CN104578745A - 用于重新启动中压逆变器的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于重新启动中压逆变器的装置，其中，逆变器响应于电动机的输入电压和电动机的转子速度以及预定的电压-频率比而改变输出到电动机的电压或频率。

Description

用于重新启动中压逆变器的装置

技术领域

根据本公开的示例性实施例的教导一般涉及一种用于重新启动中压逆变器的装置。

背景技术

通常，多电平中压逆变器是指逆变器具有一个输入电源，其线间电压的均方根(rms)值超过600V，且输出相电压具有多级。多电平中压逆变器一般用于驱动从数千瓦至数兆瓦容量的大容量电动机。

通过多电平中压逆变器驱动的中压电动机通常具有大的惯性，使得即使多电平中压逆变器的逆变器单元由于瞬时故障或输入电源瞬时停电而不能执行正常操作，所述中压电动机的转子速度也几乎不会有大幅的降低。由于这个原因，当输入电源从故障恢复到正常状态时，中压电动机必须等待直到转子速度达到零速度后才能重新启动。

发明内容

本公开提供一种用于重新启动中压逆变器的装置，其配置为当输入电源从瞬时缺陷状态恢复到正常状态时，通过估计中压电动机的转子速度，来稳定地重新启动中压逆变器。

在本公开的一个总的方案中，提供了一种用于重新启动中压逆变器的装置，其配置为将输入功率提供至电动机，该装置包括：

测量单元，其配置为测量所述电动机的输入电压；

估计单元，其配置为使用由所述测量单元测量的所述电动机的输入电压来估计所述电动机的转子速度；和

控制器，其被配置为基于所述电动机的输入电压和所述电动机的转子频率，响应于预定的电压-频率比而改变由所述中压逆变器输出到所述电动机的电压或频率。

优选地，但不是必须地，所述估计单元可以包括提取单元，其配置为从该电动机的输入电压提取对应于预定频率的第一电压和与第一电压有90度相位滞后的第二电压，还包括第一检测单元，其配置为使用所述第一电压和第二电压检测所述电动机的转子速度。

优选地，但不是必须地，所述提取单元可以包括：生成单元，其被配置为使用电动机的输入电压生成与中压逆变器施加的频率对应的第一电压和有90度相位滞后的第二电压；第二检测单元，其被配置为检测所述第一电压的频率分量，以及被配置为确定所述电动机的转子频率带宽的确定单元。

优选地，但不是必须地，所述第一检测单元可以包括：第一转换单元，其被配置为将从所述提取单元输入的所述第一电压和第二电压转换至旋转坐标，补偿单元，其被配置为以比例积分形式补偿所述第一转换单元的输出，加法器，其被配置为将补偿单元的输出与初始频率相加，以及积分器，其被配置为对所述加法器的输出进行积分。

优选地，但不是必须地，所述第一检测单元可以进一步包括LPF(低通滤波器)，其被配置为对所述积分器的输出进行低通滤波。

优选地，但不是必须地，所述估计单元还可以进一步包括标准化单元，其被配置为标准化所述电动机的3相输入电压。

优选地，但不是必须地，所述第一检测单元可以进一步包括第二转换单元，其被配置转换从所述标准化单元输入的3相输入电压的坐标。

优选地，但不是必须地，当估计的电压-频率比小于预定的电压-频率比时，所述控制器可以保持所述逆变器的频率并提高电压，直到估计的电压-频率比达到预定的电压-频率比。

优选地，但不是必须的，当估计的电压-频率比小于预定的电压-频率比时，响应于相关的电压-频率比，所述控制器可以提高所述逆变器的电压和频率。

优选地，但不是必须地，当估计的电压-频率比大于预定的电压-频率比时，所述控制器可以保持所述逆变器的频率并提高电压，直到估计的电压-频率比达到预定的电压-频率比。

优选地，但不是必须的，当估计的电压-频率比达到预定的电压-频率比时，响应于相关的电压-频率比，所述控制器可以提高所述逆变器的电压和频率。

本公开的有益效果在于，当输入电源从异常状态恢复到正常状态时，因为没有必要等待转子速度达到零速度，因此能够通过估计中压逆变器的转子转速来重新启动中压逆变器，从而减少重新启动所消耗的时间。

