專利名稱：用于改善電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率因數(shù)控制的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及功率轉(zhuǎn)換，更特別地，涉及在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中用于控制功 率因數(shù)的系統(tǒng)和方法。
技術(shù)背景可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其以控制方式運(yùn)行，用于為電機(jī)提供 功率，從而控制一個(gè)或多個(gè)電機(jī)性能參數(shù)，例如速度、轉(zhuǎn)矩等。中壓電流源型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器典型地接收范圍在大約2400到6900伏的多相AC輸入功率，該多 相AC輸入功率被轉(zhuǎn)換為DC功^f爾為DC鏈路(link),并^f共會(huì)^變器級(jí)。所 ,變器轉(zhuǎn)換該DC鏈路電流以向電機(jī)負(fù)載^f共AC輸出電流，該輸出電流由 逆變器以閉環(huán)形式控制，以便以理想的速度和/或轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)。整流器通常為 有源開關(guān)型整流器，其選擇性地起動(dòng)開關(guān)以從AC輸入提供電流給DC鏈路總 線，從而實(shí)現(xiàn)AC到DC的功率轉(zhuǎn)換，其中控制整流器增益以在任何特定時(shí)刻 下提供處于電機(jī)所需峰值電箭L7K平的DC鏈路電 1/JC平。反過來，逆變器執(zhí)行 開關(guān)方案，以選擇性地將電機(jī)弓踐和DC鏈路總線端子連接以提供具有受控的 幅值、相位和頻率的電機(jī)相位電流，以基于電機(jī)性能反饋值和理想性能設(shè)定值 或曲線圖來實(shí)現(xiàn)特定的電機(jī)控制策略。然而，由于與AC輸入有關(guān)的濾波電容， 在驅(qū)動(dòng)器中使用有源前端整流器會(huì)產(chǎn)生非單位超前功率因數(shù)，尤其是在電機(jī)啟 動(dòng)過程中。在AC輸入是由發(fā)電機(jī)所提供的情況下，這種狀況尤其不合需要， 啟動(dòng)時(shí)的超前功率因數(shù)可導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定。因此，需要一種通過其可獲得改 善的功率因數(shù)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在概述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面，以便于對本發(fā)明的基本理解，其中此 概述并非本發(fā)明的詳盡的綜述，且其目的既不是用來確定本發(fā)明的某些因素， 也不是用來描繪其范圍。更確切地，該概述的主要目的是在下文中提出更具 體的描述前，以簡化的形式提出本發(fā)明的一些概念。本發(fā)明涉及用于控制電機(jī) 和為電機(jī)供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)禾昉法，同時(shí)在電機(jī)全部或部^I度范圍內(nèi)提供接近單位功率因數(shù)，并找到與可變速中壓電流源型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的特定效用， 該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有為電流源逆變器提供DC鏈路電流的開，流器。本發(fā)明可被用于通過增加開，流器的增益，以提供附加DC鏈路電流以補(bǔ)償被AC驅(qū) 動(dòng)器功率輸入的電容所吸收的電流，從而減輕超前功率因數(shù)的不利影響，尤其 是在啟動(dòng)時(shí)，并由此提供功率因數(shù)校正。另外，例如通過在逆變器開關(guān)模型中 弓l入旁路態(tài)和減通過控制減少電機(jī)磁通來減小開關(guān)逆變器級(jí)的增益，以適應(yīng)DC 鏈路電流的增加，。本發(fā)明披露的技術(shù)有利于穩(wěn)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的啟動(dòng)，尤其^<寸 于發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，相乂寸于具有低電流和大相角的更傳統(tǒng)的啟動(dòng)方案，具有 低相角和高電流。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面，提供了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括根據(jù)第一組 開關(guān)控制信號(hào)操作的開關(guān)整流器、由第二組開關(guān)控制信號(hào)操作的逆變器和提供 所述開關(guān)控制信號(hào)的控制器。