CN105322774A - 用于快速启动功能的延迟角补偿的装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于中压逆变器中的快速启动功能的延迟角补偿的装置。该装置通过将逆变器输出端子的三相电压转换成dq轴电压(Vd，Vq)而生成相位角(θ)，并利用预定的延迟时间计算补偿相位角。另外，所述装置通过将所述补偿相位角与所述相位角(θ)相加而生成用于所述快速启动的初始角度。因为减少了在发生跳闸或瞬时停电之后恢复中压逆变器的电力时指令电压相位角和实际输出电压相位角之间的误差，本发明的装置能够更稳定地驱动高压电机。

Description

用于快速启动功能的延迟角补偿的装置

技术领域

本发明涉及一种用于快速启动功能的延迟角补偿的装置。更特别的，根据本公开的装置能够利用快速启动功能重新启动中压逆变器，尤其是在发生跳闸或瞬时停电之后恢复中压逆变器的电力时。

背景技术

有多种类型的中压逆变器应用在工业场所中。例如，多级中压逆变器是将大于600V的输入电力作为输入线路之间的电压的有效值的逆变器。多级中压逆变器的输出相位电压具有多个级。

中压逆变器应用于具有几百千瓦至几十兆瓦的容量的高容量电机中。中压逆变器应用在多种领域中，例如风机、泵、压缩机、牵引机、提升机和输送机。

在多级中压逆变器之间，级联H桥逆变器主要用作中压逆变器，因为级联H桥逆变器具有便于扩展的模块结构。

另外，可以形成有不同的电力单元组件，例如：H桥逆变器、单相NPC(中性点钳位)逆变器、单相T型NPC逆变器等。

图1为说明传统的中压逆变器系统10的示意图，其包括：多绕组移相变压器11、多个电力单元12和电机13。

多绕组移相变压器11提供了在电力输入端子和中压逆变器之间的电绝缘，以减少输入端谐波，并提供了适合于每个电力单元12的三相输入电源。电力单元12利用从多绕组移相变压器11提供的电源，输出电机13的相位电压。电机13为高压三相电机。感应电机或同步电机可以用作电机13。

图2为说明电力单元12的结构的示意图，其包括：三相二极管整流器12-1，DC(直流电)侧电容器12-2，以及单相全桥逆变器12-3。

三相二极管整流器12-1接收三相AC(交流电)电压的输入，利用二极管对三相AC电压进行整流，并输出DC(直流电)电压。DC侧电容器12-2保持从二极管整流器12-1输出的DC电压，并对电力中的瞬时差进行补偿。单相全桥逆变器12-3对来自DC端子的输出电压进行合成。

同时，由这种中压逆变器驱动的电机一般具有很高的惯性。因此，即使是在逆变器由于电源异常、停电等而导致其不能正常运行时，这种电机13的转子速度也不会减少很多。因此，当中压逆变器的电力从异常中恢复时，在等待转子速度到达0速度之后才能重启逆变器，这会花费很长的时间。

为了避免上面所描述的这些问题，当电力被恢复到正常状态时，通过估计电机13的转子的速度是有利于重启中压逆变器的。这一功能被称作为“快速启动(FlyingStart)”。

图3为说明设置用于快速启动的初始角度的传统方法的示意图。该方法包括：检测来自中压逆变器的输出端子(电机的输入端子)的三相电压，通过PLL(锁相环)31计算相位角32，并将计算出的相位角32用作用于快速启动的初始角度。

然而，在传统的方法中，出现的问题在于：由于采样和/或滤波引起的延迟，逆变器的指令电压相位角不同于实际的输出电压相位角。而当快速启动功能是在逆变器的指令电压相位角和实际输出电压相位角互不相同的状态下启动的时，电机可能由于产生的很大的冲击电流而损坏。

发明内容

本公开的目的中的一个是为了在发生跳闸或瞬时停电之后中压逆变器的电力被恢复时，通过对逆变器的指令电压相位角和实际输出电压相位角之间的误差进行补偿，从而减少电机的冲击电流。

为了实现上述的目的，提供了一种用于在中压逆变器中的快速启动功能的延迟角度补偿的装置，所述装置包括：信号处理单元，其被配置为通过将逆变器输出端子的三相电压转换成两相固定参考系电压Vαβ，以生成与所述逆变器应用的频率相对应的AC信号V′以及具有对V′按照90度延迟的相位角的AC信号qV′，并生成用于相位角补偿的参考频率ω′；相位生成单元，其被配置为通过旋转坐标转换将所述V′和所述qV′信号转换成dq轴电压(Vd，Vq)，并利用所述Vq生成相位角θ；以及相位补偿单元，其被配置为通过将从所述信号处理单元生成的所述参考频率ω′与预定的延迟时间相乘来计算补偿相位角，并通过将所述补偿相位角与从所述相位生成单元生成的所述相位角θ相加，从而生成用于所述快速启动的初始角度。

