CN110226286A - 采用和不采用交织的并联无源前端整流器 - Google Patents
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Abstract
本文中的实施例涉及三相并联无源前端驱动装置，其包含：整流器桥；可操作地连接到整流器桥并且配置成将功率从整流器转移到第一直流（DC）母线的耦合电抗；和将第一DC母线可操作地耦合到第二DC母线的母线耦合器。该并联驱动装置也包含：可操作地连接到第一DC母线的第一逆变器；可操作地连接第二DC母线的第二逆变器，第一逆变器和第二逆变器各自配置成分别提供多个马达励磁信号。该并联驱动装置也包含可操作以将来自第一逆变器的多个马达励磁信号和来自第二逆变器的多个马达励磁信号进行组合的多个相间电感器。
Description
技术领域
本文中公开的主题一般涉及马达驱动装置的领域，并且更特别地涉及用于电梯和HVAC/R制冷机系统的马达驱动装置。
背景技术
基于应用（例如，高层建筑物）的诸如牵引、液压和自推进电梯系统之类的电梯系统能够利用功率系统来推进电梯井内的轿厢。大的制冷机系统利用功率系统来驱动压缩机和风扇系统。目前，功率系统能够采用有源或无源整流器来生成DC母线并且然后采用逆变器方案来驱动马达。这样做是为了改善功率系统（特别地用于可变速或可变容量系统的）的性能。然而，将功率从整流器定时和切换（timing and switching）到直流（DC）母线包含固有的电磁干扰（EMI）问题。同样地，在逆变器中功率的定时和切换生成显著的EMI。
一般地，EMI噪声能够被划分成两个主要群组：差模（DM）噪声和共模（CM）噪声。DM噪声在相之间被传导。CM噪声连同所有相一起通过寄生电容器（parasitic capacitor）被传导到地。CM噪声对于马达驱动装置是十分关切的，因为CM噪声增大马达驱动装置中的EMI，并且损坏马达轴承和绕组绝缘。不幸的是，在某些应用中，诸如添加CM滤波器以使CM噪声衰减之类的解决方案由于每个CM滤波器的显著的重量代价（weight penalty）而不是可行的。
诸如电梯系统之类的输送系统使用机器将力给予搭载乘客的轿厢。制冷机系统使用大机器来操作大压缩机。采用的机器可需要根据应用而提供变化的功率电平。在或者电梯系统或者制冷机系统要求大的负荷（duty）或负载时，马达驱动装置需要被提供以向机器供以功率。经常地，高功率驱动装置可不存在，这导致用来制造合适的驱动装置的高设计成本和长开发时间。即使在市场中存在单个大驱动装置，但与单个大驱动装置关联的成本也可由于专业组件、组件可用性等而是过高的。此外，高功率驱动装置通常要求昂贵的高电压组件。因此，并联驱动装置可提供更节省成本的方法。
发明内容
根据本发明的一个实施例，本文中所描述的是三相并联无源前端驱动装置。三相并联前端驱动装置包含：配置用于连接到三相交流电源的整流器桥；可操作地连接到整流器桥并且配置成将功率从整流器转移到第一直流（DC）母线的耦合电抗；和将第一DC母线可操作地耦合到第二DC母线的母线耦合器。三相并联前端驱动装置也包含：可操作地连接到第一DC母线的第一逆变器；可操作地连接第二DC母线的第二逆变器，第一逆变器和第二逆变器各自配置成提供多个马达励磁信号；可操作地连接到第一逆变器和第二逆变器的第一控制器，所述控制器配置成生成控制信号以使第一逆变器和第二逆变器分别生成多个马达励磁信号；以及可操作以将来自第一逆变器的多个马达励磁信号和来自第二逆变器的多个马达励磁信号进行组合的多个相间电感器。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含第二整流器桥和可操作地连接到第二整流器桥并且配置成将功率从所述整流器桥转移到直流（DC）母线的第二耦合电抗。此外，在以上实施例中的任何实施例中，或者在备选中，三相并联无源前端还包含：第二耦合电抗包含两个串联电感器和并联电容器，其用来稳定第二DC母线。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含第二控制器，其中第一控制器和第二控制器实现用来使第一逆变器和第二逆变器分别提供大体上相等的马达励磁电流的方法。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：第一耦合电抗包含两个串联电感器和并联电容器，其用来稳定第一DC母线。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：第一耦合电抗或第二耦合电抗配置成控制三相并联无源前端驱动装置的环流。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：第一逆变器和第二逆变器包括至少六个开关器件。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：每个相间电感器包含一对绕组，并且配置成控制三相并联无源前端驱动装置的环流。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：控制器配置成实现用来使第一逆变器和第二逆变器分别提供大体上相等的马达励磁电流的方法。