所述控制器包括電機(jī)控制和功率因數(shù)控制元件， 其分別確定所需的電機(jī)控制電流值和所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值，其中所述整 流器根據(jù)所有這些fK操作以提供增大的DC鏈路電流，并由此控制電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器功率因數(shù)。所,變器基于所需的電機(jī)控制電流值為電機(jī)提供輸出電流，并 可以利用旁路開關(guān)態(tài)選擇性地旁通過多的鏈路電流和/或可以減少電機(jī)磁通，從 而利用電機(jī)的額外電流。本發(fā)明披露的另一方面涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其包括根據(jù)電機(jī)反饋和設(shè) 定值或曲線圖來確定所需電機(jī)控制電流值的電機(jī)控制元件以及確定所需功率因 數(shù)補(bǔ)償電流值的功率因數(shù)控制元件，該補(bǔ)償電流值與整流器的AC輸入相關(guān)聯(lián) 的輸入電容相對應(yīng)。控制系統(tǒng) —步包括整流控制元件，其根據(jù)所需電機(jī)控 制電流值以及所需功率因數(shù)補(bǔ)償電流值為整流器提供開關(guān)控制信號(hào)，以控制所 述電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)，以及用于提供逆變器控制信號(hào)的逆變控制元件， 以提供基于所需電機(jī)控制電流的AC輸出。本發(fā)明披露的又一方面指向控制AC電機(jī)的方法，其包括通過開，流器對 AC輸入整流以提供DC鏈路電流，利用逆變器it變該DC鏈路電流以提供AC 輸出電流給電機(jī)，根據(jù)電機(jī)反饋和設(shè)定值或曲線圖確定所需電機(jī)電流控制電流 值，和確定與AC輸入的輸入電容相對應(yīng)的所需功率因數(shù)補(bǔ)償電流值。該方法 進(jìn)一步提供開關(guān)整流器的控制，基于所需的電機(jī)控制電流值和所需的功率因數(shù) 補(bǔ)償電流值，在至少是電機(jī)速度范圍的一部分上Jlf共增加的DC鏈路電流，以及逆變器的控制，從而根據(jù)所需的電機(jī)控制電流衛(wèi)共AC輸出。


以下描述及附圖詳細(xì)闡述了本發(fā)明的某些說明性實(shí)施，其表示實(shí)現(xiàn)本發(fā)明 原理的幾個(gè)示例方法。然而，所述說明性示例并非本發(fā)明的許多可能的實(shí)施例 的窮舉。本發(fā)明的其他目標(biāo)、優(yōu)點(diǎn)和新穎的特征將結(jié)合附圖由從以下對本發(fā)明 的詳細(xì)描述得以體現(xiàn)，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明披露的一個(gè)或多個(gè)方面，說明具有提供功率因數(shù)校正的 示例性驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)的中壓電流源電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的示意圖；圖2是說明圖1的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的開，流器和開關(guān)逆變器的更多細(xì)節(jié) 的示意圖；圖3是說明圖1的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)的更多細(xì)節(jié)的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明披露的更多的方面說明示例性AC電機(jī)控制方法的流程圖；圖5是示出圖l一3的驅(qū)動(dòng)器中的示例性模擬電機(jī)功率因數(shù)曲線的圖；圖6是說明沒有功率因數(shù)校正時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的輸入功率因數(shù)的相位圖；和圖7是說明在圖1-3的驅(qū)動(dòng)器中禾擁例示性控制系統(tǒng)的示例性的接近單位輸入功率因數(shù)的相位圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)參考附圖，在下文中結(jié)合附圖描述了本發(fā)明幾個(gè)實(shí)施例或?qū)嵤┓绞?，其中相同的附圖^H己全部用于指示相同的元件，圖1—3說明了根據(jù)本發(fā)明披露的 一中壓電流源電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2，其接tt自電源10的AC輸入功率，并為電機(jī) 負(fù)載50衝共可變頻率的AC功率。驅(qū)動(dòng)器2包括根據(jù)來自控制器60的第一組 開關(guān)控制信號(hào)24操作的，具有輸入搶波電容26和一組整流開關(guān)22的開關(guān)型整 流器20以將DC鏈路電流提供至具有DC鏈路扼流圈或電感器30的中間DC總 線或鏈路。