CN104919697A - 用于变速传动的混合脉宽调制方法 - Google Patents

用于变速传动的混合脉宽调制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于PWM技术控制变速传动的系统或方法，其中，当输入电流小于预定门限值时，为了较高的效率和较低的总谐波失真(THD)，使用第一PWM方法；以及当输入电流大于预定门限值时，为了较高的效率，使用包括非连续调制信号的第二PWM方法。通过这么做，能够实现整个工作范围内的VSD的最大效率。

Description

用于变速传动的混合脉宽调制方法
相关专利申请的交叉引用
该专利申请要求2013年2月7日递交的、题为“用于变速传动的混合脉宽调制方法(HYBRID PULSE WIDTH MODULATION METHOD FORVARIABLE SPEED DRIVE)”的序列号为61/762,080的美国临时专利申请的优先权和权益，其通过引用并入本文。
背景技术
本申请大体上涉及一种用于控制变速传动(VSD)的方法和系统。本申请更具体地涉及一种用于控制VSD的混合脉宽调制(PWM)方法和系统。
脉宽调制(PWM)是一种功率调制技术，其已经以变速传动(VSD)方式改变功率输出很长时间了。尽管存在几个不同的PWM方案，但是，在整个工作范围内通常仅使用一种方法来操作VSD。
所公开的系统和/或方法的预期优点满足这些需求中的一个或多个，或提供其他有利的特征。根据本发明，其他特征和优点将被认为是显而易见的。所公开的教导延伸到落进权利要求的范围内的那些实施例，不管它们是否实现了一个或多个前述需求。
发明内容
本公开定义用于变速传动(VSD)的最佳脉宽调制(PWM)方案。在所公开的系统中，当输入电流小于预定门限值时，为了较高的效率和较低的总谐波失真(THD)而使用第一PWM方法。当输入电流大于预定门限值时，为了较高的效率而使用第二PWM方法。第二PWM方法优选地为非连续的PWM信号。
一个实施例涉及一种用于使用混合脉宽调制(PWM)方法控制VSD的方法，包括提供连接在闭合制冷剂回路中的压缩机、冷凝器和蒸发器；被连接至压缩机以给压缩机提供动力的马达；以及被连接至马达的变速传动，该变速传动被配置为接收固定输入交流电压和固定输入频率的输入交流电并向马达提供变压和变频的输出功率；为变速传动确定最佳门限输入电流值；测量变速传动的实际输入电流值；将VSD的实际电流输入值与VSD的最佳门限电流输入值进行比较；响应于输入电流小于预定门限输入电流值，应用第一PWM方法；以及响应于输入电流大于预定门限值，应用第二PWM模式。
另一实施例涉及一种用于控制变速传动(VSD)的方法，包括提供用于驱动压缩机的马达的VSD；配置VSD以用固定交流输入电压的输入交流电压运行并提供变压和变频的输出交流电；为至VSD的输入电流确定门限值；测量至VSD的输入电流；将所测量的输入电流与门限值进行比较；响应于输入电流小于门限值，将连续的PWM方法应用于VSD；以及响应于输入电流大于或等于门限值，应用非连续的PWM方法。
还有另一实施例涉及一种用于控制VSD的方法，包括当输入电流小于预定门限值时应用连续的PWM方案，以提供较高的效率和较低的总谐波失真(THD)；以及当输入电流大于预定门限值时应用包括非连续的调制方案的非连续的PWM方法。
本文所描述的实施例的某些优点是通过降低开关损耗来改善整个变速传动的效率，以及改善THD。本公开使变速传动能够实现最大的总效率以及其整个工作范围内的最小总谐波失真(THD)。
如大体上在权利要求中所引用的，替代的作为例证的实施例涉及其他特征和特征的组合。
附图说明
图1A和1B大体上示出了用于由变速传动提供动力的HVAC系统的配置。
图2A和2B概略地示出了变速传动的实施例。
图3概略地示出了制冷系统。
图4是一种用于使用混合PWM技术控制VSD的方法的流程图。
图5是表示针对各种PWM方法的百分比THD对VSD输出电流的图。
图6是针对各种PWM方法的百分比(％)THD对VSD输入电流的图。
图7是针对各种PWM方法的效率百分比对马达功率(KW)的图。
图8是示出实际的PWM信号波形、电压输出波形和调制指数波形的作为例证的连续的PWM模式的图。
图9是示出实际的PWM信号波形、电压输出波形和调制指数波形的作为非连续的PWM模式的图。
具体实施方式
在转向详细地举例说明作为例证的实施例的图之前，应当理解，该申请不限于下面的描述中所提出的或图中所举例说明的细节或方法。还应当理解，本文所使用的用语和术语仅是为了描述而不应当被认为是限制。
