CN102647149A - 总线暂态状况下的共模电压减小 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及总线暂态状况下的共模电压减小。提出了电力转换系统和控制技术，其中，总线暂态控制部件在保护操作模式期间使整流器的所选择的相旁路，以减小共模电压或电流。

Description

总线暂态状况下的共模电压减小
技术领域
本发明一般涉及电力转换，并且更具体地，涉及用于减小基于电流源转换器的驱动系统的共模电压(CMV)应力的设备和方法。
背景技术
电动机驱动器是将来自线路侧源的输入电力转换为不同的形式以向负载(诸如电动机)的绕组提供受控驱动电流的电力转换系统。电流源转换器(CSC)类型的驱动器例如通常包括开关整流器，其中AC(交流)输入电力选择性地开关以产生被馈送到输出逆变器的DC(直流)链路电流，该输出逆变器产生用于以受控的速度和扭矩驱动电动机负载的单相或多相AC输出电流。电动机驱动器的AC到DC部分和DC到AC部分两者通常使用固态开关部件。
无变压器电压源和电流源逆变器(VSI/CSI)的一个难题是电动机负载与地之间的共模输出电压，其会导致在电动机上增加的应力。共模电流和电压还会对驱动系统部件(诸如内部链路扼流圈或其他部件)施加应力。在一些实例中，总线暂态状况期间的峰值共模电压可以等于峰值线对中性点输出电压，这会使得电动机上的线对地电压加倍。因此，需要一种用于尤其是在驱动系统的总线暂态期间减小电动机驱动器中的共模电压应力的改进系统和方法，以防止部件故障或过早劣化。
发明内容
现在概括本发明的各个方面以有利于基本理解，其中，该发明内容不是详尽的概述，并且不旨在确定某些元件或限定其范围。相反，该发明内容的主要目的是在下文中给出的更详细描述之前以简化形式给出一些构思。本公开内容提出了电动机驱动和操作技术，其中，可以减小暂态状况期间的共模电压，以通过对旁路操作的整流器相的智能选择来减轻或防止损坏电动机驱动器或所驱动的电动机。
根据本公开内容的一方面，提供了一种电力转换系统，其包括：有源整流器；逆变器，用于驱动电动机或其他负载；以及开关控制系统，具有整流器控制部件和耦合到整流器控制部件的总线暂态控制部件。开关控制系统提供用于正常操作的第一模式的开关控制信号和用于保护操作的第二模式的开关控制信号。在正常操作中，整流器对根据逆变器需求所设置的期望值而提供的电流量进行控制。在某些实施例中，诸如根据来自反馈电路的至少一个反馈信号或值，基于出现在电力转换系统处的稳态状况的所检测到的或感测到的失真而在第二模式下激活总线暂态控制。在一些实施例中，这可以使用反馈机制来实现，该反馈机制用信号通知诸如通过在电源总线上增加另外的驱动器、在总线上增加谐波滤波器、在总线上增加功率因数校正电容器、在线加入的其他装置、或者引起驱动器的稳态电力状况的改变的任何状况而引起的系统的稳态状况的改变。
总线暂态控制使得整流器控制部件至少部分基于选择准则而在第二模式期间使所选择的相电路(诸如整流器相)旁路，以调节电流。在某些实施例中，至少部分基于AC输入节点处的绝对电压值而在任何给定时间选择被旁路的相。在某些实现方式中，例如，旁路相被选择为相关联的绝对线对中性点电压值最小(例如，最接近零)的相。在某些实施例中，所选择的相是与具有最高的绝对线间电压值的相不相关联的相。该选择可基于第二模式下的操作期间的绝对电压而改变，并且某些实施例中的总线暂态控制器确定所选择的相以按顺序方式使各个相旁路，其中通过使所选择的相中的开关器件短路而同时使其他相的开关器件开路来使诸如系统整流器中的所选择的相旁路。
根据本公开内容的另外的方面，提供了一种用于操作电力转换系统的方法。该方法涉及电力驱动器的两种操作模式。在第一模式下，将整流器开关控制信号提供到有源整流器，以转换输入电力从而将DC电流提供到诸如中间DC电路，并且对DC电流进行调节。该方法还包括监测暂态状况，并且在检测到暂态时，通过使所选择的整流器相旁路而工作在第二操作模式，以减小AC输入端与AC输出端之间的共模电压。某些实施例包括在第二模式下以顺序方式使整流器相短路。另外，在某些实施例中，通过使与具有最高绝对线间电压的AC输入节点不相关的所选择的整流器相短路，基于绝对电压值来选择所旁路的整流器相。某些实施例包括使具有最小绝对线对中性点电压值的整流器相旁路。某些实施例中的方法还包括感测整流器、中间DC电路以及逆变器中的至少一个的暂态状况，以及根据所感测到的暂态状况将电动机驱动器的操作模式设置为第二模式。
附图说明
以下描述和附图详细阐述了公开内容的某些说明性实现方式，其表示可实现本公开内容的各种原理的多种示例性方式。然而，所示出的示例不是本公开内容的多个可能实施例的详尽描述。当结合附图考虑时，将在以下详细描述中阐述本公开内容的其他目的、优点和新颖特征，其中：
图1是示出根据本公开内容的一个或多个方面的具有暂态控制部件的示例性电力转换系统的示意图；
图2是示出图1的系统的另外细节的示意图；
图3是示出根据本公开内容的一个或多个方面的具有暂态控制部件的示例性电力转换系统的示意图；
图4是示出在暂态总线状况期间在电动机驱动器和被短路的所选整流器相处测量到的示例性输入线对中性点相电压的波形图；
图5是示出在没有本公开内容的选择性旁路控制的情况下的、在正常操作模式和在暂态状况期间的电动机驱动器中的示例性输入电压状况的波形图；
图6a是示出在没有本公开内容的选择性旁路控制的情况下的、在正常操作模式和在暂态状况期间的电动机驱动器中的示例性中性点电阻器电压的波形图；
图6b是示出使用根据本公开内容的选择性旁路控制的、在正常操作模式和在暂态状况期间的保护第二模式下的电动机驱动器中的示例性中性点电阻器电压的波形图；以及