在本公开的一些示例性实施例中，所述信号处理单元可以通过将所述两相固定参考系电压Vαβ和V′之间的误差与所述qV′相乘计算频率误差Ef，可以对乘以特定的负(-)值后的频率误差Ef进行积分，并可以通过将初始频率ω_c与该积分值相加，从而可以生成所述参考频率ω′。

在本公开的一些示例性实施例中，所述相位生成单元可以执行所述Vq的比例积分，可以将该比例积分值与初始频率(ω_c)相加，并可以通过对该相加值进行积分而生成所述相位角(θ)。

按照本公开的示例性实施例，当在发生跳闸或瞬时停电之后中压逆变器的电力被恢复时，可以通过对逆变器的指令电压相位角和实际输出电压相位角之间的误差进行补偿来控制电机。

因此，在使用快速启动功能时，可以减少电机冲击电流，高压电机能够被更稳定的驱动。

附图说明

图1为说明传统的中压逆变器系统的示意图；

图2为说明电力单元的结构的示意图；

图3为说明传统的快速启动方法的示意图；

图4为说明根据本公开的示例性实施例的用于快速启动功能的延迟角补偿的装置的示意图；

图5为说明根据本公开的示例性实施例的信号处理单元的示意图；

图6为说明根据本公开的示例性实施例的相位生成单元的示意图；

图7为说明根据本公开的示例性实施例的相位补偿单元的示意图；

图8为说明利用快速启动初始角度的启动点的示意图。

具体实施方式

下文中，将会参考附图对本公开的示例性实施例进行详细的描述。

如图4所示，根据本公开的示例性实施例的用于快速启动功能的延迟角补偿的装置40可以包括：信号处理单元41、相位生成单元42和相位补偿单元43。装置40可以通过相位角补偿而生成用于快速启动的初始角度。快速启动初始角度在指令电压和输出电压之间没有误差。

图5为说明根据本公开的示例性实施例的信号处理单元41的示意图。信号处理单元41可以利用SOGI(二阶广义积分)而形成。

信号处理单元41可以接收来自逆变器的输出端子(电机的输入端子)的电压Vabc。信号处理单元41可以接收逆变器的相位电压或线间电压。信号处理单元41可以利用传输矩阵(50-1，Tαβ)将来自逆变器的输出端子的电压Vabc转换成两相固定参考系电压Vαβ。

另外，信号处理单元41可以利用Vαβ生成与逆变器所应用的频率相对应的AC(交流电)信号V′以及具有对V′按照90度延迟的相位角的AC信号qV′，并可以生成用于相位角补偿的参考频率ω′。

更具体的考虑，信号处理单元41可以通过将Vαβ和V′之间的差Ei与增益K1相乘(51-1)，从相乘得到的信号中减去qV′(51-2)，将减去qV′后得到的值乘以ω′(51-3)，并对相乘得到的该值进行积分(51-4)。

V’可以在积分后(52-1)通过与ω′相乘(52-2)而变成qV′。

Vαβ和V′之间的传输函数D(s)可以由下面的公式进行表达。

[公式1]

$D\left(s\right)=\frac{V^{\′}}{\mathrm{V\α\β}}\left(s\right)=\frac{k1{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+k1{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}$

另外，Vαβ和qV′之间的传递函数Q(s)可以由下面的公式进行表达。

[公式2]

$Q\left(s\right)=\frac{q{V}^{\′}}{\mathrm{V\α\β}}\left(s\right)=\frac{k1{\mathrm{\ω}}^{\′2}}{s^2+k1{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}$

Ef为频率误差，其通过将Ei与qV’相乘计算得出(53-1)。

ω′是通过将Ef与负(-)值-K2相乘(53-2，23-3)、对相乘得到的值求积分(53-4)，并将得到的积分值与初始频率ω_c相加而计算得到的。

相位生成单元42可以通过旋转坐标转换将V’和qV’信号转化成dq轴电压(Vd，Vq)，并可以利用q轴电压Vq生成相位角θ。

图6为说明根据本公开的示例性实施例的相位生成单元42的示意图。相位生成单元42可以利用PLL(锁相环)形成。

通过执行V’和qV’信号的比例积分，坐标转换单元61可以将由信号处理单元41生成的V’和qV’信号转换成dq轴电压(Vd，Vq)。随后，坐标转换单元61可以执行对q轴电压qV’的比例积分(62)，并可以将初始频率ω_c与比例积分值相加(63)。

