CN113544959A - 具有人工智能的中压变频驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种变频驱动系统，其包括：功率转换器，该功率转换器具有向一个或多个输出相供电的多个功率单元，每个功率单元具有多个包含半导体开关的开关设备；多个传感器，其用于监测功率转换器的值；以及控制系统，该控制系统与功率转换器处于通信中并控制多个功率单元的运行，该控制系统包括处理器，该处理器通过可执行指令被配置为：访问功率转换器的第一降阶模型；接收由多个传感器所提供的值；结合第一降阶模型对值进行分析以确定一个或多个运行模式；以及输出功率转换器的一个或多个所确定的运行模式。

Description

具有人工智能的中压变频驱动器
背景
1.领域
本公开的各方面总体上涉及一种具有人工智能的驱动系统，具体地涉及一种用于驱动系统、例如中压变频驱动器的控制系统和控制方法。在整个说明书中，术语“驱动器”、“驱动系统”、“转换器”和“电源”可以互换使用。
2.相关技术描述
多个中压(MV)变频驱动器、例如多个多级功率转换器被用于中压交流(AC)驱动器、柔性交流传输系统(FACTS)和高压直流(HVDC)传输系统的应用中，因为单个功率半导体设备不能处理高压。多级功率转换器通常包括用于每相的多个功率单元，每个功率单元包括具有半导体开关的逆变电路，这些半导体开关能够改变各个单元的电压输出。
多级功率转换器的一个示例是例如在授予Hammond的美国专利No.5,625,545中所描述的具有多个H桥单元的级联H桥转换器系统，该专利的内容在此通过引用被整体纳入。多级功率转换器的另外的示例是具有多个M2C或M2LC子系统的模块化多级转换器系统。
中压驱动器包含特定用途的数字控制系统。数字控制系统将控制回路的命令和状态、功率单元控制信息和外部通信接口的任务拆分为三个独立的组件。三个独立的主要组件是针对控制回路命令、状态和非驱动接口的控制处理器/主机中央处理单元，针对功率单元控制和通信的现场可编程门阵列(FPGA)，以及针对外部通信的电子可编程逻辑器件(EPLD)。主要组件需要在印刷电路板(PCB)上有专用的数据总线，以便主要组件可以在它们之间交换信息以使驱动系统成功运行。
概述
简而言之，本公开的各方面涉及一种驱动系统，其例如体现为中压变频驱动器，并且更具体地，涉及一种用于驱动系统的控制系统和控制方法。
本公开的第一方面提供了一种变频驱动系统，其包括：功率转换器，该功率转换器包括向一个或多个输出相供电的多个功率单元，每个功率单元包括包含半导体开关的多个开关设备；多个用于监测功率转换器的值的传感器；以及控制系统，该控制系统与功率转换器处于通信中并控制多个功率单元的运行，该控制系统包括至少一个处理器，至少一个处理器通过可执行指令被配置为：访问功率转换器的第一降阶模型；接收由多个传感器所提供的值；结合第一降阶模型对值进行分析以确定一个或多个运行模式；以及输出功率转换器的一个或多个所确定的运行模式。
本公开的第二方面提供了一种用于控制变频驱动器的方法，其包括通过运行至少一个处理器：访问功率转换器的降阶模型；接收由传感器所提供的功率转换器的传感器值；结合降阶模型分析传感器值以确定功率转换器的运行模式；以及输出运行模式。
本公开的第三个方面提供了一种非瞬态计算机可读介质，其上编码有处理器可执行的指令，当由至少一个处理器执行时，该指令使该至少一个处理器执行用于控制如在此所述的变频驱动器的方法。
附图说明
图1说明了根据在此所公开的一示例性实施例的级联H桥转换器系统的已知基本配置的示意图。
图2说明了根据在此所公开的一个示例性实施例的级联H桥转换器系统的另外的已知基本配置的示意图。
图3说明了根据在此所公开的一个示例性实施例的驱动系统的示意图。
图4说明了根据本公开的一个示例性实施例的带有控制系统的驱动系统的示意图。
图5说明了根据本公开的一个示例性实施例的利用降阶模型的控制系统的示意图。
图6说明了根据本公开的一个示例性实施例的用于控制变频驱动器的方法的流程图。
详细描述
为了便于理解本发明的实施例、原理和特征，以下将参照说明性实施例中的实现方式来对其进行阐述。特别地，在作为用于变频驱动器、特别是中压(MV)变频驱动器的控制系统的上下文中对其进行描述，该变频驱动器包括多单元电源，例如模块化多级转换器系统和级联H桥转换器系统。然而，本发明的实施例不限于在所描述的设备或方法中使用。
如在此所用的，“中压”是大于约690V并且小于约69KV的电压，而“低压”是小于约690V的电压。本领域普通技术人员将理解，可以将其他电压水平指定为“中压”和“低压”。例如，在一些实施例中，“中压”可以是约3kV与约69kV之间的电压，而“低压”可以是小于约3kV的电压。
下文所描述的构成各种实施例的组件和材料是旨在说明而非限制。执行与在此所描述的材料相同或相似的功能的许多合适的组件和材料旨在被包含在本发明的实施例的范围内。
图1和图2分别说明了已知的多单元电源10、特别是级联H桥转换器系统的示意图，该级联H桥转换器系统从交流(AC)源接收三相功率，并向负载12、例如三相交流电机输送功率。
