CN112425054B - 基于逆变器的设备及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于逆变器的设备(1)，被配置为控制电动机(2)，该基于逆变器的设备包括：输入级(4)，该输入级被配置为将交流电压AC转换成经整流的DC电压；无电解电容器式逆变器(5)，该无电解电容器式逆变器被配置为基于开关信号的占空比来生成待馈送到所述电动机(2)的AC电流；DC环节(10)，该环节将所述无电解电容器式逆变器(5)连接到所述输入级(4)并且来自或朝向所述无电解电容器式逆变器(5)的瞬时有效功率(P(t))经过该环节；DC环节电容器(11)，该电容器连接到所述DC环节(10)；电压传感器(13)，该电压传感器被配置为确定所述DC环节电容器电压的幅值(Vdc(t))；电流传感器(12)，这些电流传感器被配置为确定由所述无电解电容器式逆变器(5)向所述电动机(2)施加的输出电流的幅值；电流调节器系统(14)，该电流调节器系统被配置为基于确定的电流基准(idref、iqref)来控制所述占空比；以及有效电压限制器单元(15)，该有效电压限制器单元经过配置以便确定与从所述DC环节(10)吸收或供应回到该DC环节的瞬时有效功率(P(t))相关联的有效电流，并且基于所述有效电流(ia)(iaref)来调节所述电流基准(idref，iqref)。

Description

基于逆变器的设备及其控制方法
本发明涉及一种基于逆变器的设备及其控制方法。更具体地，本发明涉及一种基于逆变器的设备，该基于逆变器的设备被配置为操作家用电器(例如洗机器、烘干机、冰箱和/或洗碗机和/或空调)的电机、特别是永磁电机或感应电机或任何其他类似的电机。应理解，根据本发明，逆变器控制方法和设备被设计为控制与家用电器的任一种负载(例如滚筒、压缩机、风扇、泵等)相关联的电机。
众所周知，现今，驱动电机的逆变器广泛地应用于家用电器。一般来说，驱动电机的逆变器包括输入级和逆变桥，该逆变桥又设有多个开关单元，该多个开关单元被控制以便生成并调制将要馈送到电机端子的AC电压。输入级一般包括二极管桥，该二极管桥具有联接到电源以用于接收AC电源电压的输入端、用于提供DC电压的输出端、以及用于去除在整流电压中出现的电压纹波的电解电容器。
取决于功率大小，用于家用电器的逆变器通常被配置为具有高电容，以便将纹波电压和因此纹波电流保持在一般介于10％至15％之间的合理水平内。实际上，如果纹波电压/电流增加，那么电解电容器的预期寿命更糟，并且为电机的无缝驱动推荐小纹波电压。然而，如果在一方面，电容器上的平稳且稳定的DC电压(即，低纹波电压)提高了电机驱动算法的性能，那么在另一方面，它会通过谐波来影响电源电流。
为了解决这样的问题，用于家用电器的逆变器通常设有功率因数校正器单元(有源或无源)，该功率因数校正器单元包括电感器，该电感器具有足够的电感以将功率因数(因此谐波)增加到期望值。然而，因数校正器单元的缺点在于它的部件昂贵且笨重。
本发明的目标是解决上面提到的缺点。
根据以上目标，根据本发明，提供了一种被配置为控制电动机的基于逆变器的设备，该基于逆变器的设备包括：输入级，该输入级连接到电源线路以接收AC线路电流和AC电源电压并且被配置为将所述AC电源电压转换成经整流的DC电压；无电解电容器式逆变器，该无电解电容器式逆变器被配置为基于开关信号的占空比来生成要馈送到所述电动机的输出电流，DC环节，该环节将所述无电解电容器式逆变器连接到该输入级并且来自或朝向所述无电解电容器式逆变器的DC环节电流经过该环节；DC环节电容器，该电容器连接到所述DC环节；电压传感器，该电压传感器被配置为确定所述DC环节电容器电压的幅值；一个或多个电流传感器，该一个或多个电流传感器被配置为确定由所述无电解电容器式逆变器向所述电动机提供的输出电流的幅值；以及电流调节器系统，该电流调节器系统被配置为基于确定的电流基准和所述输出电流来控制所述占空比，所述基于逆变器的设备还包括有效电压限制器单元，该有效电压限制器单元被配置为调节所述电流调节器系统的所述电流基准，以便将所述DC环节电容器电压限制在预定的电压范围内。
优选地，该有效电压限制器单元进一步被配置为在不使用所述线路电流和/或DC环节电流和/或该DC电容器的电流的情况下调节所述电流调节器系统的所述电流基准。