通過鏈路扼流圈30提供DC鏈路電流給電流源型開關(guān)逆變器40，該 開關(guān)逆變器40根據(jù)來自控制器60的第二組開關(guān)控制信號(hào)44選擇性切換DC電 流，為電機(jī)負(fù)載50供電。最佳如附圖2所示，整流器20包括第一組開關(guān)設(shè)備22 S 、S12、 S13、 S14 、 S15和S16,其可以為任何^S類型的基于半導(dǎo)體的開關(guān)設(shè)備，例如門極關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。在說明的示例中示出了 6個(gè)開 關(guān)設(shè)備22，包括連接于輸入濾波電感I^、 L2和L3和鏈liffi流圈30的上DC總 線端子之間的三個(gè)上開關(guān)Su、 S,2和S13，以及耦合于電感Li、 L2和L3和下DC 鏈路扼流圈端子之間的三個(gè)下開關(guān)S14 、 S15和S16?？商鎿Q的實(shí)施例是有可能 的，其中在第一組裝置22中提側(cè)壬何^g數(shù)目的開關(guān)設(shè)備，例如在所述6個(gè)電 路支路中的每一個(gè)中均設(shè)置多個(gè)開關(guān)，或者提供更少或更多的相，且相應(yīng)的開 關(guān)設(shè)備22被設(shè)置成選擇性地連接個(gè)別輸入線至DC鏈路總線端子。在操作中，根據(jù)來自控制器60的相應(yīng)信號(hào)24，通過一個(gè)或多個(gè)脈沖寬度調(diào) 制(PWM)技術(shù)選擇性開動(dòng)第一組開關(guān)22，以將AC輸入線路耦合至所述鏈路 扼流圈30的一個(gè)或另一個(gè)DC總線端子，在提供DC鏈路電流中，設(shè)備開關(guān)的 時(shí)間決定整流器20的功率轉(zhuǎn)換性能。在一例示性實(shí)施方式中，雖然可以采用任 何適合的開關(guān)技術(shù)，但這里利用選擇諧波消除(SHE, Selective Harmonic Elimination)來控制整流器20。在說明的實(shí)現(xiàn)方式中，AC輸入10為三相，其 中整流器20包括具有按照火線對零線方式連接的輸入電容C 、 Cu和C13以及 線路上的相電感L,、 L2和L3的輸入搶波元件26?？赡芴鎿Q的實(shí)施例是在整流 器輸入處(例如，火線對零線和火線對火線電容等)提供了附加溏波元件26，其中的濾波電容Cu、 d2和d3以火線對火線酉己置連接，此處可省略相電感I^、b和L3，和/或輸入10為單相或任何數(shù)目相，其中本發(fā)明并不限于所說明的三 相配置。發(fā)明人認(rèn)識(shí)到輸入、2t波電容C 、 (312和C13的存在造成了啟動(dòng)時(shí)的超前功率 因數(shù)，這種情況會(huì)導(dǎo)致在缺乏如進(jìn)一步所說明或以下描述的例示性控制器60所 提供的功率因數(shù)校正對策時(shí)，發(fā)電機(jī)劍共AC輸入10時(shí)的不穩(wěn)定。在這點(diǎn)上， 所述示例性控制系統(tǒng)60控制整流器20處于一增益，以使得DC鏈路電流7K平 大于電機(jī)負(fù)載50所需的峰值電流，且根據(jù)輸入電流需求量來確定任何具有附加 鏈路電流的輸出濾波電容46的電流量，從而校正驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)以補(bǔ)償被輸入 電容Cu、 Q2和d3所吸收的電流，這里稱為需求功率因數(shù)補(bǔ)償電流值參考。這 種來自鏈路扼流圈30的增強(qiáng)或增加的DC鏈路電流作為輸入提供給電流源開關(guān) 逆變器40的第二組開關(guān)設(shè)備44。示例性的逆變器40包括第二組開關(guān)設(shè)備44，其可以為任何類型或者形式的 電氣開關(guān)，包括而不限于上述提及的那些與整流器開關(guān)22相關(guān)的類型，其中所說明的實(shí)施方式中提供了連接在扼流圈30的上輸出端子和相應(yīng)的電機(jī)弓l線之間 的三個(gè)上開關(guān)S^、 S22和S23，和耦合在電機(jī)引線和下DC鏈路扼流圈輸出端子 之間的三個(gè)下開關(guān)SM、 S25和S26。與整流器20具有的第一開關(guān)組22—樣，逆變器40中的第二組44可以包括不同數(shù)目的開關(guān)以及其不同的配置，其中本發(fā) 明披露的內(nèi)容并不局限于圖2所示的解釋性實(shí)例。另外，逆變器40和/或電機(jī)負(fù) 載50本身可以提供輸出電容46，在該示例中，電容16是火線與零線之間連接 的輸出電容Co,、 Q)2和Co3，其中控制器60采用一種或多種脈沖寬度調(diào)整的形 式來操作逆變器開關(guān)44，例如空間向量調(diào)制(SVM， Space Vector Modulation)、 選銜皆波消除(SHE, Selective Harmonic Elimination)或?qū)⑵浣Y(jié)合在適當(dāng)?shù)膶?shí)施 方式中。在示例性的實(shí)施方式中，控制器60在低速j頓空間向量調(diào)制，在高速 范圍<頓SHE,用于逆變器40的第二組開關(guān)44衝共脈沖寬度調(diào)制控制。