参照图1，多单元电源10包括变压器14、功率电路16和控制器18，其在此也被称为控制系统。变压器14包括激励九个次级绕组的初级绕组，而功率电路16包括多个印刷电路板(PCB)功率单元26，其在此被简单地称为功率单元26，其分别与变压器14的次级绕组可操作地耦合。由于电源10包括九个次级绕组，并且功率单元26可操作地耦合到每个次级绕组，因此电源10包括九个功率单元26。当然，电源10可以包括多于或少于九个功率单元26和/或多于或少于九个次级绕组，这取决于电源10的类型和/或耦合到电源10的负载12的类型。
功率单元26可以额定用于较低电压，并且被配置为向负载12提供中压输出。功率电路16的每个输出相A、B、C都由一组串联连接的功率单元26供电。功率单元26的输出以串联方式耦合在第一相组30、第二相组32和第三相组34中。每个相输出电压是相应的相组30、32和34中的功率单元26的输出电压之和。例如，第一相组30包括标记为Al、A2和A3的功率单元26，其中输出相A的相输出电压是功率单元Al、A2和A3的输出电压之和。这同样适用于输出相B和功率单元Bl、B2、B3，以及输出相C和功率单元Cl、C2、C3。在这方面，功率电路16使用额定为较低电压的功率单元26向负载12提供中压输出，这些额定为较低电压的功率单元包括额定为用于较低电压标准的组件。每个功率单元26例如通过光纤通信链路与控制器18耦合，该控制器可以使用电流反馈和电压反馈来控制功率单元26的运行。
如图2中所说明的，多单元电源10包括三相交流电源20、功率电路16和控制器18。三相交流电源20包括两个二极管桥22，每个二极管桥在交流电压侧与功率转换器变压器24的次级绕组连接，并在直流(DC)电压侧以串联方式电气连接。为这些相组的并联连接提供了正的和负的直流电压总线。功率电路16包括功率单元28，这些功率单元耦合到由电源20所创建的直流电压总线。功率单元28例如额定用于较低电压，并且被配置为向负载12提供中压输出。尽管负载12可以被说明为在多单元电源10内，但负载12不是多单元电源10的一部分。相反，如图1中所更清楚地示出的，负载12与多单元电源10分离，并且连接到多单元电源10。
功率电路16的每个输出相A、B、C由一组串联连接的功率单元28供电，即，参照输出相A、B、C，这些功率单元被标记为A1-A4、B1-B4和C1-C4。功率单元28以串联方式耦合在第一相组30、第二相组32和第三相组34中。如先前参考图1所描述的，每个相输出电压是相组30、32和34中的功率单元28的输出电压之和。功率电路16使用额定为较低电压的功率单元28向负载12提供中压输出，这些额定为较低电压的功率单元包括额定为用于较低电压标准的组件。每个功率单元28例如通过(一个或多个)光纤通信链路与控制器18耦合，该控制器可以使用电流反馈和电压反馈来控制功率单元28的运行。
应该注意的是，在图1和图2中，每个相组30、32、34中的功率单元26、28的数量可以在2与12之间，以根据负载12的要求提供不同的中压输出。如前所述，在图1的实施例中，变压器14的次级绕组的数量与功率单元26的数量相匹配。在图2的实施例中，二极管桥和变压器次级绕组的数量可以从1到6不等，以允许在变压器24的初级侧进行谐波消除。本领域的普通技术人员将理解，可以根据应用情况使用另外的单元数量和二极管桥数量，并且在此示出和描述的配置旨在本质上是示例性的。
图3说明了驱动系统300的示意图，该驱动系统包括具有七级拓扑的级联H桥多级转换器310，包括三相，每相有三个功率单元，根据本公开的一个方面，该驱动系统还附加地包含控制系统400。级联H桥多级转换器310的一个示例是由西门子工业公司制造的PerfectHarmony
Figure BDA0003243201710000041
驱动器。
在图3的示例中，系统300是中压驱动器，其包括三相电源，其通过线路L1、L2和L3提供功率输入302。多级转换器310与交流功率输入302连接，并通过输出相A、B和C产生三相交流电源作为输出303。交流输出303可以连接到负载320，其在本示例中包括电动机。电动机320可以通过控制由多级转换器310产生的输出电压的频率和/或幅值来运行。
多级转换器310的每一相包括相应的相臂，相臂由多个以级联方式布置的功率单元312形成。在图1的示例中，相臂Leg A、Leg B分别由相同数量的(即三个)功率单元312形成，这些功率单元串联连接。一个相中的每个功率单元312通过相应的输入线路L1、L2和L3连接到功率输入302。到输入线路L1、L2、L3的功率可以例如通过多相绕组变压器来提供。
三相的功率单元312分别被标记为单元A1至单元A3、单元B1至单元B3和单元C1至单元C3。每个功率单元312响应于来自控制系统400的控制信号，控制信号例如包括脉冲宽度调制(PWM)信号以改变电压水平和/或频率输出，从而导致每相的多级电压波形。功率单元312通常包括功率半导体开关设备、无源组件(电感器、电容器)、控制电路、处理器、接口和其他用于与控制系统400通信的组件，即功率单元312基于来自控制系统400的信号运行。