优选地，所述有效电压限制器单元进一步被配置为当所述电动机经由所述无电解电容器式逆变器再生所述DC环节电容器的反向电流时将所述DC环节电容器电压钳位到预先固定的值。
优选地，所述有效电压限制器单元进一步被配置为：基于所述输出电流和所述占空比来确定有效电流，以及基于所述有效电流和所述DC环节电容器电压来调节所述电流基准。
优选地，所述有效电压限制器单元被配置为基于指示开关信号的所述占空比的d-q轴线向占空比和指示所述输出电流的d-q轴线向电流来确定第一有效电流。
优选地，所述有效电压限制器单元被配置为基于指示开关信号的所述占空比的d-q轴线向占空比和所述电流基准来确定第二有效电流。
优选地，所述有效电压限制器单元被配置为通过计算所述第一有效电流与第二有效电流之间的最小电流来确定所述有效电流。
优选地，所述有效电压限制器单元被配置为基于所述第二有效电流和所述d-q轴线向占空比来确定两个最大绝对校正信号。
优选地，所述有效电压限制器单元被配置为基于测量到的电压水平和指示用于再生的最大绝对有效电流的参数来确定瞬时最大容许再生电流。
优选地，该有效电压限制器单元被配置为基于以下等式来确定瞬时最大容许再生电流iaIstAbs(t)
其中ωv(t)是取决于测量到的电容器电压Vdc(t)和标称DC环节电压Vdcnom且取决于高压极限Vhigh的时变权重。
优选地，所述有效电压限制器单元被配置为通过以下等式将对基准电流的无约束的轴线向校正确定为最大校正的一部分：
其中时变权重ρ(t)是根据经验饱和三次等式确定的：
优选地，所述有效电压限制器单元被配置为通过应用以下饱和和校正等式来确定受约束的轴线向电流校正
其中Kqd是正调谐增益，该正调谐增益在发生饱和时可以用来转移到最初针对q轴线计算的校正的d轴线部分。
优选地，所述有效电压限制器单元被配置为根据以下等式来修改所述电流基准：
本发明进一步涉及一种由被配置为控制电动机的基于逆变器的设备实施的控制方法，其中所述基于逆变器的设备包括：输入级，该输入级连接到电源线路以接收AC线路电流和AC电源电压并且被配置为将所述交流电源电压AC转换成经整流的DC电压；无电解电容器式逆变器，该无电解电容器式逆变器被配置为基于开关信号的占空比来生成要馈送到所述电动机的输出电流，DC环节，该DC环节将所述无电解电容器式逆变器连接到所述输入级并且来自或朝向所述无电解电容器式逆变器的DC环节电流经过该DC环节；DC环节电容器，该电容器连接到所述DC环节；电压传感器，该电压传感器被配置为确定所述DC环节电容器电压的幅值；一个或多个电流传感器，该一个或多个电流传感器被配置为确定由所述无电解电容器式逆变器向所述电动机提供的输出电流的幅值；以及电流调节器系统，该电流调节器系统被配置为基于确定的电流基准和所述输出电流来控制所述占空比，所述控制方法的特征在于，调节所述电流调节器系统的所述电流基准以便将所述DC环节电容器电压限制在预定的电压范围内。
因此，更一般地，本发明还涉及一种通过设备来控制电动机的方法，该设备包括：输入级，该输入级用于将AC电源电压转换成经整流的DC电压；无电解电容器式逆变器，该无电解电容器式逆变器通过DC环节连接到该输入级；以及电容器，该电容器连接到该DC环节，该方法包括以下步骤：
·由该无电解电容器式逆变器基于开关信号的占空比来生成要馈送到该电动机的输出电流；
·确定馈送到该电动机的输出电流；
·基于电流基准和确定的输出电流来控制这些占空比；
·确定该电容器上的电压；以及
·调节这些电流基准以便将电容器电压限制在预定的电压范围内。
优选地，该控制方法包括在不使用所述线路电流和/或任何DC环节电流和/或DC电容器的电流的情况下调节所述电流调节器系统的所述电流基准。
优选地，该控制方法包括以下步骤：当所述电动机经由所述无电解电容器式逆变器再生所述DC环节电容器的反向电流时将所述DC环节电容器电压钳位到预先固定的值。
优选地，该控制方法包括以下步骤：基于所述输出电流和所述占空比来确定有效电流；基于所述有效电流和所述DC环节电容器电压来调节所述电流基准。
优选地，该方法包括以下步骤：基于指示开关信号的所述占空比的d-q轴线向占空比和指示所述输出电流的d-q轴线向电流来确定第一有效电流。
优选地，该方法包括以下步骤：基于指示开关信号的所述占空比的d-q轴线向占空比和所述电流基准来确定第二有效电流。
优选地，该方法包括以下步骤：通过计算所述第一有效电流与第二有效电流之间的最小电流来确定所述有效电流。
