CN108809198B - 用于控制中压逆变器的方法和包括中压逆变器的系统 - Google Patents

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Abstract

本文所公开的是一种用于控制中压逆变器的方法，以及包括该中压逆变器的系统。该系统包括电机、驱动电机的中压逆变器、被配置为控制来自中压逆变器的输出电压的控制单元以及被配置为对包括逆电动势的电压和频率的电机的逆电动势数据进行测量并且将其发送至控制单元的输出电压测量单元。当输出电压测量单元完成逆电动势数据的测量时，控制单元基于测量到的逆电动势数据而生成输出电压以重新驱动电机。

Description

用于控制中压逆变器的方法和包括中压逆变器的系统
技术领域
本公开涉及用于控制中压逆变器的方法，以及包括该中压逆变器的系统。
背景技术
在针对用中压逆变器(在下文中被称为“逆变器”)驱动中压感应电机(在下文中被称为“电机”)的系统中，在将电压施加到电机的输入以驱动电机时可能生成过电流。
具体地，当连接至电机的转动轴的负载由于惯性或外力而自由转动时，因为电机内部的磁通量中的变化速率与输入电压的频率不匹配而在电机中发生过电流。
为了防止此类过电流，逆变器执行所谓的“快速起动(flying start)”功能。先前，已经通过在起动电机时施加最小电压量值同时从最大起动电压频率(在韩国为60Hz)减小工作频率来执行快速起动功能，以从而检测逆变器与电机之间的电能的方向。
顺便提及，用于工业自动化的电机除特殊用途外一般没有配备速度检测传感器，因为当安装速度检测传感器时可能产生昂贵的设施改变成本。此外，此类速度检测传感器可能引起噪声(高压电路、振动环境等)，如此一来难以维护该传感器。因此，所需要的是不用任何速度检测传感器来检测电机的转动速度的方法。
现在参照图1和图2，示出了现有的逆变器控制系统和现有的快速起动功能。要注意的是，图1示出了其中安装有中压逆变器的现有的电机10的结构，其中电源电力线被连接至电机10，使得即使当中压逆变器发生故障时，也可以用电源电力来驱动电机10。
参照图2，在图1的逆变器控制系统中，当电机10在向电机10的电压供应被中断之后自由转动时，电机10的转动速度和逆电动势(counter electromotiveforce)减小。当不存在电机10的逆电动势(或者该逆电动势低于预定的数值)时，则执行快速起动功能。
在快速起动功能的起始点处，逆变器的输出频率从最大工作频率(例如，60Hz)开始连续地减小，而输出电压从最小电压开始增大。
在快速起动功能的终止点处，输出频率变成等于电机10的转动速度，并且输出电压增大直至等于额定电压与额定频率之比率(在下文中被称为V/F比率)的电压值，并且然后根据该V/F比率来驱动电机10。
根据现有的快速起动功能，检测中压逆变器与电机10之间的电能的流动以检测电机10的自由转动速度。当中压逆变器的输出频率快于电机10的转动速度时，电能从逆变器朝着电机10流动，并且以正方向检测电机10的有效电流。
相反，当输出频率变成低于电机10的转动速度时，电能从电机10朝着逆变器流动，并且以负方向检测有效电流。
当电机10的有效电流的检测被以负方向而维持预定的时间时，现有的快速起动功能完成速度检测，并且根据V/F比率进行操作。
只有当不存在电机10的逆电动势时(或者只有当其低于预定的数值时)，现有的快速起动才是可操作的。如果在未满足该条件下操作电机，则不可以控制电机有效电流，使得快速起动功能失效。
如果在电机10中存在残余逆电动势，则难以用逆变器来分析电机10的输出电流信息，并且因此不可以操作快速起动功能。
此外，如果在存在逆电动势的同时操作逆变器电路以生成逆变器输出电压，则存在逆电动势与逆变器输出电压碰撞而发生过电流的风险。
发明内容
本公开的目的是分析电机的逆电动势信息、使用所分析的信息来检测电机的转动速度并且即使当存在逆电动势时也重新驱动电机。
本公开的另一目的是直接检测电机的逆电动势，也就是说，代替检测电机的有效电流，而检测逆电动势的电压的量值和频率，从而防止由于电压碰撞而发生过电流。
