CN101208857A - 用单相功率操作三相设备 - Google Patents

Abstract

一种用于通常依赖于三相功率来工作的设备(30，22)的供电装置(32，34)具有基于单相功率进行操作的能力。一种公开的技术包括根据在与所述单相功率相连的各引线之间测得的电压来估计直轴分量。根据该直轴分量的数值导数估计交轴分量。同时以前馈控制的方式将所述直轴分量提供给电流调节器，这样便使误差为最小。

Description

用单相功率操作三相设备

技术领域

本发明一般涉及电源控制系统。更具体地，本发明涉及向通常依赖于三相功率工作的设备提供单相功率。

背景技术

电动机广为人知，并已得到广泛应用。它们呈现出多种尺寸和型式。使用电动机的一个例子是电梯电机，它移动驱动绳轮，以推动电梯轿厢在井道中上升或下降。

近年来，再生式驱动电机已被引入到电梯系统中。再生式驱动电机包括电动机，该电动机从电源获取功率，以便使轿厢和配重(counterweight)在第一方向上移动，并且，当允许轿厢和配重在相反方向上移动时，产生返还给电源的功率。只要驱动电机允许驱动绳轮进行相应的移动，则当轿厢和配重的重量引起期望的运动时，再生式驱动设备便利用了电动机充当发电机的能力。

这种再生式驱动电机依赖于三相功率输入来进行工作。有时不存在三相功率输入。例如，在最初的电梯系统安装过程中，建筑工地通常不存在三相电源。在电梯系统安装过程中最多可能存在单相电源。在许多情况下，希望在安装过程中以至少一种受限的模式来移动电梯轿厢。难点在于，缺少三相功率，三相再生式驱动电机便不能工作，从而，该电机便不能在电梯安装过程中得到使用。

当不存在三相功率时，即使在电梯安装过程中，也仍然需要能使用三相再生式驱动电机。在其他某些情况下，即使不存在三相功率，也需要使用三相设备。本发明满足了用单相功率来操作三相设备的需要。

发明内容

一种使用单相输入功率来向三相设备供电的示例变换器设备包括锁相环部分，该部分使用基于单相输入功率的估计的直轴分量和估计的交轴分量。

在一个实例中，根据单相输入功率的测得的电压来估计上述直轴分量。根据该估计的直轴分量的数值导数来估计上述交轴分量。在一个实例中，根据该输入功率的频率来按比例缩放上述数值导数。

在一个实例中，在向三相设备提供电流时，为了将误差最小化，电流调节器部分将单相输入功率的估计的直轴分量用作前馈输入。

公开的示例装置促进了对三相再生式设备的利用，即使在仅存在用于操作该设备的单相功率时也是如此。

对本领域技术人员而言，通过阅读以下对当前的优选实施例的详细说明，可以更清楚地理解本发明的各种特征和优点。以下简要说明了作为详细说明的补充的附图。

附图说明

图1概略地示出了一种根据本发明的实施例设计的、包含三相设备和供电装置的电梯系统的选定部分。

图2概略地示出了一种可用于本发明的实施例的示例变换器接口的选定部分。

图3概略地示出了一种可用于本发明的实施例的示例的单相控制方案。

图4概略地示出了一种可用于本发明的实施例的示例电流调节器模型。

图5概略地示出了一种可用于本发明的实施例的示例的电压调节器。

具体实施方式

图1概略地示出了电梯系统20的选定部分。为推动绳索24来引起电梯轿厢26和配重28在井道中以已知的方式进行期望的移动，驱动电机22包括电动机。在该实例中，驱动电机22包括再生式的三相电机，以便能根据已知的电动机运行原理将电动机用于在发电机模式下供电。该实例中的驱动电机22包括在常规情况下依赖于三相功率进行工作的电动机。

控制器30提供用于操作驱动电机22的电动机的控制信号。控制器30从最终为三相电源的电源32接收功率。变换器接口34确保存在提供给控制器30的合适的相，以实现期望的驱动电机运行。