图7-9是示出根据本公开内容的各个方面的、用于操作CSC电动机驱动器的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现在参照附图，在下文中结合附图描述多个实施例或实现方式，其中，相同的附图标记始终用于表示相同的元件，并且其中，各个特征不一定是按比例绘制的。图1中示出电力转换系统100，其包括示例性三相AC电压源111，其将输入电力提供到电动机驱动器110，电动机驱动器110转换输入电力以驱动耦合到转换器输出端114的电动机负载120。驱动器110是电流源转换器(CSC)类型，其中输入端112连接到AC电源111。尽管示出为具有三相输入112，但是其他实施例可提供单相AC输入或者可包括适于接收三个或更多个输入相的多相输入。也可想到其他电力转换系统，其具有双桥矩阵驱动器、间接矩阵驱动器或包括控制到AC输出节点的、AC输入节点处的AC输入电力的开关矩阵的矩阵驱动器。CSC驱动器110在输出端子114处提供可变频率、可变幅度的单相或多相AC输出电力，以驱动AC电动机负载120，AC电动机负载120在所示出的示例中具有三相绕组。在其他实施例中，输出端114可提供单相AC输出或者可以是任意数量的相。电动机驱动器110包括具有DC链路扼流圈的中间DC电路150，该DC链路扼流圈具有上部绕组WA和下部绕组WB，上部绕组WA和下部绕组WB耦合在其中包括有开关器件的输入整流器110a与输出逆变器110b之间。在某些实施例中，DC链路可以是简单的DC电路电感器或者如所示出的示例中的共模扼流圈。
另外，所示出的驱动器110提供输入滤波，该输入滤波包括在每个输入相中的电感器Li和耦合在输入线A、B、C与其各自的输入中性节点之间的输入滤波器电容器Ci。整流器110a是例如通过中间DC电路150与输出逆变器110b耦合的电流源整流器(CSR)，并且一个或多个隔离部件(例如，未示出的变压器)可以可选地包括在驱动器110中。输出逆变器110b是例如适于接收DC电路150的DC输出的电流源逆变器(CSI)，用于在输出端114处生成AC输出，输出端114经由线U、V和W将输出电力提供到电动机负载120，并且输出逆变器110b包括耦合在负载120与输出中性节点之间的输出电容器Cm。
有源整流器110a包括多相/单相电路或桥臂级，多相/单相电路或桥臂级具有耦合在输入端112与DC电路150之间的开关器件S1-S6的布置，并且有源整流器110a根据开关控制系统140的整流器控制部件144a提供的多个整流器开关控制信号142a而工作。这些相包括例如其中分别具有开关器件的第一相121、第二相123以及第三相125。整流器110a不受其中的相布置的数量限制，并且可包括具有用于电流流动的其他开关器件的一相或多相布置。例如，第一、第二和第三相121、123和125具有分别以串联布置连接的一对开关器件。在正常操作模式下，通过各相的整流器开关S1-S6来切换AC输入电力，以在中间电路150中产生中间DC总线电流Idc。
逆变器110b其中包括与DC电路150和输出端114耦合的相的开关器件S7-S12，开关器件S7-S12根据相应的开关控制信号142b而工作。开关控制系统140的逆变器控制部件144b提供开关控制信号142b，以选择性地转换来自DC电路150的DC电力，从而提供AC输出电力来驱动电动机负载120。
在保护操作模式下，例如，整流器电路的一相或多相被开路，同时一个或多个不同的相被短路，以保护驱动器免受在电路的线上感测到的稳态失真。例如，反馈电路118感测电力信号中的电网输入处的暂态(诸如谐波和背景失真)，并且基于将驱动器置于保护模式/状态的所感测的暂态状况，以防止对任何部件的损坏。在某些实现方式中，可以经由反馈系统118来测量电网侧滤波器电路112的电容器Ci处的(例如，线对中性点)电压以用于线路侧暂态控制，其中总线暂态的常见原因是电网侧接地故障、PFC电容器开关等。其他暂态源可以包括在电源总线上增加另外的驱动器，在总线上增加谐波滤波器、在总线上增加功率因数校正电容器或者在线加入或离线取走的其他装置。暂态状况可以是引起电动机驱动电路的导线中的电信号的波动的任意状况的结果。暂态状况是在引起电路的传导路径内的幅度、频率、电力、能量、电压、电流等从多个正常操作水平的线性、指数或不受控的混乱改变电力状况中，在浪涌期间发生的、线路的稳态状况或正常操作电力状况的改变。有时，暂态会达到例如线路电压的两倍，此时，在没有实现任何保护的情况下，通常导致驱动器内的装置故障或过早劣化。
DC电路150具有链接整流器110a和逆变器110b的开关的DC链路扼流圈或电感器，并且提供正向电流路径。然而，DC电路是可选的并且可想到其他配置，诸如双桥矩阵驱动器、间接矩阵或矩阵驱动器。图1所示示例的第一绕组WA是链路扼流圈的正向或正DC路径，其具有连接到上部开关S1-S3的第一端A1和与上部CSI开关S7-S9耦合的第二端A2，并且负或返回DC路径中的第二绕组WB具有耦合到下部CSR开关S4-S6的第一端B1和耦合到下部开关S10-S12的第二端B2。开关器件S1-S6和S7-S12可以是根据开环或闭环形式的一个或多个任意适当类型或形式的开关方案(诸如相位控制、脉宽调制等)来控制的任意适当可控电开关类型(例如，IGCT、GTO、晶闸管、IGBT等)。在某些实施例中，逆变器110b的开关器件S7-S12是强迫换流器件，包括但不限于SGCT、IGBT或GTO，并且整流器110a的开关器件S1-S6可以是诸如上述器件的强迫换流器件以及诸如晶闸管的换相换流器件。在这点上，晶闸管器件可用于强迫换流器件形式的逆变器开关器件S7-S12，其中额外的电路被添加到器件触发电路。
电动机驱动器110还包括开关控制系统140，开关控制系统140包括一个或多个处理器和相关联的存储器以及I/O电路(未示出)，该I/O电路包括用于生成开关控制信号142的驱动器电路，以选择性地激励开关器件。例如，也可采用单独的开关控制系统，其中共享互连和信息，以便于协调驱动器110的操作。驱动器110还包括与输入端112、整流器110a、DC电路150、逆变器110b以及输出端114可操作地耦合的反馈系统118。反馈系统118包括用于提供一个或多个反馈信号和/或值118a的一个或多个感测元件，这一个或多个反馈信号和/或值118a表示输入端112、整流器110a、中间DC电路150、逆变器110b和/或输出端114处的电力状况。例如，在连接驱动器110的总线处所测量到的稳态状况的改变可以决定提供到开关控制系统140的反馈信号和/或值。开关控制系统140可被提供有一个或多个设置点或期望值141以及来自反馈系统118的一个或多个反馈信号或值118a，由此在用于在暂态状况期间保护驱动器的保护模式操作中实现一个或多个闭环电动机驱动器控制目标。开关控制系统140及其部件144可以是任意适当的硬件、处理器执行的软件、固件、逻辑或其组合，它们被适配、配置、编程或者可操作用于实现此处示出和描述的功能。