根据本发明的另一实施例，本文中所描述的是带有三相并联无源前端驱动装置的马达控制系统。该马达控制系统包含：配置用于连接到三相交流电源的整流器桥；可操作地连接到整流器桥并且配置成将功率从所述整流器转移到第一直流（DC）母线的耦合电抗；和将第一DC母线可操作地耦合到第二DC母线的母线耦合器。该马达控制系统也包含：可操作地连接到第一DC母线的第一逆变器；可操作地连接第二DC母线的第二逆变器，第一逆变器和第二逆变器各自配置成提供多个马达励磁信号；可操作地连接到第一逆变器和第二逆变器的第一控制器，其中所述控制器配置成生成控制信号以使第一逆变器和第二逆变器分别生成多个马达励磁信号。该马达控制系统也包含：可操作以将来自第一逆变器的多个马达励磁信号和来自第二逆变器的多个马达励磁信号进行组合来形成多个组合的马达励磁信号的多个相间电感器；以及可操作地连接到多个相间电感器的马达，所述马达配置成接收多个组合的马达励磁信号。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含第二整流器桥和可操作地连接到第二整流器桥并且配置成将功率从所述整流器桥转移到直流（DC）母线的第二耦合电抗。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：第二耦合电抗包含两个串联电感器和并联电容器，其用来稳定第二DC母线。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含第二控制器，其中第一控制器和第二控制器实现用来使第一逆变器和第二逆变器分别提供大体上相等的马达励磁电流的方法。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：第一耦合电抗包含两个串联电感器和并联电容器，其用来稳定第一DC母线。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：第一耦合电抗或第二耦合电抗配置成控制三相并联无源前端驱动装置的环流。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：每个相间电感器包含一对绕组，并且配置成控制三相并联无源前端驱动装置的环流。
除以上所描述的特征中的一个或多个外，或者作为备选，另外的实施例可包含：控制器配置成实现用来使第一逆变器和第二逆变器分别提供大体上相等的马达励磁电流的方法。
根据又一实施例，本文中所描述的是具有带有三相并联无源前端驱动装置的马达控制系统的建筑物系统。该建筑物系统包含：配置用于连接到三相交流电源的整流器桥；可操作地连接到整流器桥并且配置成将功率从所述整流器转移到第一直流（DC）母线的耦合电抗；和将第一DC母线可操作地耦合到第二DC母线的母线耦合器。该建筑物系统也包含：可操作地连接到第一DC母线的第一逆变器；可操作地连接第二DC母线的第二逆变器，第一逆变器和第二逆变器各自配置成提供多个马达励磁信号；以及可操作地连接到第一逆变器和第二逆变器的第一控制器，所述控制器配置成生成控制信号以使第一逆变器和第二逆变器分别生成多个马达励磁信号。该建筑物系统也包含：可操作以将来自第一逆变器的多个马达励磁信号和来自第二逆变器的多个马达励磁信号进行组合来形成多个组合的马达励磁信号的多个相间电感器；以及可操作地连接到多个相间电感器的马达，所述马达配置成接收来自相间电感器的多个组合的马达励磁信号，其中马达被操作地耦合到建筑物系统的驱动元件。
另外的特征和优点通过本公开的技术来实现。本公开的其它实施例和方面在本文中被详细地描述。参考说明书和附图以用于更好地理解具有的优点和特征的本公开。
附图说明
在说明书的结论处的权利要求中清楚地要求保护并特别地指出被视为本发明的主题。从结合附图所进行的下面的详细描述，本发明的上述和其它特征以及优点是显而易见的，其中：
图1描绘了根据实施例的用于建筑物系统的功率系统；
图2示出了根据实施例的三相并联驱动装置的框图；
图3图示了根据实施例的无源整流器并联驱动装置的简化示意图；
图4图示了根据实施例的无源整流器并联驱动装置的简化示意图；
图5描绘了根据实施例的控制无源整流器并联驱动装置的方法；
图6图示了根据实施例的用于无源整流器并联驱动装置的控制信号；
图7图示了根据实施例的用于无源整流器并联驱动装置的控制信号；以及
图8描绘了根据实施例的耦合电感器结构。
具体实施方式
一般地，本文中的实施例涉及用来向DC母线供电的整流器，该DC母线又向驱动马达的转换器供应电压，并且本文中的实施例涉及配置该整流器以最小化或消除直流（DC）母线与交流（AC）源之间的共模噪声。以这种方法，本文中的实施例涉及为将功率从整流器定时和切换到DC母线。本文中的实施例陈述了一种使整流器系统（例如，三相无源前端整流器）通过功率电子学器件（power electronics device）的快速切换来积极地控制DC电压、AC侧正弦电流和功率因子的驱动装置和马达系统和/或方法。
一般地，无源前端整流器中的功率电子学器件的切换也带来了电磁干扰（EMI）问题。EMI滤波器被设计成使EMI噪声衰减以满足针对特定应用而定义的EMI标准，但EMI滤波器增加了对于整流器系统的重量和复杂性。此外，用于有源前端整流器的更复杂拓扑结构能够被应用以进一步降低CM电压。例如，并联有源整流器与标准两电平整流器相比具有更多控制自由度。然而，有源前端整流器更复杂。因此，采用和不采用交织（interleaving）的三相无源前端整流器提供PWM方法以实现对于更简单且更节省成本的并联整流器和逆变器的降低的CM电压。
出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将对附图中图示的实施例进行参考，并且将使用特定语言来描述这些实施例。不过将理解的是，由此不旨在限制本公开的范围。下面的描述在本质上仅是说明性的，并且不旨在限制本公开、其应用或使用。应理解的是，遍及附图中，对应参考数字指示相似或对应部分和特征。如本文中所使用的，术语控制器指执行一个或多个软件或固件程序的可包含专用集成电路（ASIC）、电子电路、电子处理器（共享的、专用的或群组）和存储器的处理电路系统、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能性的其它合适的接口和组件。