圖1和3示意性地說明了例示性控制器60的一個(gè)可能的實(shí)施方式，其包 括以下描述的不同功能元件，每個(gè)功能元件可以在硬件、軟件、固件、邏輯線 路等或其組合中實(shí)現(xiàn)，并且一些元件可以與另一元件集成，其中所有這些可替 換的實(shí)施方式被視為落入本發(fā)明公開的范圍。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)60分別將第一 和第二組開關(guān)控制信號(hào)24和44提供給整流器20和逆變器40，并利用分別來自 整流器20、逆變器40和電機(jī)50的反饋信息28、 48和58以閉環(huán)方式運(yùn)行，以 根據(jù)作為輸入72的一個(gè)或多個(gè)設(shè)置值或理想性能曲線70來控制電lte行?？?制器60可以使用任何合適的閉環(huán)或開環(huán)方式控制不同的功率轉(zhuǎn)換元件20、 40， 其可以包括多個(gè)控制環(huán)以調(diào)整電機(jī)50的速度和/或轉(zhuǎn)矩處于或接近于理想運(yùn)行 點(diǎn)70，例如一個(gè)或多個(gè)設(shè)置值或一系列這種設(shè)置it^組成的曲線圖(例如電機(jī) 啟動(dòng)時(shí)的速度曲線圖等)，運(yùn)行點(diǎn)70作為輸入72提供給控制器6(U此外，在中 壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，在逆變器40中的受控開關(guān)激活將來自DC鏈路的多相AC 輸出功率、可變的幅值、可變的頻率、多相AC輸出功率Jif共給電機(jī)繞組，以在寬范圍中控制一個(gè)或多個(gè)電ias行參數(shù)(例如速度、轉(zhuǎn)矩、角度等)。來自開，流器20的反饋信息28可以包括火線電壓、電流、頻率、相位 或其它與輸入10所提供的AC功率相關(guān)的信息，以利于驅(qū)動(dòng)器2中的功率因數(shù) 校正(PFC， Power Factor Correction)型控制，從而減輕上述皿的極端超前或 其它非單位率因數(shù)的不良影響，尤其是對發(fā)電機(jī)操作的電機(jī)低速應(yīng)用而言(例 如，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)等)?？紤]至此，優(yōu)選地，整流器20以補(bǔ)償由輸入濾波電容Cu、 Q2和Q3所使用的電流的方式，運(yùn)行于增大的增益以提供附加DC鏈路電流，以使得利于均衡遞送給驅(qū)動(dòng)器2的視在功率與驅(qū)動(dòng)器2所消耗的實(shí)際功率， 由此以減少提供給驅(qū)動(dòng)器2的功率的費(fèi)用和避免發(fā)電機(jī)不穩(wěn)。另外，整流器反 饋28可包括指示與整流器22的DC鏈路輸出相關(guān)聯(lián)的電流和減電壓水平的值， 借此控制器60能以閉環(huán)方法通過第一組開關(guān)控制信號(hào)24調(diào)整DC鏈路電流。 控制器60也接收來自開關(guān)逆變器40的反饋信息48，其可包括但不限于電壓、 電流、頻率、相位或其它與衛(wèi)共至電機(jī)50的AC輸出功率相關(guān)的信息，因此， 控制器60能提供逆變開關(guān)控制信號(hào)44以調(diào)節(jié)電機(jī)50以受控方式運(yùn)行。此外， 控制器60可接收來自電機(jī)負(fù)載50自身或傳感器、變換器等與其相關(guān)的反饋信 息58，例如，電機(jī)繞組纟鵬、電壓、電流、轉(zhuǎn)子速度值、電機(jī)磁通或樹可其它 與電機(jī)或其電,返行割牛相關(guān)的信息。一般說來，例示性控制系統(tǒng)60提供第一和第二開關(guān)控制信號(hào)組24和44， 以控制整流器20和逆變器40中的哪一開關(guān)在何時(shí)、應(yīng)以什么門方式打開(例 如，導(dǎo)通)，其中 地，給整流器的開關(guān)信號(hào)24與AC輸入10的火線頻率同 步。控制器60包括整流控制元件62、逆變控制元件64、電機(jī)控制元件66和具 有PFC控制元件86的功率因數(shù)校正系統(tǒng)80，這里電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可允許功率因數(shù) 校正系統(tǒng)的選擇性激活或去^[活。電機(jī)控制元件66接收電機(jī)反饋58和一個(gè)或多個(gè)所需運(yùn)行點(diǎn)輸入72，并且 根據(jù)電機(jī)反饋58和設(shè)定點(diǎn)或曲線圖70實(shí)施電機(jī)控制策略或方案以確定所需的 電機(jī)控制電流值66a。在招可特定時(shí)刻由電機(jī)控制元件66輸出的所需電機(jī)控制 電流值66a g將電機(jī)50驅(qū)動(dòng)到理想的操作設(shè)定點(diǎn)或曲線圖70所需的電流量，以及任何輸出濾波電容元件(例如輸出電容Cw、 Co2禾卩C。3)所需的電流，且該值66a可以為一組與每個(gè)電機(jī)繞組相關(guān)的值，包括相位、幅值和其它ffi^T 息,籍此整流器和逆變器控制元件62和64可分別確定合適的開劉言號(hào)24和44。 