用于控制功能的反馈信号或值可以基于来自反馈系统118的信号和/或值118a、所测量到的输入值(例如，线路电压、电流等)以及其他信息、数据等，该信息、数据可以为诸如电信号、数字数据等的任意适当形式，并且可从任意适当的源(诸如外部网络、开关、与系统100相关联的用户接口或其他适当的源)接收。在所示出的实施例中，反馈电路118基于整流器110a、DC电路150以及逆变器110b或者耦合在AC输入与AC输出节点处的其他电路中的至少一个的所感测的状况，将一个或多个反馈信号或值118a提供到控制器140，所感测到的状况包括通过适当的峰值检测器或其他传感器所测量到的稳态值和/或控制器140可根据其确定信号暂态状况、频率、幅度、电流和/或电压等的感测值。在这点上，即使对于没有直接稳态传感器的系统，控制器140也可基于反馈信号或值118a经由适当电动机模型而在内部生成无传感器的信号反馈值。
在所示示例中，开关控制系统140包括模式控制部件144m，模式控制部件144m用于将开关控制系统140设置到用于电动机驱动器110的正常操作的第一模式或者设置到用于需要电路保护的情形的第二模式，其中示例性的模式控制部件144m根据来自反馈电路118的至少一个反馈信号或值118a来设置电动机驱动模式。具体地，当检测到或感测到暂态状况时，如稳态的改变或在其中期望利用如本文描述的选择性相旁路的电控制技术来降低驱动器110中的共模电压(如横跨驱动器110的输入端和输出端的共模电压，或在电动机120处的共模电压)或电流的任意其他情形中的改变，所示出的模式控制部件144m将开关控制系统140设置到第二模式。例如，输出中性节点109和输入中性节点111之间的共模电阻器Rcm可以在暂态状况期间横跨驱动器110经历以下共模电压，该共模电压是正常电压的两倍，并且该共模电压可以导致意外的部件故障或过早的器件劣化。这些实施例中的开关控制系统140包括逆变器控制部件144b，逆变器控制部件144b在第一模式和第二模式中提供逆变器开关控制信号142b，以使得逆变器110b根据一个或多个设置点141选择性地转换来自DC电路150的DC电流从而将AC电力提供至AC输出端114。
在正常操作(第一模式)中，控制器140的整流器控制部件144a提供整流器开关控制信号142a，以根据表示逆变器110b的需求的期望DC电流值Idc*来转换AC输入电力，从而将经调节的DC电流Idc提供到DC电路150。在这么做时，整流器控制器144a可以采用一个或多个反馈信号或值118a，如来自整流器110a的、表示实际的DC电流Idc的测量到的DC电流值。当在模式控制部件144a处感测到驱动器的稳态状况的测量到的变化时，则用信号通知操作保护模式或第二模式。此外，当表明驱动器的稳态状况的这种变化的信号将要出现时，诸如当电源总线上的其他驱动器、总线上的谐波滤波器、总线上的功率因数校正电容器、其他装置被在线加入时，可以出现模式的变化。本领域技术人员所了解的任意数量的状况也可以产生稳态状况，该稳态状况可以被感测到或用信号通知给模式控制部件144m。
在第二模式(驱动器保护)中，总线暂态控制部件144c用于将至少一个总线暂态控制信号或值142c提供给整流器控制部件144a，以使得整流器控制部件144a选择性地旁路整流器110a的所选相。在所示的三相示例中，整流器包括三个整流器相121、123和125，在第二模式中至少部分地基于一个或多个选择准则在任意给定时间选择这三个整流器相之一用于旁路，以降低驱动器110的输入端112和输出端子114之间的共模电流。在稳态状况变化期间，其中可能在随时间变化的电学值(如功率、电压、电流或能量等)中出现快速尖峰，并且通过暂态控制部件144c可以有利地降低这些尖峰，在某些实施例中，暂态控制部件144c用于以顺序方式来旁路整流器110a的所选相。在第二模式期间的任意给定时间，第一整流器相121(与输入相“A”相关联)、第二相123(与输入相“B”相关联)、或第三相125(与输入相“C”相关联)可以至少部分地基于选择准则选择性地被暂态控制部件144c旁路，从而使得整流器控制器144a激活(接通)所选择的整流器相的两个开关器件。在矩阵驱动器等中，开关器件的相可以不表示整流器相、其中有连接到AC输入端和相应AC输出端的开关器件的相。例如，基于从反馈系统118获得的感测到的或推导出的绝对电压值，图1中的所选择的相的开关器件(例如，相121的S1和S4或其他相)被暂态控制信号142c选择性地短路(都接通或导通)，而其他相开关被开路。可以通过激励开关本身或经由可以耦合横跨所选相的其他器件或路径的其他电流路径(例如，横跨这些相开关而连接的一个或多个专用旁路开关，未示出)来直接使这些器件短路，从而在横跨所选相基本没有阻抗的情况下使电流流过。
在第二模式的某些实施例中，整流器控制部件144a提供整流器开关控制信号142a，以基于选择准则根据暂态控制信号142c在给定时间使整流器相短路，而其他(未被选择的)相被开路。例如，在第二模式期间可以选择在任意给定时间处的与最低绝对线对中性点电压值相关联的相用于旁路。在另一示例中，例如，当在暂态状况期间绝对线对中性点电压值变化时，可以在不同时间处接通整流器相的一对或多对整流器开关(例如，S1/S4、S2/S5、和/或S3/S6)以提供用于电流流动的电路路径，而其他相中的其他对的开关被开路以防止电流流动。暂态控制部件144c在不同时间处产生总线暂态控制信号142c，以在驱动器110的稳态状况的感测到的变化期间根据选择准则使得整流器的不同相被短路。例如，在第二操作模式中，在相关联的线对中性点电压的时间期间(例如，图3中的Vcia的绝对值低于其他线对中性点电压Vcib和Vcic(在图3的曲线中表示为BP Va)(旁路相a))，第一整流器相121(与输入相“A”相关联)可以被短路，而第二相123和第三相125被开路。然后，第二相123(与输入相“B”相关联)可以被短路(BP Vb，当图3中的Vcib的绝对值低于Vcia和Vcic的绝对值时)，而第一相121和第三相125被开路。以下如图3所示，第三相125(与输入相“C”相关联)可以被短路(BP Vc)，而第一相121和第二相123被开路(在图3中的Vcic的绝对值低于Vcia和Vcib时)。可以根据在第二操作模式期间测量到的选择准则并根据给定暂态状况的持续时间，通过暂态控制部件144c用信号通知各种顺序方式，并且可以经由总线暂态控制部件144c用信号通知在暂态状况期间用于使一个或多个选择相短路以及用于使其他相开路的其他方式。
