CN111771331A - 带有冗余功率结构的用于紧凑马达控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于选择性地控制从电源到负载的功率的紧凑马达控制系统，包括马达切换组件，该马达切换组件具有带有多个固态开关的固态接触器。马达切换组件还包括：至少一个直流(DC)链路，该至少一个DC链路耦接到固态接触器；以及冗余的第一逆变器和第二逆变器，第一逆变器和第二逆变器耦接到至少一个DC链路。马达切换组件还包括：第一继电器，该第一继电器耦接在固态接触器与逆变器的输入之间；和第二继电器，该第二继电器耦接在固态接触器与第二逆变器的输入之间。此外，马达控制系统包括控制系统，控制系统被编程为控制马达切换组件以选择性地从电源向负载供应功率。

Description

带有冗余功率结构的用于紧凑马达控制的系统和方法
背景技术
本发明整体涉及马达控制系统，并且更具体地涉及用于使用冗余功率结构/转换器的紧凑且可靠的马达控制的系统和方法。
工业中常使用的执行功率转换的一种类型的系统是可调速驱动器(也称为变频驱动器(VFD))。VFD是一种工业控制设备，其为驱动系统诸如AC感应电动机提供可变频率、可变电压操作。在使用中，通常将VFD提供作为整个控制和保护组件的一部分，该组件包括VFD、以及输入/输出熔断器、断开器、断路器、接触器或其他保护设备、控制器、滤波器和传感器的布置。
在一般规则下，将VFD、以及相关联的保护和控制设备提供作为具有其自己的外壳的分立部件，其中部件的布置被容纳在壳体内。部件的布置固定到壳体内的支撑件(诸如例如DIN导轨)，其中在部件之间提供布线以在它们之间提供电连接和/或通信。因此，当作为一个单元组装时，整个部件集合和容纳它们所需的壳体变得相当大而笨重。此外，在部件之间所需的布线的量通常过量，这可能会妨碍部件的可接取性并因大量的导线和导线连接而增加安装时间、成本、功率损耗和潜在故障。
取决于由VFD驱动的负载的重要性，VFD在不同应用中以不同方式实现。为了确保在关键应用中的不间断的操作，可以使用双VFD系统来驱动负载。双VFD系统包括两个VFD，每个VFD彼此并联地连接到负载，使得每个VFD都可以被操作来驱动负载。一次将有一个VFD驱动负载，并且如果驱动负载的VFD发生故障，则对负载的控制自动地转移到另一个VFD。然而，在系统中包括多个VFD是昂贵的，并且会向具有需要布线的大量部件的已经复杂的系统添加附加部件，如上所述。
可在不太关键的应用中使用的更具成本效益的选择是单VFD旁路系统。在单VFD旁路系统中，VFD与旁路组件并联地耦接到负载，该旁路组件包括旁路接触器和软起动器中的一个或多个，该旁路接触器和软起动器提供用于控制从动系统的另选控制路径或机构。已知使用传统的旁路组件作为解决方案在VFD故障的情况下或在其他情景下提供系统冗余，诸如例如直接地从公共设施执行VFD维护并全速运行马达以实现更高的系统效率。如在上文所指出和现有技术图1中所示出，现有旁路组件1作为一个或多个附加的分立部件被添加到VFD装置中，其中通常提供单独的输入接触器2、旁路接触器4、基于可控硅整流器(SCR)的软起动器6和输出/过载继电器8。然而，所得到的组合装置是昂贵、复杂、笨重的，并且在许多应用和/或安装位点中常常是不实际的。
此外，现有技术旁路接触器仅提供在电源与负载之间的直接连接而没有VFD的功能性。当旁路接触器闭合以绕过VFD时，系统控制器无法控制由马达接收的电压和电流。换句话说，不同于VFD，所提供的旁路不能控制马达的速度。因此，旁路限制或约束了马达的操作，并且不提供操作灵活性。
因此，将期望的是提供马达控制系统，其占有面积被最小化并在其部件之间需要更少布线或不需要布线，以便减小马达控制系统的大小、成本和复杂性。还将期望这样的马达控制系统包括冗余功率结构，该冗余功率结构提供比传统的系统更多的功能性、灵活性和可靠性。
发明内容
本发明的实施方案提供了带有冗余功率结构的用于紧凑马达控制的系统和方法，其提供了提高的可靠性和功能性。
根据本发明的一个方面，用于选择性地控制从电源到负载的功率的马达控制系统包括马达切换组件，该马达切换组件具有带有多个固态开关的固态接触器。该马达切换组件还包括：至少一个直流(DC)链路，该至少一个DC链路耦接到固态接触器；以及第一逆变器和第二逆变器，该第一逆变器和该第二逆变器耦接到至少一个DC链路。该马达切换组件还包括：第一继电器，该第一继电器耦接在固态接触器与第一逆变器的输入之间；和第二继电器，该第二继电器耦接在固态接触器与第二逆变器的输入之间。此外，马达控制系统包括控制系统，该控制系统被编程为控制马达切换组件以选择性地从电源向负载供应功率。
根据本发明的另一个方面，操作马达控制系统的控制器实现的方法包括以导电模式控制固态接触器，该马达控制系统具有固态接触器、耦接到固态接触器的至少一个DC链路、耦接到至少一个DC链路的第一电源转换器和第二电源转换器、以及耦接在固态接触器与相应的第一电源转换器和第二电源转换器之间的第一继电器和第二继电器。该方法还包括：闭合第一继电器以向第一电源转换器供应功率；以及操作第一电源转换器以驱动马达。此外，该方法包括通过以下操作从操作第一电源转换器转变到操作第二电源转换器：禁用第一电源转换器；断开第一继电器；闭合第二继电器；以及操作第二电源转换器以驱动马达。
根据本发明的又一个方面，马达切换组件包括：第一电源转换器；第二电源转换器，该第二电源转换器与第一电源转换器并联地耦接；和固态接触器，该固态接触器定位在第一电源转换器和第二电源转换器上游。该马达切换组件还包括：第一继电器，该第一继电器定位在固态接触器与第一电源转换器之间；和第二继电器，该第二继电器定位在固态接触器与第二电源转换器之间。
根据以下具体实施方式和附图，本发明的各种其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
附图示出了目前预期用于执行本发明的优选的实施方案。
在附图中：
