CN102187568B - 变频驱动器中的能量回收设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频驱动器，其包括带有正线(16)和负线(17)的DC供电总线、和通过DC总线供电以便将可变电压供应给电负载(M)的逆变器模块(14)。该逆变器包括输出端(20b)串联在DC总线的正线(16)上的第一DC/DC转换器(20)、输入端(30a)连接在DC总线的正线(16)与负线(17)之间的第二DC/DC转换器(30)、与第一转换器(20)的输入端(20a)和第二转换器(30)的第一输出端(30b)并联的滤波电容器(Cf)、和与第二转换器(30)的第二输出端(30c)并联的电功率储存模块(Cs)。

Description

变频驱动器中的能量回收设备

技术领域

本发明涉及包含装有储存回收能量的模块的能量回收设备的变速驱动器。这样的可变驱动器尤其适用于操纵像起重应用或位置调节应用那样频繁加速和减速的应用中的电动机。

背景技术

能量回收设备通常用于当电动机处在制动模式（或回收模式）下时能够储存能量，然后当电动机处在驱动模式下返还如此储存的能量，和可选地，在供电给可变驱动器的网络短暂中断的情况下提供备份能量。

像US6,742,630、US6,938,733、WO2006/016002或EP1586527A1那样的现有文件已经提出了与变速驱动器有关的能量回收解决方案。现有技术一般基于附加电力转换器和能量储存模块，其中电力转换器与变速驱动器的DC（直流）电力总线并联。能量储存模块往往包含一个或多个“超级电容器”或“超级电容器”和电池的组合体。

术语“超级电容器”或“超大电容器”指的是这样的硬件项：其能够储存与例如电化型的电池接近的、比传统电容器多得多的电能，但与电化型的电池不同、而像传统电容器那样也能允许很大的充电和放电电流。

在当前文件中，术语“有源开关”指的是像晶体管、晶闸管、或三端双向可控硅开关那样，其打开和/或闭合受控的开关。相反，术语“无源开关”指的是像二极管那样自发工作的开关。

现有解决方案不可能通过供电给可变驱动器的网络将DC总线电压放大（或升高）到比在整流器输出端上提供的电压大的值。同样，不能调节DC总线电压来降低DC总线电压的振荡，以便当施加在逆变器的输出端上的电压最大时，减小电动机电流的失真度，因此，减小转矩脉动。此外，整流器吸收的电流不能具有低于30%的总谐波电流畸变率（THDI）。此外，用在能量回收设备中的开关的利用率得不到优化。

发明内容

因此，本发明的目的是提出包含能量回收设备以便节约能量和提高可变驱动器的性能，而不呈现上述缺点的变速驱动器。尤其，能量回收设备必须特别使如下成为可能：

-当变速驱动器工作在制动模式下时回收和储存电能，并且将这种储存电能返还给可变驱动器。

-在供电网络向可变驱动器输电阶段，将总谐波电流畸变率（THDI）降低到大约30%。

-不管外部供电网络中的任何干扰，甚至在可变驱动器不包含任何总线电容器（较小C布局）的情况下，在网络频率（大约50Hz（赫兹））的水平上消除这种DC总线电压的变动（无脉动功能）。调节DC总线的电压尤其可以使电动机的转矩和通量得到较好控制；以及

-如果有必要，提高可变驱动器的整流器模块输送的电压（升压功能），以便提供DC总线的电压，从而可以拥有能量储备。这种提高通过放大因子来表示，该放大因子是DC总线的电压与整流器模块输出端上的电压之比。

为此，本发明描述了包含设有正线和负线的DC供电总线、和通过DC总线供电以便将可变电压提供给电负载的逆变器模块的变速驱动器。所述变速驱动器包括：包含输入端和输出端的第一DC/DC转换器，所述第一DC/DC转换器的输出端串联在DC总线的正线上；包含输入端、第一输出端和第二输出端的第二DC/DC转换器，所述第二DC/DC转换器的输入端连接在所述DC总线的正线与负线之间；滤波电容器，所述滤波电容器与所述第一DC/DC转换器的输入端和所述第二DC/DC转换器的第一输出端并联；以及电能储存模块，所述电能储存模块与所述第二DC/DC转换器的第二输出端并联。