以下结合附图来示出并描述暂态控制部件144c的几个不同示例性实施例，其中，部件144c可以被实现为硬件、处理器执行的软件、固件、逻辑或其组合，而暂态控制器144c可以被实现为单独的部件或者可以与整流器控制部件144a集成在一起，或者被集成在开关控制系统140的其他部件中。一个示例中的暂态控制部件144c经由总线将总线信号142c提供到整流器控制器144a，从而在任意给定时间使所选择的整流器121、122或123旁路。某些实施例中的控制信号142c相对于时间按照顺序方式启动这些相的旁路，其中，所选择的要旁路的相可以根据电路的不同参数而改变。而且，在某些实施例中，根据各种机制和选择准则在第二模式中使整流器相旁路。例如，可以利用任意适当的可控电开关类型(例如，IGCT、GTO、晶闸管、IGBT等)使具有开关器件的整流器的相短路，其中另外可以通过控制部件144c根据一种或多种任意适当类型或形式的开关方案(如相位控制、脉宽调制等)来控制该可控电开关类型。在某些实施例中，在任意给定时间响应于暂态控制器144c提供的总线暂态控制信号或值142c，在第二保护操作模式期间在各个时间处顺序地并直接地使每个相内的整流器器件短路，以用于在基本没有阻抗的情况下使电流流过所选相。
进一步如图2所示，整流器电路110a具有分别在整流器相121、123和125内电耦合的上开关器件和下开关器件S1-S6。暂态控制部件144c基于感测到的电线路信号的状况和模式控制部件144m设置的模式接收来自反馈电路118的一个或多个反馈信号和/或值118a。基于一个或多个选择准则，暂态控制部件142c通过选择性地使所选整流器相旁路来降低分别横跨AC输入线A、B、C的输入节点和AC输出线U、V、W的输出节点的电信号波动。例如，暂态控制部件144c在暂态状况期间将信号提供至整流器控制器144a，以相对于时间启动顺序操作方式。暂态控制部件144c用信号通知整流器110a的所选相，例如，通过使相121内的整流器器件(在该示例中为S1和S4)短路而被旁路的第一相121。在第二模式期间的任意给定时间处选择要使哪个整流器相短路，至少部分地基于选择准则。例如，可以测量横跨整流器的每个相的最低绝对线对中性点电压值，从而确定在任意给定时间处要被短路的所选相。线对中性点电压可以在任意给定时间横跨整流器相121、123和125而变化，因此，为了确保在暂态状况期间始终使与最低绝对线对中性点输入电压值相关联的线短路，所选相根据测量到的线对中性点输入电压而改变。换句话说，可以基于选择准则按顺序使整流器的各相短路，选择准则包括与整流器的相有关联的最低绝对线对中性点电压值，其中最低绝对线对中性点电压值相对于时间而改变。
可替换地，选择准则可以包括在输入线路上生成的切换状况的外部提供的其他电学测量值或信息。例如，可以测量(或以其他方式确定)横跨各对输入线A、B和C的绝对线间电压，并且这些电压的绝对值可以用作选择准则。在某些实施例中，例如横跨任意两条线的最大绝对线间电压值(例如，VAC、VAB、VBC)可以用作选择准则以确定所选择的整流器相。在这点上，在某些实施例中，可以在任意给定时间处选择与最大绝对线间电压值不相关的相以用于旁路。例如，如果A-B线间电压(VAB)的绝对值是三个绝对线间电压中最高的，则与该电压不相关的相(即，相“C”，125)是被选择用于旁路的相，而其他(未被选择的)相A和B被开路。当在输入线路A、B、C或者总线上感测到与稳态状况或正常操作有所不同的暂态状况或电波动时，模式控制器144将操作切换到第二(保护)操作模式，其中，暂态控制部件144c确定要使哪个整流器相电短路和/或开路。在任意给定时间处，每个整流器相中的电信号有所变化，并且与暂态控制部件144c所使用的选择准则对应的整流器相变成被短路(旁路)的相。在所选相被短路时，未被选择的其他整流器相被开路以降低驱动器的共模电压。例如，在某些示例性介质电压驱动器110中，共模电压的绝对电压值可以被控制为小于300伏。在没有这种保护机制的情况下，由于DC链路中的共模扼流圈的饱和，电压可能出现更大尖峰，并导致驱动器内的意外装置故障。在结束了在驱动器上感测到的暂态之后，驱动器经由模式控制返回到第一模式以用于正常电动机驱动操作。
图3示出了根据本公开内容的其他方面的示例性的电力转换系统100’(如矩阵驱动器)，其中由具有共模降低暂态控制部件144c的开关控制系统140’操作开关网络矩阵162。系统100’包括多相AC输入端104’，多相AC输入端104’具有用于接收来自源111’的多相AC输入电力的多个AC输入端子，并且系统100可以包括输入滤波器电路112’(在该示例中为电容器)，输入滤波器电路112’与输入线A、B和C耦合并提供经由共模电阻Rcm耦合到输出中性点的输入中性点。在某些实施例中，可以省略从线路侧中性点到负载侧中性点的连接、以及共模感测电阻器Rcm。而且，系统100’可以包括输出滤波器电路109(如所示的形成负载侧中性点的输出电容器Cm以及线路电抗器)，电抗器可以是独立输出线路中的单独电抗器部件，或者这些可以被缠绕在公共芯(common core)上作为如所示的共模扼流圈109a。系统100’还具有多相AC输出端114’，多相AC输出端114’具有用于将多相AC输出电力提供至例如负载120’(例如，电动机、磨机等)的多个AC输出端子。在所示的三相示例中，开关网络162包括形成多个相电路121’、123’和125’的多个开关器件，其中每个相电路与输入相之一相关联(例如，电路121’与输入相A耦合，电路123’与输入相B耦合，电路125’与输入相C耦合)。根据来自控制器140的相应开关控制信号来操作矩阵开关器件，其中每个相电路121’、123’和125’连接到相应的AC输入端子A、B、C并连接到相应的AC输出端子U、V、W，其中每个相电路121’、123’和125’包括耦合在相应AC输入端子和相应AC输出端子之间的至少一个开关器件。开关控制系统140’提供开关控制信号142’以使得开关网络162基于一个或多个设置点信号或值141’选择性地转换来自多相AC输入端104’的AC输入电力，从而将多相AC输出电力提供至多相AC输出端114’。
