阅读说明：本技术 基于整流电压控制变速驱动器的功率单元 (Power unit for controlling variable speed drive based on rectified voltage ) 是由 T.德沃斯 F.马尔雷特 于 2019-12-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于控制变速驱动器的方法,该变速驱动器针对多相中的每一相包括串联连接的Ni个低电压功率单元,i是相索引。该方法包括重复P次迭代,包括：-激活(201)一个或多个相的至少一个单元,并且停用变速驱动器的其他功率单元,其中基于取决于迭代索引的预定义激活控制来选择至少一个激活的单元；-在电气设备的端子上针对至少一个相接收(205)在变速驱动器的至少一个输出电压；此外,该方法包括,在P次迭代结束时,根据所测量的变速驱动器的输出电压,确定(206)变速驱动器的功率单元的各个整流级的输出端的整流电压值,并且存储所获得的整流电压,这些整流电压分别与变速驱动器的功率单元相关联。(The present invention relates to a method for controlling a variable speed drive comprising Ni low voltage power cells connected in series for each of a plurality of phases, i being a phase index. The method includes repeating P iterations, including: -activating (201) at least one cell of one or more phases and deactivating other power cells of the variable speed drive, wherein the at least one activated cell is selected based on a predefined activation control depending on the iteration index; -receiving (205) at least one output voltage at the variable speed drive for at least one phase at a terminal of the electrical device; furthermore, the method comprises, at the end of the P iterations, determining (206) rectified voltage values at the output of the respective rectification stages of the power cell of the variable speed drive from the measured output voltage of the variable speed drive, and storing the obtained rectified voltages, which are respectively associated with the power cells of the variable speed drive.)

基于整流电压控制变速驱动器的功率单元

技术领域

本发明涉及负责向电气设备(诸如电动机)供电的变速驱动器的管理。

背景技术

根据一种电力拓扑，变速驱动器通过串联一定数量的低电压转换器(这些转换器被称为功率单元)来提供高电压。对这些功率单元的控制允许提供多个级的电压或多级电压，每个功率单元增加一个电压，允许达到连续的电压电平。

根据欧洲标准，低电压被理解为指AC在0到1000伏之间，DC在0到1500伏之间的电压。高电压被理解为指AC高于1000伏和DC高于1500伏的电压。

例如，变速驱动器可以包括N个功率单元，N大于或等于2。当变速驱动器提供三相电源时，它可以包括3*N个功率单元，N个功率单元专用于三相中的每一相。

在多级变速驱动器拓扑中，只有电动机电压测量可用于降低产品成本，而不是单个整流电压或DC总线电压DC。这些整流电压对应于变速驱动器的每个功率单元的输入端的整流桥(主要是二极管桥或晶闸管桥)的输出端的电压。

在上述多级架构中，通过将占空比(duty cycle)施加到功率单元的整流电压来生成每个功率单元的输出电压。因此，每个功率单元的整流电压或DC总线电压是必要的，以便计算要施加的占空比，从而达到电动机上的目标输出电压。

根据现有技术的解决方案，考虑所有功率单元共有的固定整流电压，其基于理想情况下DC总线的理论值。

然而，这种解决方案导致施加到电动机的输出电压出现误差，因为在实践中，功率单元的整流电压彼此不同。这是因为存在各种扰动并影响每个功率单元的整流电压的电平(变速驱动器、变压器等的输入端的电压)。

这种误差可以通过电动机电压测量来补偿，但这需要有精确的电动机电压传感器，以便校正器能够约束在变速驱动器的输出端生成的电压。因此，电压参考可以由两个项组成：直接项和从校正器导出的校正。