附图说明

图1是示出了根据本公开示例性实施例的中压逆变器系统的框图。

图2a和2b是分别示出了图1的估计单元的详细框图。

图3是示出了图2a的提取单元的详细框图。

图4是示出了图2a的转子频率检测单元的详细框图。

图5是示出了图2b的电压分量提取单元的详细框图。

图6是示出了根据本公开的中压逆变器的时序的示意图。

图7是示出了当估计的电压-频率比小于预定的电压-频率比时，控制器的操作的示意图。

图8是示出了当估计的电压-频率比大于预定的电压-频率比时，控制器的操作的示意图。

具体实施方式

各种示例性实施例将在下文中参照附图更加完整地描述，其中示出了一些示例性实施例。但是，本公开的方案可被以许多不同的形式实施，不应当被解释为限于本文所阐述的示例性实施例。相反，所描述的方案旨在涵盖所有此类变更、修改和变型，其都落入本公开的范围和新颖构思之内。

在下文中，将参照附图详细地描述本公开的示例性实施例。

图1是示出了根据本公开示例性实施例的中压逆变器系统的框图。

参照图1，根据本公开的示例性实施例的中压逆变器系统可包括配置为向中压逆变器1提供电源的功率单元2和由中压逆变器1驱动的高压三相电动机3。例如，根据本公开的示例性实施例的中压逆变器系统可以是一个感应电动机或同步电动机，但本公开不限于此。

中压逆变器1可包括移相变压器11和多个单位功率单元12。移相变压器11可以提供在功率单元2和中压逆变器1之间电绝缘，并且可以减少在输入端的谐波，以将输入3相电源提供至单位功率单元12。移相变压器11的移相角可以通过单位功率单元12的数量确定。单位功率单元12通过从移相变压器11接收功率来输出电动机3的相电压。

每个单位功率单元12由三组构成，并且虽然图1已经示出，每个组包括三个单位功率单元，但是本公开不限定于此。每个单位功率单元12均包括整流单元、平滑单元以及逆变器单元，并将相电压输出至电动机3。由于该单位功率单元的配置是本领域技术人员所公知的，因此在详细描述中将其省略。

在传统的系统中，因为当输入电源从故障状态恢复到正常状态时，直到电动机3的转子速度达到零速度，重新启动才被执行，因此中压逆变器1具有在重新启动之前等待太长时间的缺点。为了改善该缺点，当输入电源返回到正常状态时，根据本公开的中压逆变器通过估计中压逆变器1的转子速度而重新启动。因此，在这样构成的系统中根据本公开的重新启动装置包括测量单元4、估计单元5和控制器6。

测量单元4测量电动机3的输入电压。例如，测量单元可以是电压传感器，或者由电阻器等构成的无源元件，但本公开并不限于此，并且所述测量单元4可以是任何能够测量电压的元件。

估计单元5响应于所述测量单元4的测量结果而估计电动机3的转子速度。控制器6可使用测量单元4的测量结果和估计单元5的估计结果，将控制各单位功率单元12的操作的信号输出至中压逆变器。控制器6的详细操作的说明将稍后提供。

图2a和图2b分别示出图1的估计单元5的详细框图，其中图2a示出从测量单元4接收单相电压的情况，图2b示出从测量单元4接收3相电压的情况。

参照图2a，估计单元5可包括电压分量提取单元51和转子速度检测单元52。电压分量提取单元51从由测量单元4测量的电动机3的输入电压中提取出对应于预定电压和90度相位滞后的分量。转子频率检测单元52从电压分量提取单元51的输出中检测频率分量。

图3是示出了图2a的电压分量提取单元的详细框图，其中，提取单元51可以包括信号生成单元511、频率检测单元512和控制带宽确定单元513。

信号生成单元511根据由测量单元4测量的电动机3的输入电压生成与由中压逆变器1施加的频率相对应的AC(交流)信号V′，并生成相位滞后于V′90度的信号qV′。如果电动机3的输入电压的频率为ω′，由信号生成单元511确定的V′和qV′可以由下述等式表示。

[等式1]

$D\left(s\right)=\frac{V^{\′}\left(s\right)}{V_{\mathrm{meas}}\left(s\right)}=\frac{k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}$

[等式2]

$Q\left(s\right)=\frac{q{V}^{\′}\left(s\right)}{V_{\mathrm{meas}}\left(s\right)}=\frac{k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}$