优选地，该方法包括以下步骤：基于所述第二有效电流和所述d-q轴线向占空比来确定两个最大绝对校正信号。
优选地，该方法包括基于测量到的电压水平和指示用于再生的最大绝对有效电流的参数来确定瞬时最大容许再生电流。
优选地，该方法包括以下步骤：基于以下等式来确定瞬时最大容许再生电流iaIstAbs(t)
其中ωv(t)是取决于测量到的电容器电压Vdc(t)和标称DC环节电压Vdcnom且取决于高压极限Vhigh的时变权重。
优选地，所述有效电压限制器单元被配置为通过以下等式将对基准电流的无约束的轴线向校正确定为最大校正的一部分：
其中ρ(t)是根据经验饱和三次等式确定的时变权重：
优选地，该方法包括以下步骤：通过应用以下饱和和校正等式来确定受约束的轴线向电流校正
其中Kqd是正调谐增益，该正调谐增益在发生饱和时可以用来转移到最初针对q轴线计算的校正的d轴线部分。
优选地，该方法包括以下步骤：根据以下等式来修改所述电流基准：
现在将参照附图以举例方式来描述本发明的非限制性实施例，在附图中：
-图1是根据本发明提供的基于逆变器的设备的框图；以及
-图2是由有效电压限制器单元实施的操作的流程图。
参照图1，附图标记1总体上表示基于逆变器的设备1，该基于逆变器的设备被配置为根据在下文披露的控制方法来控制电动机2。优选地，电动机是三相电机2，但它可以是任一种多相电机2，诸如双相或多相电机或类似的电机。此外，电动机2可以是永磁电机或感应电机或任何其他类似的电机。
根据优选的实施例，电动机2可以被包括在家用电器(未示出)中。家用电器可以是例如洗衣机和/或烘干机、或冰箱、或洗碗机、或空调、或任何类似的家庭机器。优选地，基于逆变器的设备1被配置为控制与家用电器的部件/负载(例如滚筒、压缩机、风扇、泵，或由电动机2驱动的家用电器的任何其他装置/元件)相关联的电动机2。
参照图1，基于逆变器的设备1包括输入级4、逆变器5和电机控制器级6。
根据图1所示的示例性实施例，输入级4包括整流器单元，该整流器单元被配置为将在输入中从供电系统8接收到的交流电压AC转换为经整流的DC电压，以便在输入中提供到逆变器5。输入级4可以包括例如全桥二极管整流器，该全桥二极管整流器具有联接到供电系统8的AC电源线路以用于接收AC电源线路电流和AC电源电压的输入端以及连接到逆变器5的输出端。应理解，供电系统8和输入级4两者都取决于逆变器和将要控制的电机的种类。例如，供电系统8和输入级4可以是三相或多相或类似的。
根据图1所示的示例性实施例，逆变器5被配置为将DC电压转换为AC电压。逆变器5可以设有多个开关单元(未示出)，该多个开关单元由电机控制器级6控制以便生成并调制要馈送到电机2的AC电压。在示例性实施例中，逆变器5包括连接到输入级4的输出端以接收DC电压的输入端以及连接到电动机2的输出端。
根据优选的实施例，输入级4的整流器单元包括单相整流电路系统，而逆变器5包括三相逆变器，该三相逆变器具有连接到整流器单元的相应输出端的两个输入端以及连接到电动机2的相应端子的三个输出端。
参照图1，基于逆变器的设备1进一步包括DC环节10，该DC环节又包括将输入级4的输出端与逆变器5的输入端相连接的两条DC环节线路、电容器11、电流传感器12和电压传感器13。DC环节电容器11连接在DC环节10的两条DC环节线路之间，即，在输入级4的输出端子之间。便利地，DC环节电容器11可以具有介于约1μF与约2μF之间的电容。本申请人已经发现，使用具有低电容的DC环节电容器11具有以下技术效果：将纹波电压增加高达100％以便在电源电流中具有很好的谐波含量，这允许消除功率因数校正器单元。
换句话说，使用具有低电容的DC环节电容器11具有以下优点：去除特别设计用于校正谐波的任何昂贵且笨重的功率因数校正器单元(诸如串联联接在电源输出端与二极管桥输入端之间的电感器)，因为归因于DC环节电容器11的小电容，经整流的电流仍具有显著的谐波含量。优选地，DC环节电容器11可以包括薄膜型电容器。与电解电容器相比，薄膜型电容器便利地更便宜并且更耐用。由于逆变器5不包括电解电容器，因此它对应于“无电解电容器式逆变器”。
电流传感器12可以被配置为感测施加到电动机2的逆变器5的输出电流。参照图1所示的示例性实施例，电流传感器12可以包括被配置为感测提供到三相电机2的电流(即，相电流iu(t)、iv(t)、iw(t))的一个或多个传感器。应理解，为清楚起见，附图中没有示出电流iu(t)、iv(t)、iw(t)的时间依赖性。