本公开的另一目的是通过实时地计算或估计电机的实际起动速度(take-offspeed)来执行重新驱动功能，使得不论由于负载变动而引起的起动速度中的任何变化，都可以执行重新驱动功能而没有过渡状态，并且不需要测量起动曲线。
本公开的目的并不限于上述目的，并且本领域技术人员根据下面的描述可以理解其他目的和优点。另外，将容易理解的是，可以由所附权利要求中所述手段及其组合来实践本公开的目的和优点。
根据本公开的一个方面，系统包括电机、驱动电机的中压逆变器、被配置为控制来自中压逆变器的输出电压的控制单元以及输出电压测量单元，所述输出电压测量单元被配置为测量电机的逆电动势数据(包括该逆电动势的电压和频率)并将其发送至控制单元。当输出电压测量单元完成逆电动势数据的测量时，控制单元基于测量到的逆电动势数据而生成输出电压以重新驱动电机。
输出电压测量单元可以根据电机中生成的电机的反电动势(back electromotiveforce)来测量反电动势数据。
当输出电压测量单元完成逆电动势数据的测量时，控制单元可以基于测量到的逆电动势数据而生成输出电压以重新驱动电机，其中输出电压具有分别等于该电压和该频率的量值和频率，并且以与逆电动势相同的相位而被生成。
在输出电压的量值可以增大直到其达到输出电压与输出频率的预定的比率的同时可以维持该输出频率。
根据本公开的另一方面，用于控制中压逆变器的方法包括：通过电连接至电机的输出电压测量单元来测量包括逆电动势的电压和频率的电机的逆电动势数据；当完成逆电动势数据的测量时，基于测量到的逆电动势数据由中压逆变器重新驱动电机；以及增大来自中压逆变器的输出电压的量值。
测量电机的逆电动势可以包括由输出电压测量单元根据电机中生成的电机的反电动势来测量逆电动势数据。
在测量电机的逆电动势中，输出电压可以具有分别等于该电压和该频率的量值和频率，并且可以以与逆电动势相同的相位而被生成。
增大中压逆变器的输出电压的量值可以包括增大输出电压的量值直到其达到输出电压与输出频率的预定的比率为止。
增大中压逆变器的输出电压的量值可以包括只有当维持中压逆变器的输出频率时才增大输出电压的量值。
增大中压逆变器的输出电压的量值可以包括当输出电压的量值达到输出电压与输出频率的预定的比率时完成增大输出电压的量值。
如上所述，根据本公开的示例性实施例，该系统具有优点在于通过分析电机的逆电动势信息并且使用所分析的信息来检测电机的转动速度，在即使存在逆电动势的情况下也可以重新驱动电机，以便从而减少待机时间。
此外，该系统可以直接检测电机的逆电动势，也就是说，代替检测电机的有效电流，而用简单的配置来检测逆电动势的电压的量值和频率。此外，该系统可以通过实时地计算电机的实际起动速度来执行快速起动功能，使得不论由于负载变动而引起滑动速度(sliding speed)的任何变化，都可以稳定地执行重新驱动功能而没有过渡状态。
此外，该系统可以通过使用接收输出电压测量单元的数据并控制逆变器的操作的算法来简化系统与部件之间的操作控制算法。
该系统可以通过由简单的配置而不使用速度检测传感器来检测电机的转动速度而节约成本。此外，系统的维护变得较简单，而且可以节约用于管理系统所必需的各种资源和成本。
除了上述效果以外，将连同下面将要描述的实施例来描述本公开的具体效果。
附图说明
图1和图2是用于说明用于控制逆变器的现有系统的快速起动功能的示意图；
图3是用于说明根据本公开的示例性实施例的用于控制中压逆变器的系统的框图；
图4是用于说明图3的系统的快速起动功能的示意图；
图5是用于说明根据本公开的一些示例性实施例的用于控制中压逆变器的方法的流程图；
图6是用于说明根据本公开的示例性实施例的用于控制中压逆变器的方法的流程图；以及
图7是用于说明根据本公开的另一示例性实施例的用于控制中压逆变器的方法的流程图。
具体实施方式
本公开的优点和特征以及实现它们的方法根据下文中参照附图的示例性实施例的描述将变得显而易见。然而，本公开不限于本文中所公开的示例性实施例，而是可以以各种不同的方式得以实现。提供示例性实施例用于使本公开的公开彻底，并且用于向本领域技术人员完全传达本公开的范围。要注意的是，本公开的范围仅由权利要求定义。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
