CN110120770B - 逆变器的控制装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一实施例的逆变器的控制装置，包括：控制单元，产生预定指令电流；比较单元，求得所述指令电流和所述逆变器单元的输出电流之间的差；电流控制单元，基于所述差执行比例积分(PI)控制；频率推定单元，在所述指令电流供应到所述电流控制单元期间，基于对所述指令电流的电流响应推定所述电动机的转速，所述控制单元在所述逆变器单元的快速起动开始时，基于所述频率推定单元推定的所述电动机的转速设定所述逆变器单元的输出频率。

Description

逆变器的控制装置
技术领域
本发明涉及逆变器的控制装置(APPARATUS FOR CONTROLLING INVERTER)。
背景技术
逆变器是将直流(DC)转变为交流(AC)的逆变换装置。工业中使用的逆变器接收来自商用电源的电力，自行改变电压和频率并将其供应到电动机。因此，可以控制电动机的运转速度。
双高压逆变器是一种电压规格在3300至11000V范围内的逆变器，通常用于控制容量在600kVA至7.5MVA范围内的大容量电动机的转速或输出转矩。
在使用上述逆变器驱动电动机的系统中，由于各种原因，往往会发生在电动机旋转的状态下需要重新起动逆变器的情况。例如，在因瞬间停电等商用电源中断而导致电动机空运转(free-run)的过程中，商用电源重新输入而会发生逆变器重新操作的情况，这被称为快速起动(flying start)。
此时，逆变器中会产生过大的电流，从而引起包括噪声的抑制情况，严重时还有可能会发生逆变器的电力元件烧损的问题。因此，需要一种能够在电动机的空运转状态下电源恢复供电时容易地重新起动的方法。
以往使用了通过测量和分析电动机的输出电压并根据有效部分电流的变化来控制电动机的方法。然而，存在有当电动机中存在残余反电动势时难以分析电动机的输出电流信息，从而变得不能快速起动的问题。
因此，使用通过推定电动机的反电动势的频率来控制电动机的方法。然而，在使用上述方法时，当反电动势的大小小到难以推定频率的程度时，只能使用以往的快速起动方式，因此存在频率推定时间变长的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术课题是提供一种即使在电动机的反电动势极小的情况下也可以推定电动机的转速并执行快速起动的逆变器的控制装置。
根据本发明的一实施例，提供一种逆变器的控制装置，用于控制包括逆变器单元的逆变器系统，所述逆变器单元包括多个开关元件并且向电动机供应交流电压，所述逆变器的控制装置包括：控制单元，当所述电动机的交流电源供应中断时，产生预定指令电流；比较单元，求得所述指令电流和所述逆变器单元的输出电流之间的差；电流控制单元，基于所述差执行比例积分(PI)控制；频率推定单元，在所述指令电流供应到所述电流控制单元的期间，基于对所述指令电流的电流响应推定所述电动机的转速，所述控制单元在所述逆变器单元的快速起动开始时，基于所述频率推定单元推定的所述电动机的转速设定所述逆变器单元的输出频率。
在本发明的一实施例中，所述指令电流的a相是预定大小的正电流，b相和c相是预定大小的负电流。
另外，在本发明的一实施例中，所述a相的电流的大小可以是所述电动机的额定电流的1/2对应的大小。
另外，在本发明的一实施例中，所述控制单元从所述电动机的反电动势小于预定大小的时间点开始供应所述指令电流，直到所述逆变器单元的快速起动开始的时间点。
另外，在本发明的一实施例中，所述控制单元在向所述电流控制单元供应所述指令电流的期间，使所述逆变器单元的输出电压保持在恒定大小。
另外，在本发明的一实施例中，所述控制单元在所述逆变器单元的快速起动开始时，将所述逆变器单元的输出频率设定为与所述频率推定单元推定的所述电动机的转速相等，或者将所述逆变器单元的输出频率设定为比所述电动机的转速大预定大小以上的频率。
