CN107223307B - 具有可忽略的共模电压的六相电动机器的驱动和控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于具有可忽略的共模电压的六相机器的驱动器和电机系统以及方法。所述六相机器包括六相绕组，所述六相绕组被分为至少两个绕组组，所述至少两个绕组组被配置来产生零共模脉冲宽度调制。所述驱动器和电机系统以及方法还可以包括至少一个直流电源和六相逆变器，所述六相逆变器在所述至少一个直流电源的正电源与负电源之间切换。

Description

具有可忽略的共模电压的六相电动机器的驱动和控制
发明领域
本文公开的主题总体上涉及电梯领域，并且更具体地说涉及一种多轿厢无绳电梯系统。
背景技术
无绳电梯系统(又被称为自推进电梯系统)可用于某些应用(例如，高层建筑)中，其中用于绳索式系统的大量绳索是禁止的，并且希望多个电梯轿厢在单一行道中行进。存在无绳电梯系统，其中第一行道被指定用于上行电梯轿厢，并且第二行道被指定用于下行电梯轿厢。在井道的每端处的中转站用于在第一行道与第二行道之间水平地移动轿厢。
发明内容
根据本发明的一个实施方案，电机和驱动器系统包括至少一个直流电源；六相逆变器，所述六相逆变器在至少一个直流电源的正电源与负电源之间切换；以及六相机器，所述六相机器包括六相绕组，所述六相绕组被分为至少两个绕组组，所述至少两个绕组组被配置来在至少两个绕组组上产生零共模脉冲宽度调制。
在以上实施方案中，或在替代方案中，共模噪声可以在零共模脉冲宽度调制期间通过六相机器的六相绕组传导经过至少一个寄生电容器直至地面。
在以上实施方案中，或在替代方案中，六相绕组可以按60度的空间差异分布。
在以上实施方案中，或在替代方案中，每个绕组组可以形成相移为120°的三相机器。
在以上实施方案中，或在替代方案中，六相绕组可以包括至少两个单独的中性连接，其中最大调制指数接近于1.15。
在以上实施方案中，或在替代方案中，介于绕组与地面之间的寄生电容在共同的中性连接中可以被建模为一个共模电容器，或在两个单独的中性连接中被建模为两个等同或基本上等同的共模电容器。
在以上实施方案中，或在替代方案中，六相绕组可以包括共同的中性连接，其中最大调制指数为1。
在以上实施方案中，或在替代方案中，至少一个寄生电容器可以是从共同的中性连接聚集共模电容的单一寄生共模电容器。
在以上实施方案中，或在替代方案中，电机和驱动器系统还可以包括六相电源转换器，所述六相电源转换器被配置来驱动电机和驱动器系统，其中六相电源转换器包括含有两个开关的一个相脚，所述两个开关连接至六相绕组的一个相。
在以上实施方案中，或在替代方案中，六相电源转换器可以包括十二个开关。
在以上实施方案中，或在替代方案中，六相电源转换器的切换模式可以是针对至少两个绕组组进行布置。
在以上实施方案中，或在替代方案中，切换模式的切换动作对于至少两个绕组组来说可以是互补的以将共模电压维持为零。
在以上实施方案中，或在替代方案中，切换模式可以通过以下方式来产生：当对至少两个绕组组的第二组产生切换动作时，将至少两个绕组组的第一组的占空比和载波反转。
在以上实施方案中，或在替代方案中，任一前述权利要求所述的电机和驱动器系统可以被包括在无绳电梯系统中。
在以上实施方案中，或在替代方案中，方法包括：通过电机和驱动器系统的六相逆变器而在至少一个直流电源的正电源与负电源之间切换；以及根据由六相逆变器所进行的切换，通过六相机器而在至少两个绕组组上实现零共模脉冲宽度调制，所述六相机器包括六相绕组，所述六相绕组被分为至少两个绕组组。
通过本公开的技术来实现附加特征和优点。本文详细描述了本公开的其他实施方案和方面。为了更好地理解本公开以及优点和特征，请参考说明书和附图。
附图简述
在说明书结尾处的权利要求书中具体指出并明确主张了被视为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征及优点根据以下结合附图进行的具体实施方式将变得显而易见，在附图中：
图1展示示例性实施方案中的多轿厢电梯系统；
图2示出根据本发明的实施方案的六相机器绕组配置；
图3示出根据本发明的实施方案的具有六相机器的六相电压源逆变器；
图4示出根据本发明的另一个实施方案的具有六相机器的另一个六相电压源逆变器；
图5示出根据本发明的实施方案的六相机器空间中的绕组的配置；
图6示出根据本发明的实施方案的逆变器相组的电压矢量；
图7示出根据本发明的实施方案的六相电机驱动器的脉冲宽度调制产生；并且
图8展示示例性实施方案中的线性推进系统的驱动器以及主要部分和辅助部分的区段。
