CN118074207A - 再生驱动器的混合直流链路系统 - Google Patents

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Abstract

系统包括操作性地连接到交流(AC)电源和直流(DC)总线的转换器、操作性地连接到马达和DC总线的逆变器和操作性地连接在DC总线的高侧和低侧之间的混合DC链路系统。转换器包括与AC电源的每个相和DC总线选择性地连通的第一多个开关装置。逆变器包括与马达的每个相和DC总线选择性地连通的第二多个开关装置。混合DC链路系统包括与能量缓冲分支并联的纹波电流控制分支。

Description

再生驱动器的混合直流链路系统
技术领域
本文公开的主题通常涉及再生驱动系统，并且更具体地涉及再生驱动器的混合直流链路系统。
背景技术
再生驱动器可用于将马达和所连接的负载的机械能转换成电能，电能在制动条件下返回到电源。可在电梯轿厢的制动期间在输送系统诸如电梯系统中使用再生驱动器。取决于应用和事件，再生驱动器可经受能量变化。
发明内容
根据示例性实施方案，系统包括操作性地连接到交流(AC)电源和直流(DC)总线的转换器。转换器包括与AC电源的每个相和DC总线选择性地连通的第一多个开关装置。系统还包括操作性地连接到马达和DC总线的逆变器。逆变器包括与马达的每个相和DC总线选择性地连通的第二多个开关装置。系统还包括操作性地连接在DC总线的高侧和低侧之间的混合DC链路系统。混合DC链路系统包括与能量缓冲分支并联的纹波电流控制分支。
除了上面或下面所述的一个或多个特征以外或作为另选方案，另外的实施方案还可包括：其中纹波电流控制分支包括连接在DC总线的高侧和低侧之间的至少一个膜电容器。
除了上面或下面所述的一个或多个特征以外或作为另选方案，另外的实施方案还可包括：其中能量缓冲分支包括在DC总线的高侧和低侧之间具有阻抗元件的一个或多个电解电容器。
除了上面或下面所述的一个或多个特征以外或作为另选方案，另外的实施方案还可包括与一个或多个电解电容器中的第一电解电容器并联的第一电阻器和与第一电阻器串联并与一个或多个电解电容器中的第二电解电容器并联的第二电阻器。
除了上面或下面所述的一个或多个特征以外或作为另选方案，另外的实施方案还可包括：第一电阻器的电阻基本上等于第二电阻器的电阻，并且第一电解电容器的电容基本上等于第二电解电容器的电容。
除了上面或下面所述的一个或多个特征以外或作为另选方案，另外的实施方案还可包括：其中阻抗元件包括与阻尼电阻元件串联的电感器。
除了上面或下面所述的一个或多个特征以外或作为另选方案，另外的实施方案还可包括：其中阻尼电阻元件是外部电阻器。
除了上面或下面所述的一个或多个特征以外或作为另选方案，另外的实施方案还可包括：其中阻尼电阻元件是与电感器集成的电阻。
除了上面或下面所述的一个或多个特征以外或作为另选方案，另外的实施方案还可包括：其中阻尼电阻元件是与一个或多个电解电容器中的至少一个集成的电阻。
除了上面或下面所述的一个或多个特征以外或作为另选方案，另外的实施方案还可包括控制器，其可操作以基于以下中的一者或多者来将系统转变到故障安全状态：超过混合DC链路系统中的最大额定电流以及超过混合DC链路系统中的不平衡限制。
根据实施方案，方法包括将转换器可操作地连接到AC电源和DC总线。转换器包括与AC电源的每个相和DC总线选择性地连通的第一多个开关装置。逆变器可操作地连接到马达和DC总线。逆变器包括与马达的每个相和DC总线选择性地连通的第二多个开关装置。混合DC链路系统可操作地连接在DC总线的高侧和低侧之间。混合DC链路系统包括与能量缓冲分支并联的纹波电流控制分支。通过混合DC链路系统的纹波电流控制分支来在DC总线上限制纹波电流。通过混合DC链路系统的能量缓冲分支来缓冲DC总线的能量变化。
本公开的实施方案的技术效果包括使用与再生驱动器的直流总线上的能量缓冲并联的纹波电流控制来提供再生驱动器中的混合直流链路。
前述特征和元件可被组合在各种组合中而没有排他性，除非另外明确指明。根据下面的描述和附图，这些特征和元件以及其操作将变得更明显。然而应理解，下面的描述和附图在本质上旨在是示例性的和解释性的而非限制性的。
附图说明
本公开通过举例而非限制的方式在附图中示出，其中相似的参考数字指示相似的元件。