电压传感器13优选地被配置为感测DC环节电容器10的电压Vdc(t)。
参照图1，电机控制器级6可以包括电流调节器系统14和有效电压限制器单元15。
电流调节器系统14被配置为：从电流传感器12接收关于感测到的电流iu(t)、iv(t)、iw(t)的信息；从电压传感器13接收关于感测到的电压Vdc(t)的信息；接收关于电机控制参数的信息，即，由电器控制单元(未示出)提供的请求的电机速度Spdref；以及生成三个信号Uu(t)、Uv(t)、Uw(t)以控制逆变器5的开关单元。
信号Uu(t)、Uv(t)、Uw(t)可以指示提供到逆变器5的开关单元的命令信号的占空比。信号Uu(t)、Uv(t)、Uw(t)也可以是指示将要施加到电机的每一相的DC环节电压的部分的每单元信号。该三个信号Uu(t)、Uv(t)、Uw(t)可以是脉冲宽度调制信号(PWM)。
根据图1所示的实施例，电流调节器系统14可以包括：减法器级20、速度控制级21、磁链弱化级22、电流调节器级23、逆派克(Park)变换级24、逆克拉克(Clarke)转换级25、直接克拉克转换级26、直接派克变换级27，以及无传感器的速度/磁链位置观察器级28。
直接克拉克转换级26被配置为将三相感测到的电流iu(t)、iv(t)、iw(t)转换到两相α，β派克坐标系(静止参考系)中，并且将电流值iα(t)和iβ(t)提供到直接派克变换级27和无传感器的速度/磁链位置观察器级28。
无传感器的速度/磁链位置观察器级28被配置为接收三相感测到的电流iu(t)、iv(t)、iw(t)以及两个信号Uα(t)和Uβ(t)。信号Uα(t)和Uβ(t)指示两相α，β派克坐标系中的两个占空比值。无传感器的速度/磁链位置观察器级28进一步被配置为基于三相感测到的电流iu(t)、iv(t)、iw(t)以及信号Uα(t)和Uβ(t)来提供与转子的实际速度相关的转子速度信号Spd_反馈。无传感器的速度/磁链位置观察器级28进一步被配置为基于三相感测到的电流iu(t)、iv(t)、iw(t)来提供指示估计的转子角度的角度θ估计。在示例性实施例中，无传感器的速度/磁链位置观察器级28可以包括转子角位置估计器和转子角速度估计器。转子角位置估计器可以被配置为基于感测到的电流iu(t)、iv(t)、iw(t)来确定转子的角位置θ估计而不使用位置传感器，而转子角速度估计器可以被配置为基于角位置θ估计来确定转子速度Spd_反馈。
派克变换级27被配置为接收角度θ估计以及两相α，β派克坐标系(静止参考系)中的测量到的电流值iα和iβ，并且将电流值iα(t)和iβ(t)转换到两相d-q坐标系(旋转同步参考系)，从而基于角度θ估计来生成测量到的同步电流id(t)和iq(t)。
在示例性实施例中，减法器级20被配置为在输入中接收电机速度信号Spd_ref和电机速度Spd_反馈。电机速度信号Speed-ref涉及与指示请求的电机速度的命令信号相关联的基准电机速度，而电机速度信号Spd_反馈涉及由无传感器的速度/磁链位置观察器级28提供的确定的电机速度。减法器级20被配置为基于输入电机速度信号Spd_ref与Spd_反馈之间的差异来确定速度误差。
速度控制级21被配置为接收速度误差并提供电流iqref。例如，速度控制级21可以包括PI控制器并且被配置为在两相d-q坐标系中操作。电流iqref指示d-q坐标系的q轴线中的基准转子电流。一般来说，信号Spd_ref和Spd_反馈可以是时变信号，它们的明确时间依赖性没有用符号示出，以便使描述更清楚。
磁链弱化级22被配置为在两相d-q坐标系中操作，并且生成指示d-q坐标系的d轴线中的基准转子电流的基准电流idref。
至于有效电压限制器单元15，它被配置为调节供应到电流调节器系统23的电流基准，以便将DC环节电容器电压Vdc(t)限制在预定的电压范围内。
优选地，有效电压限制器单元15被配置为基于DC环节电容器电压Vdc(t)以及测量到的电流值id(t)和iq(t)来调节Id-Iq电流调节器的电流基准。便利地，有效电压限制器单元15被配置为在不使用DC环节中的任何电流测量值的情况下调节Id-Iq电流调节器的电流基准。换句话说，基于逆变器的设备1不在DC环节10上包括任何电流传感器。
