CN101517875A - 通过利用移动数据窗口来平滑可再生功率输送系统的输入电流 - Google Patents

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Abstract

一种用于平滑输入到具有再生能力的功率输送系统的输入电流的方法。该方法包括评估在第一基本周期中输入到功率输送系统的输入转换器的输入电流，然后在第一基本周期之后相对于输入电压的波形移动窗口。该方法还包括评估在第二基本周期中输入到输入转换器的输入电流，以及确定第二基本周期的输入电流是否比第一基本周期的输入电流更平滑。该方法还包括，如果第二基本周期的输入电流比第一基本周期的输入电流更平滑，则沿在第一基本周期之后窗口移动的相同方向移动窗口，以及如果第二基本周期的输入电流不比第一基本周期的输入电流更平滑，则沿在第一基本周期之后窗口移动的相反方向移动窗口。

Description

通过利用移动数据窗口来平滑可再生功率输送系统的输入电流
背景技术
本申请公开了一种发明，该发明大致以及在各种实施例中涉及用于平滑输入到具有再生能力的功率输送系统的输入电流的方法。
例如交流电机驱动器的功率输送系统通常可用作或者完全再生系统或者不可再生系统。在不可再生系统的情况下，输入功率从输入功率源流到负载，而负载产生的功率被阻止回馈到输入功率源。在完全再生系统中，输入功率从输入功率源流到负载，而负载产生的功率可以回馈到输入功率源。
本领域众所周知，这种完全再生系统包括有源前端以便控制再生电流。然而，有源前端会导致输入交流功率出现一定程度的失真。为了减小这种失真以及平滑每路交流输入的输入电流，可以在每路交流输入端采用线路感应器，这也是公知常识。然而，用于解决失真问题的这种线路感应器比较大且昂贵。
对于许多应用场合而言，为了进行制动等目的，仅仅需要一部分由负载产生的功率。对于这些应用场合，再生系统通常会提供比所需大得多的再生能力。因此，对于所需再生能力有限的应用场合而言，大多数再生系统的成本效率不是很高。
为了实现具有有限再生能力的驱动器，可以用再生和不可再生单元(non-regenerative)组合来构造驱动器，这是公知常识。例如，美国专利申请No.11/419,064(‘064’号申请)公开了这样一种驱动器。‘064’号申请所公开的这种驱动器具有可变等级的再生能力，它通过改变驱动器中再生单元和不可再生单元的比例来实现这种可变等级，其中每个再生功率单元可包括有源前端，该有源前端包括由脉宽调制控制的开关装置。虽然‘064’号申请公开的这种驱动器为需要有限再生能力的应用场合提供了成本高效的解决方案，但是采用线路感应器来减小有源前端导致的失真，与此同时地会不必要地增大系统的大小和成本。
发明内容
在一个基本方面中，本申请公开了一种用于平滑输入到具有再生能力的功率输送系统的输入电流的方法。根据不同实施例，该方法包括评估在第一基本周期中输入到功率输送系统的输入转换器的输入电流，然后在第一基本周期之后相对于输入电压的波形移动窗口。该方法还包括评估在第二基本周期中输入到输入转换器的输入电流，以及确定第二基本周期的输入电流是否比第一基本周期的输入电流更平滑。该方法还包括，如果第二基本周期的输入电流比第一基本周期的输入电流更平滑，则沿在第一基本周期之后窗口移动的相同方向移动窗口，以及如果第二基本周期的输入电流不比第一基本周期的输入电流更平滑，则沿在第一基本周期之后窗口移动的相反方向移动窗口。
本发明的各方面可以通过计算装置和/或存储在计算机可读介质上的计算机程序来实现。计算机可读介质包括磁盘、装置和/或传播信号。
附图的简短说明
参照附图，通过示例方式，在此说明本发明的不同实施例。
图1示出功率输送系统的不同实施例；
图2示出图1的功率输送系统的功率单元(power cell)的输入转换器的不同实施例；
图3示出在图2的输入转换器接收的、示例性线到中性点电压波形；
图4示出在图2的输入转换器接收的、示例性线间电压波形；
图5示出用于平滑输入到具有再生能力的功率输送系统的输入电流的方法的不同实施例；以及