另外，在本发明的一实施例中，所述电流控制单元在被供应所述指令电流的期间，使用小于正常状态下的比例增益(P增益)的P增益。
另外，在本发明的一实施例中，所述频率推定单元计算出通过计算两次对所述a相指令电流的电流响应(电流响应)的增量而生成的正弦型曲线的过零点，从而推定频率。
另外，在本发明的一实施例中，所述频率推定单元计算出从所述b相电流响应减去c相电流响应而生成的正弦型曲线的过零点，从而推定频率。
另外，在本发明的一实施例中，所述电流控制单元将对所述差进行比例积分控制而产生的输出作为栅极信号提供给所述逆变器单元的所述多个开关元件。
根据本发明，通过注入直流电流并分析由注入的电流所产生的纹波电流来推定大致的电动机转速，并且基于推定的电动机转速执行快速起动，可以达到在以往的约10％的时间内结束快速起动的效果。
另外，根据本发明，即使在难以准确地分析反电动势的情况下，也可以迅速地推定出电动机转速，从而可以达到在短时间内完成逆变器的重新起动的效果。
附图说明
图1是一般的高压电动机系统的结构图。
图2是示出当电动机的电压供应中断时电动机在空运转状态下的转速和反电动势的变化的示例图。
图3是用于说明以往逆变器的快速起动操作的示例图。
图4是用于说明图3的操作过程中电动机的有效部分电流的变化的示例图。
图5是用于说明以往测量反电动势并基于反电动势的频率推定电动机转速来执行快速起动的操作的图。
图6是用于说明本发明的一实施例的逆变器系统的结构图。
图7是用于说明不容易掌握电动机转速的区间的图。
图8是图6的控制装置的详细结构图。
图9是用于说明图8中不同相的指令电流之间的大小关系的一个示例图。
图10是示出由图9的指令电流引起的电流响应的一个示例图。
图11是用于说明根据本发明的一实施例的快速起动操作的一个示例图。
具体实施方式
为了充分理解本发明的结构和效果，将参考附图描述本发明的优选实施例。然而，本发明不限于下面描述的实施例，而是可以以各种形式实施，并且可以进行各种改变。然而，本实施例的描述旨在提供本发明的完整公开，并且向本发明所属领域的普通技术人员充分公开本发明的范围。在附图中，为了便于说明，构成要素的尺寸被放大，并且构成要素的比例可以被夸大或减小。
术语“第一”，“第二”等可以用于描述各种构成要素，但是这些构成要素不应受限于上述术语。上述术语仅可用于区分一个构成要素与另一个构成要素。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，“第一构成要素”可以被命名为“第二构成要素”，并且类似地，“第二构成要素”也可以被命名为“第一构成要素”。此外，除非上下文另有明确规定，否则单数的表达包括多个表示。除非另外定义，否则本发明的实施例中使用的术语可以被解释为本领域技术人员公知的。
下面将参照图1至图5说明以往的快速起动技术，并参照图6至图11说明根据本发明的一实施例的逆变器的控制装置。
图1是一般的高压电动机系统的结构图。
如图所示，在一般的高压电动机系统中，即使在高压逆变器100发生故障时，也能够使将电动机200用作商用运转的商用线路连接到电动机200。即，第一开关300和第二开关400用于连接电动机200和高压逆变器100，第三开关500用于将电动机200直接连接到商用线路。
在电动机200通过第三开关500连接到商用电源并被驱动的途中，因瞬间停电等而不供应商用电源导致电动机200空运转，在此情况下，如果通过恢复供电而供应商用电源，则高压逆变器100通过第一、第二开关300、400连接到电动机200，以重新起动电动机200。此时，第三开关500断开。
图2是示出电动机的电压供应中断时电动机在空运转状态下的转速和反电动势的变化的示例图，如图所示，当电动机200的电压供应中断时，电动机200的反电动势和转速均减小。
