CN105830331B - 用于多电平再生驱动器的总线电容器组配置 - Google Patents

用于多电平再生驱动器的总线电容器组配置 Download PDF

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Abstract

本发明公开再生驱动器装置和用于配置再生驱动器装置的DC链路的方法。所述多电平再生驱动器装置可包括具有多个电力部件的逆变器和具有多个电力部件的转换器。所述多电平再生驱动器装置可还包括直流电(DC)链路，所述DC链路桥接所述逆变器和所述转换器，所述DC链路包括电容器、逆变器中性点和独立于所述逆变器中性点的转换器中性点。替代地，所述逆变器中性点和所述转换器中性点可连接。

Description

用于多电平再生驱动器的总线电容器组配置
公开技术领域
本公开涉及电力系统，并且更具体地说涉及用于电梯系统的再生驱动器电力系统。
公开背景
电梯系统可被设计来在来自电源的特定输入电压范围内操作。电梯的驱动器的部件具有电压额定值和电流额定值，当电力供应保持在设计输入电压范围内时，所述电压额定值和电流额定值允许驱动器连续地操作。然而，在一些情形下，市电网路的局部电力供应不太可靠，如市电电压骤降、灯火管制情况发生(例如，低于电梯驱动器的公差带的电压情况)和/或电力损耗情况变得盛行的情形。当这类市电故障发生时，驱动器从电力供应汲取更多电流来维持至吊车电动机的一致电力。在常规系统中，当从电力供应汲取过电流时，驱动器可停机以避免损坏驱动器的部件。
当电力骤降或电力损耗发生时，电梯可变得在电梯井中停止在楼层之间，直到电力供应返回到额定操作电压范围为止。在常规系统中，电梯中的乘客将被困，直到维修工能够释放用于控制轿厢向上或向下移动的制动器以允许电梯移动到最近的楼层为止。电梯系统设计可通过使用包括电存储装置的自动营救操作来在电力骤降或损耗期间与这些问题对抗，所述电存储装置在电力故障之后被控制来提供电力以将电梯移动到下一楼层用于乘客释放。
在最近的电梯设计中，电梯的驱动器可使用再生驱动器系统。再生驱动器在正常操作条件期间将电力从主电力供应递送至电动机，并 且在电力故障操作条件(例如，电力骤降、电力损耗等)的情况下从后备电力供应递送电力。再生驱动器可包括输入或电力市电电网侧上的转换器和电动机侧上的逆变器，其中逆变器的电力需求由转换器上的适当电力容量匹配。这类再生驱动器可需要通过控制器的严格调节以将可利用的电力提供至电动机并且提供至后备电力供应。这类装置的实例进一步描述于美国专利公告号2012/0261217(“Regenerative Drive with Backup Power Supply”)中。
用于电梯的再生驱动器具有正电力需求和负电力需求，这意味着，当驱动器具有正需求时，所述驱动器可汲取外部电力(例如，来自本地电源)，并且当所述驱动器具有负电力需求时，所述驱动器作为发电机产生电。因此，在再生情形下必须严格调节并且管理各种部件两端的电压，所述再生情形是在电动机在负电力情形下作为发电机产生能量时。直流电(DC)链路可存在，从而桥接逆变器和转换器以平滑电力输出并且缓冲逆变器和转换器的输出电流。
一些最近的再生驱动器可使用三相电力输入源来操作。在一些再生驱动器中，逆变器和/或转换器可被设计为具有多电平拓扑(例如，三电平再生驱动器拓扑)。在这类设计中，声噪声、效率、中性点稳定性和热平衡的管理是该设计成功的必然要求。因而，需要在DC链路处管理逆变器和转换器的中性点。
公开概述
根据本公开的一个方面，公开一种多电平再生驱动器装置。所述多电平再生驱动器装置可包括具有多个电力部件的逆变器和具有多个电力部件的转换器。所述多电平再生驱动器装置可还包括直流电(DC)链路，所述DC链路桥接所述逆变器和所述转换器，所述DC链路包括电容器、逆变器中性点和独立于所述逆变器中性点的转换器中性点。
在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件中的至少一个成员和 转换器的所述多个电力部件中的至少一个成员可为孤立栅双极晶体管。
在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件和转换器的所述多个电力部件可被布置成具有T型拓扑。
在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件和转换器的所述多个电力部件可被布置成具有中性点钳位型拓扑。
在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件和转换器的所述多个电力部件可被布置成具有先进的T型中性点钳位拓扑。