图6示出用于评估功率单元的输入电流的方法的不同实施例。
详细描述
可以理解，本发明的至少一些附图和说明进行了简化，以便将注意集中于对于清楚理解本发明来说重要的部件，同时为了清楚起见，省略了一些其他部件，本领域普通技术人员将会理解这些其他部件也构成本发明的一部分。然而，因为这些部件是本领域公知的，并且它们未必有助于更好地理解本发明，所以在此不再说明这些部件。
图1示出功率输送系统10的不同实施例。功率输送系统10可以是具有再生能力的功率输送系统。所述再生能力可以是完全的或有限的。例如，功率输送系统10可以包括‘064’号申请所公开的功率输送系统，它包括至少一个再生功率单元12和至少一个不可再生功率单元14。在图1中，没有标明是再生功率单元或不可再生功率单元的每个功率单元可以是其中任一类型。每个再生功率单元12可以和Aiello等人申请的美国专利No.6,301,130(‘130号专利)中公开的再生功率单元之一类似，每个不可再生功率单元14可以和Hammond申请的美国专利No.5,625,545(‘545号专利)公开的不可再生功率单元之一类似。上述‘064号专利、‘130号专利和‘545号专利的内容都整个通过参考被结合在此。
图2示出再生功率单元12的输入转换器20。输入转换器20接收三相交流功率，其中各相电压波形之间在时间上大致偏移120度，如图3所示。三相的电压波形可以标为Va，Vb和Vc。本领域技术人员可以理解，在图4所示的这种系统中，存在六个不同的线间电压。这六个线间电压可以标为Vab，Vac，Vba，Vbc，Vca和Vcb。在给定基本周期中，会出现六次两个线间电压具有相同幅度的情况。此外，在每个基本周期中，有六个独立的60度区间，在每个区间中，不同的那个线间电压比另一个线间电压幅度更大。例如，在给定60度区间中，电压Vab的幅度大于另一个线间电压的幅度，在下一个60度区间中，电压Vac的幅度大于另一个线间电压的幅度，在下一个60度区间中，电压Vbc的幅度大于另一个线间电压的幅度，依此类推。总起来说，这六个独立的60度区间可被称为窗口。
输入转换器20包括开关装置A+、A-、B+、B-、C+和C-。这些开关装置可以实现为绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)或者任何其他合适类型的开关装置。三相交流功率的第一端(leg)(A相)连接到开关装置A+和A-，第二端(B相)连接到开关装置B+和B-，以及第三端(C相)连接到开关装置C+和C-。总起来说，开关装置A+、A-、B+、B-、C+和C-形成桥结构，其中开关装置A+、B+和C+构成该桥结构的上半部分，开关装置A-、B-和C-构成该桥结构的下半部分。开关装置A+、A-、B+、B-、C+和C-可以通过脉宽调制(PWM)方法来进行控制。根据不同实施例，载波频率可以是基频的大约25倍的数量级。例如，如果基频为60赫兹，则载波频率是大约1500赫兹的数量级。
在任意给定时间点，流过输入转换器20的电流基于交流功率的三相中的两相、该桥结构上半部分的一个开关装置以及该桥结构的下半部分的一个开关装置。因此，每次仅导通给定半桥结构中的一个开关装置。通常，当线间电压Vab大于其它线间电压时，开关A+和B-可以导通；当线间电压Vac大于其它线间电压时，开关A+和C-可以导通；当线间电压Vbc大于其它线间电压时，开关B+和C-可以导通；当线间电压Vba大于其它线间电压时，开关B+和A-可以导通；当线间电压Vca大于其它线间电压时，开关C+和A-可以导通；以及当线间电压Vbc大于其它线间电压时，开关C+和B-可以导通。
用于确定给定线间电压何时大于其他线间电压的多种方法是本领域公知常识。例如，在给定时间点，基于电压Va的角度可确定电压Va的幅度，其中Va的角度是-180度至+180度的数值。通过上述方式来控制开关通常被称为六步控制方法。虽然公知的六步控制方法用于控制输入交流功率的整流，但是它们不用于平滑被传送到输入转换器20的输入电流。