图3是用于说明以往逆变器的快速起动操作的示例图，图4是用于说明图3的操作过程中电动机的有效部分电流的变化的示例图。
在快速起动开始点3A，高压逆变器100的输出频率f从最大频率开始减小，高压逆变器100的输出电压V从最小电压开始增加。
在快速起动完成时间点3B，高压逆变器100的输出频率f和电动机200的转速变得相同，高压逆变器100的输出电压V根据V/f比开始增加，此后的运转根据V/f比来控制。
如上所述，快速起动控制是在高压逆变器100的可变电压可变频率(variablevoltage variable frequency，VVVF)控制过程中执行电压大小和频率的独立控制，当电动机200中存在反电动势时高压逆变器100的内部电路难以操作，因此在反电动势小于预定大小时起动。高压逆变器100的频率从最高速度连续减小，并且在达到实际电动机200的转速时保持恒定。
V/f控制是用于使感应电动机200的内部磁通保持恒定的控制方式，通常，V/f比设定为额定电压/额定频率比，并且可以由用户根据参数来改变。
上述以往的快速起动的速度检测，通过观察高压逆变器100和电动机200的能量流来完成。即，参照图4可以看出，当高压逆变器100的输出频率快于电动机200的转速时，能量流从高压逆变器100向电动机200的方向发生，并且在正方向上检测到电动机200的有效功率。
如果连续降低输出频率并且输出频率变得小于电动机200的转速，则与上述相反地，能量流从电动机200向高压逆变器100的方向发生，并且在负方向上检测到有效电流。
利用上述原理，在以往的快速起动控制中，当电动机200的有效功率检测在负方向上保持预定时间时，完成速度检测并以V/f模式运转。
图5是用于说明以往的测量反电动势并基于反电动势的频率推定电动机转速的方式的图。
根据现有技术，可以通过测量从电动机200施加到高压逆变器100的相电压来测量电动机200的反电动势V，并且利用锁相环(phase-locked loop，PLL)，来生成与反电动势V相同大小的电压、相位和频率的输出电压V波形。逆变器100基于由此产生的输出电压V，在快速起动开始时产生与电动机200的反电动势V相同的电压。
PLL是将输入信号和参考频率一致以及使输出信号和频率一致的电路，用于检测输入信号和输出信号之间的相位差，并控制电压控制振荡器(voltage controlledoscillator，VCO)，输出准确固定后的频率信号。
参照图5，在区间4A-4B中由PLL检测具有与反电动势V相同的频率、相位和大小的输出电压V波形。在区间4B-4C中电动机200的频率即转速f固定，并且逆变器100的输出电压的大小增加。当在时间点4C完成快速起动时，此后可以根据V/f比来控制逆变器。
如图3所示，当检测到电动机200的转速f并且执行快速起动时，仅考虑高压逆变器100的输出电压参考信息和输出电流，而不考虑电动机200的输出电压。
相比之下，如图5所示，当基于电动机200的反电动势检测电动机200的转速f以执行快速起动时，检测电动机200的输出电压，以便在存在反电动势的区间检测电动机200的转速f。此时，通过使用分压电阻数字化1ms采样区间来检测电动机200的输出电压。
如上所述，根据以往的快速起动方法，在如图3所示的情况下，测量和分析电动机200的输出电压以根据有效部分电流的变化来操作，但在电动机200中存在残余反电动势时，难以分析电动机200的输出电流信息，从而不能执行快速起动。
另外，在如图5所示的情况下，由于可以使用反电动势推定电动机200的转速，因此可以在短时间内执行快速起动，但是当反电动势小到难以推定频率的程度时，无法推定转速，从而不能执行快速起动，在这种情况下，频率推定时间变长。
本发明用于解决上述现有技术的问题。根据本发明的一实施例，可以缩短推定电动机转速的时间，即使在电动机的反电动势非常小的情况下，也能够迅速地推定电动机转速。