详细说明
图1展示示例性实施方案中的多轿厢无绳电梯系统10。电梯系统10包括井道11，所述井道具有多个行道13、15和17。虽然图1中示出了三个行道，但是应理解，实施方案可以与具有任何数目的行道的多轿厢无绳电梯系统一起使用。在每个行道13、15、17中，轿厢14在一个方向上行进，即上行或下行。例如，在图1中，轿厢14在行道13和15中上行，并且轿厢14在行道17中下行。一个或多个轿厢14可以在单一行道13、15和17中行进。
顶楼之上的是上部中转站30，所述上部中转站用于将水平运动赋予电梯轿厢14以使电梯轿厢14在行道13、15与17之间移动。应理解，除了顶楼之上，上部中转站30还可以位于顶楼。一楼之下的是下部中转站32，所述下部中转站用于将水平运动赋予电梯轿厢14以使电梯轿厢14在行道13、15与17之间移动。应理解，除了一楼之下，下部中转站32还可以位于一楼。虽然图1未示出，但是一个或多个中间中转站可以用在一楼与顶楼之间。中间中转站类似于上部中转站30和下部中转站32。
轿厢14使用电机和驱动器系统(例如，线性电机系统)来推进，所述电机和驱动器系统具有主要固定部分16和辅助移动部分18。主要部分16包括安装在行道13、15和17的一侧或两侧上的绕组或线圈。辅助部分18包括安装在轿厢14的一侧或两侧上的永磁体。主要部分16供应有驱动信号以控制轿厢14在其相应的行道中的移动。
无绳电梯系统的线性电机系统可以采用电力电子器件逆变器(例如，作为变速交流驱动(AC)电机驱动器)，以提高线性电机系统的性能。然而，电力电子器件装置在电机驱动器中的切换存在固有的电磁干扰(EMI)问题。一般而言，EMI噪声可以分为两大类：差模(DM)噪声和共模(CM)噪声。DM噪声在各相之间传导。CM噪声一起通过所有相传导经过寄生电容器直至地面。CM噪声是电机驱动器的严重问题，因为CM噪声会增加电机驱动器中的EMI，并且损坏电机轴承和绕组绝缘。不幸的是，诸如添加CM滤波器来使CM噪声衰减的解决方案在无绳电梯系统10的线性电机系统中是不可行的，这是因为每个CM滤波器的大权重惩罚会显著增加。
鉴于上文，本发明的实施方案阐述了一种用于具有可忽略的CM电压的六相机器的驱动器和电机系统和/或方法。六相机器包括六相绕组。图2示出了六相机器绕组配置200a、200b，其中六相绕组以60度的空间差异分布。在两种配置中，六相绕组被分为至少两组：第一组为a1-b1-c1，并且第二组为a2-b2-c2。每个绕组组形成相移为120°的三相机器。
另外，驱动器和电机系统的实施方案可以利用具有单独的中性连接或共同的中性连接的六相机器，其中对于单独的中性连接，最大调制指数可以接近于1.15(例如，其中精确值为2/sqrt(3))，并且对于共同的中性连接，最大调制指数可以接近于1。例如，在第一配置200a中，两个绕组组的两个中性点N1、N2可以是分开的。在第二配置200b中，两个绕组组的中性点连接于中性点N3处。
六相机器还与六相逆变器电联通。一般而言，为了产生零CM脉冲宽度调制(PWM)，可以对第一组相计算空间矢量组合，并且将其基本上或直接匹配至第二组相的互补电压矢量。应注意，在针对两个绕组组产生零CM PWM时，六相绕组可以被分为任何数目的组。另外，零CM PWM是由驱动器和电机系统产生的主动控制信号(例如，在至少两个绕组组上产生零共模脉冲宽度调制)。
图3、4示出了与寄生CM电容器Cg1、Cg2、Cg一起连接至六相机器310、410的六相电压源逆变器(VSI)305、405。在操作中，每个六相VSI 305、405的逆变器端子电压在正负直流链路(Vdc/2+、Vdc/2-)之间切换并且产生EMI噪声源。另外，CM噪声(例如，在零共模脉冲宽度调制期间)通过六相机器310、410的电机绕组和CM寄生电容器Cg1、Cg2、Cg传导至相应的地面。
六相机器310说明了每个绕组组具有两个单独的中性点N1、N2的第一配置200a。六相机器410说明了绕组具有连接的中性点N3的第二配置200b。对于单独的中性点N1、N2，寄生CM电容器Cg1、Cg2的CM电容是相等的或基本上相等的。对于连接的中性点N3，CM电容聚集在寄生CM电容器Cg中。以此方式，介于绕组与地面之间的寄生电容在共同的中性连接中可以被建模为一个CM电容器，或在单独的中性连接中被建模为两个等同或基本上等同的CM电容器。在两种情况下，六相电压VSI的CM电压可以表达在等式(1)中。
Figure BDA0001370599480000061