图1是如现有技术中已知的具有被包括在其中的旁路组件的马达控制系统的框图。
图2是根据本发明的实施方案的功率系统的框图，该功率系统包括马达控制系统，该马达控制系统具有带有集成的固态接触器和冗余VFD的马达切换组件。
图3是根据本发明的实施方案的可在图2的马达控制系统中实现的马达切换组件的示意图。
图4是根据本发明的实施方案的功率系统的框图，该功率系统包括马达控制系统，该马达控制系统具有带有耦接到共用DC链路的集成的固态接触器/整流器和冗余逆变器的马达切换组件。
图5是根据本发明的实施方案的可在图4的马达控制系统中实现的马达切换组件的示意图。
图6是根据本发明的实施方案的示出用于使马达控制系统通电并在马达控制系统(诸如例如图2和图4的马达控制系统)的驱动部件之间交替的技术的流程图。
图7是根据本发明的实施方案的示出用于在已经通电的马达控制系统(诸如例如图2和图4的马达控制系统)的驱动部件之间交替的技术的流程图。
图8是根据本发明的实施方案的包括耦接到印刷电路板(PCB)的马达控制系统(诸如例如图2和图4的马达控制系统)的马达控制和保护组件的前视图。
图9是根据本发明的实施方案的图8的马达控制和保护组件的后视图。
图10是根据本发明的实施方案的图8的马达控制和保护组件的顶视图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及具有马达切换组件或模块的马达控制系统以及操作该马达切换组件的方法。马达切换组件包括固态输入接触器，该固态输入接触器从电源(诸如例如公用设施)接收输入功率。固态接触器替代了通常在马达控制系统中出现的多个分立保护和控制部件并在马达控制系统中提供了更高级的控制，包括功率流控制和保护。固态接触器由控制系统或控制器控制，以经由相应的继电器向与固态接触器分离且彼此分离的至少两个不同马达驱动器供应功率。控制器激活不同继电器，以便控制哪个驱动器从固态接触器接收功率来为马达供电。控制器可以基于计划表、驱动器故障、温度阈值或其他监测到的条件来选择要激活的一个或多个驱动器。
尽管下文将本发明的实施方案描述和示出为针对带有多功能固态接触器和冗余马达驱动器的马达控制系统，但是应认识到，本发明的实施方案并非意在限制于此类电路。也就是说，本发明的实施方案可以更普遍地扩展到具有不同构造和实施方式的功率/能量转换电路，诸如例如用于驱动非马达负载的马达起动器、马达控制中心和功率/能量转换电路。因此，以下讨论并非意在限制本发明的范围。
参考图2，示出了根据本发明的实施方案的功率系统10的框图。功率系统10包括电源12(诸如例如来自公用设施)，该电源耦接到断开接触器或开关14，该断开接触器或开关可在闭合或“接通”位置以及开路或“关断”位置操作，在闭合或“接通”位置允许来自公用设施12的功率流经该开关，在开路或“关断”位置功率不可流经该开关。功率系统10还包括耦接到断开开关14的输入熔断器16。输入熔断器16通过在电流电平变得过高时中断来自公用设施12的电流来提供过电流保护。输入熔断器16耦接到马达控制系统18，然后，该马达控制系统耦接到任选的输出滤波器20，该任选的输出滤波器帮助保护负载22(诸如例如马达)免受因阻抗失配而引起的反射波的有害影响并防止因绝缘失效、过热和噪声而引起的马达故障。
马达控制系统18包括马达切换组件或模块24、以及向马达切换组件24的各个部件提供控制信号的控制系统或控制器26。在一些实施方案中，控制器26还任选地控制断开开关14的位置。在其他实施方案中，马达控制系统18可以包括多个控制器，每个控制器向马达切换组件24的一个或多个选择部件提供控制信号。
马达切换组件24包括固态输入接触器28，该固态输入接触器经由第一输入继电器32耦接到第一电源转换器30并经由第二输入继电器36耦接到第二电源转换器34。在图2的实施方案中，第一电源转换器30和第二电源转换器34是VFD(在图2中分别示出为“VFD 1”和“VFD 2”，并且在下文中分别称为“第一VFD 30”和“第二VFD 34”)。在各种实施方案中，马达切换组件24还可以包括与第一VFD 30和第二VFD 34并联的一个或多个附加VFD，其中输入继电器耦接在每个附加VFD与接触器28之间。在又一个另选配置中，马达切换组件24可以包括任选的旁路38和相关联的旁路继电器40。
第一输入继电器32和第二输入继电器36中的每个都可以在闭合或接通位置/状态以及断开或关断位置/状态下操作，在闭合或接通位置/状态下固态接触器28可以向相应的第一VFD 30和第二VFD 34供应功率，在断开或关断位置/状态下第一VFD 30和第二VFD 34通过流电隔离与固态接触器28分离。第一VFD 30和第二VFD 34中的每个的输出电耦接到马达22，使得第一VFD 30和第二VFD 34中的每个可以向马达22供应功率，该马达可以用于驱动风扇、输送机、泵和其他机电设备。
在一些实施方案中，马达切换组件24任选地包括分别耦接在第一VFD 30和第二VFD 34的输出附近的第一输出继电器42和第二输出继电器46。第一输出继电器42和第二输出继电器46中的每个可以以与第一输入继电器32和第二输入继电器36类似的方式在接通和关断位置中操作。当第一输入继电器32和第一输出继电器42都在关断位置时，第一VFD30与固态接触器28和马达22电隔离。当第二输入继电器36和第二输出继电器46都在关断位置时，第二VFD 34与固态接触器28电隔离。因此，可以使用第一输入继电器32和第二输入继电器36与第一输出继电器42和第二输出继电器46将第一VFD 30和第二VFD 34与固态接触器28和马达22独立地隔离。独立隔离有利地允许第一VFD 30和第二VFD 34中的仅一个在检测到故障时被电隔离，或使得其可以被修理或更换。在其他实施方案中，可以省略第一输出继电器42和第二输出继电器46并由定位在节点44与马达22之间的任选的单个输出继电器(未示出)替代。
