CN110112941B - 逆变器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种被提供在起重系统中的逆变器，所述逆变器包括：缩放单元，其被配置为控制所述逆变器的DC链路电压的大小；比例‑积分(PI)控制器，其被配置为对所述缩放单元的输出和所述逆变器的输出电压执行PI控制并输出控制信号；第一计算单元，其被配置为将所述逆变器的指令频率和所述控制信号相加；以及电压确定单元，其被配置为从所述第一计算单元的输出频率中确定所述逆变器的输出电压。

Description

逆变器
技术领域
本公开涉及一种逆变器。
背景技术
通常，起重机表示具有通过使用电动机来提升重物的功能的机械装置。能够直接输入系统电源的感应电动机通常被用于起重机。
当安装在起重装置上的感应电动机通过使用商用电力被直接驱动时，会产生大的涌入电流并缩短感应电动机的寿命。而且，由于感应电动机仅以单速控制，因此逆变器通常用于驱动感应电动机。
逆变器是一种接收商用电源供应的电力并通过改变其电压和频率将电力供应给电动机从而以高效率控制电动机速度的设备。
当逆变器用于起重装置时，可以通过使用逆变器的可变电压可变频率(VVVF)功能以期望的速度驱动感应电动机，并因此可以防止涌入电流。
当逆变器安装在起重装置上来以多级速度驱动感应电动机时，可以以被分为低速和高速的电动机速度或以由用户控制的电动机速度通过使用两步或三步操作方法来驱动感应电动机。
由于反电动势随着感应电动机的速度增加而增加，所以需要更高的驱动电压。然而，当以高速驱动起重装置时，由于系统故障使逆变器的输入电压降低，从逆变器输出的电压也减小。因此，感应电动机可能不会以期望的速度被驱动。
此外，当起重机保持物体时逆变器的输入电压降低时，产生逆变器的跳闸，并因此当保持的物体下落时可能发生事故。
发明内容
本公开的目的在于提供一种逆变器，即使当起重装置中的逆变器的输入电压减小时，也可以以比期望速度稍低的速度提升物体，而不是降落物体或停止运行，从而提高用户便利性并防止事故。
本公开的目的不限于上述目的，并且本领域技术人员能够从以下描述中理解其他目的和优点。此外，将容易理解的是，本公开的目的和优点能够通过附属权利要求和其组合中所叙述的方法来实施。
根据本公开的一个方面，在起重系统中提供的逆变器包括：缩放(scale)单元，其被配置为控制逆变器的DC链路电压的大小；比例-积分(PI)控制器，其被配置为对缩放单元的输出和逆变器的输出电压执行PI控制，并输出控制信号；第一计算单元，其被配置为将逆变器的指令频率和控制信号相加；以及电压确定单元，其被配置为从第一计算单元的输出频率中确定逆变器的输出电压。
缩放单元可以包括第一乘法器，该第一乘法器被配置为DC链路电压乘以
Figure BDA0001640217810000021
并输出乘法的结果。
缩放单元还可以包括第二乘法器，该第二乘法器被配置为第一乘法器的输出乘以小于1的增益K并输出乘法的结果。
逆变器还可以包括：第一转换器，其被配置为将作为电压确定单元的输出的同步参考系的Q轴电压转换为固定参考系的Q轴电压；和第二转换器，其被配置为将固定参考系的Q轴电压转换为三相电压。
逆变器还可以包括转矩增大器(torque booster)，该转矩增大器被配置为确定补偿电压以根据逆变器的输出电流的大小来补偿转矩；和转差(slip)补偿器，其被配置为确定补偿频率以根据逆变器的输出电流的大小来补偿转差。
逆变器还可以包括：第三转换器，其被配置为将逆变器的三相输出电流转换为固定参考系的Q轴电流；和第四转换器，其被配置为将固定参考系的Q轴输出电流转换为同步参考系的Q轴电流。
逆变器还可以包括第二计算单元，该第二计算单元被配置为将来自转矩增大器的补偿电压输出与电压确定单元的输出相加。
逆变器还可以包括第三计算单元，该第三计算单元被配置为将来自转差补偿器的补偿频率输出和逆变器的指令频率相加。
附图说明
图1是采用根据本公开的实施例的逆变器的起重系统的示意图。
图2是根据本公开的实施例的逆变器的详细配置的方框图。
图3是用于解释图2的电压确定单元确定了对应于输入频率的电压的示图。
图4是图2的缩放单元的示例的详细视图。