功率单元312中的每一个包括单相逆变电路，其连接到独立的直流(DC)源，该直流源由对通过输入线路L1、L2、L3针对每个功率单元312的交流功率输入的整流产生。在该示例中，整流由二极管整流器313a-f执行，二极管整流器以桥式整流器配置来布置。本示例还使用了滤波电路，其例如包括电容器314，用于平滑来自整流后的直流功率的电压纹波。
每个单元312的逆变电路包括功率半导体开关设备315a-d，功率半导体开关设备以H桥(也称为全桥)配置来布置。开关设备315a-d例如可以包括但不限于功率晶体管、如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。开关设备315a、15b连接到单元输出线路316a，而开关设备315c、315d连接到单元输出线路316b。晶体管315a-d接收脉冲宽度调制信号，例如，以由控制系统400基于脉冲宽度调制控制的门输入信号318的形式的脉冲宽度调制信号。控制系统400选择晶体管315a或315b中的任何一个导通通过第一开关臂317a，并且选择晶体管315c或315d中的任何一个导通通过第二开关臂317b，这将允许功率分别通过线路316a或316b传递给负载320。换言之，控制器触发的开关臂317a的开关事件导致晶体管315a、315b中的一个处于导通状态，并且另一个处于关断状态。同样地，控制器触发的开关臂317b的开关事件导致晶体管315c、315d中的一个处于导通状态，并且另一个处于关断状态。在所说明的实施例中，单个单元312的开关臂317a、317b被简单地称为该单个单元312的开关臂A和开关臂B。
尽管功率单元312中的每一个包含在中压装置驱动器300中，但其内部可以构造为用于低压标准。举例来说，每个功率单元312可以具有600伏的额定值。因此，由功率单元312中的每一个可以输出的最大电压水平是大约600VDC。取决于哪个晶体管导通，每个功率单元312的单元输出线路316a、316b上的输出电压可以是任一极性或零。因此，每个功率单元312可以具有三种输出状态：+600VDC、-600VDC、或零VDC。由于每个相输出线路中的三个功率单元312之间的串联连接，例如，单元A1、A2、A3到输出相A，可能为相应的相输出线路产生约1800VDC的最大输出电压幅度。每个功率单元312可以独立于其他功率单元运行。因此，可以向电动机320提供每相至少七个电压水平。这些线路-中性电压状态的近似值包括+/-1800VDC、+/-1200VDC、+/-600VDC和零VDC。
电动机320可以包括任意类型的交流型电动机，例如同步、异步、永磁电动机，并且可以额定为用于低压、中压或高压。例如，中压交流电动机，如那些用于工业过程控制的电动机，可以在4.16kV至13.8kV的范围内运行。可以使用更大或更小的电压。可以连接一个以上的电动机320。可以使用其他负载来代替或补充电动机320。电动机320响应于由多级转换器在三相上施加的电压来例如增加、减少或保持一个速度或位置。
图4说明了根据本公开的一个示例性实施例的带有控制系统400的驱动系统450的示意图。
如先前所描述的，例如参照图1和图2，驱动系统450(如中压变频驱动器)通常包括功率变压器460、功率(电子)转换器470、控制系统400(在此也被称为控制器400)和一个或多个冷却部件480。一个或多个冷却部件480可以被配置为气冷部件、水冷部件或两者的组合。功率变压器460将例如在1kV-33kV之间的输入中压转换为功率转换器470的可用电压，例如480V-1500V的可用电压。功率转换器470利用整流和逆变阶段转换来自功率变压器460的次级侧电压，以便在输出处提供例如0Hz–500Hz之间的可变频率以及例如0V-14.4kV之间可变电压。在一个实施例中，功率转换器470可以包括如先前所描述的多个功率单元。驱动系统450的控制器400通过数据连接(例如数据总线402)调节和控制驱动器组件的运行，以基于命令、例如先前存储在控制器400中的命令或从外部控制系统(例如客户控制系统)接收到的命令在输出处提供所需的频率和电压。此外，控制器400执行驱动保护功能，并向驱动系统450的客户或用户提供驱动状态。
对于驱动系统450的运行，控制系统400(在此也称为主控系统或中控系统400)包括现场可编程门阵列(FPGA)、处于与FPGA通信的控制处理器、电子可编程逻辑器件(EPLD)和主机。主控系统400还包括并行总线，并且FPGA、EPLD和主机分别连接到并行总线上。根据不同的实施例，FPGA基于RAM，并被配置为用于与一个或多个数模转换器(DAC)、一个或多个模数转换器(ADC)、功率单元旁路系统、多个功率单元、编码器、一个或多个输入/输出接口和内部网络通信。在此不再进一步描述控制系统400的已知功能和元件的进一步细节。