只有ω′的频率分量可以从由等式1测量的电动机的输入电压提取，以及由等式2可确定滞后于由等式1检测到的分量90度的信号。现在，将说明图3的频率检测单元512的操作。当信号生成单元的511A和511B的输出分别被定义为x₁和x₂时，可得出以下等式：

[等式3]

$\stackrel{\·}{x}=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·}{x}}_2\end{array}\right]=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bv}=\left[\begin{array}{cc}-k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}& -{\mathrm{\ω}}^{\′2}\\ 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{k}_1{\mathrm{\ω}}^{\′}\\ 0\end{array}\right]V_{\mathrm{meas}}$

[等式4]

$y=\left[\begin{array}{c}{V}^{\′}\\ q{V}^{\′}\end{array}\right]=\mathrm{Cx}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& {\mathrm{\ω}}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]$

此时，等式5可表示如下，且等式6的条件可以在正常的状态下满足。

[等式5]

$\stackrel{\·}{{\mathrm{\ω}}^{\′}}=-k_2{x}_2{\mathrm{\ω}}^{\′}(V_{\mathrm{meas}}-x_1)$

[等式6]

$\stackrel{\·}{{\mathrm{\ω}}^{\′}}=0$

ω＝ω′

x₁＝V_meas

下面的等式7可以使用等式6的条件从等式3得出。

[等式7]

$\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}{|}_{{\mathrm{\ω}}^{\′}=0}=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}}_1\\ {\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& -{\mathrm{\ω}}^{\′2}\\ 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_1\\ {\stackrel{\‾}{x}}_2\end{array}\right]$

等式8可以从等式7得出。

[等式8]

${\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}}_1=-{\mathrm{\ω}}^2{\stackrel{\‾}{x}}_2$

与此同时，将说明控制带宽确定单元513的操作。

下面的等式9和10可使用图3的每个变量的平均值得到。

[等式9]

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_i=V_{\mathrm{meas}}-{\stackrel{\‾}{x}}_1=\frac{1}{k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}}({\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}}_1+{\mathrm{\ω}}^{\′2}{\stackrel{\‾}{x}}_2)$

[等式10]

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{f={\mathrm{\ω}}^{\′}}{\stackrel{\‾}{x}}_2{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_i=\frac{{{\stackrel{\‾}{x}}_2}^2}{k_1}({\mathrm{\ω}}^{\′2}-{\mathrm{\ω}}^2)$

在上面的等式10中(ω^′2-ω²)可以简化为2ω′(ω′-ω)(ω′≌ω)，其中，当使用控制带宽确定单元513时，估计频率可能具有以下控制带宽。

[等式11]

$\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}^{\′}}}{\mathrm{\ω}}=\frac{k_2}{s+k_2}$

值得注意的是，从上述等式11寻求期望频率的控制带宽是由频率检测单元512中的放大单元512A的增益确定的。因此，放大单元512A的增益k2必须由比电动机3的工作频率更高的值确定。当电动机3在正常状态下运转时，必须输出与逆变器1施加的电压频率相同的电流频率。

接着，图4是示出图2的转子频率检测单元52的详细框图，其中，所述转子频率检测单元52可包括坐标转换单元521、比例积分补偿单元522、加法单元523、积分单元524和低通滤波器(LPF)525。

坐标变换单元521，用于将输入的信号转换为旋转坐标，并且可以被定义如下：

[等式12]

$V_d^e=V^{\′}\cos \mathrm{\θ}+q{V}^{\′}\sin \mathrm{\θ}$

[等式13]

$V_q^e={-V}^{\′}\sin \mathrm{\θ}+q{V}^{\′}\cos \mathrm{\θ}$

比例积分补偿单元522用于将坐标转换单元521的输出收敛至零(0)，且加法单元523的功能是将初始频率与比例积分补偿单元522的输出相加。加法单元523的输出可以由积分单元524进行积分并用于坐标变换单元521的坐标转换，并可被用于估计通过LPF 525的最终频率。然而，LPF 525的使用是可选的。

现在，将再次说明图2b的结构。

如该图所示，估计单元5可以包括标准化单元53、电压分量提取单元54和转子频率检测单元55。

虽然标准化单元53接收所述电动机3的输入3相电压并标准化该电压，但标准化单元53是一个可选的项。电动机3的输入电压可以由下面的等式14，15和16来限定。

[等式14]

V_{meas_as}＝Vsinθ

[等式15]

$V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{bs}}=V\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3\mathrm{\π}})$

[等式16]

$V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{cs}}=V\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3\mathrm{\π}})$