除非另有定义，否则本文中所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与由本公开所属技术领域中的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如通常使用的字典中定义的那些术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本申请的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化的或过于正式的含义来解释，除非在本文中被明确地如此定义。
在下文中，将参照图3至图7详细地描述根据本公开的一些示例性实施例的用于控制中压逆变器的方法和包括该中压逆变器的系统。
图3是用于说明根据本公开的示例性实施例的用于控制中压逆变器的系统的框图。
参照图3，该系统可以包括逆变器100、电机200、控制单元300和输出电压测量单元400。
尽管图3描绘了一个逆变器100、一个控制单元300、一个输出电压测量单元400和一个电机200，但这仅仅是说明性的。该系统可以包括多于一个逆变器、多于一个控制单元、多于一个输出电压测量单元或多于一个电机。当该系统包括多于一个逆变器或电机时，例如可以将其并联连接至同一节点或者将其相互串联连接。
逆变器100包括用于将DC电力转换成AC电力或者将AC电力转换成DC电力的装置。此外，为了控制电机200的速度，逆变器100可以对DC电力或AC电力进行转换以获得具有预定的电压量值和频率(例如，6.6KV和60Hz)的AC电力。例如，逆变器100可以包括但不限于AC600V或更大(例如，6.6KV或3.3KV)的逆变器100。
为了驱动或重新驱动电机200，逆变器100可以输出对应于预定量值或预定比率的电压或频率以控制电机200的转动速度。例如，逆变器100可以以预定的V/F比率(例如，6.6KV/60Hz)输出电压或频率。
电机200包括感应电机。例如，电机200可以包括单相感应电机或三相感应电机。然而，其仅仅是说明性的。
此外，逆变器100可以通过控制频率或滑差(slip)来控制感应电机。
输出电压测量单元400可以包括用于测量电压的电路(直接测量电机200中生成的电机200的逆电动势)以检测逆电动势数据(例如，表示逆电动势的电压量值的电压值或者表示逆电动势的频率的频率值)。例如，输出电压测量单元400可以包括非隔离的电压测量电路(包括多个稳压二极管和多个电阻器)。
输出电压测量单元400可以测量电机200的逆电动势数据，并且可以将测量到的逆电动势数据发送至控制单元300。具体地，逆电动势数据包括逆电动势的电压值或逆电动势的频率值，并且控制单元300可以基于逆电动势数据来控制逆变器100的输出频率和输出电压。
输出电压测量单元400可以被包括在逆变器100中或者可以被布置在逆变器100的外部并与逆变器100电连接。然而，其仅仅是说明性的。
控制单元300可以包括用于控制逆变器100的输出频率和输出电压的模块、电路或装置。然而，其仅仅是说明性的。
控制单元300可以使用可变电压可变频率(VVVF)驱动来控制逆变器100，在VVVF驱动中频率是变化的并且电压也与频率成比例地变化。
此外，控制单元300还可以由脉冲宽度调制(PWM)或者由脉冲幅度调制(PAM)来控制逆变器100，通过其改变了脉冲电压的输出时间而不改变经平滑的电压的量值以改变等效电压。然而，其仅仅是说明性的。
在用于控制中压逆变器的系统中，当电压供应被中断并且电机200自由转动时，输出电压测量单元400可以测量电机200的逆电动势。此外，该系统对由控制单元300测量到的逆电动势数据进行分析，并且使用具有该逆电动势的电压和频率的逆变器输出电压和频率来控制电机200。在此时，该系统可以检测电机200的转动速度并且执行用于重新驱动电机200的快速起动功能。