利用整流电压的知识，直接项中的误差幅度越大，校正器就越需要采取措施来抑制该误差。因此，电压的产生将取决于校正器的动态性，并影响整体控制性能。

此外，可以提供额外的传感器，以便为功率单元提供诊断。例如，温度探头可以设置在例如变速驱动器上游的变压器上。然而，没有为变速驱动器的输入级提供诊断。

因此，需要通过抑制电力转换系统的各种扰动(变压器的可变增益、功率单元的开关的切换动作的停机时间)来改善对变速驱动器传递给电动机的输出电压的控制。

本发明克服了上述缺点。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种用于确定负责向电气设备供电的变速驱动器的功率单元(power cell)的整流电压的方法，变速驱动器针对多相中的每一相包括串联连接的Ni个低电压功率单元，N大于或等于2，i是相索引。该方法包括以下操作：

重复以下P次迭代，P是大于或等于2的预定义整数：

-激活一个或多个相的至少一个单元，并且停用变速驱动器的其他功率单元，其中基于取决于迭代索引的预定义激活控制来选择至少一个激活的单元；

-在电气设备的端子上针对至少一个相接收变速驱动器的至少一个输出电压；

其中该方法还包括，在P次迭代的结束时：

根据所测量的变速驱动器的输出电压，确定变速驱动器的功率单元的各个整流级的输出端的整流电压值；

存储所确定的整流电压值，这些整流电压值分别与变速驱动器的功率单元相关联。

术语“电动机电压”在下文中用来表示由变速驱动器供电的电气设备的端子上的电压。

根据一个实施例，整数P和激活控制可以矩阵的形式预定义，该矩阵包括每相P行或P列，表示激活控制，并且在秩上等于变速驱动器的功率单元的数量。

因此，可以通过最小化测量次数来获取(access)所有整流电压值。

此外，针对三相中的每一相,变速驱动器包括N个功率单元，并且对于索引t的每次迭代，t在1和P之间：

m_t＝KALL_t×VBALL；

其中，KALL_t表示包括的具有3行和3*N列的矩阵，包括[K1-K2 K0；K0 K2-K3；-K1K0 K3]，其中K1、K2和K3是三相各自的激活控制，并且是采用二进制值的大小为的N的向量，第一值对应于激活，第二值对应于停用，其中K0是大小为N的零向量，

其中，VBALL是由如下[VB1；VB2；VB3]组成的长度为3*N的列向量，其中VB1、VB2和VB3是三个相应相的功率单元的整流电压的大小为N的向量；

其中M_t是在给定迭代中在电气设备的端子上测量的三个电压的向量，所测量的三个电压对应于变速驱动器的三个输出电压(所测量的三个电压可以根据变速驱动器的三个输出电压来确定)。

根据一个实施例，P等于变速驱动器的功率单元的数量，并且在每次迭代中可以激活单个功率单元，针对两次不同迭代被激活的功率单元是单独的。

这样的实施例允许容易地获取功率单元的整流电压中的每一个。

因此，根据本发明的方法允许获取功率单元的整流电压，而不需要添加额外的传感器。

根据一个实施例，该方法还可以包括在向电气设备供电的当前阶段期间，针对每个功率单元，基于与功率单元相关联的整流电压来调整用于控制功率单元的命令。

因此，该实施例允许产生只需要很少或者甚至不需要校正的目标电动机电压。因此，在目标电动机电压的产生中允许更好的动态性。

此外，调整用于控制功率单元的命令包括基于与功率单元相关联的整流电压来确定功率单元的占空比。

根据一个实施例，该方法还可以包括分析所获得的整流电压，目的是检测与标称操作的偏差。

因此，可以预见功率级的故障并进行预防性维护。

根据一个实施例，该方法可以在多个单独的时刻重复，并且对整流电压的分析可以包括确定功率单元的整流电压的变化趋势，并将该趋势与标称操作进行比较。

因此，可以预见功率级的故障并进行预防性维护。

根据一个实施例，该方法可以在电气设备的停止(stoppage)之后启动。

这样，该方法不会中断电气设备的操作。

此外，该方法可以在检测到电气设备的停止时自动启动。

因此不需要操作员干预。此外，该方法可以在电气设备停止时以给定的频率自动启动。

或者，该方法可以在电气设备的停止后手动启动。

因此，操作员可以实施对功率单元的操作的检查。

本发明的第二方面涉及一种可由处理器执行的计算机程序，其包括指令以便当该指令被处理器执行时，实施根据本发明第一方面的方法的步骤。

本发明的第三方面涉及一种用于控制负责向电气设备提供三相电源的变速驱动器的设备，该变速驱动器针对多相中的每一相包括串联连接的Ni个低电压功率单元，N大于或等于2，i是相索引。该控制设备包括：