在某些情况下，如在电梯系统安装过程中，可能不存在三相电源形式的电源32。在某些情况下，在建筑物建设过程中(从而在电梯系统安装过程中)存在单相功率。无论电源32是单相电源或是三相电源，均可以使用该实例的变换器接口34。变换器接口34能包容单相电源和三相电源之间的差异，从而，在电梯系统安装过程中，控制器30和驱动电机22能够在至少一种受限的模式下工作。所公开实例的一个优点在于，变换器接口34无需独立的变换器或独立的硬件部件来响应于单相功率而工作。相反的，无论电源是三相电源还是单相电源，变换器接口均能使电机工作。

图2概要地示出了一种示例的变换器接口34的选定部分。滤波器部分36以一种公知的方式工作。电流调节器部分38具有电感性元件和电阻性元件，以调节提供给锁相环(PLL)部分40的电流。总线电压调节部分42为控制器30提供最终的电流信号，以供驱动电机22运行使用。

图2的示例变换器接口34在电源32提供三相功率(也就是R相、S相和T相)时正常工作。在图2的实例中示出了一种适用单相功率的情形。T输入44(即IGBT H桥的T输入)是断开的，且不接收任何功率。这可以通过变换器接口34内的机械开关(未示出)来实现。因此，当技术人员要连接用于操作控制器30和驱动电机22的单相功率时，可以操作合适的开关，以便使IGBT引线的T输入44不连接电源32。PLL部分40和总线电压调节器部分42的输出仅基于IGBT引线的R输入46和S输入48而工作。为IGBT H桥在R输入46和S输入48处提供开关功能的控制电路允许响应于单相功率而操作驱动电机22。在该实例中，R输入46连接到单相功率引线中的一条引线，而S输入48连接到另一条引线。

图3概要地示出了一种为采用单相功率的运行提供开关功能的示例控制方案。将参考电压50输入加法器52。在一个实例中，参考电压为750伏特。该参考电压将部分地基于可用的电源。在54处提供了总线电压调节器部分42的输出，这样便向控制器30提供了电流。将输出54提供给加法器52的负输入。

将加法器52的输出提供给比例积分调节器56。比例积分调节器56的功能是提供关于必需多少电流来消除期望的电流电平和输出电流电平54(最终被提供给控制器30)之间误差的指示。

将比例积分调节器56的输出提供给乘法器58。乘法器58的另一输入来自PLL部分40。在该实例中，PLL部分40使用该输入功率所在相的交轴分量的估计。由于提供了单相功率而PLL通常依赖于三相电源正常工作，因而，为了运行的目的，需要有效地将单相功率变换成三相模型。

在该实例中，PLL采用了输入功率的直轴分量和交轴分量的估计值。在一个实例中，使用传统技术感测输入46和48之间的电压。将所测的电压用作直轴分量的估计值。

在该实例中，通过计算直轴分量的数值导数来估计交轴分量。在一个实例中，在对线电压的直轴分量进行数值微分后，调节交轴分量的比例。

在一个实例中，V_d＝V_acsin(θ)，从而d/dt(V_d)＝V_acω_linecos(θ)。通常，线路频率未知，但它不是50赫兹就是60赫兹。在该实例中，估计上述交轴分量包括根据估计的线路频率按比例缩放上述数值导数。在一个实例中，如果该频率超过55赫兹，则使用增益1/ωl_ine＝1/(2π60)。如果该频率低于55赫兹，则使用增益1/ω_line＝1/(2π50)。PLL部分40的估计的交轴分量(即q轴电压)为 ${\hat{V}}_q=1/{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{line}}(d/\mathrm{dt}{V}_d).$

一旦得到估计的交轴分量，则锁相环部分40作为三相电路的等同物而进行工作。

在图3中，从PLL部分40至乘法器58的输出是来自锁相环的正弦参考输出，该输出与线电压同相，并与比例积分调节器56的输出进行结合，以便为电流调节器器部分38提供电流参考。

将电流调节器部分38的输入提供给加法器60的正输入。将加法器60的输出提供给比例调节器62。将比例调节器62的输出提供给加法器64，并且，在加法器64中将比例调节器62的输出与前馈输入66进行结合。在该实例中，前馈输入66用VR_VS表示。该电压是与在R输入46和S输入48之间感测的线电压相同的电压。前馈输入66为电流调节器38提供了使电流调节误差为最小的能力。在一个实例中，前馈输入66与PLL部分40的输入的直轴分量相同。

