控制调频驱动系统的感应电机再生能流及直流母线电压的方法和装置制造方法及图纸

一种用于动态控制调频驱动系统（２）的感应电机（６）再生能流和直流母线电压的方法，上述调频驱动系统（２）包括一个直流母线（Ｖ↓［ｂｕｓ］）和一个输入直流母线的变换器（１２），上述变换器（１２）包括多个控制输入和多个交流输出，上述方法包括：　　　　检测（２０）上述直流母线（Ｖ↓［ｂｕｓ］）的直流电压（Ｖ↓［ａｃｔｕａｌ］）；　　　　在上述变换器（１２）交流输出处检测（１４，１６，１８）多个交流电流（Ｉ↓［ａ］，Ｉ↓［ｂ］，Ｉ↓［ｃ］）；　　　　将上述测得交流电流（Ｉ↓［ａ］，Ｉ↓［ｂ］，Ｉ↓［ｃ］）变换（４２）成一个平稳的电流向量（Ｉ↓［ｑ］，Ｉ↓［ｄ］）；　　　　将一个电压值（８６）和一个频率值（８８）转换（４８）成一个平稳的电压向量（Ｖ↓［ｑ］，Ｖ↓［ｄ］）和一个角（２）；　　　　将上述角（２）和平稳电流向量（Ｉ↓［ｑ］，Ｉ↓［ｄ］）（４４）转换成一个旋转的电流向量（Ｉ↓［Ｄ］，Ｉ↓［Ｑ］），上述旋转的电流向量（Ｉ↓［Ｄ］，Ｉ↓［Ｑ］）包括一个产生转矩的电流分量（Ｉ↓［Ｑ］）和一个产生磁通的电流分量（Ｉ↓［Ｄ］）；　　　　当上述产生转矩的电流分量（Ｉ↓［Ｑ］）极性相反及时确定（４６）上述感应电机（６）的发电模式；　　　　响应上述感应电机（６）的上述发电模式，利用（４８）电压值（８６）和频率值（８８）来限制（７２，５４，５６，５８）上述直流母线（Ｖ↓［ｂｕｓ］）的直流电压（Ｖ↓［ａｃｔｕａｌ］）至预定阈值（Ｖ↓［ｔｈｒｅｓｈｏｌｏｄ］）；及　　　　将上述平稳的电压向量（Ｖ↓［ｑ］，Ｖ↓［ｄ］）和角（２）转换（５０）成用于上述变换器（１２）控制输入的脉宽调制控制信号。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
控制调频驱动系统的感应电机再生能流及直流母线电压的方法和装置专利
本专利技术涉及调频驱动(AFD)系统，更具体地说，涉及控制感应电机，如：交流(AC)电机的速度，转矩，马力，和/或方向的ADF系统。
技术介绍
调频驱动(AFD)系统可用于各种工业应用，如，HVAC，风扇，泵类，输送机，材料处理和加工设备，及其它产业，如，木材产品，采矿，金属和印刷。如果感应电机的定子终端连接到一个三相AFD系统上，则转子朝定子旋转磁场方向旋转。这是感应电机的电动机运转工作模式。当载荷转矩加到电机轴上时，稳态速度小于同步速度。当感应电机速度高于同步速度，且感应电机朝与定子旋转磁场相同的方向旋转时，则感应电机处于发电工作模式。产生一个与定子旋转磁场相反作用的发电转矩。例如，为了停止AFD系统，逐渐地减少电源频率。在减速过程中，由于系统惯性，AFD系统的瞬时速度高于瞬时同步速度。结果，感应电机的发电作用将引起功率通量相反，并且AFD系统的动能反馈到电源。对AFD系统，系统的制动或再生能，例如：从电机流经驱动装置变换器部分中的二极管流到直流(DC)母线电容器中。通常，上游转换器的输入二极管不提供用于这种能量返回AC电力线的路线。因此，再生电流流入DC母线电容器中，DC母线电压因此增加。有四种常用方法处理由于再生条件而产生的高DC母线电压。第一种方法应用可控硅整流器(SCRs)、绝缘栅双极晶体管或门控晶闸管(GCTs-->或GTOs)作为转换器，以便当电动机模式时提供电力给DC母线和当制动时从DC母线再生回到AC线。这种方法具有成本比较高的缺点，因为转换器部分与变换器部分类似或相同。第二种方法是当DC母线电压变得太高时简单地触发一个驱动装置故障并跳闸。这种解决方案的缺点是由于断路或讨厌的跳闸而破坏过程。第三种方法通过应用制动电阻器在不断路情况下处理再生能量，上述制动电阻提供一个消散再生能量的路线。