在此时，当电动机3经过3相标准化时，其中一相的电压信息可从以下等式17的关系来计算。

[等式17]

V_{meas_as}+V_{meas_bs}+V_{meas_cs}＝0

下面的等式18可由等式17限定。

[等式18]

$V=\frac{2}{\sqrt{3}}\sqrt{-V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{as}}{V}_{\mathrm{meas}\_\mathrm{bs}}+V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{cs}}{V}_{\mathrm{meas}\_\mathrm{cs}}}$

等式18是用于确定所述电动机3的输入电压的大小的例子，其中可能存在各种寻求测量输入电压大小的方法，并因此，本公开不限于此。标准化单元53的输出可使用等式14-18之间的关系被限定如下。

[等式19]

V_{meas_nom_as}＝sinθ

[等式20]

$V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{nom}\_\mathrm{bs}}=\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3\mathrm{\π}})$

[等式21]

$V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{nom}\_\mathrm{cs}}=\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3\mathrm{\π}})$

接着，将提供用于图2a的电压分量提取单元54的说明。

图5是示出了图2b的电压分量提取单元的详细框图。

参照图5，根据本公开的电压分量提取单元54，可以包括坐标变换单元541、提取单元542、提取单元543和正相序分量提取单元544。坐标转换单元541使用如下的等式将从标准化单元53输入的3相输入电压的坐标进行转换：

[等式22]

$V_{\mathrm{\α}}=\frac{2V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{nom}\_\mathrm{as}}-V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{nom}\_\mathrm{bs}}-V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{nom}\_\mathrm{cs}}}{3}$

[等式23]

$V_{\mathrm{\β}}=\frac{V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{nom}\_\mathrm{bs}}-V_{\mathrm{meas}\_\mathrm{nom}\_\mathrm{cs}}}{\sqrt{3}}$

提取单元542、提取单元543从由坐标变换单元541输入的电压信息中提取与预定频率相对应的分量和90度相位滞后的分量。每个提取单元542、提取单元543与图3的电压分量提取单元51相同，这样将省略进一步详细说明。此外，正相序分量提取单元544的操作可以被定义如下：

[等式24]

$V_{\mathrm{\α}}^{+}=\frac{1}{2}{V_{\mathrm{\α}}}^{\′}-\frac{1}{2}q{V_{\mathrm{\β}}}^{\′}$

[等式25]

$V_{\mathrm{\β}}^{+}=\frac{1}{2}{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{\α}}}^{\′}+\frac{1}{2}{V_{\mathrm{\β}}}^{\′}$

在图2b中的转子频率检测单元55的操作与图2a的转子频率检测单元52的操作是相同的，这样将省略进一步详细说明。这时，转子频率检测单元55的输入是图5的且可以与图14的输出相同。

当电动机的电压频率由图4的转子频率检测单元52进行估计时，中压逆变器1被施加了与所估计的电压相应的电压并重新启动。此时，电压的大小是基于等式18施加的。

图6是示出了根据本公开的中压逆变器的时序的示意图。

图6中的6A图示出了来自逆变器1的功率单元2的输入功率，6B图示了逆变器的输出电压。此外，6C示出了功率单元2和逆变器1都正常工作的区域，6D示出了由于输入功率的异常的产生，使逆变器1的输出电压降低的区域，6E示出了估计单元5估计转子速度和电动机电压的大小的区域，且6F示出了响应于所估计的电动机转子速度和电压的大小，逆变器由所述控制器6重新启动的区域，现在，将描述该控制器6的操作。

在一般情况下，逆变器1响应于当以V/F操作运行恒定通量操作时预先确定电压和频率的模式而工作。如果输入功率产生异常，使所估计的输出电压和输出频率之间的比率小于或大于预定值(Vset/Fset)时，则控制器6改变电压或频率的大小，直到达到预定的电压和频率。

图7是示出了当估计的电压-频率比小于预定的电压-频率比时控制器的操作的示意图，且示出了在图6中的6F部分的分段操作。

图7中的7A示出了逆变器1的输出电压，7B示出了逆变器1的输出频率。此外，初始电压(Vinit)为在7C部分的输出电压，其可以由等式18表达，且初始频率(Finit)为逆变器的输出频率，其可以与图4的LPF 525的输出相同。