图6是用于说明本发明的一实施例的逆变器系统的结构图。
如图所示，本发明的一实施例的逆变器系统可以包括：整流单元2，在由商用电源等交流电源1供电时对供应的电力进行整流；逆变器单元4，包括用于平滑来自整流单元2的输出电压的平滑单元3以及多个开关元件，将来自平滑单元3的平滑电压转变成期望的频率和电压的交流电压；控制装置6，将栅极信号提供给逆变器单元4的多个开关元件，通过分析来自逆变器单元4的输出电流来推定电动机5的转速。此外，本发明的一实施例的逆变器系统还可以包括用于测量输出到电动机5的输出电流的检测单元7。检测单元7例如可以是变流器(CT)。
图7是用于说明不容易掌握电动机转速的区间的图。
如图所示，在电动机的反电动势的大小小于预定大小(例如，0)的区间，即使在电动机旋转时也不能分析反电动势。
如图7所示，本发明的控制装置6向电动机5施加直流电流，并分析由施加的直流电流产生的纹波电流，以便在不能分析反电动势的区间内迅速地推定电动机的转速f。另外，本发明的控制装置6基于纹波电流推定电动机的转速，并且基于推定的电动机的转速执行快速起动。根据本发明，可以在以往的约10％的时间内推定出电动机的转速，从而可以快速地重新起动电动机5。
图8是图6的控制装置6的详细结构图。
如图所示，本发明的一实施例的控制装置可以包括控制单元10、电流控制单元20、比较单元15和频率推定单元30。
电流控制单元20可以产生栅极信号，以便在逆变器单元4产生用于施加电动机5所需求的指令电流ia*，ib*，ic*而所需要的电压，从而控制逆变器单元4的输出频率。
控制单元10可以产生施加到电流控制单元20的指令电流。
此时，指令电流可以是直流电流，a相可以是正电流，b相和c相可以是a相电流的一半大小的负电流。指令电流是直流电流，意味着预定大小的频率为0的电流。此时，直流电流的大小可以根据电动机5不同而不同。例如，在本发明的一实施例中，a相指令电流的大小可以是电动机2的额定电流的1/2大小的正电流，b相和c相指令电流的大小可以是a相指令电流的1/2大小的负电流。然而，这仅仅是示例性的，本发明并不限于此，指令电流的大小可以根据电动机5的额定值不同而设定为各种大小。
此时，可以将指令电流注入预定时间，例如200ms。在本发明的一实施例中，频率推定单元30通过分析因施加直流电流而产生的波纹，来推定频率，因此指令电流的注入时间的长度为使逆变器单元4中能够产生波纹的程度。然而，本发明并不限于此，指令电流的注入时间可以根据电动机5的额定值不同而略微改变。
图9是用于说明图8中不同相的指令电流之间的大小关系一个示例图。
如上所述，在本发明的一实施例中，a相指令电流可以是预定大小8B的正电流，b相和c相指令电流可以是相当于a相指令电流的大小8B的1/2大小8C、8D的负电流。
另外，为了测量由a相至c相指令电流产生的波纹，可以施加预定时间8A。
在本发明的一实施例中，比较单元15可以求得指令电流与由检测单元7测量的逆变器的输出电流之间的差，并将其提供给电流控制单元20。
在本发明的一实施例中，电流控制单元20可以是比例积分(proportional-integral，PI)控制器，电流控制单元20可以基于比较单元15的输出值执行比例积分(PI)控制。
即，电流控制单元20可以输出在比较单元15的输出上乘以特定的比例增益(P增益)的值的乘法运算来执行比例控制，在比例控制的结果上乘以特定积分增益(I增益)之后进行积分的积分运算，并将执行积分控制的结果合的输出作为栅极信号提供给逆变器单元4的多个开关元件。
比例控制是指通过控制逆变器单元4的输出频率，使输出频率和比较单元15的输出(偏差)之间具有比例关系，如果P增益设定得高，则偏差显示快速变化，从而系统的响应变快，但如果P增益设定得过高，则会导致系统不稳定。