优选地，有效电压限制器单元15被配置为在输入中接收：电流基准iqref、电流基准idref、DC环节电容器11的电压Vdc(t)、指示q-d坐标系中的占空比的两个信号Uq(t)和Ud(t)(在下文详细地披露)，以及测量到的电流值id(t)和iq(t)。有效电压限制器单元15进一步被配置为通过实施在下文详细地披露的控制方法来确定两个受约束的轴线向电流校正iqcorr(t)和idcorr(t)。
参照图1，电流调节器系统14进一步包括加法器单元30、加法器单元31、减法单元32和减法单元33。
加法器单元30被配置为接收电流基准iqref和q轴线向电流校正iqcorr(t)，并且基于电流基准iqref与电流校正iqcorr(t)的相加而在输出中提供经修改的电流基准iqrefmod(t)。
加法器单元31被配置为接收电流基准idref和d轴线向电流校正idcorr(t)，并且基于电流基准idref与电流校正idcorr(t)的相加而在输出中提供经修改的电流基准idrefmod(t)。
减法单元32被配置为接收经修改的电流基准iqrefmod(t)和测量到的电流iq(t)，并且在输出中提供经修改的电流基准iqrefmod(t)与电流iq(t)之间的电流差值Δiq(t)。
减法单元33被配置为接收经修改的电流基准idrefmod(t)和测量到的电流id(t)，并且在输出中提供经修改的基准电流idrefmod与电流id之间的电流差值Δid(t)。
电流调节器级23被配置为在输入中接收电流差值Δiq(t)和电流差值Δid(t)，并且基于Δiq(t)和Δid(t)而在输出中分别提供信号Uq(t)和Ud(t)。信号Uq(t)和Ud(t)指示q-d坐标系中的占空比。信号Uq(t)和Ud(t)还可以指示将沿着同步d-q参考系的每一条轴线施加的最大电压的部分。
逆派克变换级24被配置为在输入中接收信号Uq(t)和Ud(t)，并且产生指示两相α，β派克坐标系中的占空比值的信号Uα(t)和Uβ(t)。信号Uα(t)和Uβ(t)还可以指示将沿着静止α-β参考系的每一条轴线施加的最大电压的部分。
逆克拉克转换级25被配置为在输入中接收信号Uα(t)和Uβ(t)，并且将开关信号Uu(t)、Uv(t)、Uw(t)提供到逆变器单元5。
图2是可以借助于有效电压限制器单元15(在图1中示出)实施的示例性控制方法的流程图。在示例性实施例中，有效电压限制器单元15被配置为实施控制方法来控制电流调节器系统14，以便将在再生模式期间的DC环节电容器11的电压Vdc(t)以及在高转矩需求期间的最小电压限制在预定的电压范围内。
在这方面，由有效电压限制器单元15实施的控制方法使用控制参数/信号(在下文指示为估计的“有效电流ia(t)”)(根据可用的电机相电流和对逆变器的命令占空比信号来估计的)和DC环节电容器11的电压Vdc(t)来确定电流校正值iqcorr(t)和idcorr(t)，以便用来修改电流调节器系统14用于控制电动机2的电流基准iqref和idref。
由有效电压限制器单元15执行的控制方法控制DC环节电容器11的电压Vdc(t)，以便在例如电动机2倾向于再生DC环节电容器10的反向电流(ip(t)变为负)的情况下(即，在电机失灵期间)将电压Vdc(t)“钳位”到恒定值。可以通过计算所述有效电流ia(t)来检测负DC环节电流ip(t)<0的情形，所述有效电流取代不可用电流ip(t)。因此，该方法控制iqrefmod和idrefmod以便限制负有效电流ia(t)，直到在必要时使其为零(以完全地取消电容器的任何反向电流)。
在下文将披露控制方法所使用的有效电流ia(t)的意义。申请人所进行的测试证明，DC环节电容器11的动态根据以下等式演变：
当输入级4是无源未稳压整流器时，那么电流ir(t)>0(从整流器流到DC环节电容器的电流)是不可控制的(且以电源频率的两倍波动)，并且对于DC环节电容器11的小电容来说，当ir(t)偶然接近于零时，即使是很小的负ip(t)(在制动操作中出现的再生电流)都可能引起很大的电压过冲。这种情形可能会损害电机控制器级6的电子部件，这些电子部件可能会因过电压而出故障。
在这方面，控制方法使用通过将相电流的测量值与占空比命令相结合而获得的有效电流ia(t)来检测再生(即，反向电流的出现)。实际上，可以通过与电流ip(t)的缩减版相对应的代数形式来表示有效电流ia(t)，也就是说，可以使用有效电流ia(t)代替电流ip(t)来检测再生并且然后采取措施来限制电容器电压Vdc(t)。