开关控制系统140’包括暂态控制部件144c，暂态控制部件144c在第二(保护)模式中提供暂态控制信号142’以根据选择准则使得相电路121’、123’和125’旁路，这在上面有详细讨论。暂态控制部件144c在第二模式中在操作期间提供至少一个暂态旁路信号142’，以使得开关网络162基于至少一个选择准则使所选相电路(例如，121’)短路，同时使与其他相电路(例如，123’和/或125’)相关联的至少一个开关器件开路。暂态控制部件144c用于按照顺序方式使相电路121’、123’和125’短路，以使得根据选择准则在第二模式中在操作期间的不同时间处将被短路的所选相电路改变为另一所选相电路。例如，在第二模式中在操作期间的任意给定时间处，所选相电路被选择为与具有最小绝对线对中性点电压值的AC输入节点相关联的相，该最小绝对线对中性点电压值被接收作为在反馈信号118a’处感测到的测量值。在其他实施例中，在第二模式中在操作期间的任意给定时间处，所选择的相电路被选择为与具有最高绝对线间电压值的AC输入节点不相关的相。
图4中示出了以下示例，其中示出了横跨输入电容器Ci的线对中性点输入电压信号(Vcia、Vcib和Vcic)。每个信号是具有在驱动电路的稳态状况下基本保持恒定的幅度和频率的随时间变化的信号。暂态状况更改信号并改变信号的稳态状况以变成波形斜率、曲率等中的跃起(rampant)不连续，这与随着时间近似固定或稳定的情况相反。图4还示出了基于具有最低绝对线对中性点电压(最接近于零)的相的、在任意给定时间处要短路的所选相。在等于零的时间处，例如，相121、121’与横跨相应输入电容器Cia的测量到的线对中性点电压Vcia相关联。总线暂态控制部件144c、144c’生成到整流器控制部件144a的信号142c、142c’以使相121、121’短路。随着时间流逝，具有Vcia的相的绝对值增大到以下点，在该点处，具有Vcic的相125、125’变成所选相，该所选相通过暂态控制部件144c、144c’用信号通知以被短路。随后，Vcib是测量到的绝对线对中性点电压值，并且作为相应，相123、123’是所选择的要短路的相。来自暂态控制部件144c、144c’的信号持续，直到第二操作模式改变并且不再检测到暂态状况为止。可替换地，可以使用绝对线对中性点电压值之外的其他选择准则来选择在任意给定时间处要被旁路的相。例如，可以使用最大线间电压作为用于使与最高线间电压不相关的相旁路的选择准则。例如，当相比于其他线间电压值，Vab是最高绝对电压值时，选择与该电压不相关的相“C”(125、125’)以用于旁路，而其他相A和B被开路以使得没有电流流过它们。本公开内容不限于用于顺序地使驱动电路的相短路的任何一个选择准则。用于顺序地使相旁路的选择准则可以基于提供给暂态控制部件的或感测到的任何电数据，用于在不同时间处确定不同的所选相，以在暂态状况期间降低驱动电路中的共模电压并控制共模电流。
图5示出了在没有本公开内容的选择性旁路控制的情况下、在正常操作模式以及在短暂态状况期间在电动机驱动器中的示例性输入电压状况。该图示出了横跨输入滤波器112处的输入电容器测量到的电学的随时间变化的线对中性点电压信号Vcia、Vcib和Vcic。在t＝120ms之前，出现暂态状况，持续时间约35ms。在暂态状况之前和之后，信号Vcia、Vcib和Vcic处于稳态状况，其中随时间变化的电信号的频率和幅度保持相对恒定或稳定。一旦感测到或得知暂态状况，则例如示例性的电动机驱动器110在第二模式中进行操作，并且总线暂态控制部件144c、144c’选择性地在这些相中确定要顺序地短路的所选相，而其他相被开路。总线暂态控制部件提供的第二模式中的保护动作将共模电压信号降低为小于300V。
图6a和6b示出了正常操作模式中以及暂态状况期间的示例性中性点电阻器电压状况(例如，横跨上面的图1至图3所示的Rcm)，其中图6a示出了没有本公开内容的选择性旁路控制的情况下的操作，而图6b示出了第二模式中的选择性旁路被用于禁止暂态状况期间的共模电流和电压的情形。例如，图6a示出了当没有保护旁路顺序时(例如，在没有上述的示例性模式控制器144m和暂态控制器144c、144c’的情况下)，耦合在驱动器的输入滤波器112、112’和输出滤波器114、114’之间的中性点电阻器Rcm两端的电压。如在图6a中看到的，横跨Rcm的共模电流产生电压电平的很大摆动，尖峰处于约四千伏的绝对值。然而，图6b示出了当总线暂态控制部件进行操作以用信号通知相的顺序以使得在暂态状况期间没有一个或多个相被始终短路，而是所有的相都基于选择准则被顺序地短路作为在给定时间选择的相时，小于300V的共模电压。
图7是示出根据本公开的其他方面的用于操作电力转换系统的示例性方法200的流程图。尽管以下按照一系列动作或事件的形式描述并示出了方法200，但是应当理解本公开内容的各种方法不限于这些动作或事件的所示顺序，并且除了下文中特别提供的内容之外，一些动作或事件可以按照不同顺序发生和/或与除本文示出和描述的那些内容之外的其他动作或事件同时发生。此外，并不需要示出的所有步骤来实现根据本公开内容的处理或方法，并且可结合一个或多个这种动作。所示出的方法可以被实现为硬件、处理器执行的软件、可编程逻辑等或其组合，以提供本文描述的电动机驱动控制和保护电路功能，并且可以在任何基于电流源转换器的电动机驱动器中(如在上面示出和描述的示例性驱动器的开关控制系统140、140’中)采用所示出的方法，其中，本公开内容不限于特别示出和描述的应用和实施例。