图5示出用于平滑输入到具有再生能力的功率输送系统的输入电流的方法30的不同实施例。根据不同实施例，该方法30可用于控制图1的功率输送系统10。为了便于说明，该方法30将参照图1的功率输送系统10来说明。然而，本领域技术人员将会理解，该方法30可以用于平滑输入到其他功率输送系统的输入电流。该方法30充分平滑输入到输入转换器20的输入电流，以使得不需要在输入转换器20前面设置线路感应器。通常，为了平滑输入电流，上述窗口(也就是，图4所示的六个60度区间)可以相对于电压波形Va、Vb和Vc向前或向后移动。
方法30在块32开始，其中，输入到驱动器的功率单元的输入电流在基本周期中进行评估。该单元输入电流可以处于任何合适的频率(例如，60赫兹或50赫兹)。在60赫兹的频率下，每1/60秒为一个基本周期。根据不同实施例，该单元输入电流可以在输入频率的每个基本周期中进行评估。因此，在60赫兹的频率下，可以每1/60秒评估一次该单元输入电流。用于评估单元输入电流的方法的不同实施例如在图6中所示。
该过程从块32进行到块34，在块34，确定在给定基本周期(也就是，第三基本周期)中单元输入电流是否比前一基本周期(也就是，第二基本周期)中的单元输入电流更平滑。根据不同实施例，在第一基本周期之后，该窗口相对于电压波形Va、Vb和Vc任意向前或向后移动。
该过程从块34进行到块36或块38。如果给定基本周期中的单元输入电流比前一基本周期中的单元输入电流更平滑，则该过程从块34进行到块36。在块36，该窗口的移动方向和前一基本周期中窗口的移动方向相同。该过程从块36回到块32，然后该过程如上所述继续进行。
如果给定基本周期中的单元输入电流不比前一基本周期中的单元输入电流更平滑，则该过程从块34进行到块38。在块38，该窗口的移动方向和前一基本周期中窗口被移动的方向相反。该过程从块38回到块32，然后该过程如上所述继续进行。
窗口在块36或块38的移动会影响到输入转换器20的哪一个开关装置在给定时间导通。例如，在电压Va的给定角度，开关装置B+和A-可以导通，或者开关装置C+和A-可以导通，具体情况根据移动总量而定。如上所述从块32至36的过程可以在每个基本周期中重复，并且可以重复任何次数。根据不同实施例，窗口的每次移动可以是大约半度的数量级的较小移动，并且所述移动的总体范围可以是大约四至五度的数量级。
图6示出用于评估单元输入电流的方法40的不同实施例。该过程从块42开始，其中周期性确定单元输入电流的绝对值及其平方值。根据不同实施例，在多个时间周期的每个时间周期中确定单元输入电流的绝对值及其平方值。例如，在载波频率的每半个周期中可确定单元输入电流的绝对值及其平方值。因此，对于1500赫兹的载波频率，可以在每个1/3000秒确定单元输入电流的绝对值及其平方值。在块42的上述步骤可以通过控制器来实施，以及可以在输入频率的整个基本周期中被重复。因此，对于1500赫兹的载波频率和60赫兹的输入频率，块42的所述过程可以在基本周期期间重复50次。该控制器可以存储任意数量的基本周期中的各个数值。
根据不同实施例(例如，对于1500赫兹的载波频率和60赫兹的输入频率)，该控制器在第二区间的第一个1/3000秒确定单元输入电流的绝对值及其平方，然后存储所确定的值。然后该控制器在第二区间的第二个1/3000秒确定单元输入电流的绝对值及其平方，将针对第二区间的绝对值加到针对第一区间的绝对值，将针对第二区间的平方值加到针对第一区间的平方值，然后存储相应的所述绝对值总和和平方值的总和。然后该控制器在第二区间的第三个1/3000秒确定单元输入电流的绝对值及其平方，将针对第三区间的绝对值加到针对第一和第二区间的绝对值之和，将针对第三区间的平方值加到针对第一和第二区间的平方值之和，然后存储相应的绝对值的总和和平方值的总和。该过程在整个基本周期继续进行。因此，在整个基本周期结束时，单元输入电流的绝对值的存储值由五十个绝对值之和代表，而平方值的存储值由五十个平方值之和代表。