即使在感应电机中存在逆电动势(例如，即使其高于预定的参考值)，控制单元300也可以基于在重新驱动时电机200的逆电动势来计算电机200的实际转动速度(即，转动频率)。此外，控制单元300对逆电动势的电压、频率和相位角进行分析以执行快速起动功能。然而，其仅仅是说明性的。
输出电压测量单元400可以使用电压检测功能来检测在其中逆电动势保持的时段中电机200的速度。例如，电压检测功能是指使用分压电阻器以1ms的比率执行采样以产生数字信号的感测功能。
可以通过经由相位电压感测来测量电机的逆电动势而对逆电动势进行分析，以使用三相锁相环(PLL)功能计算参考相位和最大值。
此外，控制单元300可以基于逆电动势分析的结果来生成具有与电机200中所生成的逆电动势相同的量值、相位和频率的输出电压的波形。
此外，控制单元300使用具有与逆电动势相同的量值、相位和频率的输出电压波形而在快速起动功能的起始处生成与逆变器100中的电机的逆电动势相同的电压。
例如，输出电压测量单元400可以通过变压器来检测电机200的三相逆电动势，并且可以通过转换器将检测到的三相逆电动势转换成两相逆电动势。
而且，输出电压测量单元400可以通过使用比例积分控制器(PI)来计算转换的两相逆电动势的角速度，所述PI将两相逆电动势的q轴逆电动势设置到0。
此外，输出电压测量单元400可以通过由积分器对计算出的角速度进行积分而计算逆电动势的相位角。
而且，输出电压测量单元400可以通过对两相逆电动势的q轴逆电动势和d轴逆电动势中的每个值进行平方、将其相加、并找到总和的平方根来计算逆电动势的量值。然而，其仅仅是说明性的。
图4是用于说明图3的系统的快速起动功能的示意图。在下面的描述中，将集中于上述示例性实施例的差异而进行描述，并且将省略冗余描述。
参照图4，在根据本公开的示例性实施例的系统中，当电机200在电机200的电压供应被中断之后自由转动时，电机200的逆电动势的转动速度和量值减小，并且即使当在电机200中存在逆电动势(或者其高于预定的参考值)时，也可以执行快速起动功能。
在快速起动功能的起始点处，输出电压测量单元400可以根据电机200中生成的逆电动势来测量电机200的逆电动势，并且将所测量的逆电动势数据(逆电动势的电压值、频率值或相位值)发送至控制单元300。在此时，控制单元300对逆电动势进行分析，并且将具有与电机200中生成的逆电动势相同的电压量值、相位和频率的输出电压波形发送至逆变器100。
一旦检测到逆电动势，逆变器100就从控制单元300接收具有与逆电动势相同电压量值、相位和频率的输出电压波形，并且输出与输出电压波形相同的输出电压波形以重新驱动电机200。
在逆变器100输出具有与逆电动势相同的电压量值、相位和频率的输出电压波形之后，其中在输出电压被增大的同时逆变器100的输出频率被固定(保持不变)的中间阶段开始。
中间阶段是指从逆电动势的检测的完成到快速起动功能的完成的时段。然而，其仅仅是说明性的。
在中间阶段中，逆变器输出电压增大直到逆变器输出电压的量值达到预定的V/F比率为止，并且之后中间阶段结束且完成快速起动功能。例如，预定的V/F比率可以是6.6KV/60Hz的比率。
根据快速起动功能的完成，逆变器100可以以预定的V/F比率来驱动电机200。然而，其仅仅是说明性的。
图5是用于说明根据本公开的一些示例性实施例的用于控制中压逆变器的方法的流程图。在下面的描述中，将集中于上述示例性实施例的差异而进行描述，并且将省略冗余描述。
参照图5，该方法的快速起动功能开始于测量电机200的逆电动势以重新驱动电机(步骤S110)。具体地，由与由逆变器100驱动的电机200电连接的输出电压测量单元400来测量电机200的逆电动势数据。在此时，输出电压测量单元400可以将测量到的逆电动势数据发送至控制单元300，使得逆变器100可以重新驱动电机200。例如，逆电动势数据可以包括逆电动势的电压值、逆电动势的频率值以及逆电动势的相位值。然而，其仅仅是说明性的。