另外，术语“示范的”在本文中被用来表示“充当示例、实例或说明”。本文中描述为“示范的”的任何实施例或设计不一定要被解释为与其它实施例或设计相比是优选的或占优势的。术语“至少一个”和“一个或多个”被理解成包含大于或等于一的任何整数，即一、二、三、四等。术语“多个”被理解成包含大于或等于二的任何整数，即二、三、四、五等。术语“连接”能够包含间接“连接”和直接“连接”。
如本文中所示和所描述的，本公开的各种特征将被提出。各种实施例可具有相同或类似特征并且因此相同或类似特征可利用相同参考数字来标记，但参考数字的前面是指示示出所述特征的图的不同的第一个数字。因此，例如，在图X中示出的元素“a”可被标记“Xa”，并且图Z中的类似特征可被标记“Za”。虽然类似参考数字可在一般意义上被使用，但各种实施例将被描述，并且各种特征可包含如由本领域中的技术人员将领会的变化、改变、修改等，而无论是否被明确描述的还是以别的方式原本由本领域的技术人员领会的。
在一个实施例中，在建筑物采暖通风和空调或制冷系统（HVAC/R）的功率系统中利用了三相无源前端整流器。例如，建筑物HVAC/R能够采用由包含如本文中所描述的带有整流器和逆变器的马达驱动装置的功率系统所驱动的制冷机系统。在一些实例中，整流器可以是三相无源前端整流器。在实施例中，公开了采用和不采用交织的无源整流器。驱动装置也可包含功率电子学逆变器（例如，如可变速交流（AC）马达驱动装置），其用来改善制冷机系统的性能。
在另一实施例中，在电梯系统的电马达系统23中利用三相无源前端整流器。所述电梯系统也包含具有多个通道（lane）或井（shaft）的井道。在每个井中，一个或多个电梯轿厢行进以输送乘客到建筑物的期望的楼层。电马达系统利用功率电子学逆变器（例如，如可变速交流（AC）马达驱动装置）以改善操纵电梯轿厢的性能。三相无源前端整流器的其它应用和实施例包含用于列车、船、飞机等的功率系统。
图1是如可被采用以向一个或多个建筑物系统或负载23供以功率的实施例的功率系统10的组件的框图。在实施例中，关于HVAC/R系统描述了功率系统10。常规HVAC/R系统在蒸汽压缩循环中并入了闭合的制冷剂回路。蒸汽压缩循环使用循环制冷剂作为吸收和去除来自要冷却的空间的热量并且随后在别处将那个热量排出的介质。所有此类系统具有四个基本组件：压缩机、冷凝器、热膨胀阀（也称为节流阀或计量装置）和蒸发器。循环制冷剂作为饱和蒸汽进入压缩机，并且被压缩到更高压力，从而也导致了更高温度。热的压缩蒸汽然后处在称为过热蒸汽的热力学状态中，并且它处在某个温度和压力，在该温度和压力下它能够利用跨冷凝器中的线圈或管流动的冷却水或冷却空气被冷凝。这是循环制冷剂从系统排出热量并且排出的热量由水或空气带走（无论哪种情况）的地方。冷凝液体制冷剂（在热力学状态中称为饱和液体）接着路由通过（route through）膨胀阀，其中它经历压力中的突然降低。那个压力降低导致液体制冷剂的一部分的闪蒸。蒸发使液体和蒸汽制冷剂混合物的温度下降到比要制冷的封闭空间的温度更冷的温度。
冷的混合物然后路由通过蒸发器中的线圈或管。风扇跨携带冷的制冷剂液体和蒸汽混合物的线圈或管在封闭空间中循环暖空气。那个暖空气蒸发冷的制冷剂混合物的液体部分。同时，循环空气被冷却并且因此使封闭空间的温度下降到期望的温度。蒸发器是循环制冷剂吸收和去除热量的地方，所述热量随后在冷凝器中被排出并且由冷凝器中使用的水或空气转移到别处。为了完成制冷循环，来自蒸发器的制冷剂蒸汽再次成为饱和蒸汽并且迂回回到压缩机中。在大型HVAC系统或制冷机中，压缩机是大的并且由要求具有高电压和电流能力的专用马达驱动装置的非常大的马达来驱动。
虽然关于HVAC系统描述了一些实施例，但理解的是，实施例可被应用到带有大的马达控制的其它系统。此外，实施例涉及电梯系统并且关于该电梯系统而被描述，但再次可被应用到其它输送系统（例如，列车、汽车、船舶）。现在也转到图2，功率系统10包含诸如电气干线（例如，440伏，3-相）的AC功率12的源。AC功率12被提供到马达驱动系统20。如本文中进一步详细所描述的，驱动系统20包含以并联电配置布置的多个驱动装置。每个驱动系统20可包含整流器32、32'或转换器，其用来将AC功率12转换成DC电压。每个驱动系统20可包含逆变器40、40'，其用来将DC电压转换成多相AC驱动信号来驱动机器22（在图1中示出）。来自驱动系统20的驱动信号被供应到机器22以操作负载23。例如，转动压缩机或者将运动给予电梯轿厢。在示范实施例中，机器22包含多相永磁体同步马达21。
如图2中所示出的，驱动系统20包含在实施例中的并联驱动装置30和30'。两个驱动装置30、30'包含无源整流器32、32'和逆变器40和40'，它们并联连接以便向马达21提供驱动信号。在实施例中，逆变器40、40'二者由控制器60来控制。在备选实施例中，每个逆变器40和40'分别由单独的驱动控制器60和60'来控制。驱动控制器60和60'分别向逆变器40和40'提供控制信号62、62'、64以控制到马达21的驱动信号的生成。驱动控制器60、60'可使用执行存储在存储介质上的计算机程序以执行本文中所描述的操作的通用微处理器来实现。备选地，驱动控制器60、60'可在硬件（例如，ASCI、FPGA）中或者在硬件/软件的组合中被实现。