现在参考图3，根据本发明的实施方案，示出了图2的马达切换组件24的示例性结构/配置，包括VFD 30、34、固态接触器28以及继电器32、36、42和46的结构/配置。在图3的实施方案中，固态输入接触器28在三相输入的每条供电线上都包括了切换设备50。在示例性实施方案中，每个切换设备50由一对反向并联或反并联开关52(下文称为SCR 52)形成，这对开关诸如为以可控硅整流器(SCR)或晶闸管的形式的固态开关，其在图2的控制器26的控制下控制流过切换设备的电流。虽然每个相都被示为包括一对SCR 52，但是应认识到，可以替代地采用其他合适的固态开关，作为非限制性示例，包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、双极结型晶体管(BJT)、集成栅换向晶闸管(IGCT)、栅极关断(GTO)晶闸管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
由于接触器28由固态设备52形成，这与传统的机电接触器的情况不同，因此接触器28的每个固态设备52都可以由控制器26控制以调节马达切换组件24中存在的线路电压和电流的量。换句话说，控制器26可以控制接触器28以选择性地导通和阻挡电流流过接触器。这种对线路电压和电流的控制使控制器26能够由来自公用设施12的电压和电流供电，这与可能必需向控制器26提供更稳定的功率源的独立电源的情况不同。SCR 52还允许控制器26基于功率系统10(图2)中存在的过电压和/或过电流条件(如由各种传感器(未示出)测量)来控制固态接触器28作为过载继电器。此外，接触器28的配置可以允许控制器26控制接触器28以充当软起动器。
在图3中所示的三相马达切换组件24中，第一输入继电器32和第二输入继电器36以及任选的第一输出继电器42和第二输出继电器46中的每个包括三个机电或固态开关54，诸如例如IGBT或MOSFET，其额定值低于全马达电压并低于浪涌电流额定值。也就是说，由于在继电器32、36、42、46上游的固态接触器28用于选择性地导通和阻挡电流从中流过，因此开关54可以在减小的电压和电流应力水平(诸如例如，零负载条件)下切换。因此，与在马达控制设备的标准旁路组件中出现的各自要求具有全马达电压和更高的浪涌电流额定值(即，为额定马达电流的数倍的电流额定值)的“传统的”马达和浪涌额定继电器/接触器相比，开关54的额定值可能小于全马达电压和浪涌电流额定值。在包括任选的旁路继电器40和/或任选的输出继电器42、46的实施方案中，设想的是，这种继电器40、46将配置有类似于开关54的开关。如下文更详细地描述的，控制器26根据第一VFD 30和第二VFD 34(或任选的旁路38(图2)，当包括时)中的哪一个正在主动地向马达22供应功率来控制第一输入继电器32和第二输入继电器36、任选的第一输出继电器42和第二输入继电器46(或任选的单个输出继电器)。
在所例示的实施方案中，第一VFD 30和第二VFD 34类似地配置有将AC输入功率转换为DC功率的六二极管整流器桥56、从整流器桥接收DC功率并包括正极总线60和负极总线62的DC链路58、具有一个或多个跨DC链路58的电容器的DC链路电容器组64、以及在DC链路58上与整流器桥56串联并在该整流器桥的任一侧上的任选的电感器48(即，DC扼流圈)。VFD30、34还可以包括逆变器66以将DC功率转换为AC功率，其中逆变器66具有一系列开关和反并联二极管对68，该系列开关和反并联二极管对由控制器26经由传输栅极驱动信号来以特定频率输出来自马达切换组件24的特定AC功率来控制。就像固态输入接触器28一样，具有开关和反并联二极管对68的逆变器66的配置允许控制器26基于功率系统10中的过载条件(如由各种传感器(未示出)测量)来控制逆变器66作为过载继电器。在另选的实施方案中，第一VFD 30和第二VFD 34的配置可以彼此不同，以便提供用于控制马达22的不同功能性。
在控制马达切换组件24的操作的过程中，控制器26可以控制第一VFD 30和第二VFD 34及其相应的第一输入继电器32和第二输入继电器36，以便就第一VFD 30和第二VFD34中的哪一个在控制马达22而交替。控制器26在操作第一VFD 30和操作第二VFD 34之间交替的能力为马达切换组件24提供了冗余，并且与带有仅一个VFD的马达切换组件相比，可以用来延长马达切换组件24的寿命。在马达切换组件24中，控制器26可以根据计划表在第一VFD 30与第二VFD 34之间交替，以平衡或延长整个系统的寿命和可靠性。在第一VFD 30和第二VFD 34中的一个经历故障(诸如例如过电压、过电流或短路条件)的情况下，控制器26还可以从操作第一VFD 30和第二VFD 34中的一个切换到操作第一VFD 30和第二VFD 34中的另一个。此外，如果第一VFD 30和第二VFD 34中的一个过热或经历可最终地导致故障的另一种类型的应力，则控制器26可以切换以操作另一个VFD 30、34，或者可以操作第一VFD30和第二VFD 34两者，以便分担由马达22施加的总负载或应力。此外，在马达切换组件24包括任选的旁路38的实施方案中，在第一VFD 30和第二VFD 34两者都经历故障的情况下，控制器26可以在断开继电器32、36的同时激活或闭合旁路继电器40，以实现附加的安全性。在第一VFD 30和第二VFD 34与任选的旁路38之间交替的方法将在下文参考图6和图7进一步讨论。