随后，来自逆变器100的输出电压的量值增大(步骤S120)。具体地，控制单元300基于由输出电压测量单元400测量到的逆电动势数据来增大来自逆变器100的输出电压的量值。来自逆变器100的输出电压可以由VVVF驱动而增加至达到V/F比率。例如，当用30Hz的频率驱动电机200时，输出电压可以增加至达到例如3.3KV。
图6是用于说明根据本公开的示例性实施例的用于控制中压逆变器的方法的流程图。在下面的描述中，将集中于上述示例性实施例的差异而进行描述，并且将省略冗余描述。
参照图6，即使当存在电机200的逆电动势时，输出电压测量单元400也开始测量逆电动势数据(步骤S210)。具体地，输出电压测量单元400可以克服相关领域中的以下缺点：当存在残余逆电动势时(或者当逆电动势低于预定的值时)，为了检测电机200的速度，通过操作逆变器电路来测量电机200的电流中的有功分量是不可能的。
此外，输出电压测量单元400可以直接测量电机200中生成的电机200的逆电动势，以便从而减少重新驱动待机时间。
随后，完成逆电动势电压的电压和频率的测量(步骤S220)。具体地，输出电压测量单元400根据电机200中生成的电机200的逆电动势来测量逆电动势数据。例如，逆电动势数据可以包括逆电动势的电压、逆电动势的频率以及逆电动势的相位。
随后，控制单元300使用测量到的逆电动势数据而生成逆变器100的输出电压，并且重新驱动电机200(步骤S230和步骤S240)。具体地，当在输出电压测量单元400中完成逆电动势数据的测量时，控制单元300从输出电压测量单元400接收测量到的逆电动势数据，对逆电动势数据进行分析，并且将输出电压或输出电压波形值发送至逆变器(100)。
在此时，逆变器100从控制单元300接收输出电压或输出电压波形值，并且重新驱动电机200。例如，输出电压或输出电压波形值可以具有与逆电动势相同的电压和频率。此外，可以以与逆电动势相同的相位生成输出电压或输出电压波形值。
图7是用于说明根据本公开的另一示例性实施例的用于控制中压逆变器的方法的流程图。在下面的描述中，将集中于上述示例性实施例的差异而进行描述，并且将省略冗余描述。
参照图7，控制单元300在维持逆变器100的输出频率的同时增大输出电压(步骤S310)。具体地，当在输出电压测量单元400中完成逆电动势数据的测量时，控制单元300可以使用测量到的逆电动势数据来生成输出电压以重新驱动电机200。所生成的输出电压可以具有测量到的逆电动势电压的相同的量值、相位和频率。
例如，控制单元300可以在维持输出频率的同时增大输出电压的量值直到其达到输出电压与输出频率的预定的比率(例如，V/F比率)为止。
随后，输出电压的量值达到预定的V/F比率(步骤S320)。具体地，控制单元300维持逆变器100的输出电压的频率并增大输出电压的量值直到其达到输出电压与输出频率的预定的比率为止，使得完成快速起动功能。例如，控制单元300可以驱动电机200使得V/F比率被维持(例如，6.6KV/60Hz)。对于30Hz频率驱动，计算出的输出电压可以是3.3KV，并且来自逆变器的输出电压可以是3.3KV。
根据本公开的上述示例性实施例的用于控制中压逆变器的系统具有优点在于通过分析电机的逆电动势信息并且使用所分析的信息来检测电机的转动速度，使得即使存在逆电动势也可以重新驱动电机，以便从而减少重新驱动待机时间。
此外，该系统可以直接检测电机的逆电动势，也就是说，代替检测电机的有效电流，而用简单的配置来检测逆电动势的电压的量值和频率。
此外，该系统可以通过实时地计算电机的实际起动速度来执行重新驱动功能，使得不论由于负载变动而引起起动速度中的任何变化，都可以稳定地执行重新驱动功能而没有过渡状态。
此外，该系统可以通过使用接收输出电压测量单元的数据并控制逆变器的操作的算法来简化系统与部件之间的操作控制算法。
另外，该系统可以通过由简单的配置而不使用速度检测传感器来检测电机的转动速度而节约成本。
尽管已经参照本公开的示例性实施例描述了本公开的方法和系统，但是本公开并不限于此。示例性实施例中的一些或全部可以被选择性地组合，使得可以对本公开的上述示例性实施例进行改变、修改、增强和/或改进。