每个驱动装置30和30'是2电平3相驱动装置，例如图3中示出的驱动装置。如本文中将进一步详细所描述的，通过电连接每个驱动装置30和30'的正DC母线，驱动装置30和30'被并联放置。来自驱动装置30和30'的3相驱动信号被连接到电感接口50，其通过电感元件52、54、56（例如，电感器）将来自驱动装置30和30'的每个相应相组合。电感接口50虑及组合来自两个单独驱动装置30和30'的相。电感接口50也充当电压抑制滤波器。在实施例中，电感接口50是一个或多个相间电感器。相间电感器通常被配置为公共芯上带有相反极性端的连接在一起以作为公共输出的两个绕组。常规相间电感器将操作不同于输入中的每个输入的传送（pass）信号，但将阻塞或取消公共的信号。为此，相间电感器操作以将来自并联逆变器40和40'的马达励磁信号（即，电流）相加而抑制共模环流。换言之，适当设计的相间电抗器/电感器52、54、56将来自每个逆变器40、40'的电流相加并且对于基本电压波形未跨逆变器两端施加任何电压降，同时它阻止从一个逆变器尝试流到另一逆变器的电流。虽然图2中示出了两个驱动装置30和30'，但理解的是，实施例可包含多于两个并联连接的驱动装置。
图3是实施例的2电平3-相并联驱动装置20的更详细图。驱动装置30、30'中的每个包含具有3相输入R、S和T的无源整流器桥32、32'。每个相支路R、S和T被引导到常规三相整流器桥32、32'以将来自公用事业（utility）12的AC功率转换成DC功率。整流器桥32、32'的输出通过一组耦合电抗器来引导，该组耦合电抗器被采用以稳定/平滑（使总谐波畸变下降）并且提供到并联的整流器桥32、32'的公用事业电流的相等分担（sharing）。在实施例中，耦合电抗器被配置为在整流器桥32、32'的输出上分别带有串联的电感42、42'和44、44'以及并联的电容器46、46'的常规LC电路。电容器46、46'分别跨带有正极端子36和负极端子38的第一DC母线34两端以及带有正极端子36'和负极端子38'的第二DC母线34'两端被放置。DC母线耦合48将用于第一DC母线34的正极端子36和第二DC 34'的正极端子36'连接在一起，而DC母线耦合49将第一DC母线34的负极端子38和第二DC母线34'的负极端子38'连接在一起。在操作中，电流和电压将随逆变器40、40'中的切换和加载的变化而在DC母线34或34'上变化。另外，并联整流器32、32'和逆变器40、40'将引入对于环流的可能性（potential）。电感器42、42'、44、44'通过增大的阻抗来操作以对抗那些变化和感应的任何环流。同样地，电容器46、46'以常规方式操作以对抗DC母线34、34'上的任何电压变化。DC母线耦合48和49将DC母线34、34'连接在一起。由此，LC电路协同操作以稳定DC母线34、34'的电流和电压以及负载，并且保持每个DC母线34、34'上（输入）电流的相等分担。将领会的是，尽管本文中的实施例参照特别是串联电感器42、42'、44、44'，以及被放置在整流器32和32'的DC侧上的耦合电抗器来描述，但它们也可以以常规3相电抗器的形式被放置在整流器桥32和32'与公用事业源功率12之间的整流器32和32'的AC侧上。
驱动装置30也包含具有3个相支路W、V、U的第一逆变器40。每个相支路W、V和U包含以常规方式由来自驱动控制器60（参见图4）的控制信号控制的开关，其用来将跨DC母线34、36两端的DC功率转换成向马达21供以功率的AC驱动信号，所述马达21是机器22（未示出）的一部分。同样地，驱动装置30'包含再一次具有3个相支路W'、V'、U'的第二逆变器40'。每个相支路W、V和U以及W'、V'和U'包含由来自至少一个驱动控制器的控制信号控制的开关，其用来将跨DC母线34-36和34'-36'两端的DC功率转换成向马达21供以功率的AC驱动信号，所述马达21是机器22的一部分。逆变器40、40'对于马达驱动装置是常规的。在实施例中，逆变器40、40'在三个单独的并联支路中采用至少六个开关器件。
继续参照图3，并联驱动装置20也包含带有与马达21（未示出）的相应相对应的相间电感器52、54、56的电感接口50。相间电感器52、54、56组合来自并联逆变器40、40'中的每个而到马达21的输入。特别地，相间电感器52将逆变器相输出U和U'组合以形成到马达21的U命令。相间电感器54将逆变器相输出V和V'组合以形成到马达21的V命令。最后，相间电感器56将逆变器相输出W和W'组合以形成到马达21的W命令。
现在转到图4，其中描绘了另一实施例的2电平3-相并联驱动装置120的详细图。在此实施例中，组件和配置类似于前面的实施例，其中参考数字增大了100。此外，在参考数字未变化的地方，功能和描述与以上参照那些特定图所识别的相同。在此实施例中，驱动装置30包含具有三相输入R、S和T的无源整流器桥32。每个相支路R、S和T被引导到常规三相整流器桥32以将AC功率转换成DC功率。在此实施例中，未采用第二整流器桥，相反，为驱动装置30和30'二者采用了整流器桥32。整流器桥32的输出通过一组电抗器来引导，所述一组电抗器被采用以稳定来自并联整流器桥32的电流。在实施例中，电抗器被配置为在整流器桥32的输出上分别带有串联的电感42和44和并联的电容器46的常规LC电路。电容器46跨带有正极端子36和负极端子38的第一DC母线34两端被放置。可选地，第二电容器46'分别跨带有正极端子36'和负极端子38'的第二DC母线34'两端被放置。DC母线耦合48将用于第一DC母线34的正极端子36和第二DC母线34'的正极端子36'连接在一起，而DC母线耦合49将第一DC母线34'的负极端子38和第二DC母线34'的负极端子38'连接在一起。在操作中，电流和电压将随逆变器40、40'中的切换和加载的变化而在DC母线34或34'上变化。电感器42、44通过增大的阻抗操作以对抗那些变化。同样地，并且电容器46、46'以常规方式操作以对抗DC母线34、34'上的任何电压变化。DC母线耦合48和49将DC母线34、34'连接在一起。由此，LC电路协同操作以稳定DC母线34、34'的电流和电压以及负载。
继续参照图4，与更早的实施例一样，驱动装置30也包含如以上所描述的那样连接和操作的第一逆变器40，并且同样地，驱动装置30'包含也如以上所描述的那样连接和操作的第一逆变器40´。并联驱动装置20也包含带有与如以上所描述的那样连接和操作的马达21的相应相对应的相间电感器52、54、56的电感接口50。