现在参考图4，示出了具有马达控制系统72的功率系统70的另一个实施方案的框图。功率系统70与图2的功率系统10类似地布置，并且因此在其中的相同元件与功率系统10中的对应元件相同地编号，不同之处在于，功率系统10中的马达控制系统18用马达控制系统72替代。马达控制系统72包括与马达控制系统18的马达切换组件24不同的马达切换组件或模块74。就像马达切换组件24一样，马达切换组件74包括第一电源转换器76和第二电源转换器78。然而，第一电源转换器76和第二电源转换器78是功率系统70中的逆变器(在图4中分别示为“逆变器1”和“逆变器2”，并且在下文中分别称为“第一逆变器76”和“第二逆变器78”)，其共用DC链路80、以及具有一个或多个电容器的DC链路电容器组82。DC链路电容器组82的大小被设定成仅操作第一逆变器76和第二逆变器78中的一个。换句话说，DC链路电容器组82的电压和电流额定值小于第一逆变器76和第二逆变器78的组合的全电压和电流额定值。在一个非限制性实施方案中，DC链路电容器组82是以其中第一逆变器76和第二逆变器78中的一个独立地驱动负载的传统的方式来操作第一逆变器76和第二逆变器68所需的大小的一半。然而，根据另选的实施方案，DC链路电容器组82的大小可以被设定成同时地操作第一逆变器76和第二逆变器78两者。
第一逆变器76经由第一输入继电器84耦接到DC链路80，并且第二逆变器78经由第二输入继电器86耦接到DC链路80。由于第一逆变器76和第二逆变器78共用共同DC链路80，因此马达切换组件74的固态设备88用作整流器以及输入接触器。马达切换组件74还包括控制系统或控制器90，以用于控制马达切换组件74的各种切换部件以及任选地控制断开开关14。类似于图2的功率系统10，马达切换组件74可以包括带有旁路继电器40、第一输出继电器42和第二输出继电器46以及/或者定位在节点44与任选的输出滤波器20之间的单个输出继电器(未示出)的任选的旁路38。
现在参考图5，根据本发明的实施方案，示出了图4的马达切换组件74的一个实施方案的示例性结构/配置。在图5的实施方案中，固态输入接触器/整流器88是半控整流器，其具有与二极管94串联的三组并联开关92。在另选的实施方案中，固态设备88可以是全控整流器的形式，其中二极管94由附加开关92替代。开关92可以是如图5所示的SCR或晶闸管，或者可以以另一种类型的固态开关(诸如例如，IGBT或MOSFET)的形式提供。类似于马达切换组件24(图3)的固态接触器28，固态开关92允许固态设备88由控制器90控制以调节马达切换组件74中存在的线路电压和电流的量，从而减小电压和电流应力水平。此外，由于控制器90能够可靠地控制每个固态开关92，因此控制器90可以由来自公共设施12(图4)而不是独立电源的电压和电流供电。使用SCR 92还允许控制器90基于功率系统70(图2)中存在的过电压和/或过电流条件(如由各种传感器(未示出)测量)来控制固态接触器28作为过载继电器。在各种实施方案中，诸如例如在固态设备88是全控整流器的实施方案中，控制器90还可以操作固态设备88作为软起动器。
在三相马达切换组件74中，第一输入继电器84和第二输入继电器86中的每个都包括了在DC链路80的正极总线96上的一个开关54。然而，替代正极总线96上的开关54或除其之外，开关54可以任选地包括在DC链路80的负极总线98上。马达切换组件74还可以包括任选的第一输出继电器42和第二输出继电器46(或在节点44下游的单个输出继电器)，其与在马达切换组件24中一样地布置并将各自包括三个开关54，从中流过的AC功率的每个相各用一个。与马达切换组件24一样，由于控制器90能够使用固态设备88的开关92来控制线路电压和电流(诸如例如当用软起动器功能性来操作固态设备88时)，因此开关54可以仅额定为标称马达负载而不是全马达负载(全马达电压和浪涌电流额定值)。
在图5的实施方案中，以与马达切换组件24的逆变器66类似的方式配置第一逆变器76和第二逆变器78。第一逆变器76和第二逆变器78包括相同系列开关和反并联二极管对68，该开关和反并联二极管对由控制器90控制来以特定频率输出来自马达切换组件74的特定AC功率。由此，控制器90还可以控制逆变器66作为过载继电器，如上文关于图3所指示。在另选的实施方案中，第一逆变器76和第二逆变器78可以具有与马达切换组件24的逆变器66不同的结构和/或在结构上彼此不同。
类似于马达切换组件24的控制器26，控制器90可以在操作第一逆变器76与操作第二逆变器78之间交替，以便提供冗余并延长马达切换组件74的寿命。作为一个示例，控制器90可以基于平衡马达切换组件74并提高马达切换组件74的可靠性的计划表来在操作第一逆变器76与操作第二逆变器78之间交替。作为另一个示例，控制器90可以基于在第一逆变器76和第二逆变器78中的一个中检测到的故障(诸如例如过载或短路条件)来从第一逆变器76和第二逆变器78中的一个交替到另一个。此外，控制器90可以被配置为在第一逆变器76与第二逆变器78之间切换，或如果第一逆变器76和第二逆变器78中的一个正在过热或遭受另一种种类的应力，则同时地操作第一逆变器76和第二逆变器78两者以分担马达22(图4)的负载。在包括旁路38的实施方案中，如果两个逆变器都经历了故障，则控制器90还可以闭合旁路继电器40以绕过第一逆变器76和第二逆变器78两者。
现在参考图6至图7并继续返回参考图2至图5，根据本发明的实施方案，示出了用于在第一电源转换器与第二电源转换器(例如，图2至图3的马达切换组件24的VFD 30、34或图4至图5的马达切换组件74的第一逆变器76和第二逆变器78)之间交替或转变的方法。下文关于图2的功率系统10的部件描述了第一方法116和第二方法118。然而，第一方法116和第二方法118也适用于图4的功率系统70的部件。因此，方法116、118的控制序列将理解为扩展为使用功率系统70中的控制器90类似地控制马达切换组件74的第一逆变器76和第二逆变器78来以正常和飞车起动模式操作。
图6示出了用于从操作第一VFD 30转变到操作第二VFD 34以驱动马达22的第一过程或方法116。图7示出了用于从操作第二VFD 34转变到操作第一VFD 30以驱动马达22的第二过程或方法118。第一方法116和第二方法118一般由控制器26执行，该控制器控制马达控制系统18的马达切换组件24的部件并任选地断开功率系统10的开关14。