按照一种特征，所述电能储存模块包括一个或多个超级电容器，或所述电能储存模块包括与滤波电感器串联的一个或多个超级电容器。

按照另一种特征，所述第一DC/DC转换器是包含有源开关和无源开关的非隔离单向转换器。所述第一转换器的无源开关是连接在所述第一转换器的输出端之间的二极管，以及由串联的有源开关和无源开关形成的组件与所述第一转换器的输入端并联。

按照另一种特征，所述第二DC/DC转换器是包含由串联在所述DC总线的正线与负线之间的四个有源开关组成的单元的非隔离双向转换器，所述单元包含第二有源开关与第三有源开关之间的中心中点、第三有源开关与第四有源开关之间的高中点、和第一有源开关与第二有源开关之间的低中点。

所述DC总线的正线和所述中心中点形成所述第二转换器的第一输出端，以及所述高中点和所述低中点形成所述第二转换器的第二输出端。

按照另一种特征，所述第二DC/DC转换器还包含串联地安装在所述DC总线的正线与所述中心中点之间的两个电压控制二极管，以及串联在所述低中点与所述两个电压控制二极管的中点之间的负载电容器。

按照另一种特征，所述可变驱动器还包括链接在所述DC总线的正线与负线之间的滤波组件，所述滤波组件由串联的两个总线电容器组成，以及所述滤波组件的两个电容器之一对应于所述滤波电容器。

有利的是，本发明描述了将超级电容器用作能量储存模块的解决方案，所述超级电容器两端的最小电压不直接与所希望的放大因子（升压功能）有关。的确，当所述超级电容器两端的电压影响放大因子时，这个电压在正常工作模式（电动机模式）下必须具有足以与这个放大因子相配的最小值。但是，在负载制动模式下和在能量返还模式下，所述超级电容器两端的电压一般升高到大约是这个最小电压值的两倍。这意味着硬件项，尤其有源开关因此必须具有承受高压值的尺寸，这造成了用在这样设备中的硬件项的成本很高。

附图说明

本发明的其它特征和优点将出现在针对通过例子给出和通过附图表示的实施例作出的如下详细描述中，在附图中：

-图1示出了依照本发明的变速驱动器的架构的简化例子；

-图2详细示出了第一DC/DC转换器的优选实施例；

-图3详细示出了第二DC/DC转换器的第一实施例；

-图4详细示出了第二DC/DC转换器的第二实施例；

-图5代表DC总线电压和整流电压的图形；

-图6a～图6d例示了可变驱动器的各种操作模式；

-图7详细示出了图1的架构的一种变体；以及

-图8示出了第二DC/DC转换器的有源开关的控制原理的例子。

具体实施方式

参考图1，频率转换器型的变速驱动器由外部三相供电网络5供电。可变驱动器包含整流器模块12，该整流器模块12输送旨在形成由正线16和负线17组成的DC供电总线的整流电压V_IN作为输出。优选的是，整流器模块12使用二极管而不需要任何晶闸管。也可以设想，整流电压V_IN直接源自外部DC电源，而无需任何整流器模块12。优选的是，将低值的附加滤波电感器13串联地放置在整流器模块12的正端的输出端上。

此后，可变驱动器包括逆变器模块14，该逆变器模块14由DC总线供电，将可变电压输送给外部电负载M，尤其是同步或异步电动机。这样的逆变器模块14通常包括功率晶体管，该功率晶体管通过源自变速驱动器的控制单元（图中未表示出来）的控制信号来操作。可变驱动器一般还包括总线电容器C_B，该总线电容器C_B连接在例如逆变器模块14这一侧、DC总线的正线16与负线17之间。这个总线电容器C_B两端的DC电压叫做总线电压V_B。

可变驱动器还包含能量回收设备，该能量回收设备旨在当电负载M变成驱动（电动机制动）时回收和储存电能，以及此后旨在返还储存的电能。按照本发明，该能量回收设备包括第一DC/DC转换器20、第二DC/DC转换器30、滤波电容器Cf和储存电能Cs的模块。