普通PWM
现在转到图5，其中描绘了用于并联驱动装置20的控制方法200。为了促进在电感接口50处将单独驱动装置（例如，30/30'）的驱动输出信号组合，有益的是驱动装置的输出处的驱动信号被同步。由于组件、开关器件、驱动控制器60、60'和逆变器40、40'中的变化，使用相同控制信号可不导致来自驱动装置30、30'的U、V、和W与U'、V'、和W'的同步输出。为了帮助同步来自两个或更多驱动装置例如30、30'的输出，驱动控制器60和60'执行方法200以使提供到相应驱动装置30、30'以及特别是逆变器40、40'的控制信号62、62'（图2）对齐。图6描绘了用于为例如驱动装置30的逆变器40的一个相（例如，U、V或W中的任何）的从驱动控制器60生成控制信号60的第一脉冲宽度调制（PWM）信号80和用于为例如驱动装置30'的逆变器40'的一个相（例如，U'、V'或W'中的任何但分别对应于以上PWM信号80和82）的从驱动控制器60'（或64，如果采用单控制器60的话）生成第二控制信号62'的第二PWM信号82。应注意的是，控制信号62、62'在理想的情况下是相同的，并且在控制信号62、62'之间的变化小并且被设计成解决组件、定时以及诸如此类中的变化。在操作中，在过程步骤205处，定义第一PWM信号80的参考点84。如图5中所示出的，参考点84是PWM信号80的最小值，然而，任何参考点可被使用。
在操作期间，如在过程步骤210处所描绘的，当参考点84已出现在PWM信号80中时，第一驱动控制器60与第二驱动控制器60'通信。第二驱动控制器60'然后确定参考点86何时出现在其PWM信号82中。如果参考点84在第一PWM信号80中出现的时间与参考点86在第二PWM信号82中出现的时间之间有差别，则驱动控制器60和60'之一或二者可调整PWM信号80、82的周期，使得参考点84、86在相同时间出现，如在过程步骤215处所描绘的。应注意的是，过程步骤210和215被描绘为虚线，因为它们对于本文中公开的其它实施例是可选的。第一驱动控制器60或第二驱动控制器60'可使用已知技术来调整PWM信号80、82的周期，例如使用锁相环技术以便降低参考点84在控制信号80中出现的时间与参考信号86在控制信号82中出现的时间之间的误差。这改善了用于驱动装置30和30'的逆变器40与40'之间控制信号62、62'的同步，这允许在电感接口50中使用更小的电感元件。如所描述的控制信号同步可与任何数量的驱动装置一起使用，而不限于两个驱动装置。图5的控制信号同步可与除图3或4中示出的那些驱动装置外的驱动装置一起使用。
由控制器60、60'生成的控制信号62、62'可以是通常在n电平驱动装置和许多逆变器控制应用中使用的脉冲宽度调制（PWM）信号。在常规PWM中，如在过程步骤220处所描绘的，如基于负载的输出电流要求所要求的那样改变控制信号62、62'的占空比。例如，期望的占空比由通常为电流和速度值的马达控制命令生成。在许多应用中，速度值支配命令的占空比，而电流值可具有更小贡献。例如，如果由马达21要求更大速度或扭矩（torque），则增大控制信号62、62'的脉冲宽度，由此逆变器40、40'的开关器件在相称持续时间内保持接通并且将更多电流引导到马达21。同样地，如果来自驱动装置30、30'的输出电流或速度中的降低是需要的，则由控制器60、60'减小控制信号62、62'的占空比。因此，采用所描述的技术，可如在过程步骤230处所描绘的那样完成控制器60、60'与到逆变器的命令之间的同步。另外，与控制信号62、62'一起使用占空比控制促进了马达励磁信号U、V和W的准确控制。
组合的控制单控制器
继续参照图5，在另一实施例中，描述了与用于驱动装置120的不同拓扑结构配合的备选控制方法。在此实施例中，采用了单控制器（通常为DSP或微控制器）60。在此实施例中，由于相同控制器60在生成用于两个逆变器40和40'的控制信号60、64，因此，不要求特殊同步（因为由单控制器生成是固有的）。也就是说，由于到逆变器40、40'的控制信号60、64在相同控制器60中被生成，因此，在控制器之间、在布线（wiring）中以及诸如此类没有延迟，并且不需要同步技术。在实施例中，控制器60执行与以上对于第一驱动装置30和逆变器40所描述的过程类似的过程。然而，在此实例中，控制器60提供也来自驱动控制器60的基本上与第一集合相同的控制信号64的第二集合。实际上，在实施例中，它们是相同的。再一次，控制信号60、64可以是如在更早实施例中所描述的在n电平驱动装置中通常使用的脉冲宽度调制信号。
在操作期间，第一驱动控制器60可使用常规脉冲宽度调制技术来控制到逆变器40和40'的控制信号60、64的占空比（接通时间），并且由此控制由逆变器40和40'提供的电流。此技术非常简单，因为当从相同控制器产生用于两个逆变器40和40'的命令时不需要或不要求同步。然而，在此配置中，尽管从控制器配置来说是简单的，但它将不会解决用来确保逆变器40和40'相等分担电流负载所需要的任何校正。不幸的是，然后任何失衡将未得到补偿。另外，任何失衡将使电感接口50以及特别是相间电感器52、54、56承载逆变器40和40'的电流输出之间失衡的附加负担。过度失衡能使接口电感器52、54、56由于芯饱和而失去其用来阻塞环流的能力，因此要求更大的电感器来保持有效。
带有扰动的组合的控制单控制器