一个制动电阻器控制电路检测高压状况，然后将制动电阻器导电跨接在DC母线上。制动电阻器(比如，母线箝位电路；缓冲器；电压限制器)消散过量的能量。例如，对230伏交流(VAC)驱动装置，DC母线约为310伏直流(VDC)，而对460 VAC驱动装置，DC母线约为620 VDC。实际DC母线电压约为AC线电压均方根(RMS)的1.35倍。通过制动电阻器的电流与DC母线电压除以它的电阻成正比。例如，一个横跨460 VAC线连接的20θ电阻器组件消散约10 kW，而同样的电阻器当导电连接到一个DC母线上时消散约20 kW，上述20 kW是通过整流460 VAC驱动装置用的三相AC线产生的。制动电阻器的费用可能是很大的，同时最终驱动装置组件的实际尺寸增加。这二者通常不是理想的结果。第四种方法通过随着再生状况应用合适的控制算法有效地将DC母线电压限制在一个安全阈值处。然而，当感应电机以它的正常电动机模式工作时，高输入(实用)AC线电压可以推动DC母线电压达到再生电压阈值。为了防止控制算法这个种情况下限制DC母线电压，已知应用输入AC电位变压器或其它的电压放大器装置来测量AC线输入电压。这种方法同样有成本比较高和实际尺寸较大的缺点。已知的处理AFD再生状况的解决方案具有中断工业过程、比较高的设备成本和/或比较大实际尺寸的缺点。AFD系统的发电模式使DC母线电压升高。输入到系统的AC线电压可能高于稳态时的额定值。另外，在任何配电系统的这种电压中，可能发生瞬时波动，因而造成在这些情况下存在较高的DC母线电压。因此，难-->以确定哪种来源产生造成在DC母线上过电压状态的能量。在AFD系统中及用于控制上述AFD系统的方法和装置中有改进的余地。专利技术概述本专利技术满足这些要求和其它要求，本专利技术识别和控制用于调频驱动装置(AFDs)的再生能流。这种再生能流在三相感应电机的稳定状态和动态工作条件两种情况下产生，由AFD控制。本专利技术的方法和装置识别在稳态和动态瞬时条件时的能源。将AFD的三相电流变换成一个平稳的(stationary)电流向量。三相AC电流通过应用合适的电流传感器(如：霍尔效应)测量，并在平稳的参考系中通过Clark变换变换成二相AC电流。应用空间向量技术来导出一个角。Park变换应用二相AC电流和角来在旋转参考系中产生二相DC电流向量。这些DC电流包括感应电机转矩和产生磁通量的分量。如果当指令的速度低于实际转子速度时，产生转矩的电流向量的极性(如：方向，符号)相反，则确认再生条件。如果再生条件真实，则接通控制算法，以便将升高的DC母线电压限定在其预定阈值处。当感应电机处于再生模式时，DC母线电压被箝位在预定的阈值处而不断路。DC母线电压通过一个补偿组件进行动态调整，以便停留在预定的阈值处，由此控制再生能流而不必使AFD断路或对整个电器系统增加成本和尺寸。当再生能消散且感应电机不再处于发电模式后，DC母线电压自动复原到电动机模式中的正常水平。如果再生条件不真实，则预定的阈值根据由AC线输入所确定的DC母线电压电平自身调节。本专利技术提供一种稳定的工作系统并消除了已知现有技术的缺点。此外，可以应用旋转的参考系中转矩和磁通产生电流向量来很方便地计算感应电机功率因数。作为本专利技术的一个方面，一种用于动态控制一个调频驱动系统用的感-->应电机再生能流和直流母线电压的方法包括：检测直流母线的直流电压；检测一个变换器交流输出处的多个交流电流；将测得的交流电流变换成一个平稳的电流向量；将一个电压值和一个频率值转换成一个平稳的电压向量和一个角；将上述角和平稳的电流向量变换成一个旋转的电流向量，上述旋转的电流向量包括一个转矩产生电流分量的和一个磁通产生电流分量；当转矩产生电流分量的极性改变时，确定感应电机的发电模式；响应感应电机发电模式，应用电压值和频率值来将直流母线的直流电压限定在一个预定阈值处；将平稳电压向量和角转换成脉宽调制的控制信号用于变换器的控制输入。