電機(jī)控制器66可實(shí)現(xiàn)任何合適的閉環(huán)調(diào)整或控制方案，其可以包括外部和內(nèi)部 控制環(huán)路以產(chǎn)生輸出值66a，例如，根據(jù)所要求的值58提供調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速 度和/或轉(zhuǎn)矩控制。在一個(gè)示例中，轉(zhuǎn)矩作為內(nèi)伺服控制環(huán)被控制，且電機(jī)速度 作為外環(huán)被控制，其中電機(jī)控制器66也結(jié)合控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度來實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁 通的控制。功率因數(shù)控制元件86接收整流器反饋28，并確定與輸入電容Cu、 Q2和Q3相對應(yīng)的所需功率因數(shù)補(bǔ)償電流值86a，該電流值86a代表調(diào)整單位功率因 素或接近單位功率因數(shù)的整流器操所需的電流。該值86a可以根據(jù)本發(fā)明披露 的內(nèi)容以任意合適的方式確定，并且至少部分地基于整流器反饋信息28。在一 個(gè)示例中，測量輸入電容器吸收的電流量，并連同整流器20的引燃角和可從 AC輸入10中吸收電流的角度一起作為反饋信息被提供?；谠撔畔?，功率因 數(shù)控制元件86確定功率因數(shù)補(bǔ)償需要多少DC電流并且提供該電流作為輸出 86a。在另一具有己知電容值的實(shí)施方式中，可以在確定所需功率因數(shù)補(bǔ)償電流 值86a中估計(jì)輸入電容吸收電流的量。在這點(diǎn)上，發(fā)明者認(rèn)識(shí)到輸入電容電流 處于90度的超前角，由此在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，被整流器20吸收的電流典型地在0 度到90度之間延遲變化。相應(yīng)地，功率因數(shù)校正控制元件86輸出值86a，作為 抵消電容電流向量(處于90度超前角)所需的附加整流電流(處于當(dāng)前角)， 以使得供應(yīng)給電容和整流器的復(fù)合電流會(huì)處于或接近單位功率因數(shù)(例如，電 壓和電流同相位)。整流開關(guān)控制信號(hào)24由整流控制元件62提供，該整流控制元件62包括合 適的硬件、邏輯電路、軟件、固件等，以提供電開關(guān)信號(hào)24，該開關(guān)信號(hào)24 利用脈沖寬度調(diào)制以受控方式選擇性激活整流器開關(guān)22，從而在全部或一部分 電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)將增加的DC鏈路電流掛共纟^|￡ 流圈30。在說明性的示例 中，整流控制元件62利用空間向量調(diào)制62a產(chǎn)生開關(guān)控制信號(hào)24用于整流器 20，雖然在其它實(shí)施例中可使用其它PWM方法。如圖1和3中的示例所示， 整流控制元件62從電機(jī)控制元件66接收所需的電柳空制電流值66a，并從功率 因數(shù)控制元件86接收所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流《直86a，以及整流反饋信息28。 整流控制元件62由此根據(jù)所需的電流值66a和86a以及反饋28，產(chǎn)生整流開關(guān) 控制信弓24以提供增加的DC鏈路電流，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2的功率囚數(shù)， 在一個(gè)實(shí)施方式中，在全部或部分電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為大約為0.95或更高的單位 或接近單位功率因數(shù)。控制器60中的逆變控制元件64包括合適的元件(硬件、固件、邏輯線路、 軟件等)以將第二組開關(guān)控制信號(hào)44劍雜爐變器40，以至少部分地根據(jù)所需 的電機(jī)控制電流值66a衝共AC電機(jī)功率輸出，其中逆變控制器64也可接收來 自PFC控制器86的所需功率因數(shù)補(bǔ)償電流值86a。由于增加了 DC鏈路電流作 為功率因數(shù)補(bǔ)償之用，逆變控制器64可以以不同方式適應(yīng)過量的DC電流。在一個(gè)示例中，使逆變控制器64增益有效減少了對應(yīng)于DC鏈路電流增加的量。 在說明的實(shí)施方式中，逆變器根據(jù)低速空間向量調(diào)制方案64a (圖3)運(yùn)行，控 制器64在調(diào)制方案中選擇性使用旁路態(tài)64b以有效地旁路掉通艦變器40本 身的過量的DC鏈路電流中的適當(dāng)量，旁路鏈路電流量至少部分地根據(jù)來自PFC 控制器86的所需功率因數(shù)補(bǔ)償電流值86a來確定。另外，在此實(shí)施例中，逆變 控制元件64使用分段控制,其中空間向量調(diào)制用于低于第^I度值的電ira度， 例如，在一個(gè)實(shí)施方式中大約為全速的57%，通過開關(guān)控制信號(hào)44在開關(guān)方式 中引入旁路態(tài)，以選擇性旁路掉通,變器自身40的超額電流，同時(shí)將所需的 電機(jī)控制電流提供給電機(jī)50。