在图7的7D区域，控制器6保持频率，直至达到预定的电压-频率比并且增加电压。此外，在7E区域中该控制器6响应于预定的电压-频率比而同时增加电压和频率，从而在7F区域中逆变器1能够以正常工作期间选定的电压(Vtarget)和频率(Ftarget)工作。

图8是示出了当估计的电压-频率比大于预定的电压-频率比时，控制器工作的示意图，并示出了在图6的6F部分的分段操作。

图8的8A示出了逆变器1的输出电压，8B示出了逆变器1的输出频率。此外，在8C部分的初始电压(Vinit)为逆变器的输出电压，其与图8所示的初始电压相同，初始频率(Finit)为逆变器的输出频率，其与图4的LPF 525的输出相同。

在图8的8D区域中，控制器6保持频率，直至达到预定的电压-频率比并且增加电压，此外，在8E区域中该控制器6响应于预定的电压-频率比而同时增加电压和频率，从而在8F区域中逆变器1能够以在正常工作期间选定的电压(Vtarget)和频率(Ftarget)工作。

根据本公开的用于重新启动中压逆变器的装置能够测量逆变器的输入电压，并且通过提取测量电压的频率分量而估计电动机的转子速度，增加逆变器的输出电压或输出频率，直至达到预定的电压-频率比，并且当电压或频率达到预定的电压-频率比时，通过同时增加输出电压和输出频率来重新启动。

虽然本公开参照前述实施例和优点已作了详细说明，对本领域技术人员来说在权利要求书的边界和范围内的许多替换，修改和变化将是显而易见的。因此，应当理解的是，除非另有说明，上述实施例并不限于通过任何前述的细节，而应是宽泛地解释为在所附权利要求的限定范围内。

Claims (11)

1.一种用于重新启动中压逆变器的装置，其配置为提供输入功率给电动机，该装置包括：

测量单元，其配置为测量所述电动机的输入电压；

估计单元，其配置为使用由所述测量单元测量的所述电动机的输入电压来估计所述电动机的转子速度；和

控制器，其配置为基于所述电动机的输入电压和所述电动机的转子频率，响应于预定的电压-频率比而改变由所述中压逆变器输出到所述电动机的电压或频率。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述估计单元包括：提取单元，其配置为从所述电动机的所述输入电压提取对应于预定频率的第一电压和与所述第一电压有90度相位滞后的第二电压；以及第一检测单元，其配置为使用所述第一电压和第二电压来检测所述电动机的转子速度。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述提取单元包括生成单元、第二检测单元和确定单元，所述生成单元被配置为使用电动机的输入电压生成与中压逆变器施加的频率对应的第一电压和有90度相位滞后的第二电压，所述第二检测单元被配置为检测所述第一电压的频率分量，所述确定单元被配置为确定所述电动机的转子频率的带宽。

4.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一检测单元包括第一转换单元、补偿单元、加法器和积分器，所述第一转换单元被配置为将从所述提取单元输入的所述第一电压和第二电压转换至旋转坐标，所述补偿单元被配置为以比例积分形式补偿所述第一转换单元的输出，所述加法器被配置为将所述补偿单元的输出与初始频率相加，所述积分器被配置为对所述加法器的输出进行积分。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述第一检测单元进一步包括低通滤波器，所述低通滤波器被配置为对所述积分器的输出进行低通滤波。

6.如权利要求2所述的装置，其中，所述估计单元进一步包括标准化单元，所述标准化单元被配置为标准化所述电动机的3相输入电压。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述第一检测单元进一步包括第二转换单元，所述第二转换单元被配置为转换从所述标准化单元输入的3相输入电压的坐标。

8.如权利要求1所述的装置，其中，当估计的电压-频率比小于预定的电压-频率比时，所述控制器保持所述逆变器的频率并提高电压，直到所述估计的电压-频率比达到所述预定的电压-频率比。

9.如权利要求8所述的装置，其中，当所述估计的电压-频率比小于所述预定的电压-频率比时，响应于相关的电压-频率比，所述控制器提高所述逆变器的电压和频率。

10.如权利要求1所述的装置，其中，当估计的电压-频率比大于预定的电压-频率比时，所述控制器保持所述逆变器的频率并提高电压，直到所述估计的电压-频率比达到所述预定的电压-频率比。

11.如权利要求10所述的装置，其中，当所述估计的电压-频率比达到所述预定的电压-频率比时，响应于相关的电压-频率比，所述控制器提高所述逆变器的电压和频率。