更具体地，为了更清楚并且有助于理解本发明，但这并不暗示失去一般性，在下文将描述通过根据本发明的方法控制的有效电流ia(t)如何与电流ip(t)相关。
瞬时有效功率，也就是从DC环节吸收(如果P(t)>0的话)或供应回到DC环节(如果P(t)<0的话)的功率，可以根据DC环节量来表达：
等式(1) P(t)＝Vdc(t)ip(t)
从DC环节电容器11吸收(如果ip(t)>0的话)或供应回到/再生到该DC环节电容器(如果ip(t)<0的话)的瞬时电流ip(t)可以通过将等式(1)反过来进行计算：
有效功率P(t)还可以根据电机2的相电流和电压(被称为电机的中性点)通过标积来表达：
等式(3) P(t)＝Vu(t)iu(t)+Vv(t)iv(t)+Vw(t)iw(t)
其中，通过使用dq0-派克变换：
有效功率可以根据以下等式依据d-q坐标系电流和电压来表达：
忽略零序电流和电压(V0，i0)后，考虑有效功率的以下简化形式：
考虑到通过标准空间矢量调制切换策略来应用电压Vd(t)和Vq(t)，它们通过以下等式与占空比Ud(t)和Uq(t)[PU]相关：
那么得到：
通过定义有效电流ia(t)：
等式(9) ia(t)：＝Ud(t)id(t)+Uq(t)iq(t)，
可以通过同步坐标系电流以及信号Ud(t)和Uq(t)来计算信号。此外，以下线性关系成立：
因此，申请人已经发现，鉴于等式(10)，控制有效电流ia(t)等同于控制ip(t)。特别地，使ia(t)归零对应于消除ip(t)。
在检测到有害再生(负ia(t)或增加的电容器电压Vdc(t))的情况下，那么作为第一措施，有可能通过消除ia(t)来停止再生电流。
除了ia(t)外，还可能使用另一合成信号(名为iaref(t))，该合成信号给出关于在电流调节器设定之后有效功率ia(t)的值将是多少的预期(预测)。实际上，在具有电流调节器的电机驱动(对于id(t)和iq(t))中，电流被命令为规定的值idref和iqref，并且调节器负责通过计算合适的占空比来获得所需电流，以便由逆变器单元致动。
对于一对规定的基准电流来说，定义了时间t时的基准有效电流，在时间t时用基准电流和占空比来计算信号：
对于基准电流的改变(又由速度/转矩控制器或由磁链/弱化或磁化块命令)，信号iaref(t)给出关于在瞬变之后有效电流将是多少的粗预测，因为电流调节器会将电流朝向基准驱动。
图2的流程图包括由有效电压限制器单元15执行的操作，以修改电流调节器系统14的电流基准以便限制在再生模式期间的DC环节电容器11的电压Vdc(t)，例如由制动或由外部突然减少负载转矩引起。
首先，控制方法执行基于以下项来确定瞬时有效电流ia(t)和iaref(t)的步骤：占空比Ud(t)、Uq(t)；可用电流id(t)、iq(t)；以及电流基准idref、iqref(框100)(使用克拉克变换矩阵的轴线d和q)。
优选地，控制方法按照以下公式来确定瞬时有效电流ia(t)和iaref(t)：
应理解，可以替代地依靠不同于同步参考系的参考系中的电流和占空比来计算有效电流，例如，使用以同步参考系α-β(在可用时)表达的量。
此外，控制方法执行通过计算由等式(12)确定的有效电流ia(t)与iaref(t)之间的最小值来确定最坏情况有效电流iaws(t)的步骤(框110)：
该方法进一步执行使用通过等式(12a)计算的值iaref(t)来确定两个最大绝对校正信号idmax(t)和iqmax(t)的步骤(框120)：
申请人已经发现，最大绝对校正信号idmax(t)和iqmax(t)表示当完全从相应的电流id和iq中减去时产生零有效电流iaref(t)的最大绝对校正。在这方面，利用修改计算的经修改有效电流得到：
申请人已经发现，消除有效电流ia(t)对应于完全停止电流的任何再生。申请人已经发现，为了避免过电压，没有必要应用最大校正。可以便利地只应用idmax(t)和iqmax(t)的一部分，具体取决于电压水平和一些用户定义的调谐参数。实际上，根据电压水平，有效电流也可以取具有下限值iaIstAbs(t)的小负值(也就是说，再生)，其中iaIstAbs(t)是在下一步骤计算的绝对值。
此外，该方法执行基于测量到的电压水平和与用于再生的最大绝对有效电流相对应的预先固定参数iaMaxAbs(例如，由用户定义)来确定瞬时最大容许再生电流iaIstAbs(t)的步骤(框130)：
