CN105529913B - 用于重启中压逆变器的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于重启中压逆变器的装置，其中当输入电源从瞬时缺陷状态返回至正常状态时能够通过估算转子速度来重新启动中压逆变器，由此可通过简单配置来减少重启中压逆变器的时间，而无需等到转子速度达到零速度。本发明还公开了一种用于重启中压逆变器的方法。

Description

用于重启中压逆变器的装置和方法
技术领域
根据本公开示例性实施例的教导一般涉及用于重启中压逆变器的装置和方法。
背景技术
一般来说，多电平中压逆变器意指具有其线间电压的rms(均方根)值超过600V的输入电源的逆变器，且该多电平中压逆变器具有几个级的输出相电压。多电平中压逆变器通常用于驱动范围从几kW到几MW容量的大容量电动机。
由中压逆变器驱动的中压电动机通常具有很大惯性，使得，即使是中压逆变器的逆变器单元由于输入电源的瞬时故障或瞬时停电而未能执行正常操作，中压电动机的转子速度也几乎不会大幅降低。由于这个原因，当输入电源从故障状态返回至正常状态时，必须等到转子速度达到零速度，才能重新启动中压电动机。
发明内容
本公开提供一种用于重启中压逆变器的装置和方法，其配置为当输入电源从瞬时缺陷状态返回至正常状态时通过以简单方式估算中压电动机的转子速度来稳定地重启中压逆变器。
在本公开的一个总体方案中，提供一种用于重启中压逆变器的装置，该装置包括：
测量单元，其被配置为测量电动机的输入电压；
估算单元，其被配置为利用输入电压来估算电动机的转子频率；以及
控制器，其被配置为利用输入电压和转子频率响应于与频率相对于预定电压相一致的第一比率来可控地改变逆变器的输出电压或输出频率，其中
该估算单元包括，
产生单元，其被配置为产生由逆变器施加给电动机的第一电压和在相位上基本滞后第一电压90°的第二电压，
确定单元，其被配置为确定用于确定电动机输出电压的频率的控制带宽，以及
第二检测单元，其被配置为基于控制带宽来确定转子频率。
优选地，但不是必要地，估算单元可进一步包括被配置为对第一电压和第二电压进行归一化的归一化单元。
优选地，但不是必要地，当与转子频率相对于输入电压相一致的第二比率小于第一比率时，控制器可保持逆变器的输出频率并增大输出电压直至第二比率达到第一比率。
优选地，但不是必要地，当第二比率达到第一比率时，控制器可响应于第一比率而增大逆变器的输出电压和输出频率。
优选地，但不是必要地，当与转子频率相对于输入电压相一致的第二比率大于第一比率时，控制器可保持逆变器的输出电压并增大输出频率直至第二比率达到第一比率。
优选地，但不是必要地，当第二比率达到第一比率时，控制器可响应于第一比率而增大逆变器的输出电压和输出频率。
在本公开的另一总体方案中，提供一种用于重启中压逆变器的方法，该方法包括：
由电动机的输入电压产生施加给电动机的第一电压和在相位上基本滞后第一电压90°的第二电压；
确定控制带宽以确定电动机的输出电压的频率；以及
基于控制带宽来估算电动机的转子频率。
优选地，但不是必要地，该方法可进一步包括：当与频率相对于预定电压相一致的第一比率小于与转子频率相对于输入电压相一致的第二比率时，保持逆变器的输出频率并增大输出电压直至第二比率达到第一比率。
优选地，但不是必要地，该方法可进一步包括：当第二比率达到第一比率时，响应于第一比率而增大逆变器的输出电压和输出频率。
优选地，但不是必要地，该方法可进一步包括：当与频率相对于预定电压相一致的第一比率大于与转子频率相对于输入电压相一致的第二比率时，保持逆变器的输出电压并增大输出频率直至第二比率达到第一比率。
优选地，但不是必要地，该方法可进一步包括：当第二比率达到第一比率时，响应于第一比率而增大逆变器的输出电压和输出频率。
本公开的有益效果
根据本公开的示例性实施例的用于重启中压逆变器的装置和方法具有的有益效果在于，当输入电源从瞬时缺陷状态返回至正常状态时，能够通过估算转子速度来重启中压逆变器，由此可通过简单的构造来减少重启中压逆变器的时间，而无需等到转子速度达到零速度。
附图说明
图1是示出根据本公开的示例性实施例的中压逆变器系统的框图。
图2是示出根据现有技术的转子速度估算单元的框图。
图3a和3b分别为示出图2的电压分量提取单元和转子频率检测单元的详细框图。
图4是示出根据本公开的示例性实施例的转子速度估算单元的原理框图。
图5是图4的详细电路图。