對于更高電ail度，開關(guān)控制信號(hào)44由控制器64根據(jù)選稱皆波消除方案 來提供，其中逆變控制器64可選地{頓磁通控制以減少電機(jī)磁通，籍此電機(jī)50 能適應(yīng)附加的DC鏈路電流，同時(shí)達(dá)到所需的,和轉(zhuǎn)矩。在這點(diǎn)上，發(fā)明者 認(rèn)識(shí)到M^電機(jī)磁通有效地M4、了電機(jī)50的轉(zhuǎn)矩增益，由itb(寸于給定轉(zhuǎn)矩輸出， 來自DC鏈路的附加電流可被電機(jī)50消耗掉，因此平衡整流器20增加的電流 增益。在此分段控制實(shí)施方式中，整流器20可以提高的增益運(yùn)行，以在電機(jī)全 部速度范圍內(nèi)將功率因數(shù)補(bǔ)償提供鄉(xiāng)爐變控制器64，其適應(yīng)于由于在較低速時(shí) 在SVM控制信號(hào)44中選擇性弓I入旁路態(tài)，并較高速度范圍時(shí)通過信號(hào)44 (減 少)磁通控制而弓胞的過多的DC鏈路電流。在其它實(shí)施方式中，整流開關(guān)控 制信號(hào)24僅在一部分電lrUI度范圍內(nèi)提供增大的整流器增益，例如當(dāng)電機(jī)啟動(dòng) 時(shí)，提供較低的速度以改善功率因數(shù)和發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性，使用旁路態(tài)、磁通控制 或其它魏的技術(shù)控制逆變器40，相應(yīng)地以適應(yīng)過多的DC鏈路電流。招腿 實(shí)施例中，控制逆變器40減少增益，或另外的方式為適應(yīng)過多的DC鏈路電流， 在整個(gè)相同的速度范圍內(nèi)，操控整流器于增大增益?，F(xiàn)參考圖4，說明了一例示性方法IOO，用于根據(jù)本發(fā)明披露的一個(gè)或多個(gè) 方面控制電機(jī)。雖然該例示性方法100以一系列動(dòng)作或事件來描述和描寫，但 是可以認(rèn)識(shí)到本發(fā)明披露的各種方法除了在此特別提出以外，并不限于這些動(dòng) 作或事件所說明的次序。在這點(diǎn)上，除了下文中特別提供的外，除了那些在此說明或描述以外， 一些動(dòng)作或事件可以以不同次序發(fā)生，禾n/或與其它動(dòng)作或事件同時(shí)發(fā)生，且根據(jù)本發(fā)明所披露的內(nèi)容，并非所有被說明的步驟都需要用以 執(zhí)行一定的流程或方法。為了提供運(yùn)行于電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)境中的，控制系統(tǒng)中具有功率因數(shù)補(bǔ)償或校正功能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，例如這里說明或描述的那些內(nèi)容， 所說明的方法可以由硬件、軟件禾唭組合來實(shí)現(xiàn)，雖然本發(fā)明并不限于特定說 明或描述的應(yīng)用或系統(tǒng)。方法100以在110中確定輸入電容電流開始，其可以以任何^iS的方式來實(shí)現(xiàn)，例如通過在例示性電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2 (上述的圖2)的整流器20的濾波器級(jí) 26中的實(shí)際測量，或利用已知電容數(shù)值的估計(jì)等。在120中，確定所需的功率 因數(shù)校正或補(bǔ)償電流值以補(bǔ)償所領(lǐng)糧的或估計(jì)的輸入電容電流，其可以采用任 何魏的技術(shù)確定。在130中，例如，j頓任何誠的控制電機(jī),、轉(zhuǎn)矩等 的電機(jī)控制方案來確定所需的電機(jī)控制電流值。在140中，至少部分地基于120 和130中所確定的所需電機(jī)控制和功率因數(shù)校正電流f魏控制整流器的輸出。 從而，在140中整流控制提供足夠的DC鏈路電流，以確保必須的電流用于驅(qū) 動(dòng)電機(jī)在所需的運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行，和附加足夠的附加切換電流以補(bǔ)償電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率 因數(shù)，用于被輸入濾波電容所消耗掉的電流。在150中，按照電機(jī)控制方案， 并根據(jù)所需的電機(jī)控制電流值控制逆變器以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在150中的逆變器控制 也解決過多的DC鏈路電流，其中,變開關(guān)控制信號(hào)可以選擇性包括旁路態(tài) 以轉(zhuǎn)移過多的電流穿，變器自身，禾B/或可以使用磁通控制以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩增 益，由iltS應(yīng)電機(jī)自身中的全部或部分過多的DC鏈路電流，或結(jié)合旁路態(tài)和 磁通控制或目前其它的適應(yīng)技術(shù)?，F(xiàn)參考圖5，示出了在圖200中描述的作為示例性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2中電mi! 