在另一改进中，逆变器的所述多个电力部件中的至少一个成员和转换器的所述多个电力部件中的至少一个成员可为反向阻断孤立栅双极晶体管。
在一个改进中，逆变器可在单极脉冲宽度调制模式下操作。
在一个改进中，转换器可在单极脉冲宽度调制模式下操作。
在一个改进中，多电平再生驱动器装置可为多电平电梯驱动器装置。
根据本公开的另一方面，公开一种多电平再生驱动器装置。所述多电平再生驱动器装置可包括具有多个电力部件的逆变器和具有多个电力部件的转换器。所述多电平再生驱动器装置可还包括直流电(DC)链路，所述DC链路桥接所述逆变器和所述转换器，所述DC链路包括电容器和中性点，所述中性点由所述逆变器和所述转换器共用。
在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件中的至少一个成员和转换器的所述多个电力部件中的至少一个成员可为孤立栅双极晶体管。
在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件和转换器的所述多个电力部件可被布置成具有T型拓扑。
在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件和转换器的所述多个电力部件可被布置成具有中性点钳位拓扑。
在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件和转换器的所述多个电力部件可被布置成具有先进的T型中性点钳位拓扑。
在一个改进中，逆变器的所述多个电力部件中的至少一个成员和转换器的所述多个电力部件中的至少一个成员可为反向阻断孤立栅双极晶体管。
在一个改进中，逆变器可在双极脉冲宽度调制模式下操作，并且转换器可在单极脉冲宽度调制模式下操作。
在一个改进中，转换器可在双极脉冲宽度调制模式下操作，并且逆变器可在单极脉冲宽度调制模式下操作。
在一个改进中，多电平再生驱动器装置可为多电平电梯驱动器装置。
在本公开的另一方面，本发明提供用于配置多电平再生驱动器装置的DC链路的方法。所述多电平再生驱动器装置可包括具有多个电力部件的逆变器和具有多个电力部件的转换器。所述方法可包括确定与逆变器相关联的中性点和确定与转换器相关联的中性点，转换器的中性点独立于与逆变器相关联的中性点。
在一个改进中，所述方法可还包括将与逆变器相关联的中性点连接至与转换器相关联的中性点。
在一个改进中，逆变器或转换器中的至少一个在单极脉冲宽度调制模式下操作。
在另一改进中，逆变器可在双极脉冲宽度调制模式下操作，并且转换器可在单极脉冲宽度调制模式下操作。
在一个改进中，多电平再生驱动器装置可为多电平电梯驱动器装置。
附图简述
图1是根据本公开的一个实施方案的电梯系统的示意性表示。
图2是用于图1的电梯系统的再生驱动器的示意性表示。
图3是图2的再生驱动器的逆变器和转换器的示意性表示，逆变器和转换器两者具有中性点钳位(NPC)型拓扑。
图4是图2的再生驱动器的逆变器和/或转换器的相脚的示意性表示，相脚具有NPC型拓扑。
图5是图2的再生驱动器的逆变器和转换器的示意性表示，逆变器和转换器两者具有T型拓扑。
图6是图2的再生驱动器的逆变器和/或转换器的相脚的示意性表示，相脚具有T型拓扑。
图7是图2的再生驱动器的逆变器和转换器的示意性表示，逆变器和转换器两者具有先进的T型中性点钳位(AT-NPC)型拓扑。
图8是图2的再生驱动器的逆变器和/或转换器的相脚的示意性表示，相脚具有AT-NPC型拓扑。
图9是用于配置图2的再生驱动器的中性点的示例性过程，其中逆变器和转换器具有独立的中性点。
图10是用于配置图2的再生驱动器的中性点的示例性过程，其中逆变器和转换器具有连接的中性点。
应理解，附图未必按比例，并且有时用图解法和在局部视图中例示所公开的实施方案。在某些情况下，可能已经省略对于理解本公开并非必要的或呈现难以察觉的其他细节的细节。当然，应理解，本公开不限于本文所例示的特定实施方案。
附图详述
现在参考图1，提供电梯系统10的示意图。将理解，图1的所描绘的电梯系统仅用于例示性目的，并且用以帮助公开本发明的各种实施方案。如由本领域技术人员所理解，图1没有描绘示例性电梯系统的部件中的全部，所描绘的特征也未必包括于全部电梯系统中。
电梯系统可完全或部分地驻留在垂直地安置于建筑物内的电梯井12中。电梯井12可提供垂直路径，电梯轿厢14可通过所述垂直路径在建筑的楼层或楼梯平台16之间行进。电动机18或其他原动机可操作性地连接至电梯轿厢14，以便生成推力来在电梯井12内移动电梯轿厢14。
电源19可操作性地连接至电动机18，以便将电力供应至电动机。电源19可为外部生成的电力，如来自电力市电电网。电动机18和电源19可各自为三相的。另外，再生驱动器20可联接至电动机18和电源19，以便操作电动机18来实现所需要的电梯轿厢14移动。