图5是用于解释根据本公开的实施例的逆变器操作的示图。
具体实施方式
从参照附图的详细描述中上述目的、特征和优点将变得显而易见。足够详细地描述实施例以使本领域的技术人员在本领域中能够容易实践本公开的技术思想。众所周知的功能或配置的详细描述可以被省略，以免不必要地模糊本公开的主旨。在下文中，将参照附图详细描述本公开的实施例。在整个图中，相同的参考数字指的是相同的元件。
尽管可以使用如“第一”、“第二”等这样的术语来描述各种组件，但是这种组件不必限于以上术语。以上术语仅用于区分一个组件与另一个组件。例如，在不脱离本公开的正确范围的情况下，“第一构成元件”可以被称为“第二构成元件”，并且类似地“第二构成元件”可以被称为“第一构成元件”。此外，除非在上下文中另外明确指出，否则本说明书中以单数形式使用的表述还包括其复数形式的表述。除非另外定义，否则这里使用的包括技术或科学术语的所有术语具有与本公开可能涉及的领域中的普通技术人员通常理解的那些含义相同的含义。
在下面的描述中，参考图1至5描述根据本公开的实施例的逆变器。
图1是采用根据本公开的实施例的逆变器3的起重系统1的示意图。
如图所示，在起重系统1中，钢丝绳4通过的感应电动机2的操作被释放或卷绕用于在控制盒6中起重，从而挂钩5被上下移动。因此，由挂钩5所保持的物体升高或降低。
当安装在起重系统1中的感应电动机2由商用电力直接驱动时，当向其施加商用电力时产生大的涌入电流，并因此可能缩短电动机2的寿命且感应电动机2可能不以单一速度来控制。因此，起重系统1设置有逆变器3，并因此由逆变器3执行电力的供应。当通过逆变器3向电动机2供电时，通过逆变器3的可变电压可变频率(VVVF)控制方法，可以以期望的速度驱动电动机2并且可以防止涌入电流。
当在起重系统1中，通过逆变器3以多级速度驱动电动机2时，可以以被分为低速和高速的电动机速度或以由用户控制的电动机速度通过使用两步或三步操作方法来驱动感应电动机，所述两步或三步操作方法可以由用户设置。为此，起重系统1可以进一步设置有通过网络连接到逆变器3的人机界面(HMI)。
通常，由于反电动势随着速度增加而增加，所以电动机2需要更大的驱动电压。当电动机以高速驱动并且逆变器3的输入电压由于系统故障而减小时，从逆变器3中待输出的电压也减小，并因此电动机2可能不以期望的速度运行。此外，由于即使当逆变器3的输入电压降低时也向电动机2施加相同的频率，因此在电动机2中产生过载，并因此由挂钩5所保持的物体可能下落，或停止上升/下降。
因此，本公开提供了一种即使当逆变器3的输入电压减小时也以不低于期望速度的速度使物体上升/下降，而不会使物体下落或停止上升/下降的方法。因此，本公开可以提高用户便利性和系统稳定性。
在本公开的实施例中，电动机2和逆变器3被简要地示出，本公开不限于电动机2和逆变器3的布置和形状，并且可以根据起重系统1的结构进行各种配置。
图2是根据本公开的实施例的逆变器3的详细配置的方框图。
如图所示，根据本公开的实施例的逆变器3可以包括频率发生器31、电压确定单元32、第一至第四转换器33至36、转矩增大器37、转差补偿器38，比例-积分(PI)控制器40、缩放单元41、第一至第四计算单元42至45、以及传感器46。
频率发生器31可以生成作为由用户设置的电动机2的速度的指令频率。电压确定单元32可以确定对应于输入频率的电压。
图3是用于解释图2的电压确定单元32确定对应于输入频率的电压的示图。
如图所示，根据本公开的实施例电压确定单元可以通过VVVF控制方法来确定对应于输入频率的输出电压。
在图2中，第一转换器33可以将作为第三计算单元44的输出的同步参考系的Q轴电压VqseREF转换为固定参考系的Q轴电压，并且第二转换器34可以将固定参考系的Q轴电压转换为三相电压。从第二转换器34输出的三相电压可以作为逆变器3的输出被输入到电动机2。
例如，作为电流互感器(CT)的传感器46可以检测从逆变器3向电动机2输出的电流。
第三转换器35可以将从逆变器3向电动机2输出的并由传感器46检测到的三相电流转换为固定参考系的Q轴电流，并且第四转换器36可以将固定参考系的Q轴电流转换为同步参考系的Q轴电流。