此外，驱动系统450包括多个传感器490(对于系统450仅示意性地和集中地示出)，以监测驱动系统450的各种特性和值。例如，传感器490包括传感器，其用于测量和监测功率转换器470的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、变压器460和/或功率转换器470和/或冷却部件480的内部温度。对用于监测冷却部件480的冷却出口和进口之间的冷却剂流量和冷却剂压降的传感器490的添加以及对用于监测驱动系统450的振动、例如变压器460或功率转换器470的振动的传感器490的添加允许获取可用于提供预测性维护能力和诊断能力的信息和数据。传感器490通过数据总线402向控制系统400提供传感器数据，例如温度、振动、电流和电压的值和/或测量。
此外，驱动系统450包括由控制器400接收和存储的一个或多个降阶模型440。降阶模型440(也被称为ROM)可以被定义为高保真动态模型的简化，其保留了基本行为和主导效应，目的是减少更复杂模型所需的求解时间或存储容量。驱动系统450例如可以包括功率转换器470的ROM和/或变压器460的ROM。
利用多个传感器490和一个或多个降阶模型(ROM)440，驱动系统450提供改进的控制系统400和改进的控制方法。改进的驱动系统450包括人工智能能力。这种人工智能能力可以包括例如自学习能力、预测性维护能力和移动应用(也被称为“mobile app”)能力。因此，控制器400包括自学习模块410、预防性维护模块420和移动应用模块430。自学习模块410和预防性维护模块420被配置为连接到通信网络，例如(驱动器供应商或驱动器客户的)内联网、互联网、以太网等，以进行数据挖掘、数据集群分析等。移动应用模块430被配置为连接到移动设备432、例如智能电话或平板电脑，以便如果这种能力被驱动系统450的客户或用户启用，控制系统400可以通过移动设备432的移动应用接收来自模块430的输入、例如命令。通常，移动设备应用430可用于获取当前的性能数据、维护数据，而驱动操作的主控制仍将驻留在控制器400的主控制逻辑中。例如，预防性维护模块420和移动应用模块430允许向控制器400添加或加载另外的应用，例如特定于客户的应用，这些特定于客户的应用独立于由控制系统450执行的控制过程提供对驱动数据的后处理。在另外的示例中，例如在客户或用户后来购买软件升级之后，可以由驱动器供应商远程(例如无线)地加载、添加和/或启用另外的应用或控制特征。
利用模块410、420、430，由传感器490和ROM 440提供的传感器值；驱动系统450提供自适应响应，以允许驱动系统450的最佳运行、对驱动系统450的各种组件的预防性维护；以及获取数据挖掘工具和大型数据分析。改进后的驱动系统450和控制器400将参考以下附图进行更详细的描述。
图5说明了根据本公开的一个示例性实施例的利用降阶模型(ROM)的控制系统400的示意图。
图5示意性地说明了驱动系统的变压器460、功率转换器470和冷却部件480。控制系统400(或简称控制器400)包括多个组件，其包括第一降阶模型ROM-1和第二降阶模型ROM-2。此外，控制器400包括至少一个处理器412、例如中央计算单元(CPU)，其执行计算机可读指令。在此，控制器400也可被称为驱动系统450的中央控制器400。
变压器460、功率转换器470和冷却部件包括多个传感器。例如，功率转换器470包括用于测量散热器的内部相关温度的散热器传感器472和用于测量功率转换器470的内部相关气流的气流传感器474。此外，功率转换器470被配置为用于监测以及评估半导体开关内部消耗的实际功率和/或用于监测电容器的温度，例如，电容器内部消耗的功率。
变压器460可以包括用于测量变压器460的次级绕组上的预定位置处的温度的传感器462和用于测量变压器460的铁芯的温度的传感器464。为了电弧故障检测的目的，变压器460可进一步包括位于初级绕组处的光学传感器466。
冷却部件480可以包括传感器482，用于监测冷却剂出口和冷却剂进口之间的冷却剂流量和冷却剂压降。
驱动系统450还包括一个或多个振动传感器452，其用于监测驱动系统450的组件、如变压器460、功率转换器470和冷却部件480的振动，以确定需要维护的机械状况。
在一个示例性实施例中，驱动系统450包括第一降阶模型ROM-1，其是功率转换器470的所计算的流体动力学(CFD)降阶模型。功率转换器470的降阶模型ROM-1本质上是多维响应面。其可以具有多个输入和多个输出。例如，用于功率转换器470的ROM-1可以具有3(三)个输入和任何数量的输出，这取决于所使用的半导体设备。要考虑的输入可以是环境温度、气流速率和耗散功率比。输出可以包括半导体开关、例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)内所有单个晶体管的结温。由于IGBT可能不同，单个晶体管的数量在内部各不相同，通常在4与12之间。与实际测量设备(热探头)相关联的功率转换器470内部的固定位置处的散热器的温度也可以包括在输出组中。
ROM-1可以通过复杂的CFD软件仿真来获得。输入参数(主要是气流速率和耗散功率比)是变化的，并给出数个固定值，例如对于气流速率的5(五)个固定值和对于耗散功率的5(五)个固定值。因此，利用5个功率值和5个气流值，总共提供了5*5＝25个仿真。对于每个仿真，所有的输出值被记录在ROM-1中。该过程的最终结果是多维查找表，如以上所描述的，其具有3(三)个输入和可变数量的输出温度。可能没有必要在输入环境温度的不同值下运行ROM-1，因为这个参数的影响主要是按比例放大和缩小输出温度。