图6是示出根据本公开的中压逆变器的时序的原理图。
图7是示出当估算的电压-频率比率小于预定的电压-频率比率时控制器的操作的原理图。
图8是示出当估算的电压-频率比率大于预定的电压-频率比率时控制器的操作的原理图。
具体实施方式
下文将参考附图更加全面地描述各种示例性的实施例，附图中示出了一些示例性的实施例。然而，本发明构思可以采用许多不同的形式来具体实施并且不应该被解释为局限于在此提出的示例实施例。相反，所描述的方案旨在包括落入本公开范围和新颖思想内的所有这样的替换例、修改例和变化例。
下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性的实施例。
图1是示出了根据本公开的示例性实施例的中压逆变器系统的框图，其中举例说明了使用级联配置的H桥多电平逆变器。尽管图1已经示出了每个组包括三个单位功率单元，但是本公开并不局限于此，则可以应用其他类型的中压逆变器。本领域技术人员还应当理解单位功率单元的数量可以随输出电压而改变。
参见图1，根据本公开的示例性实施例的中压逆变器2，其配置为从电源单元1接收电力并将电力供应给中压逆变器系统中的3相电动机3，且可包括相移变压器21、多个单位功率单元22和电压测量单元23。此外，本公开的系统可进一步包括：估算单元4，其被配置为通过接收中压逆变器2所必需的电流和电压信息来估算电动机的转子速度；以及控制器5，其被配置为利用估算单元4来控制中压逆变器2。
电源单元1给电动机3供应3相电源，该3相电源的线间电压的rms(均方根)值大于600V。此外，本公开的电动机3是中压3相电动机，并且例如可以是感应电机或同步电机，但是本公开并不局限于此，各种类型的电动机均可以应用于本公开。
中压逆变器2的相移变压器21可在电源单元1与中压逆变器2之间提供电气绝缘并且可减少输入端处的谐波以提供输入3相电源给单位功率单元22。相移变压器21的相移角可根据单位功率单元22的数量来确定。单位功率单元22通过从相移变压器21接收电力来输出供应给电动机3的相电压。
每个单位功率单元22响应于电动机3的每个3相电压而由三个组构成，并且图1已经示出单位功率单元A1、A2和A3为串联连接，且从串联连接的单位功率单元输出的电压被合成以作为a相电压提供给电动机3。同样地，单位功率单元B1、B2和B3为串联连接，并且从串联连接的单位功率单元输出的电压被合成以作为b相电压提供给电动机3。此外，单位功率单元C1、C2和C3为串联连接，并且从串联连接的单位功率单元输出的电压被合成以作为c相电压提供给电动机3。合成后的b相电压与a相电压具有120°的相位差，合成后的c相电压与b相电压也具有120°的相位差。
电压测量单元23可测量输入至电动机3的电压。电压测量单元23可由包括电压传感器或电阻器的无源元件形成。
参考这里所讨论的对中压逆变器中转子速度的估算，将在讨论现有技术后对本公开进行详细的描述。
图2是示出了根据现有技术的转子速度估算单元的框图，其中转子速度估算单元包括电压分量提取单元410和转子频率检测单元420。图3a和3b分别是示出图2中电压分量提取单元410和转子频率检测单元420的详细框图。
电压分量提取单元410可以从电动机3的输入相电压或线间电压中测得电动机3的输入电压的频率，其中第一单元411可从电动机3的输入电压中产生对应于由中压逆变器施加的频率的AC(交流)信号V′，和相位上滞后V′90°的信号qV′，第二单元412可检测来自电动机3的输入电压的频率，以及第三单元413可确定当检测到电动机的输出相电压的频率时的控制带宽。
图3b的转子频率检测单元420可允许第一单元421进行旋转坐标变换，且允许第二单元进行比例积分补偿，由此使得第一单元421的输出为零(0)。当第三单元423将初始频率与第二单元422的输出相加并且第四单元424对该相加值进行积分时，输出估算相位角(Θest)。此外，通过对第三单元425的输出进行低通滤波来输出最终估算频率(ωest)。
此时，在传统的转子频率检测单元420中的第二单元422用于比例积分补偿以使得通过坐标变换输出的输出为零(0)，这通常被称为PLL(锁相环)。
然而，PLL电路具有的缺陷在于，估算单元4花费过长的估算时间且控制器5的响应过慢，以及其实现过于复杂。
提供了本公开以去除现有技术中使用的PLL电路且使用更简单的电路来估算电动机3的转子频率。
图4是示出了根据本公开的示例性实施例的转子速度估算单元4的原理框图，且图5是图4的详细电路图。