参考图2，第一DC/DC转换器20包含由两个输入端20a形成的输入级和由两个输出端20b形成的输出级。参考图3和图4，第二DC/DC转换器30包含由两个输入端30a形成的输入级、由两个第一输出端30b形成的第一输出级和由两个第二输出端30b形成的第二输出级。

第一转换器20的输出级20b串联地链接在DC总线正线16上，滤波电感器13与总线电容器C_B之间。输出端20b之一与滤波电感器13链接，或如果没有电感器13，与整流器模块14的正输入端链接。另一个输出端20b与总线电容器C_B链接。在两端20b之间以这样的形式存在电压V₀：V_B=V_IN+V₀，电感器13两端的电压忽略不计。第一转换器20的输入端20a与滤波电容器Cf并联。

优选的是，第一转换器20是如图2所示的简单非隔离单向DC/DC转换器。它接收滤波电容器Cf的电压Vf作为输入，并在DC总线的正线16上输送电压V₀作为输出。第一转换器20仅仅包含与有源开关21串联的无源开关22。有源开关是，例如，IGBT（绝缘栅门极晶体管）、MOSFET（互补金属氧化物半导体）或其它类型的功率晶体管21，而无源开关是阳极处在有源开关21这一侧的二极管22。功率晶体管21通过源自变速驱动器控制单元的控制信号S₂₁来操作。控制信号S₂₁是尤其可以改变第一转换器20的输出电压V₀的脉宽调制（PWM）信号。

第一转换器20的输出级20b直接与二极管22的两端连接，并且第一转换器20的输入级20a直接与由串联的功率晶体管21和二极管22形成的组件的两端连接。因此，二极管22串联在DC总线的正线16上，二极管22两端的电压V_D等于第一转换器20的输出电压V₀。

当功率晶体管21打开（断开状态）时，DC总线的电流流入二极管22中。因此，二极管两端的电压V_D是零，因此V₀=0和V_B=V_IN。当功率晶体管21闭合（接通状态）时，电流流入晶体管21中，然后电压V_D变成等于叫做V_Cf的滤波电容器Cf的电压，因此V_B=V_IN+V_Cf。因此，输出电压V₀在0与V_Cf之间变化，总是正值或零。因此，通过作用于功率晶体管21的控制信号S₂₁，借助于电压V_Cf，如图5所示，可以调节和升高DC总线的电压V_B和流入电感器13中的电流。

滤波电容器Cf可以是任何类型的电容器。它与第一转换器20的输入端20a并联，并且与第二转换器30的第一输出端30b并联。此外，滤波电容器Cf的一端与DC总线的正线链接。因此，第一转换器20的输入端20a直接与第二转换器30的第一输出端30b连接。这个滤波电容器Cf尤其用作第一转换器20与第二转换器30之间的电势源。

参考图3和图4，第二转换器30是非隔离的双向DC/DC转换器。但是，也可以使用隔离双向DC/DC转换器。第二转换器30的输入端30a连接在第一转换器20的下游，DC总线的正线16与负线17之间，也就是说，第一转换器20与逆变器模块14之间。因此，它接收DC总线的电压V_B作为输入。如前所示，第二转换器30的第一输出端30b与滤波电容器Cf连接，并且与第一转换器20的输入端20a连接。

第二转换器30的第二输出端30c与电能储存模块Cs连接。因此，第二转换器30向储存模块Cs输送叫做V_Cs的电压作为输出。储存模块包含，例如，超级电容器Cs或串联的几个超级电容器，以便使大量电能得到储存或使充电/充电电流很大。储存模块还可以包含像电池、飞轮或超导磁能储存器（SMES）那样的其它储存元件。

在图3和图4的例子中，储存模块另外还包含与超级电容器Cs串联的滤波电感器35。这个滤波电感器35尤其可以限制由超级电容器Cs充电或放电期间第二转换器30中的频繁切换引起的流入超级电容器Cs中的电流的变动。此外，对于高频（例如，几十KHz的数量级），电感器35可以使超级电容器Cs从电压源转换成电流源。

图3示出了第二转换器30的第一实施例。它包含由四个有源开关31、32、33和34组成的开关单元，四个有源开关31、32、33和34相互串联在DC总线的正线16与负线17之间。第一开关31装配(hooked up)在负线17与第二开关32之间。第二开关32与第三开关33链接，以及第四开关34装配在第三开关33与DC总线的正线16之间。