作为本专利技术的另一方面，用于感应电机的调频驱动装置包括：一个转换器，包括多个交流输入和一个直流输出，所述直流输出具有一个第一节点和一个第二节点；一个电容器，导电连接在直流输出的第一和第二节点之间；一个变换器，所述变换器包括一个直流输入，多个开关，多个控制输入，和多个交流输出，上述直流输入导电连接到直流输出上，上述各交流输出适合于导电连接到感应电机的交流输入上；每个开关都导电连接在第一和第二节点之一与变换器各交流输出之一之间，每个控制输入都控制其中一个开关；一个电压传感器检测转换器直流输出处的直流电压并输出测得的电压值；多个电流传感器检测变换器各交流输出处的多个交流电流并输出多个测得的电流值；及一个处理器，所述处理器包括：多个用于测得的电流值和测得的电压值的输入，多个用于变换器控制输入的输出，一个Clark变换组件把测得的电流值变换成一个平稳电流向量，一个空间向量组件包括多个输入和多个输出，上述空间向量组件的输入包括一个设定的电压值，一个设定的频率值，一个变化电压值，和一个变化频率值，上述空间向量的输出包括一个平稳的电压向量和一个角，一个脉宽调制组件包括多个输入和多个输出，上述脉宽调制组件的输入包括上述平稳的电压向量和角，上述脉宽调制组件的输出提供变换器的控制输入，一个Park变换组件把上述角和平稳的电流向量变换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于动态控制调频驱动系统(2)的感应电机(6)再生能流和直流母线电压的方法，上述调频驱动系统(2)包括一个直流母线(Vbus)和一个输入直流母线的变换器(12)，上述变换器(12)包括多个控制输入和多个交流输出，上述方法包括：检测(20)上述直流母线(Vbus)的直流电压(Vactual)；在上述变换器(12)交流输出处检测(14，16，18)多个交流电流(Ia，Ib，Ic)；将上述测得交流电流(Ia，Ib，Ic)变换(42)成一个平稳的电流向量(Iq，Id)；将一个电压值(86)和一个频率值(88)转换(48)成一个平稳的电压向量(Vq，Vd)和一个角(2)；将上述角(2)和平稳电流向量(Iq，Id)(44)转换成一个旋转的电流向量(ID，IQ)，上述旋转的电流向量(ID，IQ)包括一个产生转矩的电流分量(IQ)和一个产生磁通的电流分量(ID)；当上述产生转矩的电流分量(IQ)极性相反及时确定(46)上述感应电机(6)的发电模式；响应上述感应电机(6)的上述发电模式，利用(48)电压值(86)和频率值(88)来限制(72，54，56，58)上述直流母线(Vbus)的直流电压(Vactual)至预定阈值(Vthresholod)；及将上述平稳的电压向量(Vq，Vd)和角(2)转换(50)成用于上述变换器(12)控制输入的脉宽调制控制信号。2.根据权利要求1的方法，还包括：应用上述具有一标称电压的直流母线(Vbus)；及确定上述感应电机(6)何时不再处于发电模式，并响应地将上述直流母线的直流电压(Vactual)复原到上述标称电压。3.根据权利要求1的方法，还包括：随着上述直流母线直流电压(Vactual)的变化调节预定的阈值(Vthreshold)。4.根据权利要求3的方法，还包括：将预定的阈值(Vthreshold)计算成上述直流母线的直流电压(Vactual)加一预定的电压。5.根据权利要求4的方法，还包括：应用+60 VDC作为上述预定的电压。6.