ROM-1可以包括在系统级仿真软件中，使得当输入在仿真范围内变化时，由于仿真点之间的插值，输出将连续可用。例如，可以使用线性或样条插值。
ROM-1被加载并存储在驱动控制存储器414中，该驱动控制存储器可以是控制器400外部的存储器或控制器400内部的存储器。
在一个示例性实施例中，至少一个处理器412通过可执行指令被配置为：访问或接收第一降阶模型ROM-1，以接收由多个传感器452、462、464、472、474、482、484提供的传感器值；结合ROM-1分析传感器值，以确定一个或多个运行模式416；并且输出一个或多个所确定的运行模式416。对于结合第一降阶模型ROM-1分析传感器值，例如包括将传感器值输入到ROM-1中、执行ROM-1的计算、以及基于用作输入值的实际传感器值获得ROM-1的输出值。分析也可以包括在不执行/运行ROM-1的完整仿真的情况下，将传感器值与第一降阶模型ROM-1的某些值进行比较。
在此所使用的运行模式416可以包括描述系统450的当前状态的运行模式，例如包括某些位置处的温度，特别是检测系统450的热点。这种检测到的热点可以触发由控制系统400发出的警报。运行模式416还可以包括由控制系统400提出的修改后的运行模式，例如，以便提高系统450的效率或降低对系统450的操作的成本。
由控制系统400确定的运行模式416例如可以包括功率转换器的修改后的运行模式和/或冷却部件480的修改后的运行模式。例如，功率转换器470的修改后的运行模式416例如包括通过基于所分析的传感器值和降阶模型ROM-1增加或减少输出电压来修改输出电压。例如，如果评估半导体开关中的气流速率和耗散功率比低于第一降阶模型ROM-1中的相应的所计算的值，则可以改变功率转换器470的运行，使得功率转换器470输出更多的电压和/或通过冷却部件480对功率转换器470的冷却可以减少。相反，当评估到传感器值高于ROM-1中的相应的所计算的温度值时，可以改变运行，使得功率转换器470输出更少的电压和/或可以通过冷却部件480增加对功率转换器470的冷却。
例如，通过至少一个处理器412访问ROM-1，基于实际输入、如IGBT内部消耗的实际功率(其是功率转换器470可以不断评估的值)以及由传感器474测量的气流，来评估功率转换器470的IGBT内部的选定位置的某些温度。这样的IGBT位置的输出值(实际上是热点)可以被检索出来，并且在必要时发出警报。
在另外的实施例中，如果需要，功率转换器470的(一个或多个)电容器的(一个或多个)温度也可以由一个或多个传感器监测，并包括在第一降阶模型ROM-1中，以监测和评估(一个或多个)电容器的(一个或多个)温度。在这种情况下，电容器输入可以是电容器的输入电流和耗散率，其中输出可以是热点温度。
如先前所描述的，控制器400包括利用自学习模块410的自学习能力。因此，在本公开的另外的实施例中，包括至少一个处理器412的控制系统400被进一步配置为：将由散热器传感器472测量到的实际温度与包括在第一降阶模型ROM-1中的散热器的所计算的温度进行比较；并且如果已经确定在实际温度值与所计算的温度值之间存在差异，则利用散热器的实际温度更新第一降阶模型ROM-1。用于校正或更新温度值的算法通过智能控制器、例如神经网络或模糊控制器，最终负责在必要时更新第一降阶模型ROM-1。因此，通过可用于可靠地估计电子组件的寿命的自学习能力，提高了电子组件的准确性。
在另外的示例性实施例中，驱动系统450包括另外的降阶模型。例如，驱动系统450可以包括变压器460的第二降阶模型ROM-2，该第二降阶模型被加载并存储在存储器414中。包括至少一个处理器412的控制系统400还通过可执行指令被配置为：接收变压器460的第二降阶模型(ROM-2)；接收与变压器相关的传感器462、464的值；并结合第二降阶模型ROM-2分析传感器值以确定一个或多个运行模式416。
第二降阶模型ROM-2通过所计算的流体动力学仿真来获得，该所计算的流体动力学仿真包括多个输入参数和多个输出参数。由于变压器460根据其如何构建而大不相同，因此对于每个变压器的设计可能有单独的降阶模型ROM-2。输入量可以是假定平均分配到变压器各相(通常是三相)的功率损失和通过各相臂的气流。输出量可以是次级绕组上的关键位置处的温度和变压器460的铁芯的至少一个位置处的温度。应该注意，驱动系统450除了第一和第二降阶模型ROM-1、ROM-2之外，还可以包括另外的降阶模型。
在一个实施例中，可以连续收集和检索各种传感器452、462、464、472、474、482的数据、来自控制器400和预测算法以及降阶模型ROM-1、ROM-2的输出、例如输出运行模式416。例如，驱动系统450包括与外部存储介质418的连接接口。该连接例如可以是外部网络，例如驱动系统450的用户(例如客户或供应商)的互联网、内联网或以太网。收集到和检索到的数据可以进行后处理，以获得更多的信息，从而提高驱动器和系统的性能、运行学习算法并预测长期效果。