处理器，能够通过输出接口控制以下P次迭代的重复，P是大于或等于2的预定义整数：

激活一个或多个相的至少一个单元，并且停用变速驱动器的其他功率单元，其中基于取决于迭代索引的预定义激活控制来选择至少一个激活的单元；

经由输入接口在电气设备的端子上针对两相接收变速驱动器的至少两个输出电压；

此外，处理器能够在P次迭代结束时，根据测量的变速驱动器的输出电压确定变速驱动器的功率单元的各个整流级的输出端的整流电压值，

存储器，存储所确定的整流电压值，这些整流电压值分别与变速驱动器的功率单元相关联。

本发明的第四方面涉及一种负责向电气设备提供三相电源的变速驱动器，该变速驱动器针对三相中的每一相包括串联的N个低电压功率单元，N大于或等于2，并且该变速驱动器包括根据本发明第三方面的控制设备。

附图说明

仅作为示例，将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的用于控制向电气设备供电的系统；

图2是示出根据本发明一个实施例的方法步骤的图表；

图3示出了根据本发明一个实施例的控制设备的结构。

具体实施方式

图1示出了一种用于向由可变三相电源供电的电气设备(诸如电动机100)(例如感应电动机)的电气设备供电的系统。这种电动机是作为说明给出的，但不应将本发明局限于该单个示例，本发明能够应用于由包括多个功率单元的变速驱动器供电的任何电气设备。

变速驱动器包括从电源(mains)110接收可变三相电源的变压器111。变压器111可以是能够将三相电压传送到多个功率单元的多绕组变压器，如下所述。

根据本发明的变速驱动器102可以包括功率级，该功率级包括一个或多个低电压功率单元101。在图1所示的示例中，电动机接收三相电源，变速驱动器102包括3*N个功率单元，其中N个功率单元专用于每相，N大于或等于2。

参考图1，示出了具有3*N个功率单元的系统。然而，本发明同样适用于具有3*(N+1)个功率单元的系统，每相保留一个功率单元以防出现活动功率单元中的一个失效的情况。给出这样的示例仅仅是为了说明的目的。考虑三相电源的示例，但是本发明也适用于具有N个或N+1个功率单元的系统。本发明也适用于具有N+2(或多于N+2)个功率单元(或对于三相电源的3*(N+2)个功率单元)的系统，其中每相有两个替换功率单元。此外，本发明能够应用于相的数量为三之外的情况。此外，功率单元的数量可以每相不同，在这种情况下，每一相包括数量为Ni的功率单元，i是相索引。仅作为说明，下面的叙述考虑三相电源的情况，其中每一相具有相同数量的N个功率单元。

每个功率单元101在其输入端接收来自变压器111的次级的三相电源，并且在其输入端可以包括整流器(图1中未示出)，整流器能够对接收到的三相电源进行整流，以便提供DC电压。为每个功率单元101获得的DC整流电压也被称为DC总线电压、DC或总线电压。整流器可以包括二极管桥、晶闸管桥或任何其他已知的用于整流电压的系统。

在整流器的输出端，每个功率单元101可以包括能够存储电能的电容器和用于生成脉宽调制PWM(pulse width modulation)信号的模块。这种生成模块可以包括H桥，包括四个两两控制的开关。使用这种斩波电压原理的电子电力系统每相向电动机100施加与一个或多个整流电压成比例的电压。平均而言，所施加的比例对应于功率单元输出端的目标电压和整流参考电压(定义如下)之间的比例。H桥的操作是众所周知的，在本申请中将不再进一步描述。