根据权利要求1的方法，还包括：确定(52)上述直流母线(Vbus)的直流电压(Vactual)和预定的阈值(Vthreshold)之间的电压差(60)；利用一个补偿调制器(72)来补偿上述电压差(60)并提供补偿后的电压差(70)；将上述电压差(60)加到第一算法(54)上，上述第一算法(54)在发电模式中具有一第一增益(G1)和一第一输出量(62)；将上述补偿后的电压差(70)加到第二和第三算法(56，58)上，上述第二和第三算法(56，58)在发电模式中分别具有第二和第三增益(G2，G3)及第二和第三输出量(68，76)。7.根据权利要求6的方法，还包括：(64)从一个设定频率(f)提供一中间频率(78)并提供第一输出量(62)；将第二输出量(68)加(77)到上述中间频率(78)上以便提供一个变化频率值(84)；应用第三输出量(76)作为变化电压值(dV)；把电压值(86)作为一设定的电压值(V)和一变化电压值(dV)之和计算(48)，及把频率值(88)作为一设定的频率值(f)和一变化频率值(df)之和计算(48)。8.根据权利要求7的方法，还包括：当上述感应电机(6)的发电模式不起作用时，确定(46)一个电动机模式，并响应地将第二和第三输出量(68，70)设定到零。9.根据权利要求6的方法，还包括：应用上述交流电流(Ia，Ib，Ic)频率的一个第一范围；应用上述交流电流(Ia，Ib，Ic)频率的一个第二范围，上述第二范围大于上述第一范围；应用上述交流电流(Ia，Ib，Ic)频率的一个第三范围，上述第三范围大于第二范围；对频率的第一范围应用电压差(60)，以便提供补偿后的电压差(70)，上述补偿后的电压差(70)是具有一个第一恒定增益(A)的输出；非线性增加具有上述交流电流(Ia，Ib，Ic)频率的补偿后电压差(70)的幅度；及对频率的第三范围应用电压差(60)，以便提供补偿后的电压差(70)，上述补偿后的电压差(70)是具一个第二恒定增益(B)的输出，上述第二恒定增益(B)大于第一恒定增益(A)。10.根据权利要求9的方法，还包括：将具有大约相等相位角的电压差(60)和补偿后的电压差(70)应用于上述频率的第一范围；将具有大约相等相位角的电压差(60)和补偿后的电压差(70)应用于上述频率的第三范围；将补偿后的电压差(70)的第一相位角应用于频率的第二范围；及将电压差(60)的第二相位角应用于频率的第二范围，同时上述第一相位角超前第二相位角约40°以上。11.根据权利要求1的方法，还包括：应用产生转矩的电流向量(IQ)和产生磁通的电流向量(ID)来计算上述感应电机(6)的功率因数。12.一种用于包括多个交流输入的感应电机(6)的调频驱动装置(4)，上述调频驱动装置(4)包括：一个转换器(8)，包括多个交流输入(24)和一个具有一个第一节点和一个第二节点的直流输出(Vbus)；一个电容器(10)，导电连接在上述直流输出的第一和第二节点之间；一个变换器(12)，包括一个直流输入，多个开关(26，28，30，32，34，36)，多个控制输入，及多个交流输出，上述直流输入导电连接到上述直流输出上，上述交流输出适合于导电连接到上述感应电机(6)的上述交流输入上；上述开关中的每一个都导电连接在第一和第二节点之一与上述变换器各交流输出之一之间，每个上述控制输入都控制上述开关的其中之一；一个电压传感器(20)，检测上述转换器(8)直流输出(Vbus)处的直流电压并输出测得的电压值(Vactual)；多个电流传感器(14，16，18)，检测上述变换器(12)交流输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·李，S·K·贝克尔，K·J·施密特，
申请(专利权)人：伊顿公司，
类型：发明
国别省市：