在一种优选方式中，有源开关31、32、33和34是像IGBT、MOSFET或JFET（结型场效应晶体管）类型的功率晶体管那样的双向电流开关，每一个都设有并联的续流二极管（图中未表示出来）。有源开关31、32、33和34分别通过源自变速驱动器控制单元的控制信号S₃₁、S₃₂、S₃₃和S₃₄来操作。控制信号S₃₁、S₃₂、S₃₃和S₃₄是，例如，脉宽调制（PWM）信号。

如图3所示，四个有源开关31、32、33和34在它们之间形成几个中间连接点。中心中点P_MC位于开关单元的中间，第二开关32与第三开关33之间。低中点P_MB位于第一开关31与第二开关32之间，而高中点P_MH位于第三开关33与第四开关34之间。

DC总线的正线16和开关单元的中心中点P_MC形成第二转换器30的第一输出端30b。开关单元的高中点P_MH和低中点P_MB形成第二转换器30的第二输出端30c。因此，两个第二输出端30c经由开关31和34与DC总线链接。

第二转换器30的这种简单实施例呈现出在通过调整四个有源开关31、32、33和34的控制，相对于总线电压Vb调节输出电压V_Cf和V_Cs的同时，既非常经济又不使用无源硬件项的优点。不过使电压V_Cf和V_Cs耦合在一起，其后果是经过超级电容器Cs的电流包含振幅取决于第一转换器20的放大因子的具有平均频率（在大约1到5kHz之间）的AC（交流）成分。这可能对超级电容器Cs造成额外损失，因此降低能量回收设备的有效性。但是，随着超级电容器技术的迅速进步，这种缺点将变得微不足道。

能量回收设备的各种操作情况例示在图6a～6d中：

-正常操作模式（图6a—电动机模式）对应于可变驱动器由外部网络5经由整流器12供电，并使用网络5提供的能量供电给和驱动负载M的模式。总线电压V_B保持不变，并且由于第一转换器20输出的电压V₀的贡献，大于整流电压V_IN。如图5所示，因此，电压V₀的作用是提高整流器模块12的整流电压V_IN（升压功能）和消除整流电压V_IN的脉动（无脉动功能）。第一转换器20的另一种重要功能是不管外部网络5的供应电压的可能变动，都保持流入电感器13中的电流几乎不变。在这种模式下，在超级电容器Cs与可变驱动器之间没有能量交换。电压V_Cf由第二转换器30（借助于控制信号S₃₁、S₃₂、S₃₃和S₃₄）调节在例如总线电压V_B一半的值上。

-图6b对应于当正在驱动负载M（像处在下降阶段的电梯电动机那样）时可变驱动器回收和储存负载M提供的电能的制动模式。这种回收制动能量可以对超级电容器Cs充电。第二转换器30的作用是调节总线电压V_B和提高超级电容器Cs两端的电压V_Cs。在这种模式下，控制信号S₂₁使有源开关21保持在打开状态下。

-图6c对应于负载M不消耗或回收能量的模式（待命模式）。

-图6d对应于通过第二转换器30将在制动模式期间储存在超级电容器Cs中的能量返还给可变驱动器的返还模式。在这种模式下，在超级电容器Cs中存储的能量送回到负载M，并且因此电压V_Cs降低直到它达到最小值V_Csmin。在这种模式下，控制信号S₂₁使有源开关21保持在打开状态下。当电压V_Cs达到最小值V_Csmin时，必须让外部网络5再次对负载M供电，因此，可变驱动器返回到正常操作模式6a。

在第一实施例（图3）中，如前所示，电压V_Cf和V_Cs耦合在一起。图8示出了可以为第二转换器30的四个有源开关生成控制信号、在变速驱动器控制单元中进行的电压V_Cf和V_Cs的控制/调节算法的原理的例子。

第一控制块41接收电压V_Cs的基准设置点V_Cs-ref与这个电压V_Cs的测量值V_Cs-mes之间的差值作为输入。为了使这个差值最小，第一控制块41的输出端提供流入储存模块Cs中的电流I_Cs的DC成分的评估值I_Cs-offset。这个电流I_Cs-offset对应于电流I_Cs的均值。电流I_Cs-offset在电动机模式期间是零，在制动模式（对Cs充电）期间是正值，而在返还模式（Cs放电）期间是负值。