H桥的开关可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)型晶体管，其优点是能够快速切换。

功率单元101的开关由功率单元101的控制单元103控制。

该系统还包括控制设备120，该控制设备120能够控制变速驱动器102的功率单元101的操作，以便控制向电动机100的电力供应。为此，控制设备120可以控制功率单元101的控制单元103。此外，控制设备120可以控制开关104，允许用于每一相的N个功率单元的子集串联连接。作为变型，这些开关由控制设备120通过控制单元103来控制。

功率单元101可以从控制设备120接收控制信号，基于该控制信号，功率单元101可以控制H桥的开关的切换动作。

因此，向电动机100供电的三相电压或电动机电压是通过将开关104被打开的功率单元101(下面称为“活动单元”)的PWM输出电压(在图1中记为V_cell)求和而获得的。开关104允许功率单元101被“旁路(bypassed)”，而不控制功率单元的H桥的开关。然而，这种开关104是可选的，因为可以通过控制功率单元101的H桥来停用功率单元101，从而使功率单元101具有零占空比，并因此具有从功率单元的零输出电压。

根据本发明的系统还包括测量装置130，用于测量向电动机供电的三相电压。测量装置130能够将测量的(多个)电动机电压传输到控制设备120。

根据本发明的控制设备120被配置成直接或间接地(直接或经由控制单元103)控制各种功率单元101和旁路开关。特别地，根据本发明，控制设备120能够控制功率单元101或旁路开关104，使得一些单元不提供电压，因此例如电动机电压仅由一个功率单元提供。因此，在一次激活单个功率单元的实施例中，测量的电动机电压允许获取所选择的功率单元的输出电压，如稍后详细解释的，并且因此允许基于施加到功率单元的占空比来获取DC总线电压。

图2是示出根据本发明一个实施例的方法步骤的图表。

在步骤200中，实施根据本发明的方法。这种实施可以由电动机100的停止引起。例如，在电动机100停止后，该方法经由控制设备120的人机界面自动或手动触发。

在步骤201中，控制设备120控制各种单元的开关104或H桥，以便激活变速驱动器102的功率单元的子集，例如仅激活第一相的第一单元101_1,1。稍后将描述同时激活多个功率单元的实施例的操作，图2是在基于功率单元的连续激活(每次迭代激活单个功率单元)的实施例的框架内描述的。

同时，在步骤202中，控制设备120确定要施加到变速驱动器102的电压值。要施加的电压可以是直接的，或者由电流调节器计算，例如，允许流过电动机100的变速驱动器的输出电流受到控制。

在步骤203中，控制设备120确定要施加到激活的功率单元101_1,1的占空比，以便产生要施加到电动机100的目标输出电压V₀。对于其它非活动单元，旁路开关104闭合或者占空比为零。

在步骤204中，变速驱动器102被供电，并且根据步骤202和203控制功率单元101。

然后在步骤205中，例如通过传感器测量电动机电压，然后电动机电压由控制设备120接收，电动机电压由第一功率单元101_1,1提供。

在步骤206中，控制设备120确定是否所有的功率单元101都已经被连续激活。如果是这种情况，该方法移动到步骤207。更一般地，迭代次数P是预定义的，P大于或等于2。这样，在步骤207中，迭代索引可以与P相比较。如果迭代索引等于P，则该方法移动到步骤207。

否则，通过激活下一个功率单元(例如，功率单元101_1,1之后的功率单元101_1,2)，或者在稍后将描述的一般情况下，激活后续多个功率单元，并且通过停用所有其他功率单元101，该方法返回到步骤201。在替代实施例中，该方法返回到步骤201，但也返回到步骤202。在该替代实施例中，以不同的方式为该方法的每次迭代实施步骤202和203。