通过电流调节元件68以公知的方式处理了加法器64的输出，结果导致了线电流I_line。

因为与同步电流调节器相比，单相电流调节器工作方式的不同之处在于单相电流调节器的干扰不是常量，因而在图3的实例中提供了比例调节器62而非比例积分调节器。已知比例积分调节器能有效地抑制常量干扰，但单相电流调节器的干扰并非常量。在该实例中，存在比例调节器与前馈输入66(作为干扰，并对应于与R和S输入46和48相关的正弦线电压)的策略性组合。如果前馈输入66消除了电压干扰，则可以将该电流调节器38按图4进行建模。

在一个实例中，比例调节器62的带宽基于比例积分调节器设计。如图4所示，用具有增益K_p的功能模块表示调节器62′。假设需要Φ_m＝60°的相位裕度，则可以从K_p＝Lωc、K_i＝ω_cR求得比例增益，其中，可利用延时T_d和期望的相位裕度约束根据等式ω_c＝(π/2-Φ_m)/T_d确定期望的带宽ω_c。延时Td包含采样延时和半个脉宽调制周期。将ω_c用作比例调节器62′的带宽，并按以下方式确定了比例增益K_p。

闭环传递函数为 $\frac{K_p}{\mathrm{Ls}+R+K_p}.$ 则K_p＝Lω_c-R≈Lω_c。在该实例中，L是其三相等同物的电感的两倍。在比例调节器的情况下，所得的相位裕度大于60°。如果需要较高的带宽，则受益于本说明书的本领域技术人员将懂得如何使用较低的相位裕度来获得较大的带宽。

将电流调节器38的输出提供给总线电压调节器42中的乘法器80。乘法器80的另一个输入82是实际线电压的测量值。将乘法器80的输出提供给加法器84，其中，负载功率输入86连入加法器84的负输入。图中示出了调节器功能模块88，该模块以公知方式提供直流总线电压调节。在该实例中，控制器30响应于单相输入而进行工作，且上述总线电压调节器提供适于该目的的输出。在该实例中，以下等式成立：

$C\frac{d}{\mathrm{dt}}{V}_{\mathrm{bus}}=V_{\mathrm{line}}{I}_{\mathrm{line}}/V_{\mathrm{bus}}-P_I/V_{\mathrm{bus}}.$

采用单相电源的输入功率呈正弦形，因此，在该实例中为总线电压使用平均值。在一个实例中，该平均值为0.5(V_acI)。其中V_ac是峰值电压，且I为线电流幅值。相应地，总线电压PI调节器的设计基于以下关系式：

$C\frac{d}{\mathrm{dt}}{V}_{\mathrm{bus}}=.5V_{\mathrm{ac}}I/V_{\mathrm{bus}}-P_I/V_{\mathrm{bus}}$

在一个实例中，可按照图5中概要示出的方式来表示直流总线电压调节器42。图5中示出的关系包括了比例增益K_p和积分增益K_i。可根据以下关系式求出这些量。

在一个实例中，电流调节器带宽大于直流总线电压调节器的带宽，因此，交越频率的开环传递函数满足以下等式：

$\left|H\left(j{\mathrm{\ω}}_c\right)\right|\≅\frac{V_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{2V_{\mathrm{bus}}}}\frac{\sqrt{K_p^2}}{C{\mathrm{\ω}}_c^2}\frac{{\mathrm{\ω}}_c^2}{\mathrm{}}\frac{+K_i^2}{\mathrm{}}=1,$

$\∠H\left(j{\mathrm{\ω}}_c\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{K_p{\mathrm{\ω}}_c}{K_i}\right)-{\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{R+K_p}\frac{L}{\mathrm{}}\right)-1.5{\mathrm{\ω}}_c{T}_s-\mathrm{\π}={\mathrm{\φ}}_m-\mathrm{\π}$

已知幅值等式 $K_p^2=\frac{C^2{\mathrm{\ω}}_c^2{V}_{\mathrm{bus}}^2}{{2V}_{\mathrm{ac}}^2}-\frac{K_i^2}{{\mathrm{\ω}}_c^2}$ 和相位等式 $\frac{K_p{\mathrm{\ω}}_c}{K_i}=\tan ({\mathrm{\φ}}_m+1.5{\mathrm{\ω}}_c{T}_s+{\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{c}L}{R+K_p}\right)).$ 从这两个方程式中可求出K_p和K_i：