图1是根据实施方案的电力系统的部件的框图；
图2是根据实施方案的再生驱动系统的简化示意图；
图3是根据实施方案的混合直流链路系统的简化示意图；
图4是根据实施方案的电梯系统的简化示意图；以及
图5描绘根据实施方案的方法的流程图。
具体实施方式
所公开的系统和方法的一个或多个实施方案的详细描述参考附图以举例而非限制的方式在本文中呈现。通常，本文的实施方案涉及再生驱动器，其利用有源转换器来供应直流(DC)总线，该直流总线继而将电压供应到逆变器，该逆变器生成马达激励信号以驱动马达。此外，本文的实施方案涉及混合DC链路系统以抑制DC总线上的纹波电流和缓冲能量峰值，特别是在将能量从马达返回到电源的再生模式中的瞬时条件下。本文的实施方案阐述转换器的驱动和马达系统以主动控制可从交流(AC)侧正弦电流生成的DC电压。DC电压用于使用电力电子装置的快速切换来生成AC激励电压以控制马达。
对于连续设计考虑，由于紧急停止事件或瞬时条件，再生驱动器的直流链路对于能量分等目的可能过大。在提供高储能的再生驱动器的直流链路中使用的电气部件诸如电解直流电容器可具有较短寿命和/或低额定纹波电流。相反，在具有较长寿命和/或较高额定纹波电流的再生驱动器的直流链路中使用的电气部件诸如膜电容器可具有较大的物理尺寸和较高的成本，但在能量密度分等中是小的。
为了促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参考在附图中示出的实施方案，且特定的语言用于描述所述实施方案。然而将理解，并不因此预期限制本公开的范围。下面的描述仅仅在本质上是示例性的，且并不旨在限制本公开、其应用或用途。应理解，在全部附图中，相应的参考数字指示相似或相应的部分和特征。如在本文使用的，术语“控制器”指处理电路，其可包括专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电子电路、执行以非暂态形式存储的一个或多个软件或固件程序的电子处理器(共享、专用或组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其它适当的接口和部件。
图1是如可用于给一个或多个负载23供电的实施方案的电力系统10的部件的框图。电力系统10包括AC电源12，诸如电气干线(例如440伏、3相)。AC电源12向再生驱动系统20提供AC功率。再生驱动系统20能够作为马达驱动器和再生驱动器操作，再生驱动器能够在被驱动负载23的制动期间控制来自马达22的再生能量。在实施方案中，关于电梯系统100(图4)描述了电力系统10；然而，可设想应用于采用马达驱动器的任何系统。例如，在一些实施方案中，负载23可以是另选的输送系统，诸如自动扶梯、自动人行道、电车等。作为另一个示例，负载23可以是加热通风和空气调节或制冷系统(HVAC/R)系统的部件，诸如压缩机。
图2是具有更详细描绘的再生驱动系统20的电力系统10的简化示意图。电力系统10中的AC电源12可以是例如电气干线(例如440伏、3相)。在图2的示例中，再生驱动系统20是包括具有3个相脚R、S和T的转换器32的再生驱动器。每个相脚R、S和T包括由来自控制器30的控制信号控制的开关装置31以将AC功率转换成在具有高侧36和低侧38的DC总线34上的DC功率。再生驱动系统20还包括具有3个相脚W、V和U的逆变器33。每个相脚W、V和U包括由来自控制器30的控制信号控制的开关装置31以将跨DC总线34的DC功率转换成AC驱动信号以给马达22供电。在实施方案中，混合DC链路系统46可操作地连接在DC总线34的高侧36和低侧38之间以限制DC总线34上的纹波电流并缓冲DC总线34的能量变化，如在本文进一步描述的。可使用执行存储在存储介质上的计算机程序以执行本文所述的操作的通用微处理器来实现控制器30。可选地，可在硬件(例如ASIC、FPGA)中或在硬件/软件的组合中实现控制器30。
图3更详细地描绘根据示例性实施方案的混合DC链路系统46。在图3的示例中，混合DC链路系统46在DC总线34的高侧36和低侧38之间包括与能量缓冲分支60并联的纹波电流控制分支50。纹波电流控制分支50包括连接在DC总线34的高侧36和低侧38之间的至少一个膜电容器52。能量缓冲分支60包括在DC总线34的高侧36和低侧38之间具有阻抗元件66的一个或多个电解电容器，其中在图3的示例中描绘了与阻抗元件66串联的两个电解电容器62、64。