在以第一方法116和第二方法118控制马达切换组件24的操作的过程中，控制器26经由向固态接触器28中的SCR 52传输栅极驱动信号来控制该SCR。根据示例性实施方案，固态接触器28可以许多不同模式操作，包括“导通”或“输入”模式或状态、以及“非导通”或“可转变”模式或状态，这将在下文进一步详细地解释。控制器26还控制第一继电器32和第二继电器36(在图6至图7中分别称为“继电器1”和“继电器2”)中的每个和任选地旁路继电器40以及第一输出继电器42和第二输出继电器46在上文关于图2描述的接通/闭合状态与关断/断开状态之间切换，使得可以选择性地控制通过第一VFD 30和第二VFD 34的电流。
首先参考图6，第一方法116从步骤120开始，在该步骤处，功率系统10因断开开关14处于关断状态而处于断电状态。也就说，由于断开开关14处于关断状态，因此通过断开开关14切断从AC源12到马达控制系统18的功率流。在步骤122处，将断开开关14接通，使得功率流到马达控制系统18(和马达切换组件24)并使系统通电。在此初始阶段，在步骤122中，控制器26控制固态接触器28的SCR 52处于接通状态(导通模式)。如本领域中已知的，可以通过将跨阳极到阴极的电压增加到超过击穿电压或通过在SCR 52的栅极处施加正脉冲来使SCR 52进入导通状态。而且，在步骤122处，将第一输入继电器32切换为接通状态，并且第二输入继电器36处于关断状态。然后，控制器26操作第一VFD 30以驱动马达22。尽管将第一方法116描述为好像第一VFD 30在起动时启动那样，但是控制器26可以另选地在起动时选择操作第二VFD 34或系统中包括的任何其他VFD。
在步骤124处，控制器26确定是否停止第一VFD 30的操作以开始操作第二VFD 34。根据本发明的实施方案，控制器26可以基于多个输入和/或标准来做出该确定。在一个实施方案中，控制器26可以基于检测到第一VFD 30已经经历错误条件或以其他方式不能正常地运行来确定是否转变到第二VFD 34。也就是说，控制器26可以将在第一VFD 30处测量的一个或多个电压和/或电流值与一个或多个预限定的阈值进行比较，以便感测第一VFD 30中的短路或其他错误条件。例如，一个或多个电压或电流采样或感测电路或传感器(未示出)可以测量或确定第一VFD 30中的一个或多个位置处的电压和/或电流，包括在整流器56或逆变器66的开关级处的电流、在DC链路58上的电流和/或来自第一VFD 30的输出电流或电压。作为一个非限制性示例，控制器26可以将DC链路58上的电压与预限定的“过电压条件”进行比较以确定第一VFD 30是否已经发生故障。控制器26还可以根据预编程在控制器26上的被设计为用于延长第一VFD 30和第二VFD34的寿命的预确定的操作计划表来确定在操作第一VFD 30与操作第二VFD 34之间切换。在这种情况下，如果第一VFD 30的操作时间已经达到或接近预确定的操作计划表所规定的时间阈值，则控制器26可以将马达22的操作从第一VFD 30转变为第二VFD 34。
如果控制器26在步骤124处确定不将操作从第一VFD 30转变到第二VFD 34，如决策线126处所指示，则第一方法116循环回到步骤122。这样做时，控制器26继续操作第一VFD30以驱动马达22。相反地，如果控制器26在步骤124处确定从第一VFD 30转变到第二VFD 34(如决策线128处所指示)，则第一方法116继续到步骤130，在该步骤中，执行这种转变。
在步骤130处，控制器26停止驱动第一VFD 30来操作马达22，并且然后使第一输入继电器32移动到关断状态。由于控制器26在断开第一输入继电器32之前禁用第一VFD 30，因此第一输入继电器32在零负载条件下切换而没有任何电压或电流应力，这允许第一输入继电器32的电压额定值小于全马达电压而没有任何浪涌电流额定值。此外，如果禁用第一VFD30，则在切换第一输入继电器32之前，不需要将固态接触器28的SCR 52切换到关断状态。然而，在将第一输入继电器32从闭合位置切换到断开位置之前，控制器26可以任选地首先使固态接触器28中的SCR 52切换到关断(非导通)状态，以确保在零负载条件下切换第一输入继电器32。SCR52向关断状态的这种切换可以由控制器26以已知方式(诸如通过使栅极关断)执行，并且然后短暂地使阳极和阴极短路(诸如通过按钮开关或跨结的晶体管)。
在禁用第一VFD 30并将第一输入继电器32切换到关断状态后，控制器26将第二输入继电器36从关断状态切换到接通状态并操作第二VFD34。由于可以控制第二VFD 34以防止当在关断状态与接通状态之间转变时第二输入继电器36上的电压或电流应力，因此接触器28的SCR 52可以保持处于接通状态。然而，接触器28的SCR 52在此转变期间可能处于关断状态以确保第二输入继电器36上的零负载条件。在任一情况下，控制器26都在零负载条件下切换第二输入继电器36，并且第二输入继电器36可以以小于全马达电压而没有任何浪涌电流额定值的电压额定值来实现。如果在第二输入继电器36的转变期间关断接触器28的SCR 52，则在控制器26可以操作第二VFD 34来驱动马达22之前，SCR 52将需要切换回到接通状态。
控制器26初始地在飞车起动模式启用的情况下操作第二VFD 34。飞车起动模式允许控制已经在旋转的马达。当VFD以正常操作模式起动时，VFD初始地施加0Hz并斜升到频率命令值。然而，在马达已经在旋转的情况下以正常模式起动VFD将产生大电流，这可能会造成过电流故障。在飞车起动模式中，控制器26首先识别马达22的当前速度，并且然后开始操作第二VFD 34以使其频率、振幅和相位输出与已经在旋转的马达22同步。
在步骤132处，控制器26确定第二VFD 34是否已经赶上马达22的速度或与其同步。如果否，则如判定线134处所指示，第一方法116循环回到步骤130。然而，一旦第二VFD 34与马达22同步，如决策线136处所指示，则第一方法116从步骤132移动到步骤138，在该步骤中，控制器26操作第二VFD 34以驱动马达22。此后，第一方法116在步骤140处结束。