在本公开的描述中，尽管估算单元4已经示出了产生单相电压信息的情况，但是对于本领域技术人员来说也应该是显而易见的是，在本公开中估算单元可以用于3相电压。
参见图4和5，根据本公开的用于重启中压逆变器的装置可包括信号产生单元41、控制带宽确定单元42和频率检测单元43，并可进一步包括归一化单元44。
通过从电压测量单元23接受电动机3的输入相电压或线间电压Vmeas，信号产生单元41可产生对应于由中压逆变器2施加的频率的AC(交流)信号V′，和相位上滞后V′90°的信号qV′。
如果给定电动机3的输入电压的频率为ω′，则由信号产生单元41确定的V′和qV′可由下述等式来表示。V′和qV′均为归一化正弦函数，因此，代替图2的传统技术中的We_est，V′和qV′均可以用于本发明的估算单元中的坐标变换。
【等式1】
【等式2】
从由等式1测得的电动机的输入电压中仅能提取频率分量ω′，且比由等式1检测到的分量滞后90度的信号可由等式2确定。
控制带宽确定单元42可确定用于确定电动机输出相电压的频率的控制带宽，且频率检测单元43可基于该控制带宽来检测电动机输入电压的频率。
现在，将对控制带宽确定单元42和频率检测单元43的操作进行解释。当将信号产生单元41的输出41A和41B分别定义为x1和x2时，可得到下述等式：
【等式3】
【等式4】
此时，等式5可表示如下，并且在正常状态下等式6的条件可满足。
【等式5】
【等式6】
ω＝ω′
x1＝Vmeas
利用等式6的条件可从等式3中得到下面的等式7。
【等式7】
可从等式7中得到等式8。
【等式8】
利用图5中各变量的平均值可以获得下述等式9和10。
【等式9】
【等式10】
上述等式10中的(ω′2-ω2)可被简化为2ω′(ω′-ω)(@ω′≌ω)，其中当使用控制带宽确定单元42时估算频率可具有下面的控制带宽。
【等式11】
可以注意到，从上述等式11中寻求期望频率的控制带宽是由频率检测单元42中的放大单元42A的增益来确定的。这样，放大单元42A的增益k2优选由大于电动机3的工作频率的值来确定。
频率检测单元43可通过接收来自控制带宽确定单元42和信号产生单元41的输出来检测出电动机输入电压的频率。
同时，归一化单元44可对由信号产生单元41产生的V′和qV′进行归一化。归一化单元44的输出为三角函数、sinθ、cosθ。即，归一化单元44的输出是归一化正弦函数。
根据图2和图3a/3b中所示的用于重启中压逆变器的装置，该装置必须经过转子频率检测单元的PLL电路，其使得响应缓慢并且实现复杂。然而，本公开通过去除PLL电路而具有快速响应和实现简单的优点。
图6是示出根据本公开的中压逆变器的时序的原理图。
图6中的附图标记6A图示出从电源单元1输入至中压逆变器2的输入电源，且6B表示中压逆变器2的输出电压。此外，6C和6G是电源单元1和中压逆变器2均正常工作的区域，6D是中压逆变器2的输出电压由于输入电源处发生异常而减小的区域，6E是估算单元4估算电动机3的转子频率和电动机3的输入电压大小的区域，且6F是控制器5根据本公开估算的电动机3的转子频率和电动机3的输入电压大小来重启中压逆变器2的区域。
现在，将描述控制器5的操作。
一般来说，当运行恒定磁通操作作为V/F操作时，中压逆变器2响应于电压和频率均被预先确定的模式(pattern)而工作。如果输入电源发生异常使得估算输出电压和输出频率之间的比率小于或大于预定值(Vset/Fset)，则控制器5改变电压或频率的大小直至达到预定的电压和频率。
图7是示出当估算的电压-频率比率小于预定的电压-频率比率时控制器的操作的原理图，并且示出了图6中在6F部分的分段操作。
图7中的附图标记7A示出了逆变器2的输出电压，7B示出了逆变器2的输出频率。此外，可从电压测量单元23接受作为在7C部分的输出电压的初始电压(Vinit)，并且作为逆变器2的输出频率的初始频率(Finit)可与图4的频率检测单元43的输出相同。
在图7的区域7D中，控制器5可保持频率直至达到预定的电压-频率比率，并升高电压。此外，在区域7E中控制器5可响应于预定的电压-频率比率而同时升高电压和频率，由此逆变器2可在区域7F中以正常操作时选择的电压(Vtarget)和频率(Ftarget)来工作。
图8是示出当估算的电压-频率比率大于预定的电压-频率比率时控制器的操作的原理图，并且示出了图6中在6F部分的分段操作。