图1A和1B大体上示出了系统的配置。将交流电源102供给变速传动(VSD)104，该变速传动给马达106(参见图1A)或多个马达106(参见图1B)提供动力。(多个)马达106优选地被用于驱动制冷或冷却器系统(大体上参见图3)的相应压缩机。交流电源102自存在一地点处的交流电力网或配电系统向VSD 104提供单相或多相(例如，三相)、固定电压和固定频率的交流电。交流电源102依靠相应的交流电力网优选地能够以50Hz或60Hz的线频率向VSD 104提供200V、230V、380V、460V或600V的交流电压或线电压。
VSD 104自交流电源102接收具有特定的固定线电压和固定线频率的交流电，并向(多个)马达106提供期望电压与期望频率的交流电，能够改变所期望的电压和所期望的频率以满足特定需求。优选地，VSD 104可以向(多个)马达106提供具有比(多个)马达106的额定电压和频率更高的电压与频率以及更低的电压与频率的交流电。在另一实施例中，VSD 104可以另外提供比(多个)马达106的额定电压与频率相比更高的和更低的频率但仅相同的或更低的电压。(多个)马达106是永磁式马达或感应马达，但可以包括能以变速运转的任意类型的马达。马达可以具有包括两极、四极或六极的任意合适的极安排。
图2A和2B举例说明VSD 104的不同实施例。VSD 104可以具有三个阶段：转换器阶段202、直流环节阶段204和具有一个逆变器(参见图2A)或多个逆变器206(参见图2B)的输出阶段。转换器202将来自交流电源102的固定线频率、固定线电压的交流电转变为直流电。直流环节204过滤来自转换器202的直流电并提供能量储备部件。直流环节204可以由电容器、电感器或其组合组成，它们是呈现高可靠率和非常低的故障率的无源器件。最后，在图2A的实施例中，逆变器206将来自直流环节204的直流电转变为用于马达106的变频、变压的交流电，并且在图2B的实施例中，逆变器206被并联地连接到直流环节204上，并且每个逆变器206都将来自直流环节204的直流电转变为用于相应的马达106的变频、变压的交流电。(多个)逆变器206可以是电源模块，其可以包括用焊线技术互相连接的功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)电源开关和反向二极管。此外，应当理解，VSD 104的直流环节204和(多个)逆变器206能够合并来自上述的不同部件，只要VSD 104的直流环节204和(多个)逆变器206能够为马达106提供合适的输出电压和频率。
关于图1B和2B，由控制系统联合控制逆变器206，以便每个逆变器206都基于提供给每个逆变器206的公共控制信号或控制指令向相应的马达提供相同的期望电压与频率的交流电。在另一实施例中，由控制系统分别控制逆变器206，以允许每个逆变器206基于提供给每个逆变器206的单独的控制信号或控制指令向相应的马达106提供不同的期望电压与频率的交流电。这个能力允许VSD 104的逆变器206更有效地满足马达106和系统的需求与负载，其独立于被连接至其他逆变器206的其他马达106和系统。例如，一个逆变器206能够向马达106提供全功率，而另一个逆变器206则向另一马达106提供半功率。在任一实施例中可以由控制面板或其他合适的控制设备对逆变器206进行控制。
对于将由VSD 104提供动力的每个马达106，在VSD 104的输出阶段中存在相应的逆变器206。能够由VSD 104提供动力的马达106的数目取决于可以被合并到VSD 104的逆变器206的数目。在一个实施例中，有2个或3个逆变器206被合并到VSD 104中，这些逆变器被并联地连接至直流环节204并且被用于向相应的马达106提供动力。虽然VSD 104能够具有2到3个逆变器206，但是，应当理解，可以使用多于3个的逆变器206，只要直流环节204能够为每个逆变器206提供并保持恰当的直流电压。
图3大体上示出了使用图1A和2A的系统配置和VSD 104的制冷或冷却器系统的一个实施例。如图3中所示，HVAC、制冷或液体冷却器(chiller)系统300包括压缩机302、冷凝器装置304、液体冷却器(chiller)或蒸发器装置306以及控制面板308。压缩机302被马达106所驱动，马达由VSD 104提供动力。VSD 104自交流电源102接收具有特定的固定线电压和固定线频率的交流电，并向马达106提供所期望电压与期望频率的交流电，能够改变所期望的电压和所期望的频率，以满足特定需求。控制面板308可以包括诸如模数转换器(A/D)、微处理器、非易失性存储器和接口板的各种各样的不同部件，以控制制冷系统300的运行。控制面板308还可以用于控制VSD 104的运行以及马达106。