处理200在202处开始，其中驱动器电路逆变器控制部件144b的操作将逆变器开关控制信号142b提供给逆变器110b，以在正常操作模式中根据至少一个设置点141转换经调节的DC电流，从而将AC电力提供给AC输出端114。在204处，反馈系统118通过感测和/或以其他方式确定驱动器110的一个或多个部件(包括耦合例如整流器110a、中间DC电路150、逆变器110b等的输入端和输出端的线路)的状况来监测驱动器110。在206确定感测到的电动机状况是否表明暂态状况，例如，当出现检测到的或感测到的线路上的稳态状况的变化时。如果是(在206处为是)，则处理前进到212。如果电动机状况不表明第二(保护)模式情形(在206处为否)，则控制器140继续在第一(正常)操作模式中，其中在208处整流器控制器144a将整流器开关控制信号142a提供到有源整流器110a以转换AC输入电力，从而将DC电流Idc提供给中间并(在210处)根据表示逆变器110b的需求的期望DC电流值Idc*调节电流Idc。处理在202和204处继续，其中，逆变器控制部件144b将逆变器开关控制信号142b提供给逆变器110b，从而根据至少一个设置点141来转换经调节的DC电流，以将AC电力提供给AC输出端114，之后，处理返回到204以继续监测电动机状况从而检测暂态状况。一旦确定了暂态状况(在206处为是)，则处理200在212处在第二操作模式(保护模式)中进行，其中，总线控制信号被提供给整流器控制部件144a以顺序地使整流器110a的整流器相121、123、125旁路，从而降低驱动器110的端子处的输入电力和输出电力之间的共模电流和/或电压。
根据图8中所示的一个实施例，处理流程或方法300从下述操作开始，如上所述地，在电流源电动机驱动电路110中，提供逆变器开关控制信号以转换DC电流从而将电力输出至电动机负载。在304处监测驱动器在304处的暂态状况，并在306处确定是否正发生暂态状况。一旦确定保护模式(在306处为是)，则处理流程在如下所述的312和314处继续。否则(在306处为否)，处理300在正常操作模式下将整流器开关控制信号提供给整流器110a，从而将作为AC输入电流的输入电力转换为DC电流，其中在310处根据期望的设置点来调节DC电流并在上面讨论的302和304处重复该处理。
一旦确定暂态状况(在306处为是)，则处理在312处继续到第二操作模式(电路保护模式)，其中总线暂态控制部件144c在开关控制中提供总线控制信号，从而在任意给定时间根据选择准则顺序地使所选整流器相121、123或125旁路。至少一个选择准则至少部分地用于选择在314处短路的整流器相。选择准则包括绝对线间电压值(例如，Vab、Vac、Vbc)以确定在任意给定时间处被短路的相，直到暂态状况停止为止。在某些实施例中，这涉及选择与最大绝对线间输入电压不相关的相。然后，处理300继续进行以在304处监测驱动器的暂态状况或稳态的改变。
图9中示出了另一实施例，其中，在第二模式下选择对应于最低的绝对线对中性点电压值的旁路相。处理400在402开始(与以上结合图7和8描述的202和302类似)。在404，针对暂态状况监测电动机驱动器，并且在406确定是否发生了暂态。如果没有发生(406为否)，驱动器工作在正常模式，其中整流器开关信号被提供到整流器110a，以根据设置点将输入的电力转换成输出的电力，并且在410调节DC电流。否则(406为是)，处理400进行到412，以提供总线控制信号，从而根据选择准则而顺序地使所选择的整流器相旁路。在414，基于包括绝对线对中性点电压的选择准则而使所选择的整流器相短路。例如，与保护操作模式期间最低的绝对线对中性点输入电压相关联的整流器相成为在任意给定时间被短路的所选择的相。因此，整流器相独立地被短路，并且以顺序方式彼此分开，以减小驱动器的共模电压。在其他实施例中，多于一个相可被短路，同时一个或多个相开路。
根据本公开内容的另外的方面，提供了一种非瞬时计算机可读介质，诸如计算机存储器、电力转换器控制系统(例如，以上的开关控制系统140)内的存储器、CD-ROM、软盘、闪存驱动器、数据库、服务器、计算机等，其具有用于执行上述处理的计算机可执行指令。
以上示例仅表示本发明的各个方面的若干个可能实施例，其中本领域技术人员在阅读并理解该说明书和附图之后可进行等同的变更和/或修改。特别地，关于上述部件(组件、装置、系统、电路等)执行的各种功能，除非相反指出，否则用于描述这样的部件的术语(包括对“装置”的提及)旨在对应于任意部件，诸如硬件、处理器执行的软件或者其组合，其执行所述部件的指定功能(即，功能上等同)，但是结构上不等同于执行所示出的本发明的实现方式中的功能的公开结构。另外，尽管可以关于多个实现方式中的仅一个实现方式公开了本发明的特定特征，但是该特征可与其他实现方式的一个或多个其他特征组合，这对于任何给定或特定应用来说可以是所期望的和有利的。另外，对于在详细描述和/或权利要求中使用术语“包括(including)”、“包括(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“有(with)”或者其变型的程度，这样的术语旨在以类似于术语“包括(comprising)”的方式为包括性的。
附记
附记1.一种电力转换系统，包括：
有源整流器，包括：交流AC输入端，具有多个AC输入节点以接收AC输入电力；直流DC输出端，具有第一DC输出节点和第二DC输出节点；以及整流器开关网络，其包括形成多个整流器相的多个整流器开关器件，所述多个整流器开关器件单独地耦合在所述AC输入节点之一与所述第一DC输出节点和所述第二DC输出节点之一之间，所述整流器开关器件单独地用于根据相应的整流器开关控制信号而选择性地将所述AC输入节点与相应的DC输出节点耦合；
逆变器，包括：AC输出端，具有用于将AC电力提供到负载的多个AC输出节点；以及逆变器开关网络，包括多个逆变器开关器件，所述多个逆变器开关器件单独地耦合在一对DC电流路径之一与所述AC输出节点之一之间，所述逆变器开关器件单独用于根据相应的逆变器开关控制信号而选择性地将相应的DC电流路径与相应的AC输出节点电耦合；