尽管已经参照附图对本发明的示例性实施例进行了描述，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下进行各种修改和变换。因此，应当理解的是，上述实施例在所有方面上不是限制性的而是说明性的。

Claims (10)

1.一种用于控制中压逆变器的系统，所述系统包括电机和驱动所述电机的中压逆变器，其中，所述系统包括：
控制单元，其被配置为控制来自所述中压逆变器的输出电压；和
输出电压测量单元，其被配置为测量包括反电动势的电压和频率的所述电机的反电动势数据，并且将所述反电动势数据发送至所述控制单元，
其中，当所述输出电压测量单元完成所述反电动势数据的测量时，所述控制单元基于测量到的所述反电动势数据生成所述输出电压以重新驱动所述电机，
所述控制单元由脉冲幅度调制(PAM)方式来控制所述中压逆变器，
所述输出电压测量单元通过使用分压电阻器以ms为单位执行采样而进行数字化的感测功能，来检测所述电机的速度，
在从所述反电动势数据的测量结束的时间点到完成快速起动的时间点为止的中间阶段，所述中压逆变器的输出电压的量值增大直至达到预定的V/F比率为止，之后所述中间阶段以及所述快速起动结束。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输出电压测量单元根据所述电机中生成的电机的反电动势来测量所述反电动势数据。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述输出电压测量单元完成所述反电动势数据的测量时，所述控制单元基于测量到的所述反电动势数据而生成所述输出电压以重新驱动所述电机，
其中，所述输出电压具有分别等于所述电压和所述频率的量值和频率，并且以与所述反电动势相同的相位而被生成。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述输出电压的量值增大的同时维持输出频率直至所述输出电压的量值达到输出电压与输出频率的预定比率为止。
5.一种用于控制在包括电机和驱动所述电机的中压逆变器的系统中执行的中压逆变器的方法，所述方法包括：
通过电连接至所述电机的输出电压测量单元来测量包括反电动势的电压和频率的所述电机的反电动势数据；
当完成所述反电动势数据的测量时，基于测量到的所述反电动势数据由所述中压逆变器重新驱动所述电机；以及
增大来自所述中压逆变器的输出电压的量值；
所述中压逆变器由脉冲幅度调制(PAM)方式被控制，
所述输出电压测量单元通过使用分压电阻器以ms为单位执行采样而进行数字化的感测功能，来检测所述电机的速度，
在从所述反电动势数据的测量结束的时间点到完成快速起动的时间点为止的中间阶段，所述中压逆变器的输出电压的量值增大直至达到预定的V/F比率为止，之后所述中间阶段以及所述快速起动结束。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，测量所述电机的反电动势包括：
由所述输出电压测量单元根据所述电机中生成的电机的反电动势来测量所述反电动势数据。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，测量所述电机的反电动势包括：
所述输出电压具有分别等于所述电压和所述频率的量值和频率，并且以与所述反电动势相同的相位而被生成。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，增大所述中压逆变器的输出电压的量值包括增大输出电压的量值直到其达到输出电压与输出频率的预定比率为止。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，增大所述中压逆变器的输出电压的量值包括在维持所述中压逆变器的输出频率的同时仅增大所述输出电压的量值。
10.根据权利要求5所述的方法，其中，增大所述中压逆变器的输出电压的量值包括当所述输出电压的量值达到输出电压与输出频率的预定比率时完成增大所述输出电压的量值。
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