第二控制块42接收电压V_Cf的基准设置点V_Cf-ref与这个电压V_Cf的测量值V_Cf-mes之间的差值作为输入。为了使这个差值最小，第二控制块42的输出端提供流入储存模块Cs中的电流I_Cs的AC成分的峰值电流的评估值I_Cs-peak。这个峰值电流I_Cs-peak在电动机模式下必须是正的，以便作用于流入滤波电容器Cf中的电流，因此，以便能够调节电压V_Cf。该电流I_Cs-peak在制动和返还模式下是零。

此后，将电流I_Cs-peak乘以函数F(t)，函数F(t)是例如简单方波函数F(t)=sgn(sin2πft)，其中f代表电流I_Cs的AC成分的频率，和sgn(x)，如果x>0，等于1，而如果x<0，等于-1。

然后，和值(I_Cs-peak*sgn(sin2πft))+I_Cs-offset提供电流I_Cs的基准设置点I_Cs-ref。第三控制块43接收这个基准设置点I_Cs-ref与电流I_Cs的的测量值I_Cs-mes之间的差值作为输入。然后，第三控制块43的输出用在第四控制块44中，第四控制块44的功能是通过输出变量D1和D2为四个有源开关31、32、33和34生成控制信号。

在第一实施例（图3）中，对于由前两个开关（第一开关31和第二开关32）形成的组件，在有源开关的开关周期上，尤其由于开关的续流二极管，只存在两种可能状态。这两种状态是状态A：开关31打开（断开）而开关32闭合（接通），或反过来，即状态B：开关31闭合而开关32打开。同样，在开关周期上，对于由后两个开关（第三开关33和第四开关34）形成的组件，也只存在两种可能状态，即状态A：开关33打开而开关34闭合，或状态B：开关33闭合而开关34打开。

变量D1和D2分别代表前两个开关31、32和后两个开关33、34分别处在状态A下的时间的百分比。例如，如果D1=40%，则意味着在开关周期的40%时间内，前两个开关31、32处在状态A下，而在其余60%时间内，前两个开关31、32处在状态B下。因此，这两个变量D1和D2使得可以以简单方式控制第二转换器30的四个有源开关。

图4示出了第二转换器30的第二实施例，其中在第二转换器30的中心中点P_MC与DC总线的正线16之间加入了附加支线。这条附加支线包含串联的两个电压控制二极管36、37，二极管36、37的阳极指向中心中点P_MC和负载电容器C_c。这个电容器C_c连接在第二转换器30的低中点P_MB与二极管的中间连接点P_MD之间，也就是说，二极管36、37之间。

这条附加支线可以使电压V_Cf和V_Cs相互解耦，从而可以简化电压V_Cf的调节。的确，第二转换器30从此以后呈现旨在在正常电动机操作模式期间控制电压V_Cf的第一块。这个第一块与第一输出端30b连接，并包含开关31和32、电容器C_c和二极管36和37。第二转换器30还呈现旨在在储存模块Cs的能量回收和返还模式期间控制电压V_Cs的第二块。这个第二块与第二输出端30c连接，并包含开关31、32、33和34。

在电动机模式期间，由于与超级电容器C_S没有能量交换，所以第三开关33和第四开关34保持打开。当第一开关31闭合而第二开关32打开时，中心中点P_MC与负线17之间的电压V_C2通过二极管36对负载电容器C_c充电。然后，当第一开关31打开而第二开关32闭合时，负载电容器C_c在电压V_Cf上通过二极管37放电。因此，可以容易地将电压V_Cf调节成等于例如总线电压一半的均值：V_Cf=V_C2=1/2V_B。因此，无论第一转换器20流入DC总线中的电流是多少，电压V_Cf都保持不变，并且与储存模块Cs的电压V_Cs解耦。

在制动和返还模式期间，使用四个有源开关31、32、33和34。可变驱动器控制单元生成控制信号S₃₁、S₃₂、S₃₃和S₃₄，以便为四个开关提供打开/闭合序列，这些序列取决于总线电压V_B与电压V_Cs之比，并且被选择成使电压V_Cs的脉动最小。