压缩机302压缩制冷剂蒸汽并通过排出管线将蒸汽传送至冷凝器304。压缩机302可以是任意合适类型的压缩机，例如，螺杆式压缩机、离心式压缩机、往复式压缩机、涡旋式压缩机等。由压缩机302传送至冷凝器304的制冷剂蒸汽与诸如空气或水的流体开始热交换关系，并且由于与流体的热交换关系而经历至制冷剂液体的相变。来自冷凝器304的冷凝后的液体制冷剂流经膨胀装置(未示出)至蒸发器306。
蒸发器306可以包括用于冷负荷的供给管和回流管的接头。诸如水、乙烯、氯化钙卤水或氯化钠卤水的第二液体经由回流管运送到蒸发器306，并经由供给管排出蒸发器306。蒸发器306中的液态制冷剂形成与第二液体的热交换关系，以降低第二液体的温度。由于与第二液体的热交换关系，蒸发器306中的制冷剂液体经历至制冷剂蒸汽的相变。蒸发器306中的蒸汽制冷剂排出蒸发器306并通过吸入管返回到压缩机302，以完成循环。要理解的是，只要获得冷凝器304和蒸发器306中制冷剂的恰当相变，冷凝器304和蒸发器306的任意合适的配置都可以被用在系统300中。
HVAC、制冷或液体冷却器系统300可以包括许多未在图3中示出的其他特征。为了易于举例说明，已经有意地省略这些特征以简化附图。此外，虽然图3示出了如具有被连接在单个制冷剂回路中的一个压缩机的HVAC、制冷或液体冷却器系统300，但是，应当理解，系统300可以具有多个压缩机，其由如图1B和2B中所示的单个VSD或多个VSD提供动力，大体上参见图1A和2A中所示实施例，其被连接到一个或多个制冷剂回路中的每个。
再参考图2A和2B，转换器202可以是脉宽调制的升压转换器或具有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的整流器，以向直流环节204提供升高的直流电压，以自VSD 104获得比VSD 104的标称的RMS基本输入电压更高的最大基本RMS输出电压。在实施例中，VSD 104可以提供比提供给VSD 104的固定的标称基本RMS输入电压更大的最大输出电压和比提供给VSD 104的固定的标称基本RMS输入频率更大的最大基本RMS输出频率。此外，应当理解，VSD 104能够合并来自图2A和2B中所示的那些不同部件，只要VSD104可以向马达106提供恰当的输出电压和频率。
参考图4，公开了一种用于使用混合PWM方法来控制VSD 104以改善整个系统效率和VSD的整个工作范围之内的总谐波失真(THD)的方法。在步骤10处，确定用于诸如冷却器系统的系统的最佳门限输入电流值。在步骤20处，确定系统104的实际输入电流值。接下来，在步骤30处，将VSD 104的实际电流输入值与VSD 104的最佳门限电流输入值进行比较。系统进入步骤40，并且如果输入电流小于预定门限输入电流值，则在步骤50处应用连续的PWM方法以控制整流器的电源开关，例如经由控制面板308通过向整流器开关应用连续的PWM算法来控制整流器的电源开关。连续的PWM模式比非连续的PWM模式提供更高的效率和较低的总谐波失真(THD)。在步骤40处，如果输入电流大于预定门限值，则系统进入到步骤60，并且控制面板308将应用于整流器开关的PWM模式改变至非连续的PWM(DPWM)模式。
图8是示出针对连续的PWM模式的实际PWM信号波形、电压输出波形以及调制指数波形的作为例证的连续的PWM模式的图。图9是示出针对非连续的PWM模式的实际PWM信号波形、电压输出波形以及调制指数波形的作为例证的非连续的PWM模式的图。当应用非连续的PWM模式时，IGBT在三分之一个循环中不切换。当应用连续的PWM模式时，IGBT在整个循环中切换。因此，当应用非连续的PWM模式时降低开关损耗。
当VSD 104以低于门限输入电流值的速度或交替地以预定门限速度运行时，应用连续的PWM以控制整流器的电源开关。当VSD 104以大于预定门限输入电流值的输入电流或交替地以预定门限速度运行时，应用非连续的PWM方法以控制整流器的电源开关。例如可以通过对冷却器系统的测试确定针对不同大小的VSD的最佳输入电流门限值，以生成如图7中所示的系统效率对马达功率的运行图。通过使用所推荐的方法能够改善整个系统效率。该混合PWM方法的其他好处是在低功率范围处的较低的输入电流总谐波失真(THD)值，其将降低电力布线和上行供电变压器中的功率损耗，以及降低对相同电力线上其他设备的电磁干扰(EMI)。