/>
其中ωv(t)是取决于电压Vdc(t)和标称DC环节电压Vdcnom且取决于高压极限Vhigh的权重系数。例如，如果电压Vdc(t)低于标称DC环节电压Vdcnom，那么权重系数ωv(t)可以为1，如果电压Vdc(t)高于高压极限Vhigh，那么权重系数wV(t)可以为0。当DC环节电容器电压Vdc(t)在介于标称DC环节电压Vdcnom至高压极限Vhigh之间的预先固定范围内改变时，该方法可以使权重系数ωv(t)从1到0线性地减小。
此外，该方法根据例如经验饱和三次等式来确定要应用的校正的负部分(框140)：
应理解，当存在再生时，电流iaws(t)为负。因此，仅对于低于瞬时极限iaIstAbs(t)的有效电流ia(t)来说，部分ρ(t)包括负数且不同于零。
此外，该方法通过以下等式将无约束的d-q轴线向校正确定为最大校正的一部分(框150)：
此外，该方法通过应用以下饱和和校正等式来确定受约束的d-q轴线向电流校正(框160)：
其中Kqd是正调谐增益，该正调谐增益在发生饱和时可以用来转移到最初针对q轴线计算的校正的d轴线部分。
例如，当电机速度为正时，该方法只可以准许q轴线校正为负，反之亦然。
该方法可以执行d轴线校正，在受约束的q轴线校正不同于无约束的校正的情况下，该d轴线校正为负且被放大。
此外，该方法可以通过加法器30、31来确定电流调节器的经修改电流基准(框160)：
在基于逆变器的设备1中使用有效电压限制器单元15所产生的优点是显著的。
有效电压限制器单元具有以下技术效果：当电流开始变为负时，通过旋转受控电流矢量修改电流参数来将有效电流的幅值减小至零。
此外，与已知的基于逆变器的设备相比，无电容器的基于逆变器的设备更便宜并且不太笨重。实际上，基于逆变器的设备在不使用专用电路系统(PFC)的情况下限制谐波，从而因例如使用薄膜电容器而不是电解型来增加逆变器的预期寿命。此外，无电容器的基于逆变器的设备因为在开关期间施加的电压有限而减少EMC发射。

Claims (15)

1.一种基于逆变器的设备(1)，其被配置为控制电动机(2)，该基于逆变器的设备包括：
输入级(4)，该输入级连接到电源线路(8)以接收AC线路电流和AC电源电压并且被配置为将交流电源电压AC转换成经整流的DC电压；
无电解电容器式逆变器(5)，该无电解电容器式逆变器被配置为基于开关信号的占空比来生成要馈送到所述电动机(2)的输出电流，
DC环节(10)，该DC环节将所述无电解电容器式逆变器(5)连接到所述输入级(4)，并且来自或朝向所述无电解电容器式逆变器(5)的DC环节电流经过该DC环节；
DC环节电容器(11)，其连接到所述DC环节(10)；
电压传感器(13)，该电压传感器被配置为确定所述DC环节电容器电压的幅值(Vdc(t))；
一个或多个电流传感器(12)，该一个或多个电流传感器被配置为确定由所述无电解电容器式逆变器(5)向所述电动机(2)提供的输出电流的幅值；以及
电流调节器系统(14)，该电流调节器系统被配置为基于确定的电流基准(idref，iqref)和所述输出电流来控制所述占空比，
所述基于逆变器的设备(1)的特征在于包括有效电压限制器单元(15)，该有效电压限制器单元被配置为调节所述电流调节器系统(14)的所述电流基准(idref，iqref)，以便将所述DC环节电容器电压(Vdc(t))限制在预定的电压范围内，
其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为：
基于所述输出电流(iu，iv，iw)和所述占空比来确定有效电流(ia)(iaref)；以及
基于所述有效电流(ia)(iaref)和所述DC环节电容器电压(Vdc(t))来调节所述电流基准(idref，iqref)。
2.根据权利要求1所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为：在不使用所述线路电流和/或DC环节电流的情况下调节所述电流调节器系统(14)的所述电流基准(idref，iqref)。
3.根据权利要求1或2所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为：当所述电动机(2)经由所述无电解电容器式逆变器(5)再生所述DC环节电容器(11)的反向电流时将所述DC环节电容器电压(Vdc(t))钳位到预先固定的值。