驱动系统450、特别是控制系统400被进一步配置为包括利用移动应用模块430的移动应用能力，以允许用户、例如驱动系统450的客户访问驻留在驱动系统450上的数据并运行产生特定于客户的输出的移动应用。这样的移动应用提供在手持设备、例如智能电话、平板电脑或类似的设备上，其允许用户在没有有线束缚的情况下自由行走。利用这样的移动应用，用户/客户可以修改或调整驱动系统450的运行，例如，以便更有效地运行驱动系统450。例如，控制系统400可以鉴于降阶模型ROM-1、ROM-2分析各种传感器值，并且可以确定冷却部件480可以基于所评估的功率转换器470中的温度提供比实际需要更多的冷却。用户/客户可以通过移动应用和移动应用模块430减少冷却部件480的冷却。因此，利用移动应用模块430，可以远程启用驱动系统450的某些特征。
在本公开的另外的示例性实施例中，功率转换器470(参见图1、图2或图3)的每个功率单元312包括与控制系统400处于通信的本地控制电路476a......476n(仅示意性地示出)。此外，每个功率单元312可以分别包括本地传感器，其中每个本地控制电路476i......476n收集本地传感器的传感器值并且可以在本地评估传感器值和/或可以将传感器值传送到中央控制系统400以进行评估。本地传感器可以提供振动值、电弧检测值、温度值和气流值等。通过提供本地传感器和本地控制电路476a......476n，提供了“分布式智能”，并且可以更准确地监测和确定单个功率单元312的运行状态和模式。
例如，每个本地控制电路476a......476n包括至少一个处理器，该处理器通过可执行指令被配置为基于振动值、电弧检测值、温度值和气流值计算每个功率单元312的功率电子组件的寿命。
振动监测允许例如由中央控制单元400基于由本地振动传感器提供的数据确定是否存在需要进行维修的机械状况。由例如配置为光学传感器的本地电弧传感器提供的电弧检测值可以提供对于中央控制单元400可能不可见的内部故障的信息。本地气流传感器的输出可以用于确定对于每个功率单元312是否有足够的气流，并预测每个本地散热器的温度。如先前所描述的，本地温度传感器提供本地温度值，其用于计算功率转换器470的CFDROM。利用每个功率单元312的环境条件，例如温度、气流、功率输出等，可以对功率电子组件的寿命进行预测。
从各种传感器接收到的数据、来自驱动控制系统400以及来自功率单元312的输出，以及来自预测算法和ROM-1、ROM-2的输出，可以被驱动系统450用来调整不断变化的条件，例如空气过滤器堵塞或冷却剂管道堵塞、更热或更冷的环境温度或来自功率单元的其他反馈。如先前所描述的，这种自适应响应可以包括改变冷却风扇和/或冷却泵的速度，和/或根据某个功率单元的(一个或多个)运行条件移除、即旁路该功率单元。
图6说明了根据本公开的一个示例性实施例的用于控制变频驱动器450的方法的流程图600。
现在参考图6，说明了一种有利于控制功能的方法600。虽然该方法被描述为是一系列按序列执行的动作，但应理解该方法可以不受序列的顺序的限制。例如，除非另有说明，一些动作可以以不同于在此所描述的顺序发生。此外，在一些情况下，一个动作可能与另一个动作同时发生。此外，在一些实例下，可以并不需要所有的动作来实施在此所描述的方法。
该方法可以在602处开始，并且可以包括访问功率转换器470的降阶模型ROM-1、ROM-2的动作604，以及接收由传感器490提供的功率转换器470的传感器值的动作606。该方法还可以包括结合降阶模型ROM-1、ROM-2分析传感器值以确定功率转换器470的运行模式416的动作608。此外，该方法可以包括输出运行模式416的动作610。在612，该方法可以结束。
应该理解，这种所描述的方法600可以包括额外的动作和/或与先前所描述的关于驱动系统450的特征相对应的替换动作(参见图4和图5)。
例如，方法600可以包括将由传感器490测量的实际值与包括在降阶模型ROM-1、ROM-2中的所计算的值进行比较的动作，并且可以包括当确定了实际值与所计算的值之间的差异时利用实际值更新降阶模型ROM-1、ROM-2的动作。
此外，方法600可以进一步包括通过包括多个输入参数和多个输出参数的所计算的流体动力学仿真来获得功率转换器470的降阶模型ROM-1、ROM-2的动作，其中多个输出参数包括功率单元312的开关设备315a-d的单个晶体管的所计算的结温。
在另外的示例中，方法600可以包括访问变压器460的第二降阶模型ROM-2的动作，接收由传感器490提供的变压器460的传感器值的动作，结合第二降阶模型ROM-2分析该传感器值以确定变压器460的运行模式416的动作，以及输出运行模式416的动作。
该方法可以进一步包括与功率单元312的本地控制电路476通信的动作，每个本地控制电路476收集功率单元312的本地传感器的传感器值，以及结合第一降阶模型ROM-1分析630传感器值以确定功率转换器470的运行模式416的动作。