图5和6示出总谐波失真(THD)对VSD输入与输出电流的作为例证的比较图。图5示出针对连续的PWM方法501、具有0度滞后的非连续的PWM方法502和针对具有30度滞后的非连续的PWM方法503的百分比THD对VSD输出电流(安培)。连续的PWM方法501在大约180安培至大约780安培的工作范围之内具有较低的THD。图6是针对具有30度滞后的非连续的PWM 601以及连续的PWM 602的百分比THD对输出电流的图。再次地，连续的PWM 602在马达的工作范围之内提供最低的THD。
图7是针对各种PWM方法的效率对马达功率(KW)的图。存在三种测量冷却器的VSD效率的方式。它们是变压器测试器(voltech)701、二次水回路方法702、主水回路方法703。测试结果表明连续的PWM方法与非连续的PWM方法相比在低功率范围处具有较高的效率以及在高功率范围处具有较低的效率。应当理解，本申请不限于下面描述中所提出的或图中所举例说明的细节或方法。还应当理解，本文所使用的措辞和术语仅是为了描述的目的而不应被认作限制。
虽然图中所示出的和本文所描述的作为例证的实施例在目前是优选地，但应当理解，仅用示例的方式提供这些实施例。因此，本申请不限于特定的实施例，但延伸至仍然落到所附权利要求的范围内的各种修改。根据替代的实施例可以改变或重新按顺序排列任意过程或方法步骤的次序或顺序。
重要的是应注意，如各个作为例证的实施例中所示的PWM方法的创立和安排仅是示例性的。尽管在该公开中只详细描述了一些实施例，但是，浏览该公开的人员将容易地意识到，在实质上不背离权利要求中所引用主题的新颖性教导与优点的前提下，许多修改是可能的(例如，各个元件的大小、维度、结构、形状和比例，参数的值，安装布置，材料的使用，颜色，方位等的变化)。例如，被示作一体成型的元件可以用多个零件或元件构建，元件的位置可以被反转或以别的方式改变，并且可以更改或改变分立元件的特性或数目或位置。因此，所有这些修改旨在被包括在本申请的范围内。根据替代的实施例，可以改变或重新按顺序排列任意过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任意装置加功能的条款旨在覆盖本文所描述的如执行所引用功能的结构以及不仅结构上的等同物而且还是等同的结构。在不背离本申请的范围的前提下，可以在作为例证的实施例的设计、运行条件和布置中进行其他的替换、修改、改变和省略。
应当注意，尽管本文中的图可能示出方法步骤的具体次序，但应当理解，这些步骤的次序可以不同于所描述的次序。同样地，可以同时地或部分同时地执行两个或更多个步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。应当理解，所有这些变化都在该申请的范围内。同样地，用基于规则的逻辑或其他逻辑的标准编程技术完成软件实现，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。

Claims (20)

1.一种用于使用混合脉宽调制(PWM)方法控制变速传动(VSD)的方法，包括：
提供连接在闭合制冷剂回路中的压缩机、冷凝器和蒸发器；被连接至所述压缩机以为所述压缩机提供动力的马达；以及被连接至所述马达的所述变速传动，所述变速传动被配置为接收固定输入交流电压和固定输入频率的输入交流电并向所述马达提供变压和变频的输出功率；
为所述变速传动确定最佳门限输入电流值；
确定所述变速传动的实际输入电流值；
将所述VSD的实际电流输入值与所述VSD的最佳门限电流输入值进行比较；
响应于所述输入电流小于所述预定门限输入电流值，应用第一PWM方法；以及
响应于所述输入电流大于所述预定门限值，应用第二PWM模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一PWM方法包括连续的PWM方法。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二PWM方法包括非连续的PWM模式。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括当应用所述第一PWM方法和所述第二PWM方法以调节逆变器的输出时，控制所述VSD的多个整流器的电源开关。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定最佳输入电流门限值的步骤还包括根据方法效率对马达功率的运行图确定最佳输入电流门限值。