积分控制旨在通过积分偏差来校正输出频率。对于比例控制，如果偏差大，则会产生较大的输出频率，如果偏差小，则输出频率的调整值也会变小。但是不能使偏差为0。积分控制用于完善上述比例控制的性能。通过在整个时间段内累积偏差来执行输出频率的积分校正，其结果偏差变为0。I增益是积分偏差的频度系数。
在本发明的一实施例中，电流控制单元20在供应用于测量电流响应的指令电流的期间8A，可以使用相比用于在正常状态下控制逆变器所使用的P增益小的P增益。
图10是由图9的指令电流引起的电流响应的一个示例图，可以对应于图6的逆变器单元4的输出。
如图所示，在逆变器单元4的输出中，对a相至c相的指令电流的电流响应可以用纹波电流来表示，a相电流响应的大小相当于b相和c相电流响应的两倍，并且可以看出其符号不同。即，a相电流响应为正的纹波电流，b相和c相电流响应为负的纹波电流。
另外，可以看出b相电流响应和c相电流响应的相位是反转的。
在a相电流响应中，正弦型曲线中央的斜率9A对应于P增益。对于b相和c相电流响应也是如此。
利用由此测量的电流响应，本发明的一实施例的频率推定单元30通过使用a相至c相纹波电流中的至少一个，可以推定出电动机5的频率即转速f。
例如，频率推定单元30在计算一次预定时间(例如，1ms)单位的a相电流响应的增量之后，再次计算预定时间单位的a相电流响应的增量(相当于二次微分)，从而可以从图10的a相电流响应的形态中求得正弦型曲线，通过计算所生成的正弦型曲线的过零点(zero-crossing)，可以推定出电动机5的转速。
或者，参照图10，b相电流响应和c相电流响应的相位彼此相反，因此频率推定单元30通过从图10的b相电流响应减去c相电流响应，可以求得正弦型曲线，通过计算所生成的正弦型曲线的过零点，可以推定出电动机5的转速。
然而，本发明的一实施例的频率推定单元30根据图10的电流响应推定电动机5的转速的方式并不限于上述方式，频率推定可以以各种方式进行。
控制单元10可以基于由频率推定单元30推定的电动机5的转速执行逆变器的快速起动。
图11是用于说明根据本发明的一实施例的快速起动操作的一个示例图，示出了由控制单元10控制的逆变器操作。
如图11所示，在商用电源供应中断而导致电动机的转速f减小且电动机的反电动势V减小的过程中，商用电源的供应有可能恢复。此时，根据现有技术，由于电动机5的反电动势的大小较小，可能无法快速起动。
然而，在本发明的一实施例中，控制单元10从预定时间点即时间点10A开始向电流控制单元20提供指令电流，直到快速起动开始时间点即时间点10B。这里，开始提供指令电流的时间点10A可以设定为电动机的反电动势V小于预定大小(例如，0)的时间点。另外，指令电流提供时间可以设定为预定时间，例如200ms，但指令电流提供时间可以根据实施例不同而不同。
频率推定单元30在控制单元10向电流控制单元20提供指令电流的期间，即，从时间点10A至时间点10B的期间，可以推定电动机5的频率、转速f。此时，控制单元10在向电流控制单元20提供指令电流的期间，即，从时间点10A至时间点10B的期间，可以使逆变器单元4的输出电压V保持在恒定的大小。
如果从时间点10B开始快速起动，则控制单元10将逆变器单元4的输出频率f设定为比频率推定单元30所推定的电动机5的转速或频率推定单元30所推定的电动机5的转速大预定大小以上的频率，并降低逆变器单元4的输出频率f，直到快速起动完成时间点即时间点10D。
在电动机5的转速f和逆变器输出频率f变得相等的时间点10D完成快速起动，电动机5根据时间点10D的逆变器输出频率f运转。控制单元10从快速起动开始的时间点10B从0开始增加逆变器输出电压V，直到快速起动结束的时间点10D。
在快速起动的结束时间点10D之后，控制单元10根据V/f比来调节逆变器单元4输出电压V。
如图所示，在本发明中，由频率推定单元30基于推定的电动机5的转速f开始快速起动，而不是如同以往在逆变器的最大输出频率中执行快速起动。因此，相比以往可以在较短时间内完成快速起动。