驱动器和电机系统可以由六相电源转换器驱动。六相电源转换器包括含有两个开关的至少一个相脚，所述两个开关连接至六相绕组的一个相。在一些实施方案中，六相电源转换器可以包括十二个开关，其中一对开关连接至六相绕组的相应的一个绕组。六相电源转换器的切换模式可以是针对至少两个绕组组进行布置，所述至少两个绕组组定位在与彼此相对的位置上，其中切换动作是互补的，使得整个电机驱动器的CM电压保持/维持为零。以此方式，当连同对第二绕组组产生切换动作的同时将第一绕组组的占空比和载波反转时，实现切换模式。
如图5所示，基于第一组和第二组的两个绕组空间分布500a、500b，还在等式(2)中计算开关矢量，其中等式(2a)用于绕组空间分布500a，并且等式(2b)用于绕组空间分布500b。
Figure BDA0001370599480000071
在等式(2)中，x1、x2和x3是相脚的切换状态，它们是1或0。通过这两个等式，图6中示出了两组逆变器相的电压矢量。
图6示出了逆变器相组的电压矢量。图6包括用于第一组相的具有6个电压矢量的第一结构600a以及用于第二组相的具有6个电压矢量的第二结构600b。第二结构600b的6个电压矢量与第一结构600a完全相反。进而，第二组相中的互补电压矢量将达到与第一组相中的原始电压矢量相同的效果。应注意，两组相中的零电压矢量111和000也是互补的。
为了产生可忽略的CM，对第一组相进行占空比(例如，范围为-1～1)的计算，同时针对第二组相，直接将占空比反转。还可相对于第一组相的三角载波来将第二组相的三角载波反转。然后，在第一比较器中产生用于第一组相的第一切换函数，并且在比较器中产生用于第二组相的第二切换函数。进而，当将第一切换函数和第二切换函数组合时，实现零CM电压。
例如，图7示出了用来实现零CM电压的六相电机驱动器的脉冲宽度调制产生。在对第一组相的da1、db1和dc1的占空比计算705(范围为-1～1)进行计算之后，针对da2、db2和dc2，直接将所述占空比反转。同样从da1、db1和dc1的三角载波反转da2、db2和dc2的三角载波。然后，在比较器1中产生用于第一组相的切换函数，并且在比较器2中产生用于第二组相的切换函数。
对于图3中的单独的中性点N1、N2，一般空间矢量PWM可以用在图7中的占空比计算中。以此方式，计算第一绕组组的占空比(-1～1)并且将其发送至比较器1，同时将反转的占空比发送至比较器2。N1和N2中的CM电压之后将变为彼此互补。以此方式，整个电机驱动器在整个周期内的CM电压将为零。对于零CM电压，相电流可以包括比其他驱动器和电机系统甚至更少的波纹以及与之相似的谐波。
图8是根据上文描述的电机和驱动器系统的一个实施方案的线性推进系统800的示意图。线性推进系统800包括驱动器842(例如，六相VSI 305、405的实施方案)、线性推进系统的主要部分816和辅助部分818的区段。驱动器842是两电平六相驱动器，其具有标记为A、B、C、D、E和F的六个相脚。应理解，驱动器842可以是三电平或N电平，并且实施方案不限于2电平驱动器。在所示的实施方案中，线性推进系统800的主要部分816包括指定为A*、E、B、F*、C*、D、A、E*、B*、F、C和D*的十二个线圈854。字母指定线圈属于哪个相，并且存在或缺乏*指示电流方向。一对线圈854(例如，A和A*)与一个相相关联。线圈A中的电流与线圈A*的电流处于相反的方向。线性推进系统的主要部分816可以是无芯的。可替代地，主要部分816的线圈854可以通过由同心式线圈缠绕在主齿周围来围绕铁磁芯形成。线圈854也可以放置在铁磁性平坦支撑件850上，从而形成无齿型主要部分816。
主要部分816的线圈854以星形配置布置，其中每个相的线圈(例如，A和A*)从驱动器842的相应的相脚电串联至中性点858。应理解，除了星形配置之外，可以利用其他线圈配置。
线性推进系统800的辅助部分818包括二十二个磁极856。磁极856可以如图8所示使用二十二个永磁体来布置，以交变极性面向主要部分716的方式布置。在其他实施方案中，二十二个磁极856可以布置为Halbach阵列的一部分。永磁体或磁极856的间距(例如，中心到中心)被称为极距。线圈854的间距(例如，中心到中心)被称为线圈节距。磁极距与线圈节距之比等于6/11。辅助部分818的永磁体可以安装在铁磁性平坦支撑件852上。辅助部分818可以定位在主要部分816的一侧上，或定位在主要部分816的两侧上。
虽然图8展示了十二个线圈和二十二个磁极，但是可以将线性推进系统一般化为具有12N个线圈和22N个磁极，其中N是正整数。