4.根据权利要求1所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为：基于指示这些开关信号的所述占空比的d-q轴线向占空比(Ud，Uq)和指示所述输出电流(iu，iv，iw)的d-q轴线向电流(id，iq)来确定第一有效电流(ia)。
5.根据权利要求1所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)被配置为：基于指示这些开关信号的所述占空比的d-q轴线向占空比(Ud，Uq)和所述确定的电流基准(idref，iqref)来确定第二有效电流(iaref)。
6.根据权利要求4所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)被配置为：基于指示这些开关信号的所述占空比的d-q轴线向占空比(Ud，Uq)和所述确定的电流基准(idref，iqref)来确定第二有效电流(iaref)。
7.根据权利要求6所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为：通过计算所述第一有效电流(ia(t))与第二有效电流(iaref(t))之间的最小电流来确定所述有效电流(iaws)。
8.根据权利要求7所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为：基于所述第二有效电流(iaref)和所述d-q轴线向占空比(Ud，Uq)来确定两个最大绝对校正信号(idmax(t)，iqmax(t))。
9.根据权利要求8所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为：基于测量到的电压水平和指示用于再生的最大绝对有效电流的参数(iaMaxAbs)来确定瞬时最大容许再生电流(iaIstAbs(t))。
10.根据权利要求9所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为基于以下等式来确定瞬时最大容许再生电流(iaIstAbs(t))：
其中ωV(t)是取决于所述DC环节电容器电压(Vdc(t))、标称DC环节电压(Vdcnom)和预定的高压极限(Vhigh)的权重系数，iaMaxAbs是指示再生的最大绝对有效电流的参数。
11.根据权利要求10所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为根据经验饱和三次等式来确定将应用的校正的负部分：
12.根据权利要求11所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为通过以下等式将无约束的轴线向校正确定为最大校正的一部分：
13.根据权利要求12所述的基于逆变器的设备，其中，所述有效电压限制器单元(15)进一步被配置为通过应用以下饱和和校正等式来确定受约束的轴线向电流校正：
其中：
Kqd是正调谐增益，该正调谐增益能够用来在发生饱和时转移到最初针对q轴线计算的校正的d轴线部分，
idunc和iqunc是所述轴线向电流校正。
14.一种电器，其包括电动机(2)和根据权利要求1至13中任一项所述的基于逆变器的设备(1)，该基于逆变器的设备用于控制该电动机(2)。
15.一种通过设备来控制电动机的方法，该设备包括：输入级，该输入级用于将AC电源电压转换成经整流的DC电压；无电解电容器式逆变器，该无电解电容器式逆变器通过DC环节连接到该输入级；以及电容器，该电容器连接到该DC环节，该方法包括以下步骤：
·由该无电解电容器式逆变器基于开关信号的占空比来生成要馈送到该电动机的输出电流；
·确定馈送到该电动机的输出电流；
·基于电流基准和确定的输出电流来控制这些占空比；
·确定该电容器上的电压；
·调节这些电流基准以便将电容器电压限制在预定的电压范围内；
·基于所述输出电流(iu，iv，iw)和所述占空比来确定有效电流(ia)(iaref)；以及
·基于所述有效电流(ia)(iaref)和所述电容器电压(Vdc(t))来调节所述电流基准(idref，iqref)。
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