因此，图4的实施例需要加入额外支线，但通过解耦V_Cf和V_Cs，简化了开关31、32、33和34的控制。

图7的变体示出了连接在正线16与负线17之间和由串联的两个电容器C₁、C₂组成的滤波组件。中心中点P_MC与两个电容器C₁、C₂之间的中点链接。有利的是，这种滤波组件C₁、C₂取代了总线电容器C_B，并且电容器C₁实际上就是前述的滤波电容器Cf。因此，通过在中心中点P_MC与负线17之间只加入较小尺寸的电容器C₂，可以除去总线电容器C_B，这在成本和体积方面都是有利的。

此外，本发明提供的架构还可以预防外部网络5的短暂中断，在这种情况下使超级电容器C_s放更多的电，以便能够维持对负载M的供电。

Claims (9)

1.一种变速驱动器，包括设有正线（16）和负线（17）的DC供电总线、和通过DC总线供电以便将可变电压提供给电负载（M）的逆变器模块（14），其特征在于，所述变速驱动器包括：

-包含输入端（20a）和输出端（20b）的第一DC/DC转换器（20），所述第一DC/DC转换器（20）的输出端（20b）串联在DC总线的正线（16）上；

包含输入端（30a）、第一输出端（30b）和第二输出端（30c）的第二DC/DC转换器（30），所述第二DC/DC转换器（30）的输入端（30a）连接在所述DC总线的正线（16）与负线（17）之间；

滤波电容器（Cf），所述滤波电容器（Cf）与所述第一DC/DC转换器（20）的输入端（20a）和所述第二DC/DC转换器（30）的第一输出端（30b）并联；

电能储存模块（Cs），所述电能储存模块（Cs）与所述第二DC/DC转换器（30）的第二输出端（30c）并联。

2.如权利要求1所述的变速驱动器，其特征在于，所述电能储存模块包含一个或多个超级电容器（Cs）。

3.如权利要求1所述的变速驱动器，其特征在于，所述电能储存模块包含与滤波电感器（35）串联的一个或多个超级电容器（Cs）。

4.如权利要求1至3之一所述的变速驱动器，其特征在于，所述第一DC/DC转换器（20）是包含有源开关（21）和无源开关（22）的非隔离单向转换器。

5.如权利要求4所述的变速驱动器，其特征在于，所述第一DC/DC转换器（20）的无源开关是连接在所述第一DC/DC转换器（20）的输出端（20b）之间的二极管（22），以及由串联的有源开关（21）和无源开关（22）形成的组件与所述第一DC/DC转换器（20）的输入端（20a）并联。

6.如权利要求1至3之一所述的变速驱动器，其特征在于，所述第二DC/DC转换器（30）是包含由串联在所述DC总线的正线（16）与负线（17）之间的四个有源开关（31，32，33，34）组成的开关单元的非隔离双向转换器，所述单元包含第二有源开关（32）与第三有源开关（33）之间的中心中点（P_MC）、第三有源开关（33）与第四有源开关（34）之间的高中点（P_MH）、和第一有源开关（31）与第二有源开关（32）之间的低中点（P_MB）。

7.如权利要求6所述的变速驱动器，其特征在于，所述DC总线的正线（16）和所述中心中点（P_MC）形成所述第二DC/DC转换器（30）的第一输出端（30b），以及所述高中点（P_MH）和所述低中点（P_MB）形成所述第二DC/DC转换器（30）的第二输出端（30c）。

8.如权利要求7所述的变速驱动器，其特征在于，所述第二DC/DC转换器（30）还包含串联地安装在所述DC总线的正线（16）与所述中心中点（P_MC）之间的两个电压控制二极管（36，37），以及串联在所述低中点（P_MB）与所述两个电压控制二极管（36，37）的中点（P_MD）之间的负载电容器（Cc）。

9.如权利要求1所述的变速驱动器，还包含连接在所述DC总线的正线（16）与负线（17）之间的滤波组件，所述滤波组件由串联的两个电容器（C1，C2）组成，其特征在于，所述滤波组件的两个电容器之一（C1）是所述滤波电容器（Cf）。

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