现在参考图7，在操作VFD 34与操作VFD 30之间转变的方法118开始于步骤142，在该步骤中，固态接触器28导通，第一输入继电器32处于关断状态，第二输入继电器36处于接通状态，并且第二VFD 34在控制马达22。假设断开开关14处于接通状态，使得功率正在流向马达控制系统18，并且该系统通电。在步骤144处，控制器26确定是否从操作第二VFD34转变到操作第一VFD 30。控制器26可以基于关于第一方法116描述的相同输入和/或标准(例如，在检测到短路或错误条件后、被设计为用于延长VFD 30、34的寿命的预定计划表、在第二VFD 34中的一个或多个位置处测量到的电压和/或电流等)中的任一个来做出从VFD 34转变到VFD 30的确定。
如果控制器26在步骤144处确定不需要或期望从第一VFD 30交替到第二VFD 34，如决策线146处所指示，则第二方法118循环回到步骤142。这样做时，控制器26继续操作第二VFD 34以驱动马达22。相反地，如果控制器26在步骤144处确定需要或期望从第二VFD 34转变到第一VFD 30，如决策线148处所指示，则第一方法116继续到步骤150，在该步骤中，执行这种转变。
在步骤150处，控制器26停止操作第二VFD 34来驱动马达22，并且将第二输入继电器36切换到关断状态。如上文关于第一方法116类似地描述的，由于控件在断开第二输入继电器36之前禁用第二VFD 34，因此在零负载条件下切换第二输入继电器36而没有电压或电流应力，使得可以实现具有小于全马达电压而没有任何浪涌电流额定值的电压额定值的第二输入继电器36。禁用第二VFD 34还允许固态接触器28的SCR 52在第二输入继电器36的切换期间保持接通状态。然而，控制器26可以使固态接触器28中的SCR 52在断开第二输入继电器36之前就切换到关断状态，以确保在零负载条件下切换第二输入继电器36。
在将第二输入继电器36切换到关断状态并禁用第二VFD 34后，控制器26将第一输入继电器32切换到接通状态并操作第一VFD 30。由于控制器26可以控制第一VFD 30以在从接通状态移动到关断状态的同时防止第一输入继电器32上的电压或电流应力，接触器28的SCR 52可以保持处于接通状态。另选地，控制器26可以在切换第一输入继电器32的同时将SCR 52切换到关断状态，以确保第一输入继电器32上的零负载条件。在两种情况下，控制器26都在零负载条件下切换第一输入继电器32，使得第一输入继电器32的电压额定值可以小于全马达电压而没有任何浪涌电流额定值。如果控制器26在切换第一输入继电器32的同时确实将接触器28的SCR 52控制为处于关断状态，则控制器26必须将SCR 52切换回接通状态，使得第一VFD 30可以驱动马达22。
控制器26初始地在飞车起动模式启用的情况下操作第一VFD 30，并且识别马达22的速度并开始操作第一VFD 30以使其频率、振幅和相位输出与已经在旋转的马达22同步。在步骤152处，控制器26确定第一VFD30是否已经赶上速度或与马达22的速度同步。如果否，则如判定线154处所指示，第二方法118循环回到步骤150。然而，一旦第一VFD 30与马达22同步，如决策线156处所指示，则第二方法118从步骤152移动到步骤158，在该步骤中，控制器26操作第一VFD 30以驱动马达22。此后，第二方法118在步骤160处结束。
虽然上文将第二方法118描述为当第二VFD 34在控制马达22时发起，但是第二方法118也可以用于当第一VFD 30在控制马达22并且向第二VFD 34的转变可能必需时的操作环境中。换句话说，第二方法118可以用于从静止或使用飞车起动来起动功率系统中包括的任何VFD。
如果马达切换组件24中包括了任选的旁路38和旁路继电器40，则控制器26还可以确定是否转变以使旁路38能够驱动马达22。例如，如果第一VFD 30和第二VFD 34都经历了错误条件，或操作员已经指示马达22应当在稳定状态下操作，则控制器26做出该确定。此外，如果马达切换组件24中包括了任选的第一输出继电器42和第二输出继电器46，则可以控制任选的第一输出继电器42和第二输出继电器46结合第一输入继电器32和第二输入继电器36一起操作，其中第一输入继电器32和第一输出继电器42在相同状态下操作，并且第二输入继电器36和第二输出继电器46同样地在相同状态下操作。另选地，仅在第一VFD 30和第二VFD 34中的任一个分别经历错误并需要被隔离的情况下，才可以控制任选的第一输出继电器42和第二输出继电器46在关断状态下操作。
除了上述VFD交替方法116、118之外，控制器26还可以控制第一VFD 30和第二VFD34在某些条件下同时地操作。作为非限制性示例，如果第一VFD 30正在驱动马达22并开始经历或接近应力阈值，诸如例如温度阈值，则控制器26可以确定第二VFD 34应当与第一VFD30一起操作以分担马达22的负载，而不是切换到仅操作第二VFD 34。除了第一VFD30上的应力之外，同时地操作第一VFD 30和第二VFD 34可以有效地减小马达切换组件24上的总应力。
除了因冗余功率结构结合在功率系统中而产生的上述功能优势之外，使用冗余功率结构还提供当马达切换组件24的部件被提供作为板级电路时在系统级上利用附加益处的机会，其中组件包括安装到印刷电路板(PCB)或直接地形成在该PCB上的部件。将马达切换组件24构造为板级电路提供了紧凑系统，该系统可以容纳在与大金属柜的情况相反的紧凑塑料壳体(未示出)内。
现在参考图8至图10，根据本发明的实施方案，示出了耦接到PCB102的马达控制和保护组件或模块100的前视图、后视图和顶视图。马达控制和保护模块100在本文中被描述为包括与图2的功率系统10相同的部件中的一些，并且由此在其中的相同元件与功率系统10中的对应元件相同地编号。然而，应当理解，图8至图10中的马达控制和保护模块100的配置仅是许多不同可能配置的一种示例性配置。马达切换组件24中包括的多个部件安装到PCB 102或直接地形成在该PCB上。