基于在连续步骤205中测量的电动机电压，在步骤206中，根据本发明的控制设备120推导出功率单元的整流电压。

为了确定功率单元的整流电压，控制设备120考虑测量的电动机电压和已经施加的占空比。

值得注意的是，在该方法通过每次激活单个功率单元而被迭代3*N次的实施例中(当变速驱动器针对三相中的每一相包括N个功率单元时)，在给定迭代期间被激活的功率单元的整流电压可以在给定迭代结束时(而不是在所有迭代结束时)被确定。

在变速驱动器102的功率单元101的整流电压的确定结束时，该方法移动到步骤208。

在步骤208中，变速驱动器的功率单元的整流电压被存储在控制设备120的存储器中。可以通过替换整流电压的先前值来存储整流电压。作为变型，整流电压与根据本发明的方法的迭代的实施日期相关联地存储，允许对变速驱动器102的每个功率单元101的整流电压的变化实施跟踪。

在可选步骤209中，实施对整流电压的分析。这种分析可以包括与标称整流电压的比较，以及在偏离标称整流电压之一的情况下触发警告。如果整流电压与相应的日期相关联地存储，则可以为每个功率单元101确定整流电压的变化趋势，并且可以基于该趋势生成警告。

警告的生成允许阻止维护的实施。

独立于步骤208和209，变速驱动器在步骤210中改变为“激活的”或“就绪”模式，允许电动机100在步骤211中启动。

在步骤209和210之后，在步骤211中，控制设备120在接收到电动机控制时，确定目标电动机电压，并基于目标电动机电压和基于先前确定的整流电压来控制变速驱动器102。为此，控制设备120针对功率单元101确定相应占空比。于是目标电动机电压的产生更加精确，因为功率单元的整流电压是已知的，并且可以定期更新(例如每当电动机100停止时)。

根据一些实施例，这种变速驱动器还包括校正器，该校正器基于在电动机100上测量的电压来校正对控制设备120的输入的控制。在这种情况下，根据本发明，这种校正器的作用被缩小，允许施加到电动机100的输出电压的产生的动态性得到改善。

然后可以在稍后的时间重复该方法，例如在步骤200中电动机100重新停止之后。

可选地，该方法可以在给定的频率下重复，例如每周，在电动机停止之后。在这种情况下，一周的最小间隔将方法的两次迭代的实施分开。

参考图2，已经描述了涉及在每次迭代中激活单个功率单元的特定实施例。这种实施例易于实施，并且一旦测量了电动机电压，每个功率单元的整流电压就容易获取。更一般地，本发明可以在每次迭代中，在步骤201激活至少一个功率单元的子集，在步骤204提供由子集产生的一个或多个输出电压，并且在步骤205测量一个或两个电动机电压。这是因为不需要测量两个以上的电动机电压，因为可以从第一和第二电动机电压推导出第三电动机电压(参见下面描述的电压U12、U23和U31)。

每次迭代中要被激活的功率单元和每次迭代中要测量的电动机电压可以从预定义矩阵确定。这样的矩阵是预定义的，以便确保在所有迭代结束时，已经获得足够数量的方程来确定方程组的每个未知量的值(例如，当变速驱动器包括3*N个功率单元时，功率单元的3*N个整流电压)。为此，预定义矩阵的秩等于未知量的数量(或3*N)。

如果i是相索引(从1到3变化)并且k是相内的功率单元索引(在具有3*N个功率单元的功率级中从1到N变化)，则相为i且索引为k的功率单元：

·用占空比r(在-1和1之间)激活；

·具有整流电压VB(i,k)，该电压构成方程组的未知量；

·提供电位差r x VB(i,k)

可以定义具有N个分量的列向量VBi，每个分量在整流电压VB(i,k)的值中具有索引k。

用于激活专用于相i的功率级的支路的单元的控制的组合可以由具有N个值的线向量Ki表示(0：非活动功率单元，1：活动功率单元)。

索引为i的支路生成的电位差Vi等于支路的所有单元的电位差之和，或者：Vi＝Kix VBi

上述测量装置130能够提供U12＝V1-V2、U23＝V2-V3和U31＝V3-V1之间的三相电压。作为变型，测量装置130被设计成直接测量电压V1、V2和V3。