该过程从块42进行到块44，其中确定是否经历了一个基本周期。该过程从块44进行到块46或回到块42。如果还未经历一个基本周期，则该过程回到块42，其中该过程如上所述继续进行。如果已经经历一个基本周期，则该过程从块44进行到块46，其中单元输入电流的平均值和单元输入电流的RMS值在最近基本周期中确定。根据不同实施例，单元输入电流的平均值可以通过将单元输入电流的绝对值的存储值(例如，五十个绝对值之和)除以加在一起形成该存储值的绝对值的个数(例如，五十)来获得。单元输入电流的RMS值可以例如通过将平方值的存储值(例如，五十个平方值之和)除以加在一起形成该存储值的平方值的个数(例如，五十)，然后再取平方根来获得。该控制器可以存储任何数量的基本周期中平均值和RMS值的相应数值。
该过程从块46进行到块48，其中确定最近基本周期的平均值和RMS值的比值。根据不同实施例，该比值可以通过将在块46确定的平均值除以在块46确定的RMS值来确定。该控制器可以存储任意数量基本周期的比值。
该过程从块48进行到块50，其中与最近基本周期(例如，第三基本周期)相关的比值和与前一基本周期(例如，第二基本周期)相关的比值进行比较。
该过程从块50进行到块52或块54。如果在块50的比较步骤中确定和最近基本周期相关的比值大于和前一基本周期相关的比值，则该过程从块50进行到块52，其中最近基本周期的单元输入电流被认为比前一基本周期的单元输入电流更为平滑。如果在块50的比较步骤中确定和最近基本周期相关的比值小于和前一基本周期相关的比值，则该过程从块50进行到块54，其中最近基本周期的单元输入电流被认为不比前一基本周期的单元输入电流更平滑。在块52/54将单元输入电流认为更平滑/不更平滑，可以为在上述方法30的块34进行的确定更平滑/不更平滑提供基础。通常，对于具有相同平均值的两个波形，具有较低RMS值的波形比具有较高RMS值的波形失真要小。
虽然在此通过示例方式说明了本发明的若干实施例，但是本领域技术人员将会理解，可以实现多种变型、改变和适变，而不会脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种用于平滑输入到具有再生能力的功率输送系统的输入电流的方法，该方法包括：
评估在第一基本周期中输入到功率输送系统的输入转换器的输入电流；
在第一基本周期之后相对于输入电压的波形移动窗口；
评估在第二基本周期中输入到输入转换器的输入电流；
确定第二基本周期的输入电流是否比第一基本周期的输入电流更平滑；
如果第二基本周期的输入电流比第一基本周期的输入电流更平滑，则沿在第一基本周期之后窗口移动的相同方向移动窗口；以及
如果第二基本周期的输入电流不比第一基本周期的输入电流更平滑，则沿在第一基本周期之后窗口移动的相反方向移动窗口。
2.根据权利要求1所述的方法，其中评估第一基本周期中的输入电流包括：
确定在第一基本周期上该输入电流的平均值；以及
确定在第一基本周期上该输入电流的RMS值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定在第一基本周期上该输入电流的平均值包括：
确定多个时间周期的每个时间周期中该输入电流的绝对值；
对所述多个时间周期的每个时间周期中确定的绝对值进行求和；以及
将所述绝对值之和除以时间周期的数量。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定在第一基本周期中该输入电流的RMS值包括：
确定多个时间周期的每个时间周期中该输入电流的绝对值的平方值；
对所述多个时间周期的每个时间周期中确定的平方值进行求和；
将所述平方值之和除以时间周期的数量；以及
确定将平方值之和除以时间周期的数量所得结果的平方根。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在第一基本周期之后移动窗口包括相对于该波形向前移动窗口。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在第一基本周期之后移动窗口包括相对于该波形向后移动窗口。
7.根据权利要求1所述的方法，其中评估第二基本周期中的输入电流包括：