比例积分(62)可以按照下面的公式3执行：

[公式3]

$\mathrm{Kp}(1+\frac{1}{\mathrm{TiSs}})$

其中Kp是增益，且Ti为时间常量。

此后，通过对来自比例积分单元62的输出Vf初始频率ω_c的相加值进行积分(64)，从而生成相位角θ。生成的相位角θ可以被反馈到坐标转换单元61，以用于坐标转换。

图7为说明根据本公开的示例性实施例的相位补偿单元的示意图。补偿相位角θc可以通过将从信号处理单元41生成的ω’与预定的延迟时间相乘计算得出(71，72)。用于快速启动的初始角度θ’可以通过将计算出的补偿相位角θc与由相位生成单元42生成的相位角θ相加而产生。

此时，由于滤波器的时间常量和系统的采样时间而产生延迟。延迟时间可以在考虑这些延迟因素的情况下而被预先确定。

在由相位补偿单元43生成的初始角度θ’中，会降低由延迟时间引起的误差。因此，由于可以施加等于命令电压的相位的输出电压，可以执行迅速且精确的快速启动，并且可以减少电机的冲击电流。

图8为说明利用快速启动初始角度的启动点的示意图。当每个逆变器的电力都如图8a所示的被输入时，将电机残留电压和逆变器的输出相互比较。

当在输入电源中出现异常时，电机由于惯性而在自由运行的状态中运行，且逆变器的输出被关断，因为没有电压应用到电机上。

如图8b所示，当在自由运行状态中运行时，电机的残余电压(反电动势)可以一般可以生成大约10秒(尽管按照电动机的类型可能会不同)。

以往，如图8c所示，当电机的残余电压消失时，要等到时间点t2时才开始快速启动操作。

然而，在使用根据本公开的示例性实施例的用于快速启动功能的延迟角补偿的装置40时，如图8d所示，即使是在仍然保留有电机的残余电压的时间点t1，快速启动也能够被驱动。

为了便于对本公开的理解，提出了上述的示例性实施例，因此，本公开并不由上述的示例性实施例所限定。由此，显而易见的是，本公开的领域的技术人员可以容易的执行落在本公开所声明的技术精神的界限内的各种转变和修改的实施例。

Claims (4)

1.一种用于在中压逆变器中的快速启动功能的延迟角补偿的装置，所述装置包括：

信号处理单元，其被配置为通过将逆变器输出端子的三相电压转换成两相固定参考系电压(Vαβ)，以生成与所述逆变器应用的频率相对应的AC信号V′以及具有对V′按照90度延迟的相位角的AC信号qV′，并生成用于相位角补偿的参考频率(ω′)；

相位生成单元，其被配置为通过旋转坐标转换将所述V′和所述qV′信号转换成dq轴电压(Vd，Vq)，并利用所述Vq生成相位角(θ)；以及

相位补偿单元，其被配置为通过将从所述信号处理单元生成的所述参考频率(ω′)与预定的延迟时间相乘来计算补偿相位角，并通过将所述补偿相位角与从所述相位生成单元生成的所述相位角(θ)相加，从而生成用于所述快速启动的初始角度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述信号处理单元通过将所述两相固定参考系电压(Vαβ)和V′之间的误差与所述qV′相乘而计算频率误差(Ef)，对乘以特定的负(-)值后的所述频率误差(Ef)进行积分，并通过将初始频率(ω_c)与该积分值相加而生成所述参考频率(ω′)。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述相位生成单元执行所述Vq的比例积分，将该比例积分值与初始频率(ω_c)相加，并通过对该相加值进行积分而生成所述相位角(θ)。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述信号处理单元是通过利用SOGI(二阶广义积分)而形成的，并且

按照下面的传递函数生成所述V′和qV′：

$D\left(s\right)=\frac{V^{\′}}{\mathrm{V\α\β}}\left(s\right)=\frac{k1{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+k1{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}},$ 以及

$Q\left(s\right)=\frac{q{V}^{\′}}{\mathrm{V\α\β}}\left(s\right)=\frac{k1{\mathrm{\ω}}^{\′2}}{s^2+k1{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}.$