为了解决此考虑和在与40'比较时逆变器40的电流输出中的任何潜在失衡，在实施例中，公开了用于从控制器60生成逆变器控制信号60、64的另一方法。在此实施例中，类似于以上实施例，再一次采用单控制器60。再一次如以上所描述的，常规PWM占空比控制技术可被采用以制定到逆变器40和40'的控制信号60、64。然而，在此实例中，为了解决上面识别的失衡条件，在用来解决期望的操作所要求的占空比外，如在图5的可选过程步骤225处所描绘的，引入对于到逆变器40和40'的控制信号60、64中的每个控制信号的命令占空比的小变化或扰动（perturbation）。要求的扰动的量小，仅足以克服两个驱动装置40与40'之间的分担失衡。在实施例中，扰动是大约控制信号60、64的占空比的<1-2%。变化或扰动本质上以补充的方式被引入，也就是说，如果对于一个逆变器，例如逆变器40，扰动是控制信号60的标称占空比中的增大，则对于另一逆变器，例如40'，扰动是控制信号64的占空比中的降低。同样地，如果用于逆变器40的变化或扰动是减小控制信号60的标称占空比，则对于另一逆变器，例如40'，扰动是控制信号64的增大占空比。以这种方式，逆变器40对40'的电流输出中的任何失衡可被降低或消除，同时保持要求的总体期望占空比以及由此到马达21的命令的励磁信号（U、V、和W及U'、V'、W'）以实现期望的响应。有利的是，此方法降低了电流分担失衡对两个逆变器40和40'的影响以及由此对相间电感器52、54和56的影响。此方法也最小化对相间电感器52、54和56的要求，因为在平衡条件下每个中的净芯通量为零，并且因此芯材料能够被减少。
异相
继续参照图5并且现在参照图7，在另一实施例中，描述了另一控制方法。为了促进在电感接口50处将单独驱动装置（例如，30、30'）的驱动输出信号组合，再一次，有益的是驱动装置的输出处的驱动信号被同步以最小化要求的电感接口。如上所提及的，将领会的是，尽管采用相同命令，但仍存在到逆变器40和40'的控制信号60和62可不同步的许多原因。在实施例中，为了帮助同步来自两个或更多驱动装置例如30、30'的输出，驱动控制器60和60'执行与以上所描述的过程类似的另一过程以使提供到相应驱动装置30、30'以及特别是逆变器40、40'的控制信号60和62对齐。图7描绘了正如对于更早实施例所描述的用于驱动装置30的逆变器40的一个相（例如，U、V或W中的任何）的来自驱动控制器60的第一PWM信号80的一个周期。再一次，描绘了用于驱动装置30'的逆变器40'的一个相（例如，U'、V'或W'中的任何，但对应以上PWM信号80）的来自驱动控制器60'（或64，如果采用单控制器60的话）的第二PWM信号82。然而，在此实施例中，应注意的是，第二PWM信号82被定义成与第一控制信号80是180度异相。PWM信号80、82可以是通常在n电平驱动装置中使用的脉冲宽度调制信号。
在操作中，再一次定义第一PWM信号80的第一参考点84，类似于以上描述的实施例。如图7中所示出的，第一参考点84是PWM信号80的最小值，然而，任何参考点可被使用。另外，选择第二参考点88。再一次，尽管选择并且在图中描绘了控制信号80中的最大点，但能够选择几乎任何其它点。为简单起见，在处理最大值中，针对第二参考点88选择了第一参考点84（最小值）之后的90度。类似于以上所描述的实施例，在操作期间，当第一参考点84和第二参考点88已在PWM信号80中出现时，第一驱动控制器60与第二驱动控制器60'通信。第二驱动控制器60'然后确定第一参考点84和第二参考点88何时在其PWM信号82中出现。如果存在差别，计及（accounting for）两个参考点84、86在第一PWM信号80中出现的时间与两个参考点84、86在第二PWM信号82中出现的时间之间180度移位，则驱动控制器60和60'之一或二者可分别调整PWM信号80或82（并且由此调整控制信号60、62）的周期，使得相应PWM信号80、82的参考点84、86在相同时间出现。
第一驱动控制器60或第二驱动控制器60'可使用已知技术来调整驱动信号80、82的周期，例如使用锁相环技术以便降低参考点在PWM信号80中出现的时间与参考点在PWM信号82中出现的时间之间的误差。尽管带有上面提及的相差，但这改善了用于驱动装置30和30'的逆变器40与40'之间控制信号60、62的同步。当根据此实施例同步时，它虑及在整流器桥32、32'中要使用的对于更小整流器的可能性和更少负担。另外，它促进了DC母线32、32'和电抗42、44和46上降低的负担，因为逆变器40、40'的更少或没有开关器件同时需要电流。也就是说，控制信号62、62'被交织，使得一个驱动需求从其它驱动需求偏移。另外，将容易促进第二整流器桥32'和电抗42'、44'的消除，如更早实施例中所描述的那样。所描述的交织控制技术的附加有利特征是由于第二控制信号86的180度移位。应用到相间电抗52、54和56和马达21的噪声、切换、纹波（ripple）的表观频率（apparent frequency）被加倍。因此，相间电感器52、54和56的大小可被减小。备选地，由于表观频率加倍，如果相间电感52、54和56被保持在相同大小，则PWM的频率可被减半。另外，PWM频率加倍由于它降低了对用户的声学影响而具有附加的益处。人耳对更高频率更不灵敏，并且幅度被减半。降低PWM频率降低了逆变器40、40'的开关器件中的开关损耗，这取决于驱动装置的配置，开关损耗能够是开关器件中损耗的30%。如所描述的控制信号60、62同步可与任何数量的驱动装置一起使用，而不限于两个驱动装置。图7的控制信号60、62同步可与除图3或4中示出的那些驱动装置外的驱动装置一起使用。
异相和单控制器
在又一实施例中，描述了另一控制方法。再一次，为了促进在电感接口50处将单独驱动装置（例如，30/30'）的驱动输出信号组合，再一次，有益的是驱动装置的输出处的驱动信号被同步。在此实施例中，再一次如以上所描述的，采用单控制器60。在此实施例中，由于相同控制器60在生成用于两个逆变器40和40'的控制信号60、64，不要求特殊同步。也就是说，由于到逆变器40、40'的控制信号60、64在相同控制器60中被生成，因此，在控制器60、60'之间、在布线中以及诸如此类没有延迟，并且不需要同步技术。