转至图2和图3，示出示例性再生驱动器装置20。再生驱动器20可通常包括操作性地与电力供应19相关联的转换器21和操作性地与电动机18相关联的逆变器22(图3提供图2的逆变器和转换器的放大视图，因而贯穿图2和图3使用相同参数数字)。更具体地说，转换器21可操作性地与电源19的三个相连接，转换器21具有用于电源19的每个相的相脚。逆变器22可操作性地连接至电动机18，逆变器22可具有用于电动机18的每个相的相脚。在所例示实例中，电源19和电动机18两者具有三个相，因而，转换器21和逆变器22各自具有三个相脚。另外，逆变器22和转换器21可通过DC链路23 连接，DC链路23具有处于与至少一个电容器43相关联中的正链路45、负链路46、转换器中性点41和逆变器中性点42，以平滑波纹电流和传播谐波。在一些实例中，转换器中性点41和逆变器中性点42可连接。替代地，转换器中性点41和逆变器中性点42可为独立中性点。
逆变器22和转换器21两者可包括多个电力装置25，电力装置25被分组成相脚27。转换器21的每个相脚27可处于与电源19的每个相选择性通信中。同样地，逆变器22的每个相脚27可处于与电动机18的每个相选择性通信中。转换器21和逆变器22中的电力装置25可包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和/或多个二极管。
在一些实例中，再生驱动器20可为具有多电平转换器21和多电平逆变器22的多电平驱动器。在这个实例中，再生驱动器20可为具有三电平转换器21和三电平逆变器22的三电平驱动器。更具体地说，多电平转换器21和多电平逆变器22的每个相脚27可输出电压的三个电平：正电压、中性点电压和负电压。
控制器30可用来控制再生驱动器的电力装置25。控制器30可包括转换器控制31、逆变器控制33和DC总线调节器32。转换器控制31和逆变器控制32可分别将逻辑信号发送至转换器21的电力装置25和逆变器22的电力装置25。DC总线电压调节器33可调节与DC链路23的正极45、负极46、逆变器中性点42和/或转换器中性点41相关联的电压。控制器30可包括上面存储有电脑可执行指令的任何非暂态电脑可读存储介质，如至少一个电脑处理器。控制器可被编程来将脉冲宽度调制(PWM)应用于转换器21和逆变器22。PWM为用来控制供应至电动机18的电力的调制技术。
在多电平再生驱动器20例如三电平转换器和三电平逆变器的情况下，控制器30可在以下两个模式下应用PWM：单极和双极；然而，控制器不限于在仅这两个模式下应用PWM。参考图4中所示的相脚 27，单极调制包括在应用于转换器21或逆变器22的相脚27时，在一个PWM周期期间IGBT 25A和25C或IGBT 25B和25D中的仅一对的切换。在单极调制的情况下，输出交流电(AC)电压可在中性电位与正电位之间或在中性电位与负电位之间变动。单极调制可提供效率，减少谐波的传播，且/或减少声性能效益。
替代地，双极调制包括在应用于转换器21或逆变器22的相脚27时，在一个PWM周期期间IGBT 25A-D中的全部的切换。在一个PWM周期期间切换全部四个装置25A-D可实现中性点调节。当使用双极调制时，输出AC电压可在正电位与负电位之间变动，从而包括中性电位。双极调制可提供中性点稳定性和热平衡效益。中性点控制可导致电梯系统10的改进的乘坐品质，同时跨于转换器21和逆变器22的改进的热平衡可导致电力装置的较长寿命。
如图3中所见，用于再生驱动器系统20的逆变器22和转换器21具有中性点钳位型(NPC型)拓扑。另外，图4示出逆变器22和/或转换器21的相脚27，相脚27具有相同的NPC型拓扑。NPC型拓扑利用处于串联布置中的电力部件25(在这个实例中为IGBT 25A-D)来实现三电平PWM操作。当装置如在NPC型拓扑中串联时，具有较低电压额定值的电力部件25可用来实现装置两端的相同电压。使用NPC型拓扑可由于具有较低电压额定值的电力部件25的使用而导致成本节省，因为较低的成本与这类部件相关联。
转至图5，示出用于图2的再生驱动器系统的替代性逆变器22和替代性转换器21，逆变器22和转换器21两者具有T型拓扑。另外，图6示出逆变器22和/或转换器21的相脚57，相脚57具有相同的T型拓扑。T型拓扑利用处于两个IGBT 55B、55C串联的布置中的电力部件55(在这个实例中为IGBT 55)，那两个IGBT 55B、55C与串联的另一对IGBT 55A、55D并联。这种布置因为每个对为串联而降低跨于每个对所需要的电压额定值，并且还由于两对IGBT为并联而产生较大效率。