应该理解，与以上所描述的方法、特征和功能相关联的动作(除任何所描述的手动动作外)可以由一个或多个数据处理系统、例如中央控制系统400通过至少一个处理器412的运行来执行。如在此所用，处理器对应于通过硬件电路、软件和/或固件来配置以处理数据的任何电子设备。例如，在此所描述的处理器可以对应于微处理器、CPU或任何其他集成电路(IC)或其他类型的电路中的一个或多个(或组合)，这些其他类型的电路能够在数据处理系统中处理数据。如前面所讨论的，所描述/要求保护的、被配置为执行特定描述/要求保护的过程或功能的处理器412可以对应于执行以软件和/或固件形式存储在存储器中的计算机/处理器可执行指令以执行这样的所描述/要求保护的过程或功能的CPU。然而，也应当理解，这样的处理器可以对应于与处理电路(例如，FPGA或ASIC集成电路)硬连接的IC，以执行这样的所描述/要求保护的过程或功能。
此外，还应当理解，所描述或要求保护的、被配置为执行特定描述/要求保护的过程或功能的处理器可以对应于处理器412与加载/安装到存储器(易失性和/或非易失性)中的可执行指令(例如，软件/固件应用)的组合，这些可执行指令当前正在执行和/或可由处理器412执行以使处理器412执行所描述/要求保护的过程或功能。因此，关闭电源或正在执行其他软件、但具有所描述的软件的处理器也可以对应于被配置为执行本文所描述/要求保护的特定过程和功能的所描述/要求保护的处理器，所描述的软件以设置为由处理器执行(当由用户、硬件和/或其他软件启动时)的方式安装在与之操作性连接的数据存储器上(诸如在硬盘或SSD上)。
此外，应当理解，对“一个处理器”的引用可以包括多个物理处理器或内核，其被配置为执行在此所描述的功能。此外，应当理解，数据处理系统也可以被称为控制器，其可操作地控制至少一个运行。
同样重要的是，要注意虽然本公开包括在全功能系统和/或一系列动作的背景下的描述，但本领域的技术人员将理解，本公开的机制和/或所描述的动作的至少一部分能够以计算机/处理器可执行的指令(例如，软件和/或固件指令)的形式分发，该指令包含在数据存储中，该数据存储对应于以各种形式中任一种形式的非瞬态机器可用的、计算机可用的或计算机可读的介质。计算机/处理器可执行的指令可以包括例程、子例程、程序、应用、模块、库和/或类似物。此外，应该理解，计算机/处理器可执行的指令可以对应于和/或可以从源代码、字节码、运行时代码、机器码、汇编语言、Java、JavaScript、Python、Julia、C、C#、C++或任何其他形式的代码生成，这些代码可以被编程/配置为使至少一个处理器执行在此所描述的动作和特征。更进一步地，所描述/要求保护的过程或功能的结果可以存储在计算机可读介质中、显示在显示设备上等。

Claims (22)

1.一种变频驱动系统(450)，所述变频驱动系统包括：
功率转换器(310，470)，所述功率转换器包括向一个或多个输出相(A，B，C)供电的多个功率单元(312)，每个功率单元(312)包括多个包含半导体开关的开关设备(315a-d)；
多个传感器(490)，所述传感器用于监测功率转换器(310，470)的值；以及
控制系统(400)，所述控制系统与所述功率转换器(310，470)处于通信中并控制多个功率单元(312)的运行，所述控制系统(400)包括至少一个处理器(412)，至少一个处理器通过可执行指令被配置为：
访问功率转换器(310，470)的第一降阶模型(ROM-1)；
接收由多个传感器(490)所提供的值；
结合所述第一降阶模型(ROM-1)对所述值进行分析，以确定一个或多个运行模式(416)；以及
输出功率转换器(310，470)的一个或多个所确定的运行模式(416)。
2.根据权利要求1所述的变频驱动系统(450)，其中，多个传感器(490)提供功率转换器(470)的半导体开关的内部温度值。
3.根据权利要求1或2所述的变频驱动系统(450)，其中，多个传感器(490)包括用于测量散热器的内部温度的散热器传感器(472)和用于测量功率转换器(470)的内部气流的气流传感器(474)。
4.根据权利要求1、2或3所述的变频驱动系统(450)，其中，多个传感器(490)提供功率转换器(470)的电容器的温度值。
5.根据上述权利要求中任一项所述的变频驱动系统(450)，其中，所述第一降阶模型(ROM-1)通过所计算的流体动力学仿真来获得，所述所计算的流体动力学仿真包括多个输入参数和多个输出参数，其中，所述多个输出参数包括功率单元(312)的开关设备(315a-d)的单个晶体管的所计算的结温和功率转换器(470)的散热器的所计算的温度。
6.根据权利要求5所述的变频驱动系统(450)，其中，包括至少一个处理器(412)的控制系统(400)通过可执行指令进一步配置为：
将由散热器传感器(472)测量到的实际温度与包括在第一降阶模型(ROM-1)中的散热器的所计算的温度进行比较；以及