在实施例中，控制器60执行与以上对于第一驱动装置30和逆变器40所描述的过程类似的过程。然而，在此实例中，控制器60提供也来自驱动控制器60的基本上与第一集合相同的控制信号64的第二集合。在此实施例中，应注意的是，控制信号64第二集合被定义成与第一控制信号62是180度异相，如以上针对实施例的交织控制方法所描述的那样。在此实例中，则使用单控制器60，尽管带有以上提及的相差，但控制了在用于驱动装置30和30'的逆变器40与40'之间控制信号的同步。当根据此实施例被同步和交织时，以上所描述的优点可被实现，所述优点包含虑及整流器桥32、32'中的更少负担，DC母线32、32'和电抗42、44和46上的更少负担。另外，将容易促进第二整流器桥32'和电抗42'、44'的消除，如更早实施例中所描述的那样。所描述的控制方法的附加有利特征是由于180度移位，表观频率加倍允许降低相间电感器的大小或者备选地降低PWM的切换频率以降低逆变器40、40'的开关器件中的开关损耗，如更早所描述的。
图8示出包含但不限于环形芯710的相间电感器物理结构700。采用了带有相反方向的两个等效绕组715、720，其中其共用点被连接到马达12的相，理想地将两个驱动输入的输出相加。相间电感器通量由通过两个分支的电流生成，在芯中形成抵消通量（cancelingflux）以有益于对于基本电压的最小电压降，同时从一个驱动装置到另一驱动装置的电感仍然限制环流。因此，通过控制来自驱动装置的相等电流和通过相间电感器的益处，大小以及还有在电流不平衡的情况下它能够引发的电压降被最小化。应领会的是，耦合电感器的实际设计将极可能仍导致从每个驱动装置到马达的一些泄漏电感。此残留泄漏电感将也起作用以提供马达浪涌（surge）电压抑制。
实施例包含并联驱动装置的使用以便满足高负载需求而无需设计单个高功率驱动装置或寻求其来源（source）。使用本文中所描述的带有无源整流器的并联驱动装置和控制方法允许驱动系统通过多个更低功率驱动装置来满足负载需求。这消除了与单个更高功率驱动装置关联的成本和/或开发时间。
鉴于以上所述，整流器系统的实施例的技术效果和益处包含实现降低的CM电压，其能够实现对于无源前端整流器系统的DC链路电压的控制能力。消除对于逆变器输出的共模电压导致CM EMI噪声的显著降低，并且消除了对CM EMI滤波器的需要，连同输入电流纹波、DC侧（例如，DC电容器）电流纹波和传导的EMI的降低。此外，实施例的技术效果和益处能够包含每个开关周期中平衡对于两个并联整流器的输出电压和环流。
本文中使用的术语是用于仅描述特殊实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如在本文所使用的，单数形式“一（a）”、“一个（an）”和“该（the）”也旨在包含复数形式，除非上下文另外清楚地指示。将进一步理解的是，术语“包括（comprise）”和/或“包括（comprising）”当在本说明书中使用时，指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件组件和/或其群组。
以下权利要求中的所有手段或步骤加上功能元件的对应结构、材料、动作和等效物旨在包含用于与如特定地要求保护的其它要求保护的元件结合地执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述出于说明和描述的目的已被提出，但不旨在详尽或者限于以公开的形式的发明。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的技术人员将是显而易见的。选择并描述了实施例以便最好地解释本发明的原理和实际应用，并且以便使本领域的其他技术人员能通过如适于预期的特定用途的各种修改来理解对于各种实施例的本发明。
Claims (20)
1.一种三相并联无源前端驱动装置，包括：
第一整流器桥，所述第一整流器桥配置用于连接到三相交流电源；
第一耦合电抗，所述第一耦合电抗可操作地连接到所述整流器桥并且配置成将功率从所述整流器转移到第一直流（DC）母线；
第二整流器桥，所述第二整流器桥配置用于连接到三相交流电源；
第二耦合电抗，所述第二耦合电抗可操作地连接到所述第二整流器桥并且配置成将功率从所述整流器桥转移到第二直流（DC）母线；
母线耦合器，所述母线耦合器将所述第一DC母线可操作地耦合到第二DC母线；
第一逆变器，所述第一逆变器可操作地连接到所述第一DC母线；
第二逆变器，所述第二逆变器可操作地连接所述第二DC母线，所述第一逆变器和所述第二逆变器各自配置成提供多个马达励磁信号；
第一控制器，所述第一控制器可操作地连接到所述第一逆变器和所述第二逆变器，所述控制器配置成生成控制信号以使所述第一逆变器和所述第二逆变器分别生成多个马达励磁信号；以及
多个相间电感器，所述多个相间电感器可操作以将来自所述第一逆变器的所述多个马达励磁信号和来自所述第二逆变器的所述多个马达励磁信号进行组合。
2.如权利要求1所述的三相并联无源前端驱动装置，其中所述第一耦合电抗和所述第二耦合电抗中的至少一个分别包含两个串联电感器和并联电容器，所述第一耦合电抗和所述第二耦合电抗用来稳定所述第一DC母线和第二DC母线。
3.如权利要求1所述的三相并联无源前端驱动装置，还包括第二控制器，其中所述第一控制器和所述第二控制器实现用来使所述第一逆变器和所述第二逆变器分别提供大体上相等的马达励磁电流的方法。
4.如权利要求3所述的三相并联无源前端驱动装置，其中：
所述第一控制器生成第一脉冲宽度调制（PWM）参考信号并且所述第二控制器生成第二PWM参考信号；