图8中的附图标记8A示出了逆变器2的输出电压，8B示出了逆变器2的输出频率。此外，可从电压测量单元23接收作为逆变器的输出电压的8C部分的初始电压(Vinit)，并且作为逆变器2的输出频率的初始频率(Finit)可与图4的频率检测单元43的输出相同。
在图8的区域8D中，控制器5可保持电压直至达到预定的电压-频率比率，并增大频率的大小。此外，在区域8E中控制器5可响应于预定的电压-频率比率而同时升高电压和频率，由此逆变器2可在区域8F中以正常操作时选择的电压(Vtarget)和频率(Ftarget)来工作。
根据本公开的用于重启中压逆变器的装置可测量逆变器2的输入电压且通过提取测得的电压的频率分量来估算电动机的转子速度，增大逆变器的输出电压或输出频率直至达到预定的电压-频率比率，且在电压或频率达到预定的电压-频率比率时通过同时增大输出电压和输出频率来进行重启。
尽管已经参考前述的实施例和优点对本公开进行了详细的描述，但是在权利要求的边界和范围内，许多替换例、修改例和变化例对本领域技术人员而言都是显而易见的。因此，应当理解地是，除非另有规定，否则上述实施例均不被前述描述的任何细节所限制，而是应当在所附权利要求限定的范围内进行宽泛地解释。

Claims (10)

1.一种用于重启中压逆变器的装置，所述装置包括：
测量单元，其被配置为测量电动机的输入电压；
估算单元，其被配置为利用所述输入电压来估算所述电动机的转子频率；以及
控制器，其被配置为利用所述输入电压和所述转子频率响应于与频率相对于预定电压相一致的第一比率来可控地改变所述逆变器的输出电压或输出频率，其中
所述估算单元包括，
产生单元，其被配置为产生由所述逆变器施加给所述电动机的第一电压和在相位上基本滞后所述第一电压90°的第二电压，
确定单元，其被配置为确定用于确定所述电动机的输出电压的频率的控制带宽，
第二检测单元，其被配置为基于所述控制带宽来确定所述转子频率，以及
归一化单元，其被配置为将所述产生单元产生的所述第一电压和所述第二电压归一化，
其中所述确定单元使用由所述归一化单元归一化的第一电压和第二电压以及所述第二检测单元中的放大增益来确定所述控制带宽。
2.如权利要求1所述的装置，其中当与所述转子频率相对于所述输入电压相一致的第二比率小于所述第一比率时，所述控制器保持所述逆变器的输出频率并增大所述输出电压直至所述第二比率达到所述第一比率。
3.如权利要求2所述的装置，其中当所述第二比率达到所述第一比率时，所述控制器响应于所述第一比率来增大所述逆变器的输出电压和输出频率。
4.如权利要求1所述的装置，其中当与所述转子频率相对于所述输入电压相一致的第二比率大于所述第一比率时，所述控制器保持所述逆变器的输出电压并增大所述输出频率直至所述第二比率达到所述第一比率。
5.如权利要求4所述的装置，其中当所述第二比率达到所述第一比率时，所述控制器响应于所述第一比率来增大所述逆变器的输出电压和输出频率。
6.一种用于重启中压逆变器的方法，所述方法包括：
从电动机的输入电压产生施加给所述电动机的第一电压和在相位上基本滞后所述第一电压90°的第二电压；
将所述第一电压和所述第二电压归一化；
确定控制带宽以确定所述电动机的输出电压的频率；以及
基于所述控制带宽来估算所述电动机的转子频率，
其中通过归一化的第一电压和第二电压以及估算的转子频率的放大增益来确定所述控制带宽。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括：当与频率相对于预定电压相一致的第一比率小于与所述转子频率相对于所述输入电压相一致的第二比率时，保持所述逆变器的输出频率并增大输出电压直至所述第二比率达到所述第一比率。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：当所述第二比率达到所述第一比率时,响应于所述第一比率来增大所述逆变器的输出电压和输出频率。
9.如权利要求6所述的方法，进一步包括：当与频率相对于预定电压相一致的第一比率大于与所述转子频率相对于所述输入电压相一致的第二比率时，保持逆变器的输出电压并增大输出频率直至所述第二比率达到所述第一比率。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：当所述第二比率达到所述第一比率时，响应于所述第一比率来增大所述逆变器的输出电压和输出频率。
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