混合DC链路系统46还可包括与第一电解电容器62并联的第一电阻器72和与第一电阻器72串联并与第二电解电容器64并联的第二电阻器74，其中电解电容器62、64具有串联连接的足够低的额定电压。如果能量缓冲分支60具有与纹波电流控制分支50相等的额定电压，则可省略电阻器72、74。第一电阻器72的电阻可基本上等于第二电阻器74的电阻，并且第一电解电容器62的电容可基本上等于第二电解电容器64的电容。电解电容器62、64可以比膜电容器52提供更高的能量储存。电阻器72、74可以为电解电容器62、64提供电压平衡以在正常操作条件下在高侧36和低侧38之间平等地共享DC总线34的DC电压。相反，膜电容器52比电解电容器62、64具有更高的额定纹波电流。
阻抗元件66可以是与阻尼电阻元件68串联的电感器67。阻尼电阻元件68可以是外部电阻器、与电感器67集成的电阻、与电解电容器62、64中的至少一个集成的电阻或其组合。例如，在一些实施方案中，在包括能量缓冲分支60的印刷电路板中的迹线电阻可被设计成满足阻尼电阻元件68的全部或一部分的电阻要求。类似地，电感器67可以是电路板上安装的部件和/或电路板内的迹线电感。在电感器67中集成阻尼电阻元件68可包括设计/选择其中阻尼电阻元件68作为电感器67的内在特性的电感器67。
在实施方案中，主要的高频纹波电流由纹波电流控制分支50的膜电容器52处理。瞬时能量缓冲诸如马达22的紧急制动条件由能量缓冲分支60的电解电容器62、64或结合膜电容器52处理。电解电容器62、64在DC总线34的高侧36和低侧38之间的DC链路上的紧急停止和/或低频瞬时的情况下补偿剩余能量缓冲要求。阻抗元件66迫使较高频率电流到纹波电流控制分支50的膜电容器52。阻尼电阻元件68可防止能量缓冲分支60中的过电压条件(例如由瞬时谐振引起)并使电解电容器62、64能够执行瞬时能量缓冲，同时使谐振减弱。
可针对潜在问题而监控混合DC链路系统46的各种部件。作为一个示例，模数(A/D)转换器80可跨第二电阻器74连接以使控制器30(图2)或其它监控电路能够观察到电压(例如半DC链路电压)。A/D转换器80可与控制器30连接或集成。A/D转换器80和其它此类监控器(未描绘)可用于电压/电流监控以检测并包含DC链路故障。例如，DC链路电压纹波和频率可由控制器30确定并进一步用于确定在电感器67中的电流。如果电感器67中的电流超过电感器67的额定电流，则控制器30可断开来自AC电源12(图1和2)的功率。控制器30还监控在不平衡限制之上(例如大于10％)的AC线路不平衡。如果超过混合DC链路系统46中的不平衡限制，则控制器30可断开来自AC电源12的功率作为故障安全状态和/或采用其它缓解行动。
图4是根据示例性实施方案的电梯系统100的示意图。应理解，图4所示的电梯系统100的版本仅为了示例性目的并有助于公开各种实施方案。如由本领域中的技术人员理解的，图4未描绘示例性电梯系统的所有部件，也未描绘必须被包括在所有电梯系统中的特征。
如图4所示，电梯系统100可完全或部分地驻留于井道25中，井道25垂直地设置在建筑物内。井道25可提供垂直路径，电梯轿厢24可通过垂直路径在建筑物的楼层或层站26之间行进。马达22或其它原动机可以操作性地连接到电梯轿厢24，以便生成推力以在井道25内移动电梯轿厢24。马达22也可被称为机器，或在另选的配置中，马达22可以是用于移动电梯轿厢24的机器的一部分。
AC电源12(如在图1和2中所示的)可以操作性地连接到马达22，以便将功率供应到马达22。AC电源12可以是在外部诸如从电力公用电网生成的功率。马达22和AC电源12可以各自为三相。此外，再生驱动系统20可联接到马达22和AC电源12，以便操作马达22来实现期望电梯轿厢运动，其中电梯轿厢24是图1的负载23的示例。
图5描绘根据实施方案的方法200的流程图。方法200参考图1-5描绘，并且可包括除了在图5中所描绘和所示的那些元件以外的额外元件。方法200的顺序不被图5的次序限制，图5为了解释的目的而提供示例。
在框205处，转换器32可操作地连接到AC电源12和DC总线34。转换器32包括与AC电源12的每个相R、S、T和DC总线34选择性地连通的第一多个开关装置31。