PCB 102可以具有标准或定制构造，并且可以由其上具有提供在基板上的部件之间的电连接路径的多个迹线或引线(未示出)的绝缘基板形成。将部件耦接到PCB 102可以通过多种适当装置中的任一种来完成，包括卡扣到PCB 102上的即插即用型部件和/或持久地焊接到PCB 102上的部件。部件可以经由PCB 102上的与相应部件上的对应焊盘配合或焊接到其上的接触焊盘来电连接到PCB 102，并且在部件(和控制器26)之间的电连接和通信可以经由形成在PCB 102上的迹线来提供。这种将部件直接地安装到PCB 102上和使用电迹线来在部件之间形成连接会造成板级马达切换组件24具有更少的端子连接和线缆，使得减少马达切换组件24中的电压损耗并提高马达切换组件24的效率。在另选的实施方案中，马达切换组件24可以设有多个PCB基板，每个PCB基板具有与其耦接的部件的选定子集。
参考图8，输入熔断器16、固态接触器28、第一输入继电器32和第二输入继电器34(在图8中更清楚地示出)、以及任选的用户界面104耦接到PCB 102的第一表面106。任选的用户界面104透过包围功率系统100的塑料壳体可见，使得用户可以改变马达控制和保护模块100的各种设置。在图6中，控制器26容纳在任选的用户界面104中，该用户界面准许用户调整控制器26的控制设置。第一输入继电器32和第二输入继电器36也耦接到PCB 102的第一表面106，如图8所示。此外，任选的旁路继电器40、以及任选的第一输出继电器42和第二输出继电器46或单个输出继电器48可以耦接到PCB 102的第一表面106。
参考图7，第一VFD 30和第二VFD 34耦接到PCB 102的第二表面108。共同或共用散热器110跨两个VFD 30、34安装。由于一次仅第一VFD 30和第二VFD 34中的一个进行操作，或者第一VFD 30和第二VFD34同时地操作以分担负载，因此共用散热器110的大小可以被热设定成管理由VFD 30、34中的一个产生的热量，从而减小散热器110的大小和成本。换句话说，散热器110的大小被热设定成管理由第一VFD 30和第二VFD 34中的任一个单独地且在全负载下操作产生的热量。然而，在另选的实施方案中，第一VFD 30和第二VFD 34各自设有分立散热器。用于第一VFD 30和第二VFD 34的DC链路电容器组64还用任选的DC扼流圈和电磁干扰(EMI)滤波模块112来耦接到第二表面108。风扇114被定位成将气流朝向散热器110引导。VFD 30、34在PCB 102上的这种布置由此允许两个VFD 30、34共用共同散热器110、风扇114和冷却方案。
有益地，本发明的实施方案由此提供马达控制系统及其操作方法，该系统和方法允许在马达控制系统中进行更高级的控制，包括功率流控制和保护，同时还减少了马达控制系统内包括的分立部件的数量(例如，移除旁路组件的分立的接触器和软起动器)。多功能固态接触器和继电器集成到板级马达切换组件中提供电隔离并允许在冗余马达驱动部件(诸如例如第一VFD和第二VFD或第一逆变器和第二逆变器)之间转变。固态接触器和继电器提供用于将功率输送到马达驱动部件并在零负载条件下在状态之间转变。在马达驱动部件之间转变达成更可靠的系统，如果马达驱动部件中的一个发生错误或故障，该系统仍具有完全的功能性。此外，提供冗余马达驱动部件作为板级马达切换组件的一部分便于使用共用散热器并具有减少的线缆损耗、更少的端子连接的附加益处，并且提供更高效的马达控制系统。
根据本发明的一个实施方案，用于选择性地控制从电源到负载的功率的马达控制系统包括马达切换组件，该马达切换组件具有带有多个固态开关的固态接触器。该马达切换组件还包括：至少一个DC链路，该至少一个DC链路耦接到固态接触器；以及第一逆变器和第二逆变器，该第一逆变器和该第二逆变器耦接到至少一个DC链路。该马达切换组件还包括：第一继电器，该第一继电器耦接在固态接触器与第一逆变器的输入之间；和第二继电器，该第二继电器耦接在固态接触器与第二逆变器的输入之间。此外，马达控制系统包括控制系统，该控制系统被编程为控制马达切换组件以选择性地从电源向负载供应功率。
根据本发明的另一个实施方案，操作马达控制系统的控制器实现的方法包括以导电模式控制固态接触器，该马达控制系统具有固态接触器、耦接到固态接触器的至少一个DC链路、耦接到至少一个DC链路的第一电源转换器和第二电源转换器、以及耦接在固态接触器与相应的第一电源转换器和第二电源转换器之间的第一继电器和第二继电器。该方法另外地包括：闭合第一继电器以向第一电源转换器供应功率；以及操作第一电源转换器以驱动马达。该方法还包括通过以下操作从操作第一电源转换器转变到操作第二电源转换器：禁用第一电源转换器；断开第一继电器；闭合第二继电器；以及操作第二电源转换器以驱动马达。
根据本发明的又一个实施方案，马达切换组件包括：第一电源转换器；第二电源转换器，该第二电源转换器与第一电源转换器并联地耦接；和固态接触器，该固态接触器定位在第一电源转换器和第二电源转换器上游。该马达切换组件还包括：第一继电器，该第一继电器定位在固态接触器与第一电源转换器之间；和第二继电器，该第二继电器定位在固态接触器与第二电源转换器之间。
已根据优选的实施方案描述了本发明，并且认识到，除了明确指出的那些以外，等同形式、替代形式和修改形式也是可能的并且在附加权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于选择性地控制从电源到负载的功率的电动机控制系统，所述电动机控制系统包括：
马达切换组件，所述马达切换组件包括：
固态接触器，所述固态接触器包括多个固态开关；
至少一个直流(DC)链路，所述至少一个DC链路耦接到所述固态接触器；
第一逆变器，所述第一逆变器耦接到所述至少一个DC链路；