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括应用所述第一PWM方法和所述第二PWM方法，以降低输入电流的总谐波失真(THD)值以及降低对输入电力线上的其他设备的电磁干扰。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述VSD包括被连接至提供所述输入交流电压的交流电源的转换器，所述转换器被配置为将输入交流电压转换为升高的直流电压；被连接至所述转换器的直流环节，所述直流环节被配置为过滤并存储来自所述转换器的升高的直流电压；以及被连接至所述直流环节的至少一个逆变器。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括：
基于提供给每个逆变器的公共控制信号或控制指令，联合地控制所述至少一个逆变器中的每个，以向所述一个或多个马达提供期望电压与频率的输出功率。
9.根据权利要求7所述的系统，还包括：
基于提供给每个逆变器的单独的控制信号或控制指令，分别地控制每个逆变器，以向每个相应的马达提供多个期望电压与频率的输出功率。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述转换器包括多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；以及其中，当应用所述第二PWM模式时，所述转换器的IGBT在三分之一个循环中不切换。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，当应用连续的PWM模式时，所述转换器的IGBT在整个循环中切换。
12.一种用于控制变速传动(VSD)的方法，包括：
提供变速传动，用于驱动压缩机的马达；
配置所述变速传动，以用固定交流输入电压的输入交流电压运行并且提供变压与变频的输出交流电；
为至所述VSD的输入电流确定门限值；
测量至所述VSD的输入电流；
将所测量的输入电流与所述门限值进行比较；
响应于所述输入电流小于所述门限值，将连续脉宽调制(PWM)方法应用于所述VSD；以及
响应于所述输入电流大于或等于所述门限值，应用非连续的PWM方法。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括当应用所述连续的PWM方法和非连续的PWM方法以调节逆变器的输出时，控制所述VSD的转换器的多个整流器的电源开关。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，确定最佳输入电流门限值的步骤还包括根据方法效率对马达功率的运行图确定所述最佳输入电流门限值。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括选择性地应用所述连续的PWM方法和所述非连续的PWM方法，以降低输入电流的总谐波失真(THD)值，以及降低对输入电力线上其他设备的电磁干扰。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述VSD包括被连接至提供输入交流电压的交流电源的转换器，所述转换器被配置为将所述输入交流电压转换为升高的直流电压；被连接至所述转换器的直流环节，所述直流环节被配置为过滤并存储来自所述转换器的升高的直流电压；以及被连接至所述直流环节的至少一个逆变器。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括：
基于提供给每个逆变器的公共控制信号或控制指令，联合控制所述至少一个逆变器中的每个，以向所述马达或多个马达提供期望电压与频率的输出功率。
18.根据权利要求16所述的系统，还包括：
基于提供给每个逆变器的单独的控制信号或控制指令，分别控制每个逆变器，以向每个相应的马达提供多个期望电压与频率的输出功率。
19.根据权利要求12所述的系统，其中，所述连续的PWM方法在所述VSD中提供较高的效率和较低的总谐波失真(THD)。
20.一种用于基于PWM方案控制变速传动的方法，包括：
当输入电流小于预定门限值时，应用连续的PWM方案，以提供较高的效率和较低的总谐波失真(THD)；以及
当所述输入电流大于所述预定门限值时，应用包括非连续调制方案的非连续的PWM方法。
CN201480005032.9A 2013-02-07 2014-01-28 用于变速传动装置的混合脉宽调制方法 Active CN104919697B (zh)

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