根据前述的本发明，通过注入直流电流并分析由注入的电流所产生的纹波电流来推定电动机转速，并且基于推定的电动机转速执行快速起动，可以在以往的约10％的时间内结束快速起动。
此外，即使在难以准确地分析反电动势的情况下，也可以迅速地推定出电动机转速，从而可以在短时间内完成逆变器的重新起动。
应理解，以上所说明的根据本发明的实施例仅仅是示例性的，本领域技术人员可以由此实施各种变形和等同范围内的实施例。因此，本发明真正的技术保护范围应由所附的权利要求书确定。

Claims (9)

1.一种逆变器的控制装置，用于控制逆变器系统，所述逆变器系统包括：整流单元，对由交流电源供应的电力进行整流；平滑单元，对来自所述整流单元的输出电压进行平滑；逆变器单元，包括多个开关元件，所述逆变器单元向电动机供应交流电压，其中，
所述逆变器的控制装置包括：
控制单元，对所述电动机的交流电源供应中断时，产生预定的指令电流；
比较单元，求得所述指令电流与所述逆变器单元的输出电流之间的差；
电流控制单元，基于所述差，执行比例积分控制；
频率推定单元，在所述指令电流供应到所述电流控制单元期间，基于对所述指令电流的电流响应来推定所述电动机的转速，
在所述逆变器单元的快速起动开始时，所述控制单元基于由所述频率推定单元推定的所述电动机的转速来设定所述逆变器单元的输出频率，
所述控制单元从所述电动机的反电动势小于预定大小的时间点开始供应所述指令电流，直到所述逆变器单元的快速起动开始的时间点，
在商用电源供应中断而导致所述电动机的转速减小且电动机的反电动势减小的过程中，
所述指令电流的电流响应包括a相电流响应、b相电流响应以及c相电流响应，所述a相电流响应的大小相当于所述b相电流响应的大小和所述c相电流响应的大小的两倍，所述a相电流响应是正的纹波电流，所述b相电流响应和所述c相电流响应是负的纹波电流，所述b相电流响应和所述c相电流响应的相位是反转的。
2.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
所述指令电流的a相是预定大小的正电流，所述指令电流的b相和c相是预定大小的负电流。
3.根据权利要求2所述的逆变器的控制装置，其中，
所述a相的电流的大小是所述电动机的额定电流的大小的一半。
4.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
在向所述电流控制单元供应所述指令电流期间，所述控制单元使所述逆变器单元的输出电压保持在恒定大小。
5.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
在所述逆变器单元的快速起动开始时，所述控制单元将所述逆变器单元的输出频率设定为与由所述频率推定单元推定的所述电动机的转速相等，或者将所述逆变器单元的输出频率设定为比所述电动机的转速大预定大小以上的频率。
6.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
在供应所述指令电流期间，所述电流控制单元使用比正常状态下的比例增益小的P增益。
7.根据权利要求2所述的逆变器的控制装置，其中，
所述频率推定单元计算正弦型曲线的过零点来推定频率，所述正弦型曲线通过两次计算对所述a相指令电流的电流响应的增量而生成。
8.根据权利要求2所述的逆变器的控制装置，其中，
所述频率推定单元计算正弦型曲线的过零点来推定频率，所述正弦型曲线通过从所述b相的电流响应减去c相的电流响应而生成。
9.根据权利要求1所述的逆变器的控制装置，其中，
所述电流控制单元将对所述差进行比例积分控制而产生的输出作为栅极信号提供给所述逆变器单元的多个所述开关元件。
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