第一继电器，所述第一继电器耦接在所述固态接触器与所述第一逆变器的输入之间；
第二逆变器，所述第二逆变器耦接到所述至少一个DC链路；和
第二继电器，所述第二继电器耦接在所述固态接触器与所述第二逆变器的输入之间；和
控制系统，所述控制系统被编程为控制所述马达切换组件以选择性地从所述电源向所述负载供应功率。
2.根据权利要求1所述的马达控制系统，还包括：
第一整流器，所述第一整流器耦接在所述第一继电器与所述第一逆变器之间；和
第二整流器，所述第二整流器耦接在所述第二继电器与所述第二逆变器之间；
其中所述至少一条DC链路包括：
第一DC链路，所述第一DC链路耦接在所述第一整流器与所述第一逆变器的所述输入之间，使得所述第一整流器、所述第一DC链路和所述第一逆变器形成第一变频驱动器(VFD)；和
第二DC链路，所述第二DC链路耦接在所述第二继电器与所述第二逆变器的所述输入之间，使得所述第二整流器、所述第二DC链路和所述第二逆变器形成第二VFD。
3.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述固态接触器包括三对反并联开关。
4.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述至少一个DC链路包括耦接在所述固态接触器与所述第一继电器之间和所述固态接触器与所述第二继电器之间的单个DC链路。
5.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述固态接触器包括半控整流器，所述半控整流器包括与二极管串联的三组并联硅控整流器(SCR)。
6.根据权利要求1所述的马达控制系统，还包括：
第三继电器，所述第三继电器耦接到所述第一逆变器的输出；和
第四继电器，所述第四继电器耦接到所述第二逆变器的输出。
7.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述马达切换组件包括板级组件，其中所述固态接触器、所述第一继电器和所述第二继电器、以及所述第一逆变器和所述第二逆变器安装到印刷电路板(PCB)或形成在其上。
8.根据权利要求1所述的马达控制系统，还包括共同散热器，所述共同散热器耦接到所述第一逆变器和所述第二逆变器，其中所述共同散热器的大小被热设定成管理由在全负载下操作的所述第一逆变器和所述第二逆变器中的一个产生的热量。
9.根据权利要求1所述的马达控制系统，其中所述第一逆变器和所述第二逆变器耦接到共同DC链路电容器组；并且
其中所述共同DC链路电容器组是操作所述第一逆变器和所述第二逆变器中的一个以独立地驱动所述负载所需的大小的一半。
10.一种操作马达控制系统的控制器实现的方法，所述马达控制系统具有固态接触器、耦接到所述固态接触器的至少一个直流(DC)链路、耦接到所述至少一个DC链路的第一电源转换器和第二电源转换器、以及耦接在所述固态接触器与相应的第一电源转换器和第二电源转换器之间的第一继电器和第二继电器，所述方法包括：
以导电模式控制所述固态接触器；
闭合所述第一继电器以向所述第一电源转换器供应功率；
操作所述第一电源转换器以驱动马达；
通过以下操作从操作所述第一电源转换器转变到操作所述第二电源转换器：
禁用所述第一电源转换器；
断开所述第一继电器；
闭合所述第二继电器；以及
操作所述第二电源转换器以驱动所述马达。
11.根据权利要求10所述的方法，其中从操作所述第一电源转换器转变到操作所述第二电源转换器还包括：
识别所述马达的当前速度；
根据飞车起动模式控制所述第二电源转换器以与所述马达的所述当前速度同步；
确定所述第二电源转换器是否与所述马达的所述当前速度同步；
如果所述第二电源转换器与所述马达的所述当前速度不同步，则控制所述第二电源转换器在所述飞车起动模式中继续；以及
如果所述第二电源转换器与所述马达的所述当前速度同步，则操作所述第二电源转换器以驱动所述马达。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括通过确定以下项中的至少一个来确定是否从操作所述第一电源转换器转变到操作所述第二电源转换器：
所述第一电源转换器的温度；
所述第一电源转换器的检测到的故障；以及
所述第一电源转换器的经过操作持续时间。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括：
闭合所述第一继电器和所述第二继电器中的每个；以及
同时地操作所述第一电源转换器和所述第二电源转换器以分担由所述马达施加的所述负载。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
监测所述第一电源转换器的操作温度；以及
如果所述第一电源转换器的所述监测到的操作温度已经达到或超过温度阈值，则同时地操作所述第一电源转换器和所述第二电源转换器。
15.一种马达切换组件，包括：
第一电源转换器；
第二电源转换器，所述第二电源转换器与所述第一电源转换器并联地耦接；
固态接触器，所述固态接触器定位在所述第一电源转换器和所述第二电源转换器上游；
第一继电器，所述第一继电器定位在所述固态接触器与所述第一电源转换器之间；和
第二继电器，所述第二继电器定位在所述固态接触器与所述第二电源转换器之间。
16.根据权利要求15所述的马达切换组件，其中所述固态接触器包括多个固态开关。
17.根据权利要求15所述的马达切换组件，其中所述第一电源转换器和所述第二电源转换器包括变频驱动器(VFD)。
18.根据权利要求15所述的马达切换组件，其中所述第一电源转换器和所述第二电源转换器包括逆变器。
19.根据权利要求18所述的马达切换组件，其中所述逆变器耦接到共同DC链路。
20.根据权利要求15所述的马达切换组件，其中所述第一电源转换器和所述第二电源转换器彼此相邻地定位在印刷电路板(PCB)上并共用共同散热器。
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