值的装置。

13.根据权利要求8的系统，其特征在于，该系统包括用于检测配电网的断电，并用于在该情形下将极限值降低到最小值的装置，该最小值被限定为足以给速度控制器直流母线上的电子电路(20、21、22)供电的电压值。

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