当第一转换器33将同步参考系的Q轴电压转换为固定参考系的Q轴电流，并且第四转换器36将固定参考系的Q轴电流转换为同步参考系的Q轴电流时，第一转换器33和第四转换器36可以通过使用通过积分器39对输入频率(即电压确定单元32的输入)进行积分而获得的值(角度)来执行坐标系变换。固定坐标系的物理量
Figure BDA0001640217810000051
和
Figure BDA0001640217810000052
变换为同步参考系的物理量
Figure BDA0001640217810000053
和
Figure BDA0001640217810000054
的方程式如下。
[方程式1]
Figure BDA0001640217810000061
Figure BDA0001640217810000062
在该状态下，0＝∫ωedt和ωe可以表示施加到电压确定单元32的输入频率。
转矩增大器37被设置为解决以下问题，当频率过低时和由于电动机2的定子的电阻引起的电压降，所以低电压被施加到电动机2的磁化电感，且因此低电流可以在转子中流过并且不会产生大的转矩时产生的问题。转矩增大器37可以根据Q轴电流的量来确定补偿电压，并将经确定的补偿电压提供给第三计算单元44。根据补偿电压可以增加转矩。
由转矩增大器37确定的补偿电压Vboost可以根据下面的方程式来确定。
[方程式2]
Figure BDA0001640217810000063
在方程式中，Vrated表示额定电压，Irated表示额定电流，Frated表示额定频率，Fsl,rated表示额定转差频率，Iqs表示由第四转换器36提供的Q轴电流。
转差补偿器38可以接收来自第四转换器36的Q轴电流并根据Q轴电流的大小来确定补偿频率。通常，当负载施加到电动机2时，电动机2转子的转子频率减小，并且降低的频率被称为转差频率。转差频率的大小与负载的大小成正比，且负载的大小与电流量近似成正比。因此，转差补偿器38可以通过确定如方程式3中的补偿频率来补偿从频率发生器31中输出的频率。
[方程式3]
Figure BDA0001640217810000064
在方程式中，Fcomp表示补偿频率。
缩放单元41可以接收逆变器3的DC链路电压并将DC链路电压的大小转换为可以从逆变器3中输出的最大电压。逆变器3接收商用电力7，并且整流器48将商用电力7进行整流并将整流后的电压存储在直流链路电容器(未示出)中。根据本公开的实施例的DC链路电压测量器47可以测量存储在DC链路电容器中的DC链路电压并将存储的DC链路电压提供给缩放单元41。
图4是图2的单元41的示例的详细视图。
如图所示，根据本公开的本实施例的缩放单元41可以包括第一乘法器411和第二乘法器412。
逆变器3的线性调制最大值是
Figure BDA0001640217810000071
因此，第一乘法器411可以通过输入DC链路电压乘以
Figure BDA0001640217810000072
来输出
Figure BDA0001640217810000073
第二乘法器412可以通过将第一乘法器411的输出乘以增益K来输出以用于微调。“K”可以是由用户考虑由于逆变器3的内部设备中的电压降引起的裕度而设置的值，并且是小于1的值。
第四计算单元45可以接收缩放单元41的输出和Q轴电压指令，并且从缩放单元41的输出中减去Q轴电压指令。由于在V/F控制中，D轴电压指令为0，所以Q轴电压指令与逆变器3的输出电压相同。
PI控制器40可以接收第四计算单元45的输出并输出控制信号。具体地，PI控制器40可以对从第四计算单元45中输出的DC链路电压和Q轴电压指令的误差信号(即，第四计算单元45的输出)进行积分，并输出关于误差的比例-积分控制值。
下面描述根据本公开的实施例的逆变器3的操作。
第四计算单元45可以输出通过从由DC链路电压测量器47测量的DC链路电压的缩放值(缩放单元41的输出)中减去Q轴电压指令(逆变器输出电压)而获得的值，并将该值提供给PI控制器40。
在该状态下，当由于商用电力7的异常运行而导致逆变器3的输入电压减小时，由DC链路电压测量器47测量的DC链路电压减小。因此，当缩放单元41的输出小于作为逆变器输出电压的Q轴电压指令时，PI控制器40的输出控制信号可以为负。