对应于该方法的迭代(t能够是该方法的日期或迭代索引)，特别是步骤205的迭代，在时间t的三个测量可以在等于[U12；U23；U31]的列向量M_t中相关联，或：M_t＝KALL_t×VBALL

其中，K0是与K1、K2或K3维数相同的零向量，

并且KALL_t表示具有3行和3*N列的矩阵，其组成如下：[K1-K2 K0；K0 K2-K3；-K1K0 K3]；

VBALL表示长度为3N的列向量，其组成如下：[VB1；VB2；VB3]。

根据本发明选择组合K1至K3，通过针对时间(迭代)t1、t2至tP，“堆叠”或聚合矩阵KALL_t_u(u在1和P之间变化)，使得矩阵KALL_t_ALL被构造成3*P行和3*N列，KALL_t_ALL是秩为3*N的矩阵，从而能够确定方程组的3*N个未知量(功率单元的整流电压)。

参考图2描述的实施例是这种一般实施例的特例。

这个特殊实施例在每个时间t_u激活单个单元，u是1和3*N之间的索引。

当用功率级的支路“1+INT[(u-1)/N]”的索引“u-INT[(u-1)/N]*N”来激活单元时，其中INT表示整数部分的函数，在其中N＝3的情况下获得以下结果(作为示例给出，但这不限制本发明的范围)：

在时间t1，K1＝[1 0 0]；K2＝[0 0 0]；K3＝[0 0 0]。矩阵KALL_t1是[1 0 0 0 00 0 0 0；0 0 0 0 0 0 0 0 0；-1 0 0 0 0 0 0 0 0]；

在时间t2，K1＝[0 1 0]；K2＝[0 0 0]；K3＝[0 0 0]。矩阵KALL_t2是[0 1 0 0 00 0 0 0；0 0 0 0 0 0 0 0 0；0-1 0 0 0 0 0 0 0]。

通过构造每个矩阵KALL_tu，第一行除了第u(u为1)个元素之外由0组成。应当理解，根据上述规则，在3×3次之后，前9行合在一起形成单位矩阵，这保证了秩为9(或系统的未知量的数量)。

图3示出了根据本发明一个实施例的控制设备120的结构。

控制设备120包括处理器300，处理器300被配置为经由一条或多条总线与存储器301单向或双向通信，存储器301是诸如“随机存取存储器”RAM类型的存储器、或“只读存储器”ROM类型的存储器、或任何其他类型的存储器(闪存、EEPROM(可擦除可编程只读存储器)等)。

存储器301能够永久或临时存储使用根据本发明的方法的实施例和/或从根据本发明的方法的实施例中导出的数据中的至少一些。特别地，存储器301能够存储功率单元的整流电压值，可选地与相应日期相关联。

处理器300能够执行用于实施根据本发明的方法的步骤(如图2所示)的指令。

控制设备120还可以包括输入接口302和输出接口303，以便与根据本发明的系统的其他实体通信。

特别地，输入接口302能够接收速度指令，并且处理器300能够根据速度指令确定目标电动机电压(每相一个目标电动机电压)。

输出接口303能够向功率单元101提供控制命令，使得它们产生占空比，特别是经由它们的H桥产生占空比。为此，控制命令可以包括用于切换IGBT型开关的命令，例如部分地(对于每个功率单元，仅从顶部开始切换两个IGBT开关的命令)或全部地(四个IGBT开关)切换H桥。这些切换命令可以由控制设备120通过将参考电压与对应于每个功率单元的三角波信号进行比较来计算。这种技术是众所周知的，将不再详细描述。

尽管上面已经参照特定实施例描述了本发明，但是本发明决不限于所描述的形式。本发明仅受权利要求中所定义的内容的限制，并且除了上述实施方式之外的实施方式也可以包括在权利要求的范围内。

此外，尽管以上已经将实施例描述为组件和/或功能的组合，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以通过组件和/或功能的其他组合来获得替代实施例。