参考图7，示出用于再生驱动器系统20的另一替代性逆变器22和替代性转换器21，其中逆变器22和转换器21两者具有先进的T型中性点钳位(AT-NPC)拓扑。AT-NPC型拓扑是并入反向阻断IGBT(RB-IGBT)68的T型拓扑。另外，图8示出逆变器22和/或转换器21的相脚67，相脚67具有相同的AT-NPC型拓扑。AT-NPC型拓扑的电力部件65可包括RB-IGBT 68、RB-IGBT 68并联连接至其他电力部件。AT-NPC型拓扑可与较大效率相联系。
示例用于在图2、图3、图5和/或图7的逆变器/转换器组合中的任何组合之间使用的DC链路，图9例示DC链路23配置，其中转换器中性点41和逆变器中性点42连接。连接转换器中性点41和逆变器中性点42可创建共用中性点49。转换器中性点41和逆变器中性点42可连接以调节整个DC链路23电压的中心，所述中心将以其他方式在每个端(转换器和逆变器)上加以调节。在这类配置中，逆变器22或转换器21中的一个可在双极PWM调制模式下操作(经由来自控制器的命令)，而转换器/逆变器对中的另一成员可在单极模式下操作以接收单极操作的效益。这类布置可降低声噪声并且提升再生驱动器20中的效率。此外，当中性点被连接时，可减少热平衡问题。
替代地，转换器中性点41和逆变器42中性点可为独立的。如图10中所见，示出用于在图2、图3、图5和/或图7的逆变器/转换器组合中使用的示例性DC链路23。逆变器22和转换器21两者可在单极或双极PWM模式下操作。单极操作可减少谐波传播。独立的转换器41和逆变器中性点42可操作来去耦传播转换器谐波和/或传播逆变器谐波的效应。独立的中性点41、42可允许转换器21和逆变器22中的独立的单极和/或双极切换。
图11是用于配置图2至图8的多电平再生电梯驱动器装置20的DC链路23的示例性过程70。在方框72处，确定与电力逆变器22相关联的中性点42。此外，在方框74处，确定与电力转换器21相关联的中性点41，电力转换器21的中性点41独立于与电力逆变器 22相关联的中性点42。
转至图12，示出用于配置图2至图8的多电平再生电梯驱动器装置20的DC链路23的示例性过程80。在方框82处，确定与电力逆变器22相关联的中性点42。此外，在方框84处，确定与电力转换器21相关联的中性点41。连接与电力转换器21相关联的中性点41和与电力逆变器22相关联的中性点42(在方框86处)。
工业适用性
从前述内容，可看出，本文所公开的技术在各种环境中具有工业适用性，例如但不限于用于确定与再生驱动器相关联的中性点的系统和方法。再生驱动器可与电梯系统结合使用。使用本文的教义，可产生具有最佳化DC链路配置的多电平再生驱动器。对现有技术的这个改进可通过限制传播谐波，减少声噪声，提升装置效率和/或降低装置成本来改进再生驱动器的操作。
虽然可仅关于以上特定实施方案描述某些特征，但所述特征并非与和那些特定实施方案一起使用有关。应理解，在任何可实践的情况下，所公开的特征可并入额外实施方案(无论是否具体描述)中。
虽然本公开已关于用于电梯系统的再生驱动器，但本领域技术人员将理解，本文教义也可使用于其他应用中。因此，意图在于，本发明的范围不受本文呈现为用于实行本发明的最佳模式的实施方案限制，但是本发明将也包括属于权利要求书的精神和范围内的所有等效物。

Claims (22)

1.一种多电平再生驱动器装置(20)，其包括：
逆变器(22)，其具有多个电力部件(25)；
转换器(21)，其具有多个电力部件(25)；
直流电DC链路(23)，其桥接所述逆变器(22)和所述转换器(21)，所述DC链路(23)包括：
电容器(43)；
逆变器中性点(42)；以及
转换器中性点(41)，其独立于所述逆变器中性点(42)。
2.如权利要求1所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(25)中的至少一个成员和所述转换器(21)的所述多个电力部件(25)中的至少一个成员为孤立栅双极晶体管。
3.如权利要求1所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(55)和所述转换器(21)的所述多个电力部件(55)被布置成具有T型拓扑(57)。
4.如权利要求1所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(25)和所述转换器(21)的所述多个电力部件(25)被布置成具有中性点钳位拓扑(27)。
5.如权利要求1所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(65、68)和所述转换器(21)的所述多个电力部件(65、68)被布置成具有先进的T型中性点钳位拓扑(67)。