开关控制系统，选择性地工作在用于正常操作的第一模式下和用于暂态总线状况期间的电路保护的第二模式下，所述开关控制系统包括：
逆变器控制部件，用于在所述第一模式和所述第二模式下提供所述逆变器开关控制信号，以使得所述逆变器根据所述负载的至少一个设置点而选择性地转换DC电流，从而将AC电力提供到所述AC输出端，
整流器控制部件，用于在所述第一模式下提供所述整流器开关控制信号，以根据表示所述逆变器的要求的期望DC电流值而转换AC输入电力，从而提供调节后的DC电流，以及
总线暂态控制部件，在所述第二模式下用于提供至少一个总线暂态控制信号或值，从而使得所述整流器控制部件选择性地使所述整流器的所选择的相旁路，所选择的相是至少部分地基于至少一个选择准则而选择的以减小与所述驱动器相关联的共模电压或共模电流，同时使与其他相有关联的开关器件开路。
附记2.根据附记1所述的系统，其中，所述总线暂态控制部件用于通过使基于所述选择准则而选择的相的整流器开关器件短路，而在不同的时间选择性地使所选择的相旁路。
附记3.根据附记2所述的系统，其中，所选择的相被选择为在任意给定时间与具有最接近零的绝对线对中性点电压值的AC输入节点相关联的整流器相。
附记4.根据附记2所述的系统，其中，所述总线暂态控制部件用于至少部分地基于所述AC输入节点处的绝对电压值，来确定在任意给定时间所选择的相。
附记5.根据附记4所述的系统，其中，所选择的整流器相被选择为在任意给定时间与具有最高的绝对线间电压值的AC输入节点不相关联的整流器相。
附记6.根据附记1所述的系统，还包括：
反馈电路，基于所述整流器和所述逆变器中的至少一个的所感测到的状况，来提供至少一个反馈信号或值；以及
模式控制部件，用于根据来自所述反馈电路的至少一个反馈信号或值而将所述开关控制系统设置为所述第一模式或所述第二模式。
附记7.根据附记6所述的系统，其中，所述模式控制部件用于当在所述AC输入端和/或所述AC输出端处出现所检测到的或感测到的稳态状况失真时，将所述开关控制系统设置为所述第二模式。
附记8.根据附记7所述的系统，其中，所述总线暂态控制部件用于检测所述第二操作模式，并且作为响应将所述至少一个总线暂态控制信号发送到所述整流器控制部件。
附记9.根据附记1所述的系统，其中，所述总线暂态控制部件通过使所选择的相短路并且将被短路的所选择的相改变为另一所选择的相来以顺序方式使所述整流器相旁路，直至在所述整流器的所述AC输入节点上检测不到暂态状况为止。
附记10.根据附记1所述的系统，包括耦合到所述AC输入端和所述AC输出端以用于其之间的电流流动的电路路径，其中，所述总线暂态控制部件通过将横跨所述电路路径的操作绝对电压值控制为小于300伏特以用于电路保护，来在所述第二操作模式期间减小横跨所述电路路径而测量到的共模电压。
附记11.根据附记1所述的系统，其中，所述电力转换系统是在所述第一操作模式和所述第二操作模式期间对连接到所述AC输出端以接收所述AC电力的电动机负载进行驱动的电流源转换器驱动器，并且所述电力转换系统包括具有DC链路电感器的DC电路，所述DC链路电感器具有耦合在相应的第一DC电流路径和第二DC电流路径中的第一绕组和第二绕组。
附记12.一种用于操作电力转换系统的方法，所述方法包括：
将逆变器开关控制信号提供到逆变器，以根据至少一个设置点转换DC电流，从而将AC电力提供到耦合到负载的AC输出端；
在所述电力转换系统的第一操作模式下，将整流器开关控制信号提供到有源整流器，以转换AC输入端处的AC输入电力，从而提供DC电流；
监测所述电力转换系统的暂态状况；以及
在检测到暂态状况时，工作在所述电力转换系统的第二操作模式下，所述第二操作模式包括使具有与所述AC输入端耦合的开关器件的多个相中的所选择的整流器相旁路，以减小所述AC输入端与所述AC输出端之间的共模电流。
附记13.根据附记12所述的方法，包括以顺序方式使所述整流器相短路。
附记14.根据附记13所述的方法，其中，使所选择的整流器相旁路包括：
在第一时间使第一整流器相短路，同时使其他整流器相开路；
在第二时间使所述整流器相中的第二整流器相短路，同时使其他整流器相开路；以及
在第三时间使第三整流器相短路，同时使其他整流器相开路。
附记15.根据附记12所述的方法，包括：通过使与具有最高的绝对线间电压值的AC输入节点不相关联的所选择的整流器相短路而同时使其他整流器相开路，来基于绝对电压值而使所选择的整流器相旁路。
附记16.根据附记12所述的方法，包括：通过使具有最小绝对线对中性点电压值的所选择的整流器相短路而同时使其他整流器相开路，来基于绝对电压值而使所选择的整流器相旁路。
附记17.根据附记12所述的方法，包括：
感测所述整流器、中间DC电路以及所述逆变器中的至少一个的暂态状况；以及
根据所感测到的暂态状况将所述电动机驱动器的操作模式设置为所述第二模式。
附记18.一种非瞬时计算可读介质，包括用于操作电力转换系统的计算机可执行指令，所述计算机可执行指令包括：
将逆变器开关控制信号提供到逆变器，以根据至少一个设置点转换DC电流，从而将AC电力提供到耦合到负载的AC输出端；
在所述电力转换系统的第一操作模式下，将整流器开关控制信号提供到有源整流器，以转换AC输入端处的AC输入电力，从而提供DC电流；
监测所述电力转换系统的暂态状况；以及
在检测到暂态状况时，工作在第二操作模式下，所述第二操作模式包括使所选择的整流器相旁路，以减小所述AC输入端与所述AC输出端之间的共模电流。
附记19.一种电力转换系统，包括：
多相AC输入端，包括用于接收多相AC输入电力的多个AC输入端子；
多相AC输出端，具有用于提供多相AC输出电力的多个AC输出端子；
开关网络，包括形成多个相电路的多个开关器件，所述多个开关器件单独地与所述AC输入端子中的相应一个相关联，所述开关器件根据开关控制信号而工作，每个相电路连接到相应的AC输入端子和相应的AC输出端子，并且每个相电路包括耦合在所述相应的AC输入端子与所述相应的AC输出端子之间的至少一个开关器件；以及