确定在第二基本周期上该输入电流的平均值；以及
确定在第二基本周期上该输入电流的RMS值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中确定在第二基本周期上该输入电流的平均值包括：
确定多个时间周期的每个时间周期中该输入电流的绝对值；
对所述多个时间周期的每个时间周期中确定的绝对值进行求和；以及
将该绝对值之和除以时间周期的数量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中确定在第二基本周期上该输入电流的RMS值包括：
确定多个时间周期的每个时间周期中该输入电流的绝对值的平方值；
对所述多个时间周期的每个时间周期中确定的平方值进行求和；
将平方值之和除以时间周期的数量；以及
确定将平方值之和除以周期的数量所得结果的平方根。
10.根据权利要求1所述的方法，其中确定第二基本周期的输入电流是否比第一基本周期的输入电流更平滑包括：
确定在第一基本周期中该输入电流的平均值和该输入电流的RMS值的比值；
确定在第二基本周期中该输入电流的平均值和该输入电流的RMS值的比值；以及
比较第一基本周期的比值和第二基本周期的比值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中确定第一基本周期的比值包括：
确定在第一基本周期上该输入电流的平均值；以及
确定在第一基本周期上该输入电流的RMS值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中确定平均值包括：
确定多个时间周期的每个时间周期中该输入电流的绝对值；
对所述多个时间周期的每个时间周期中确定的绝对值进行求和；以及
将绝对值之和除以时间周期的数量。
13.根据权利要求12所述的方法，其中确定RMS值包括：
确定多个时间周期的每个时间周期中该输入电流的绝对值的平方值；
对所述多个时间周期的每个时间周期中确定的平方值进行求和；
将平方值之和除以时间周期的数量；以及
确定将平方值之和除以时间周期的数量所得结果的平方根。
14.根据权利要求10所述的方法，其中确定第二比值包括：
确定在第二基本周期上该输入电流的平均值；以及
确定在第二基本周期上该输入电流的RMS值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中确定平均值包括：
确定多个时间周期的每个时间周期中该输入电流的绝对值；
对所述多个时间周期的每个时间周期中确定的绝对值进行求和；以及
将绝对值之和除以时间周期的数量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中确定RMS值包括：
确定多个时间周期的每个时间周期中该输入电流的绝对值的平方值；
对所述多个时间周期的每个时间周期中确定的平方值进行求和；
将平方值之和除以时间周期的数量；以及
确定将平方值之和除以时间周期的数量所得结果的平方根；
确定第二周期上平均值之和；以及
确定第二周期上RMS值之和。
17.根据权利要求10所述的方法，还包括，如果针对第一基本周期的比值大于针对第二基本周期的比值，则输入电流被认为更为平滑。
18.根据权利要求10所述的方法，还包括，如果针对第一基本周期的比值小于针对第二基本周期的比值，则输入电流被认为没有更平滑。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括：
评估在第三基本周期中输入到输入转换器的输入电流；
确定第三基本周期的输入电流是否比第二基本周期的输入电流更平滑；
如果第三基本周期的输入电流比第二基本周期的输入电流更平滑，则沿在第二基本周期之后窗口移动的相同方向移动窗口；以及
如果第三基本周期的输入电流没有比第二基本周期的输入电流更平滑，则沿在第二基本周期之后窗口移动的相反方向移动窗口。
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