$K_p=\frac{C{\mathrm{\ω}}_c}{\sqrt{2V_{\mathrm{ac}}}}\frac{V_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{}}\sin \left(\mathrm{\α}\right),K_i=\frac{C{\mathrm{\ω}}_c^2}{\sqrt{2V_{\mathrm{ac}}}}\frac{V_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{}}\cos \left(\mathrm{\α}\right),$ 其中 $\mathrm{\α}={\mathrm{\φ}}_m+1.5{\mathrm{\ω}}_c{T}_s+{\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{c}L}{R+K_p}\right).$

在一个实例中，使用脉宽调制以可用于响应单相功率而控制驱动电机的方式来向控制器30提供电流。在一个实例中，应用于R输入46和S输入48的脉宽调制开关功能是互补的。在该实例中，当将R输入46连接到正总线时，将S输入48连接到负总线。以这种方式，可以完全利用来自这些总线的可用电压范围。

一种示例的脉宽调制方案包括使用范围处于0到1之间的占空比d。在该实例中，0意味着在整个脉宽调制周期内相关的相均连接到正总线。1在该实例中意味着在整个脉宽调制周期内相关的相均连接到正总线。在一个实例中可采用以下关系：d_r＝V^*/2V_bus+0.5，它是R输入46的占空比。d_r表示载流子周期内R输入46开通的时间量。V^*是被提供给脉宽调制发生器的电压参考，它包括上述的前馈项。S输入48的占空比d_s可表示为：1-d_r。在该实例中，最好将0.5的占空比d_r提供给T输入44，以便使T输入44上提供的电压为0伏。

通过采用基于单相电压的交轴相位分量和直轴相位分量的估计值，公开的实例使得根据三相功率设计的配置也能在输入单相功率的情况下工作。以前馈方式将相位的D轴或直轴分量提供给电流调节器使得误差为最小，并允许公开的实例基于单相功率工作。

尽管以向用于电梯系统的驱动电机供电为背景描述了公开的实施例，但是，本发明不必限于电梯系统。

之前的描述是示范性的而非限制性的。本领域技术人员可以容易地得出所公开实例的各种变体和修改形式，而不至于背离本发明的实质。只有在研究以下的权利要求后才能确定本发明的法定保护范围。

Claims (15)

1.一种使用单相输入功率来为三相设备供电的变换器设备，包括：

使用基于所述单相输入功率的估计的直轴分量和估计的交轴分量的锁相环部分。

2.如权利要求1所述的设备，包括将所述估计的直轴分量用作前馈输入的电流调节器部分。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述锁相环部分具有R相输入、S相输入和T相输入，且其中T相输入被设为0伏，而所述R相输入和S相输入连接到所述单相输入功率的引线。

4.如权利要求3所述的设备，包括选择性地隔离所述T相输入的开关。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述锁相环部分将所述单相输入功率的测得的电压用作所述估计的直轴分量。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述锁相环部分将所述估计的直轴分量的数值导数作为所述估计的交轴分量。

7.如权利要求6所述的设备，其中，所述锁相环部分使用所述数值导数的按比例缩放的版本，并且，根据所述单相输入功率的频率决定了应用于所述数值导数的比例。

8.如权利要求7所述的设备，其中，如果所述频率超过了55赫兹，则对所述数值导数应用第一比例，而当所述频率低于55赫兹时，应用第二比例。

9.一种使用单相输入功率操作三相设备的方法，包括：

根据所述单相输入功率来估计直轴分量和交轴分量。

10.如权利要求9所述的方法，包括根据所述单相输入功率的测得的电压来估计所述直轴分量。

11.如权利要求9所述的方法，包括根据所述直轴分量的数值导数来估计所述交轴分量。

12.如权利要求11所述的方法，包括根据所述单相输入功率的频率来按比例缩放所述数值导数。

13.如权利要求12所述的方法，包括如果所述频率超过55赫兹则使用第一比例，且如果所述频率低于55赫兹则使用第二比例。

14.如权利要求9所述的方法，包括将所述直轴分量用作电流调整的前馈输入来调节提供的用于操作所述三相设备的电流。

15.如权利要求9所述的方法，包括使用具有三相输入的锁相环部分和将所述输入之一连接到零伏，以及将其他两个输入分别连接到提供所述单相输入功率的引线。

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