当作为频率发生器31的输出的指令频率与作为转差补偿器38的输出的补偿转差频率之和由第一计算单元42确定，以及PI控制器40的输出控制信号和第一计算单元42的输出通过第二计算单元43相加并确定输出频率时，电压确定单元32可以确定与第二计算单元43的输出频率相对应的输出电压。如上所确定的输出电压可以通过第一转换器和第二转换器33和34被转换为三相电压并被施加到电动机2。
换句话说，施加到电压确定单元32的输出频率通过PI控制器40的负控制信号而减小。因此，随着输出电压减小，施加到电动机2的电压通过如图3所示的V/f模式也可以减小。
因此，根据本公开的本实施例，逆变器3的输出电压可以被控制在
Figure BDA0001640217810000081
内。
图5是用于解释根据本公开的实施例的逆变器的操作的示图。通道1 5A指示逆变器的输入电压。通道2 5B指示频率发生器31的输出。通道3 5C指示第二计算单元43的输出。通道4 5D指示逆变器3的输出Q轴电流。
可以从通道1中看出，即使当逆变器3的输入电压减小到187V的电压(小于220V(5A)的额定电压)时，频率发生器31的输出(5B)保持恒定。
第二计算单元43的输出频率通过本公开的PI控制器40的输出控制信号(5C)而被减小。因此，可以看出输出频率小于由频率发生器31生成的命令频率。
可以从通道4的Q轴电流指令中看出，当逆变器3的输入电压减小时，逆变器3的Q轴电流由于电动机2的过载而增加。根据本公开的实施例，Q轴电流保持在某一水平。
换句话说，根据本公开的逆变器3，由于高速时电压不足导致输出频率减少而不增加Q轴电流，并因此控制输出频率以适应逆变器3的输入电压，从而能够正常运行。
这样，根据本公开的实施例，即使当逆变器3的输入电压异常降低时，输出频率被自动控制使得起重系统1能够提升物体。因此，可以确保系统稳定性并可以提供用户便利性。
在不脱离本公开的范围和精神的情况下，本发明的概念所属领域的技术人员可以对上述本公开进行各种替代、改变以及修改。因此，本公开不限于上述示例性实施例和附图。

Claims (8)

1.一种被提供在起重系统中的逆变器，其中，所述逆变器包括：
缩放单元，其被配置为控制所述逆变器的DC链路电压的大小；
比例-积分控制器，其被配置为对所述缩放单元的输出和所述逆变器的输出电压执行比例-积分控制，并输出控制信号；
第一计算单元，其被配置为将所述逆变器的指令频率和所述控制信号进行相加；
电压确定单元，其被配置为从所述第一计算单元的输出频率中确定所述逆变器的输出电压；
转矩增大器，其被配置为确定补偿电压以根据所述逆变器的输出电流的大小来补偿转矩。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述缩放单元包括第一乘法器，所述第一乘法器被配置为将所述DC链路电压乘以
Figure FDA0002761989690000011
并输出所乘的结果。
3.根据权利要求2所述的逆变器，其中，所述缩放单元还包括第二乘法器，所述第二乘法器被配置为将所述第一乘法器的输出乘以小于1的增益K并输出所乘的结果。
4.根据权利要求1所述的逆变器，其中，还包括：
第一转换器，其被配置为将作为所述电压确定单元的输出的同步参考系的Q轴电压转换为固定参考系的Q轴电压；和
第二转换器，其被配置为将固定参考系的Q轴电压转换为三相电压。
5.根据权利要求1所述的逆变器，其中，还包括：
转差补偿器，其被配置为确定补偿频率以根据所述逆变器的输出电流的大小来补偿转差。
6.根据权利要求5所述的逆变器，其中，还包括：
第三转换器，其被配置为将所述逆变器的三相输出电流转换为固定参考系的Q轴电流；和
第四转换器，其被配置为将所述固定参考系的Q轴输出电流转换为同步参考系的Q轴电流。
7.根据权利要求1所述的逆变器，其中，还包括第二计算单元，所述第二计算单元被配置为将来自所述转矩增大器的补偿电压输出和所述电压确定单元的输出相加。
8.根据权利要求5所述的逆变器，其中，还包括第三计算单元，所述第三计算单元被配置为将来自所述转差补偿器的补偿频率输出和所述逆变器的指令频率相加。
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