在框210处，逆变器33操作性地连接到马达22和DC总线34。逆变器33包括与马达22的每个相W、V、U和DC总线34选择性地连通的第二多个开关装置31。
在框215处，混合DC链路系统46可操作地连接在DC总线34的高侧36和低侧38之间。混合DC链路系统46包括与能量缓冲分支60并联的纹波电流控制分支50。第一电阻器72与能量缓冲分支60的第一电解电容器62可操作地并联连接。第二电阻器74与第一电阻器72可操作地串联连接并且与能量缓冲分支60的第二电解电容器64可操作地并联连接。
在框220处，通过混合DC链路系统46的纹波电流控制分支50来在DC总线34上限制纹波电流。在框225处，通过混合DC链路系统46的能量缓冲分支60来缓冲DC总线34的能量变化。控制器30可通过混合DC链路系统46来监控各种超出范围或故障条件并相应地做出反应。例如，可通过A/D转换器80和其它此类电路(未描绘)来执行电压和/或电流监控。控制器30可基于以下中的一者或多者来将再生驱动系统20转变到故障安全状态：由控制器30检测到超过混合DC链路系统46中的最大额定电流以及由控制器30检测到超过混合DC链路系统46中的不平衡限制。故障安全状态可包括断开或以其他方式中断与AC电源12的电连接。例如，可将转换器32的开关装置31设置到断开状态，其阻止AC电源12和DC总线34之间的电流流动。可选地，可打开转换器32和AC电源12之间的一个或多个开关或接触器。
如在本文所述的，在一些实施方案中，各种功能或行动可在给定位置处和/或结合一个或多个设备、系统或装置的操作发生。例如在一些实施方案中，可在第一装置或位置处执行给定功能或行动的一部分，以及可在一个或多个额外的装置或位置处执行功能或行动的其余部分。
可使用一种或多种技术来实现实施方案。在一些实施方案中，设备或系统可包括一个或多个处理器和存储指令的存储器，指令在由一个或多个处理器执行时使设备或系统执行如在本文所述的一个或多个方法行动。可在一些实施方案中使用本领域中的技术人员已知的各种机械部件。
实施方案可被实现为一个或多个设备、系统和/或方法。在一些实施方案中，指令可存储在一个或多个计算机程序产品或计算机可读介质诸如暂态和/或非暂态计算机可读介质上。指令在被执行时可使实体(例如设备或系统)执行如本文所述的一个或多个方法行动。
术语“约”旨在包括与基于在提交本申请时可用的装备的特定量的测量相关联的误差程度。例如，“约”可包括给定值的±8％或5％或2％的范围。
在本文使用的术语仅是为了描述特定实施方案的目的，并且不旨在限制本公开。如在本文用，单数形式的“一个”、“一种”、“该/所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指明。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但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、部件和/或其组。
此外，术语“示例性”在本文用于意指“用作示例、实例或例证”。在本文被描述为“示例性”的任何实施方案或设计不一定被解释为相对于其它实施方案或设计是优选的或有利的。术语“至少一个/种”和“一个/种或多个/种”被理解为包括大于或等于一的任何整数，即一、二、三、四等。术语“多个”被理解为包括大于或等于二的任何整数，即二、三、四、五等。术语“连接”可包括间接“连接”和直接“连接”。
虽然参考一个或多个示例性实施方案描述了本公开，本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开范围的情况下，可做出各种修改且等效形式可以用其元件代替。此外，可做出很多修改以使特定的情况或材料适应于本公开的教导内容而不脱离其本质范围。因此，意图是本公开不限于被设想用于实现本公开的被公开为最佳模式的特定实施方案，但本公开将包括落在权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (12)

1.一种系统，其包括：
转换器，其操作性地连接到交流(AC)电源和直流(DC)总线，所述转换器包括与所述AC电源的每个相和所述DC总线选择性地连通的第一多个开关装置；