如果确定了在实际温度值与所计算的温度值之间存在差异，则利用散热器的实际温度更新所述第一降阶模型(ROM-1)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的变频驱动系统(450)，还包括冷却部件(480)，所述冷却部件用于冷却所述功率转换器(470)，其中，多个传感器(490)还包括用于监测冷却剂出口与冷却剂进口之间的冷却剂流量和冷却剂压降的传感器(482)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的变频驱动系统(450)，其中，多个传感器(490)还包括振动传感器(452)，所述振动传感器用于监测驱动系统(450)的组件的振动，以确定需要维护的机械状况。
9.根据上述权利要求中任一项所述的变频驱动系统(450)，所述变频驱动系统还包括变压器(460)，所述变压器可运行地耦合到所述功率转换器(470)并且向多个功率单元(312)提供隔离电压，
其中，包括至少一个处理器(412)的控制系统(400)通过可执行指令进一步配置为：
访问变压器(460)的第二降阶模型(ROM-2)；以及
结合第二降阶模型(ROM-2)对值进行分析以确定一个或多个运行模式(416)。
10.根据权利要求9所述的变频驱动系统(450)，其中，所述第二降阶模型(ROM-2)通过所计算的流体动力学仿真来获得，所述所计算的流体动力学仿真包括多个输入参数和多个输出参数，其中，多个输出参数包括在变压器(460)的铁芯和次级绕组上的预定位置处的所计算的温度。
11.根据上述权利要求中任一项所述的变频驱动系统(450)，其中，一个或多个运行模式(4161)包括驱动系统的状态，所述驱动系统包括热点，并且其中，一个或多个运行模式(416)包括冷却部件(480)的修改后的运行模式和/或功率转换器(470)的修改后的运行模式，其中，功率转换器(470)的输出电压被增加或减少。
12.根据上述权利要求中任一项所述的变频驱动系统(450)，其中，每个功率单元(312)包括本地传感器和与控制系统(400)处于通信的本地控制电路，其中，每个本地控制电路收集本地传感器的传感器值并且将所述传感器值传送到控制系统(400)以进行评估。
13.根据权利要求12所述的变频驱动系统(450)，其中，所述本地传感器提供振动值、电弧检测值、温度值和气流值。
14.根据权利要求12和13所述的变频驱动系统(450)，其中，每个本地控制电路包括至少一个处理器，所述处理器通过可执行指令被配置为基于振动值、电弧检测值、温度值和气流值计算每个功率单元(312)的功率电子组件的寿命。
15.根据上述权利要求中任一项所述的变频驱动系统(450)，其中，所述控制系统(450)还包括预防性维护模块(420)和移动应用模块(430)，所述预防性维护模块和移动应用模块允许向所述控制系统(450)添加或加载另外的应用，所述另外的应用独立于由控制系统(450)执行的控制过程提供对驱动数据的后处理。
16.根据权利要求15所述的变频驱动系统(450)，其中，所述预防性维护模块(420)和移动应用模块(430)被配置为使得另外的应用或控制特征被远程地添加、加载或启用。
17.一种用于控制变频驱动器(450)的方法(600)，所述方法包括通过运行至少一个处理器(412)：
访问(610)功率转换器(310，470)的第一降阶模型(ROM-1)；
接收(620)由传感器(490)提供的功率转换器(310，470)的传感器值；
结合第一降阶模型(ROM-1)分析(630)所述传感器值以确定功率转换器(310，470)的运行模式(416)；以及
输出(640)运行模式(416)。
18.根据权利要求17所述的方法(600)，所述方法还包括：
将由传感器(490)测量的实际值与包括在降阶模型(ROM-1，ROM-2)中的所计算的值进行比较；以及
当确定了在实际值与所计算的值之间存在差异时，利用实际值更新降阶模型(ROM-1，ROM-2)。
19.根据权利要求17或18所述的方法，所述方法还包括：
通过包括多个输入参数和多个输出参数的所计算的流体动力学仿真来获得功率转换器(310，470)的降阶模型(ROM-1，ROM-2)，其中多个输出参数包括功率单元(312)的开关设备(315a-d)的单个晶体管的所计算的结温。
20.根据权利要求17、18或19所述的方法，所述方法还包括：
访问(610)变压器(460)的第二降阶模型(ROM-2)；以及
接收(620)由传感器(490)提供的变压器(460)的传感器值；
结合第二降阶模型(ROM-2)分析(630)所述传感器值以确定变压器(460)的运行模式(416)；以及
输出(640)运行模式(416)。
21.根据权利要求18所述的方法(600)，所述方法还包括：
与功率单元(312)的本地控制电路(476)通信，每个本地控制电路(476)收集功率单元(312)的本地传感器的传感器值，以及
结合第一降阶模型(ROM-1)分析(630)所述传感器值以确定功率转换器(310，470)的运行模式(416)。
22.一种非瞬态计算机可读介质，其上编码有处理器可执行的指令，当由至少一个处理器(412)执行时，所述指令使至少一个处理器(412)执行根据上述权利要求17至21中任一项所述的用于控制中压变频驱动器(450)的方法。
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