开关控制系统，用于提供开关控制信号，以使得所述开关网络根据至少一个设置点信号或值而选择性地转换来自所述多相AC输入端的AC输入电力，以将所述多相AC输出电力提供到所述多相AC输出端，所述开关控制系统工作在用于控制所述开关网络的正常操作的第一模式下和用于在暂态状况期间保护所述开关网络的第二模式下，所述开关控制系统包括：
暂态控制部件，在所述第二模式下的操作期间基于至少一个选择准则而提供至少一个暂态旁路信号，以使得所述开关网络使所述开关网络的所选择的相电路短路，同时使得与其他相电路相关联的至少一个开关器件开路。
附记20.根据附记19所述的系统，其中，所述暂态控制部件被配置成以顺序方式使所述相电路短路，以使得被短路的所选择的相电路根据所述选择准则在所述第二模式下的操作期间的不同时间改变为另一选择的相电路。
附记21.根据附记19所述的系统，其中，所述电力转换系统是AC到AC矩阵转换器，所述AC到AC矩阵转换器在所述第一操作模式和所述第二操作模式期间对连接到所述多相AC输出端以接收所述多相AC输出电力的电动机负载进行驱动。
附记22.根据附记19所述的系统，其中，所述电力转换系统是电流源转换器驱动器，所述电流源转换器驱动器在所述第一操作模式和所述第二操作模式期间对连接到所述多相AC输出端以接收所述多相AC输出电力的电动机负载进行驱动，并且所述电力转换系统包括整流器和耦合到所述电动机负载的逆变器。
附记23.根据附记19所述的系统，其中，在所述第二模式下的操作期间的任意给定时间，所选择的相电路被选择为与具有最小的绝对线对中性点电压值的AC输入节点相关联的相。
附记24.根据附记19所述的系统，其中，在所述第二模式下的操作期间的任意给定时间，所选择的相电路被选择为与具有最高的绝对线间电压值的AC输入节点不相关联的相。

Claims (10)

1.一种电力转换系统，包括：
有源整流器，包括：交流AC输入端，具有多个AC输入节点以接收AC输入电力；直流DC输出端，具有第一DC输出节点和第二DC输出节点；以及整流器开关网络，其包括形成多个整流器相的多个整流器开关器件，所述多个整流器开关器件单独地耦合在所述AC输入节点之一与所述第一DC输出节点和所述第二DC输出节点之一之间，所述整流器开关器件单独地用于根据相应的整流器开关控制信号而选择性地将所述AC输入节点与相应的DC输出节点耦合；
逆变器，包括：AC输出端，具有用于将AC电力提供到负载的多个AC输出节点；以及逆变器开关网络，包括多个逆变器开关器件，所述多个逆变器开关器件单独地耦合在一对DC电流路径之一与所述AC输出节点之一之间，所述逆变器开关器件单独用于根据相应的逆变器开关控制信号而选择性地将相应的DC电流路径与相应的AC输出节点电耦合；
开关控制系统，选择性地工作在用于正常操作的第一模式下和用于暂态总线状况期间的电路保护的第二模式下，所述开关控制系统包括：
逆变器控制部件，用于在所述第一模式和所述第二模式下提供所述逆变器开关控制信号，以使得所述逆变器根据所述负载的至少一个设置点而选择性地转换DC电流，从而将AC电力提供到所述AC输出端，
整流器控制部件，用于在所述第一模式下提供所述整流器开关控制信号，以根据表示所述逆变器的要求的期望DC电流值而转换AC输入电力，从而提供调节后的DC电流，以及
总线暂态控制部件，在所述第二模式下用于提供至少一个总线暂态控制信号或值，从而使得所述整流器控制部件选择性地使所述整流器的所选择的相旁路，所选择的相是至少部分地基于至少一个选择准则而选择的以减小与所述驱动器相关联的共模电压或共模电流，同时使与其他相有关联的开关器件开路。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述总线暂态控制部件用于通过使基于所述选择准则而选择的相的整流器开关器件短路，而在不同的时间选择性地使所选择的相旁路。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所选择的相被选择为在任意给定时间与具有最接近零的绝对线对中性点电压值的AC输入节点相关联的整流器相。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述总线暂态控制部件用于至少部分地基于所述AC输入节点处的绝对电压值，来确定在任意给定时间所选择的相。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所选择的整流器相被选择为在任意给定时间与具有最高的绝对线间电压值的AC输入节点不相关联的整流器相。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
反馈电路，基于所述整流器和所述逆变器中的至少一个的所感测到的状况，来提供至少一个反馈信号或值；以及
模式控制部件，用于根据来自所述反馈电路的至少一个反馈信号或值而将所述开关控制系统设置为所述第一模式或所述第二模式。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述模式控制部件用于当在所述AC输入端和/或所述AC输出端处出现所检测到的或感测到的稳态状况失真时，将所述开关控制系统设置为所述第二模式。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述总线暂态控制部件用于检测所述第二操作模式，并且作为响应将所述至少一个总线暂态控制信号发送到所述整流器控制部件。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述总线暂态控制部件通过使所选择的相短路并且将被短路的所选择的相改变为另一所选择的相来以顺序方式使所述整流器相旁路，直至在所述整流器的所述AC输入节点上检测不到暂态状况为止。
10.根据权利要求1所述的系统，包括耦合到所述AC输入端和所述AC输出端以用于其之间的电流流动的电路路径，其中，所述总线暂态控制部件通过将横跨所述电路路径的操作绝对电压值控制为小于300伏特以用于电路保护，来在所述第二操作模式期间减小横跨所述电路路径而测量到的共模电压。
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