度函數(shù)的功率因數(shù)曲線202的示例性電機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬結(jié)果。在圖5的模擬示例中， 整流器20以增大的增益運(yùn)行，以提供如上面所描述的從O到大約57%的額定電 機(jī)速度的低速區(qū)的功率因數(shù)校正，由此避免或減少上述的在電機(jī)啟動(dòng)或低速運(yùn) 行階段與非單位超前功率因數(shù)有關(guān)的發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定的問題。在此第一速度范圍 內(nèi)，示例性逆變器40通過空間向量調(diào)制開關(guān)控制信號(hào)44運(yùn)行，其包括旁路態(tài) 64b以適應(yīng)增加的DC鏈路電流。如功率因數(shù)曲線202中所示，在大約至57% 額定電m3I度的低速范圍中，功率因數(shù)為1或接近1 (例如，在此示例中高于 0.95)。在此實(shí)施例中，對31度大于57%的電機(jī)額定速度，采用將整流器轉(zhuǎn)換 為非PFC模式(整流器增益沒有增加，而僅根據(jù)所需的電機(jī)控制電流值66a受 控)，且沒有旁路態(tài)或磁通控制調(diào)整控制逆變器40，其中曲線202在此較高的速 度范圍，包括一點(diǎn)功率因數(shù)凹陷。在其它可能的實(shí)施例中，可以在較高的速度范圍內(nèi)根據(jù)所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值，增加整流器的增益，并相應(yīng)的減少逆 變器增益以處理圖5中所示的功率因數(shù)凹陷。在這點(diǎn)上，如上面所描述的在這些較高電^31度時(shí)，逆變器40中的磁通控制被認(rèn)為是提供了一種合適的增加逆變器增益的途徑?，F(xiàn)在參考圖l、 6和7，圖6顯示了以相圖300，用于圖解說明對于在不具 有功率因數(shù)校正(例如，PFC控制器86關(guān)閉)的例示性電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2的特定速 度和負(fù)載條件下的輸入功率因數(shù)。在這個(gè)示例中，源電壓以向量302表示，且 特定幅值的電容電流304使電壓302超前90度角。在這個(gè)示例情況中，所需的 整流器電流308落后角度a，并且幅值308a基于電機(jī)瞎況的反饋和根據(jù)信號(hào)66a， 經(jīng)由速獻(xiàn)徵巨電機(jī)控制器66的電》髓度以及轉(zhuǎn)矩的預(yù)設(shè){ 確定。從AC輸入 電源10中吸收的線電流306也在這里進(jìn)行了說明，其中源電壓向量302和線輸 入電流306之間的非0角度導(dǎo)致了非單位功率因數(shù)。根據(jù)本發(fā)明所披露的內(nèi)容， 圖7提供了相圖400，說明了具有PFC控制器86例示性的運(yùn)行于接近單位的輸 入功率因數(shù)，以提供功率因數(shù)補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)在前所述的驅(qū)動(dòng)器2的接近單位的 功率因數(shù)運(yùn)行，其它電機(jī)設(shè)置值和運(yùn)行條件與圖6中的情況一樣。在此功率因 數(shù)校正模式下，相圖400圖解說明了源電壓向量402，以及電容電流404使電壓 402超前90度角。PFC控制器86的運(yùn)行將所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值86a樹共 給整流控制器62，由此將整流電流408調(diào)整為不同幅值408a和角度a，以使得 線電流406基本上和源電壓402同相，因此達(dá)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2的功率因數(shù)為單 位或接近單位。另外，如上所說明和描述的，控制逆變器40以適應(yīng)DC鏈路中 額外的整流器輸出電流，由此驅(qū)動(dòng)器2在不犧牲電機(jī)控制性能的情況下運(yùn)行于 理想的接近于單位的功率因數(shù)。以上示例僅僅是說明本發(fā)明的不同方面的幾個(gè)可能的實(shí)施例，其中本領(lǐng)域 內(nèi)技術(shù)人員在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，閱讀和理解本說明書和附圖后，可以進(jìn)行相等 同的變換和/或修改。尤其是考慮到上述元件(組件、設(shè)備、系統(tǒng)、電路及相似 的器件)所實(shí)現(xiàn)的不同功能，術(shù)語(包括又稱為"方法")用于描述這些元件意 指相應(yīng)的任何元件，除非是另外指出的，例如執(zhí)行所描述的元件的特定功能的 硬件、軟件或其結(jié)合(亦即，在功育讓等價(jià))，即使執(zhí)行本發(fā)明所說明的實(shí)現(xiàn)中 功能的元件，結(jié)構(gòu)上不等同于披露的結(jié)構(gòu)亦可。另外，雖然本發(fā)明的特定特征 可能通過幾個(gè)實(shí)現(xiàn)中的僅僅一個(gè)披露了，但這些特征可以結(jié)合一個(gè)或更多其它實(shí)施方式中的其它特征，作為可冑瀏任何特定或特別應(yīng)用而言為所需要和有利 的。另外，在具體的說明書和/或權(quán)利要求書中i頓的術(shù)語"包括'、"具有'、"有'、 "帶有'或其變化意指包括，對以于術(shù)語"包含"。