所述第一控制器和所述第二控制器各自分别基于所述第一PWM参考信号和第二PWM参考信号来生成所述控制信号的占空比，
分别基于所述第一PWM参考信号和第二PWM参考信号，所述第一控制器生成到所述第一逆变器的控制信号的第一集合，并且所述第二控制器生成到所述第二逆变器的控制信号的第二集合。
5.如权利要求4所述的三相并联无源前端驱动装置，还包含将所述第一参考上参考点的定时传递到所述第二控制器的所述第一控制器，所述第二控制器基于所述定时来调整其PWM参考信号的周期。
6.如权利要求5所述的三相并联无源前端驱动装置，还包含基于所述第一PWM参考信号和第二PWM参考信号中的至少的一个来扰动控制信号的所述第一集合和控制信号的所述第二集合中的至少一个的占空比的所述第一控制器和所述第二控制器中的至少一个。
7.如权利要求4所述的三相并联无源前端驱动装置，其中所述第二PWM参考信号与所述第一脉冲宽度调制（PWM）参考信号是180度异相。
8.如权利要求1所述的三相并联无源前端驱动装置，其中所述第一耦合电抗或所述第二耦合电抗配置成控制所述三相并联无源前端驱动装置的环流。
9.如权利要求1所述的三相并联无源前端驱动装置，其中所述第一逆变器和所述第二逆变器包括至少六个开关器件。
10.如权利要求1所述的三相并联无源前端驱动装置，其中每个相间电感器包含一对绕组并且配置成控制所述三相并联无源前端驱动装置的环流。
11.如权利要求1所述的三相并联无源前端驱动装置，其中所述第一控制器配置成实现用来使所述第一逆变器和所述第二逆变器分别提供大体上相等的马达励磁电流的方法。
12.如权利要求11所述的三相并联无源前端驱动装置，其中所述第一控制器生成第一脉冲宽度调制（PWM）参考信号和第二PWM参考信号；
分别基于所述第一PWM参考信号和第二PWM参考信号，所述第一控制器生成到所述第一逆变器的控制信号的第一集合和到所述第二逆变器的控制信号的第二集合。
13.如权利要求12所述的三相并联无源前端驱动装置，还包含:基于所述第一PWM参考信号和第二PWM参考信号中的至少一个来扰动控制信号的所述第一集合和控制信号的所述第二集合中的至少一个的占空比。
14.一种控制如权利要求12所述的三相并联无源前端驱动装置的方法，其中所述第二PWM参考信号与所述第一脉冲宽度调制（PWM）参考信号是180度异相。
15.一种带有三相并联无源前端驱动装置的马达控制系统，包括：
第一整流器桥，所述第一整流器桥配置用于连接到三相交流电源；
第一耦合电抗，所述第一耦合电抗可操作地连接到所述整流器桥并且配置成将功率从所述整流器转移到第一直流（DC）母线；
第二整流器桥，所述第二整流器桥配置用于连接到三相交流电源；
第二耦合电抗，所述第二耦合电抗可操作地连接到所述第二整流器桥并且配置成将功率从所述整流器桥转移到第二直流（DC）母线；
母线耦合器，所述母线耦合器将所述第一DC母线可操作地耦合到第二DC母线；
第一逆变器，所述第一逆变器可操作地连接到所述第一DC母线；
第二逆变器，所述第二逆变器可操作地连接所述第二DC母线，所述第一逆变器和所述第二逆变器各自配置成提供多个马达励磁信号；
第一控制器，所述第一控制器可操作地连接到所述第一逆变器和所述第二逆变器，所述控制器配置成生成控制信号以使所述第一逆变器和所述第二逆变器分别生成多个马达励磁信号；以及
多个相间电感器，所述多个相间电感器可操作以将来自所述第一逆变器的所述多个马达励磁信号和来自所述第二逆变器的所述多个马达励磁信号进行组合来形成多个组合的马达励磁信号；以及
马达，所述马达可操作地连接到所述多个相间电感器，所述马达配置成接收所述多个组合的马达励磁信号。
16.如权利要求15所述的马达控制系统，其中所述第一耦合电抗和所述第二耦合电抗中的至少一个包含两个串联电感器和并联电容器，所述第一耦合电抗和所述第二耦合电抗分别用来执行以下操作中的至少一个：稳定所述第一DC母线；稳定所述第二DC母线；以及控制所述三相并联无源前端驱动装置的环流。
17.如权利要求15所述的马达控制系统，还包括第二控制器，其中所述第一控制器和所述第二控制器实现用来使所述第一逆变器和所述第二逆变器分别提供大体上相等的马达励磁电流的方法。
18.如权利要求15所述的马达控制系统，其中每个相间电感器包含一对绕组并且配置成控制所述三相并联无源前端驱动装置的环流。
19.如权利要求15所述的马达控制系统，其中所述第一控制器配置成实现用来使所述第一逆变器和所述第二逆变器分别提供大体上相等的马达励磁电流的方法。
20.一种具有带有三相并联无源前端驱动装置的马达控制系统的建筑物系统，包括：
整流器桥，所述整流器桥配置用于连接到三相交流电源；
耦合电抗，所述耦合电抗可操作地连接到所述整流器桥并且配置成将功率从所述整流器转移到第一直流（DC）母线；
母线耦合器，所述母线耦合器将所述第一DC母线可操作地耦合到第二DC母线；
第一逆变器，所述第一逆变器可操作地连接到所述第一DC母线；
第二逆变器，所述第二逆变器可操作地连接所述第二DC母线，所述第一逆变器和所述第二逆变器各自配置成提供多个马达励磁信号；
第一控制器，所述第一控制器可操作地连接到所述第一逆变器和所述第二逆变器，所述控制器配置成生成控制信号以使所述第一逆变器和所述第二逆变器分别生成多个马达励磁信号；
多个相间电感器，所述多个相间电感器可操作以将来自所述第一逆变器的所述多个马达励磁信号和来自所述第二逆变器的所述多个马达励磁信号进行组合来形成多个组合的马达励磁信号；以及
马达，所述马达可操作地连接到所述多个相间电感器，所述马达配置成从所述相间电感器接收所述多个组合的马达励磁信号，其中所述马达操作地耦合到所述建筑物系统的驱动元件。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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