鉴于上文，驱动器和电机系统的实施方案的技术效果和益处包括为逆变器输出消除共模电压，显著减少CM EMI噪声和CM电流，消除对额外的耦合电感器的需求，减少CM电流对电机绝缘和轴承的损坏。另外，实施方案的技术效果和益处可以包括六相电压源逆变器，其因驱动器是基于正常的六相VSI而消除了对额外的硬件修改的需求，诸如消除了CM滤波器，这反过来显著增加了电源密度，而且不需要耦合电感器。此外，实施方案的技术效果和益处可以包括具有单独的中性连接的六相机器或具有共同的中性连接的六相机器。
本文使用的术语仅仅是为了描述具体实施方案，而不是意在限制本发明。除非上下文另外明确指出，否则如本文使用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”意在同样包括复数形式。将进一步理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时明确说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
以上权利要求书中的所有装置或步骤的对应的结构、材料、动作以及等效物加上功能要素意在包括用于执行所述功能的任何结构、材料或动作以及具体要求保护的其他要求保护的要素。已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的描述，但是所述描述并不意在是详尽的或使本发明限于所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择并描述实施方案来最佳地解释本发明的原理和实际应用，并且使得其他本领域普通技术人员能够理解本发明的各种实施方案以及适合于所涵盖的具体用途的各种修改。

Claims (12)

1.一种电机和驱动器系统，所述系统包括：
至少一个直流电源；
六相逆变器，所述六相逆变器在所述至少一个直流电源的正电源与负电源之间切换；
六相电源转换器，所述六相电源转换器被配置来驱动线性电机系统，其中所述六相电源转换器包括两个开关的一个相脚，所述两个开关连接至所述六相绕组的一个相；
六相机器，所述六相机器包括六相绕组，所述六相绕组被分为至少两个绕组组，所述至少两个绕组组被配置来在所述至少两个绕组组上产生零共模脉冲宽度调制；其中，
所述六相电源转换器的切换模式是针对所述至少两个绕组组进行布置的，且所述切换模式的切换动作对于所述至少两个绕组组来说是互补的以将共模电压维持为零。
2.如权利要求1所述的电机和驱动器系统，其中共模噪声在所述零共模脉冲宽度调制期间通过所述六相机器的所述六相绕组传导经过至少一个寄生电容器直至地面。
3.如权利要求1或2所述的电机和驱动器系统，其中所述六相绕组按60度的空间差异分布。
4.如权利要求1或2所述的电机和驱动器系统，其中所述每个绕组组形成相移为120°的三相机器。
5.如权利要求1或2所述的电机和驱动器系统，其中所述六相绕组包括至少两个单独的中性连接，其中最大调制指数接近于1.15。
6.如权利要求2所述的电机和驱动器系统，其中介于绕组与地面之间的所述寄生电容器针对共同的中性连接被建模为一个共模电容器，或针对两个单独的中性连接被建模为两个基本上等同的共模电容器。
7.如权利要求1或2所述的电机和驱动器系统，其中所述六相绕组包括共同的中性连接，其中最大调制指数为1。
8.如权利要求2所述的电机和驱动器系统，其中所述至少一个寄生电容器是从共同的中性连接聚集共模电容的单一寄生共模电容器。
9.如权利要求1所述的电机和驱动器系统，其中所述六相电源转换器包括十二个开关。
10.如权利要求1所述的电机和驱动器系统，其中所述切换模式通过以下方式来产生：当对所述至少两个绕组组的第二组产生切换动作时，将所述至少两个绕组组的第一组的占空比和载波反转。
11.如权利要求1或2所述的电机和驱动器系统，其被包括在无绳电梯系统中。
12.一种操作电机和驱动器系统的方法，所述方法包括：
通过所述电机和驱动器系统的六相逆变器而在至少一个直流电源的正电源与负电源之间切换；以及
根据由所述六相逆变器所进行的所述切换，通过六相机器而在至少两个绕组组上实现零共模脉冲宽度调制，所述六相机器包括六相绕组，所述六相绕组被分为所述至少两个绕组组；以及
使用六相电源转换器来驱动所述电机和驱动器系统，其中所述六相电源转换器包括两个开关的一个相脚，所述两个开关连接至所述六相绕组的一个相，其中，所述六相电源转换器的切换模式是针对所述至少两个绕组组进行布置的，且所述切换模式的切换动作对于所述至少两个绕组组来说是互补的以将共模电压维持为零。
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