6.如权利要求5所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(65、68)中的至少一个成员和所述转换器(21)的所述多个电力部件(65、68)中的至少一个成员为反向阻断孤立栅双极晶体管(68)。
7.如权利要求1所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)工作在单极脉冲宽度调制模式。
8.如权利要求1所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述转换器(21)工作在单极脉冲宽度调制模式。
9.如权利要求1所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述多电平再生驱动器装置(20)为多电平再生电梯驱动器装置。
10.一种多电平再生驱动器装置(20)，其包括：
逆变器(22)，其具有多个电力部件(25)；
转换器(21)，其具有多个电力部件(25)；
直流电DC链路(23)，其桥接所述逆变器(22)和所述转换器(21)，所述DC链路(23)包括：
电容器(43)；
中性点(49)，所述中性点(49)由所述逆变器(22)和所述转换器(21)共用，其中所述中性点(49)通过连接逆变器中性点(42)和独立于所述逆变器中性点(42)的转换器中性点(41)而形成，
其中所述转换器(21)工作在双极脉冲宽度调制模式，并且所述逆变器(22)工作在单极脉冲宽度调制模式。
11.如权利要求10所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(25)中的至少一个成员和所述转换器(21)的所述多个电力部件(25)中的至少一个成员为孤立栅双极晶体管。
12.如权利要求10所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(55)和所述转换器(21)的所述多个电力部件(55)被布置成具有T型拓扑(57)。
13.如权利要求10所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(25)和所述转换器(21)的所述多个电力部件(25)被布置成具有中性点钳位拓扑(27)。
14.如权利要求10所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(65、68)和所述转换器(21)的所述多个电力部件(65、68)被布置成具有先进的T型中性点钳位拓扑(67)。
15.如权利要求14所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)的所述多个电力部件(65、68)中的至少一个成员和所述转换器(21)的所述多个电力部件(65、68)中的至少一个成员为反向阻断孤立栅双极晶体管(68)。
16.如权利要求10所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述逆变器(22)工作在双极脉冲宽度调制模式，并且所述转换器(21)工作在单极脉冲宽度调制模式。
17.如权利要求10所述的多电平再生驱动器装置(20)，其中所述多电平再生驱动器装置(20)为多电平再生电梯驱动器装置。
18.一种用于配置多电平再生驱动器装置(20)的DC链路(23)的方法(70)，所述多电平再生驱动器装置(20)具有：逆变器(22)，其具有多个电力部件(25)；以及转换器(21)，其具有多个电力部件(25)，所述方法(70)包括：
在所述DC链路(23)中确定与所述逆变器(22)相关联的中性点(42)；以及
在所述DC链路(23)中确定与所述转换器(21)相关联的中性点(41)，所述转换器(21)的所述中性点(41)独立于与所述逆变器(22)相关联的所述中性点(42)。
19.如权利要求18所述的方法(70)，其还包括将与所述逆变器(22)相关联的所述中性点(42)连接至与所述转换器(21)相关联的所述中性点(41)。
20.如权利要求18所述的方法(70)，其中所述逆变器(22)或所述转换器(21)中的至少一个工作在单极脉冲宽度调制模式。
21.如权利要求19所述的方法(70)，所述逆变器(22)可工作在双极脉冲宽度调制模式，并且所述转换器(21)可工作在单极脉冲宽度调制模式。
22.如权利要求18所述的方法(70)，其中所述多电平再生驱动器装置(20)为多电平再生电梯驱动器装置。
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