逆变器，其操作性地连接到马达和所述DC总线，所述逆变器包括与所述马达的每个相和所述DC总线选择性地连通的第二多个开关装置；以及
混合DC链路系统，其操作性地连接在所述DC总线的高侧和低侧之间，所述混合DC链路系统包括与能量缓冲分支并联的纹波电流控制分支，
其中，所述纹波电流控制分支包括连接在所述DC总线的所述高侧和所述低侧之间的至少一个膜电容器，
其中，所述能量缓冲分支包括多个电解电容器、与所述多个电解电容器中的第一电解电容器并联的第一电阻器以及与所述第一电阻器串联并与所述多个电解电容器中的第二电解电容器并联的第二电阻器；并且特征在于：
所述能量缓冲分支还包括与所述DC总线的所述高侧和所述低侧之间的所述多个电解电容器串联的阻抗元件，所述阻抗元件是电感器和/或电阻器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电阻器的电阻基本上等于所述第二电阻器的电阻，并且所述第一电解电容器的电容基本上等于所述第二电解电容器的电容。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述阻抗元件包括与阻尼电阻元件串联的电感器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述阻尼电阻元件包括外部电阻器。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述阻尼电阻元件包括与所述电感器集成的电阻。
6.根据权利要求3所述的系统，其中所述阻尼电阻元件包括与所述一个或多个电解电容器中的至少一个集成的电阻。
7.根据任一前述权利要求所述的系统，其还包括控制器，所述控制器能够操作以基于以下中的一者或多者来将所述系统转变到故障安全状态：超过所述混合DC链路系统中的最大额定电流以及超过所述混合DC链路系统中的不平衡限制。
8.一种方法，其包括：
将转换器可操作地连接到交流(AC)电源和直流(DC)总线，所述转换器包括与所述AC电源的每个相和所述DC总线选择性地连通的第一多个开关装置；
将逆变器可操作地连接到马达和所述DC总线，所述逆变器包括与所述马达的每个相和所述DC总线选择性地连通的第二多个开关装置；
将混合DC链路系统可操作地连接在所述DC总线的高侧和低侧之间，所述混合DC链路系统包括与能量缓冲分支并联的纹波电流控制分支；
通过所述混合DC链路系统的所述纹波电流控制分支来在所述DC总线上限制纹波电流；以及
通过所述混合DC链路系统的所述能量缓冲分支来缓冲所述DC总线的能量变化；
其中，所述纹波电流控制分支包括连接在所述DC总线的所述高侧和所述低侧之间的至少一个膜电容器；
其中，所述能量缓冲分支包括多个电解电容器、与所述多个电解电容器中的第一电解电容器并联的第一电阻器；以及
将第二电阻器与所述第一电阻器可操作地串联连接并与所述多个电解电容器中的第二电解电容器可操作地并联连接；并且特征在于：
所述能量缓冲分支还包括与所述DC总线的所述高侧和所述低侧之间的所述多个电解电容器串联的阻抗元件，所述阻抗元件是电感器和/或电阻器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一电阻器的电阻基本上等于所述第二电阻器的电阻，并且所述第一电解电容器的电容基本上等于所述第二电解电容器的电容。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述阻抗元件包括与阻尼电阻元件串联的电感器。
11.根据权利要求11所述的方法，其中所述阻尼电阻元件包括外部电阻器或与所述电感器集成的电阻或与所述一个或多个电解电容器中的至少一个集成的电阻。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的方法，还包括：
由控制器基于以下中的一者或多者将包括所述转换器和所述逆变器的再生驱动系统转变到其中将所述AC电源断开连接的故障安全状态：由所述控制器检测到超过所述混合DC链路系统中的最大额定电流以及由所述控制器检测到超过所述混合DC链路系统中的不平衡限制。
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