權(quán)利要求
1.一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括開關(guān)整流器，所述開關(guān)整流器包括與交流輸入耦合，并且根據(jù)第一組開關(guān)控制信號(hào)操作的第一組開關(guān)設(shè)備，以選擇性將交流輸入耦合至中間直流鏈路以提供直流鏈路電流；逆變器，所述逆變器包括與直流鏈路耦合，并且根據(jù)第二組開關(guān)控制信號(hào)操作的第二組開關(guān)設(shè)備，以將交流輸出電流提供給電機(jī)；以及控制器，操作上與所述開關(guān)整流器和所述逆變器耦合，以提供所述第一和第二組開關(guān)控制信號(hào)，所述控制器包括電機(jī)控制元件，根據(jù)電機(jī)反饋和設(shè)定值或曲線圖確定所需電機(jī)控制電流值，功率因數(shù)控制元件，確定對應(yīng)于與交流輸入相關(guān)聯(lián)的輸入電容的所需功率因數(shù)補(bǔ)償電流值，整流器控制元件，用于將所述第一組開關(guān)控制信號(hào)提供給開關(guān)整流器，以根據(jù)所需的電機(jī)控制電流值和所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值，在至少在一部分的電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供增加的直流鏈路電流以所述控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的功率因數(shù)，以及逆變器控制元件，用于將第二組開關(guān)控制信號(hào)提供給逆變器，以根據(jù)所需的電機(jī)控制電流提供交流輸出。
2. 權(quán)利要求1所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所,變器控制元件根 據(jù)所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值，以減小的增益運(yùn)行。
3. 權(quán)利要求2所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所,變器控制元件在 根據(jù)所需的電機(jī)控制電流值將交流輸出電流提供給電機(jī)的同時(shí)，在所述第二組 開關(guān)控制信號(hào)中提供至少一個(gè)旁路態(tài)，以根據(jù)所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值選擇 性旁路一部分直流鏈路電流。
4. 權(quán)利要求2所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所,變器控制元件在 根據(jù)所需的電機(jī)控制電流值將交流輸入電流提供給電機(jī)的同時(shí)，Jli共所述第二 組開關(guān)控制信號(hào)以根據(jù)所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值選擇性M^電機(jī)磁通。
5. 權(quán)利要求1所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，所述整流器控制元件在 電機(jī)速度低于第一速度值時(shí)，提供所述第一組開關(guān)控制信號(hào)用于增大的直流鏈路電流，所述第^i度值小于滿額電inJM。.
6. —種用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制系統(tǒng)，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有將直流鏈路電流提供至逆變器的開 流器，戶;M控制系統(tǒng)包括電機(jī)控制元件，根據(jù)電機(jī)反饋和設(shè)定值或曲線圖確定所需的電機(jī)控制電流值；功率因數(shù)控制元件，確定對應(yīng)于與所述整流器的交流輸入相關(guān)聯(lián)的輸入電 容的所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值；整流器控制元件，用于將所述第一組開關(guān)控制+言號(hào)J^共給戶，開關(guān)整流器， 以根據(jù)所需的電機(jī)控制電流值和所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值，在至少一部分的 電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，提供增加的直流鏈路電流，從而控制所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)；和逆變器控制元件，用于根據(jù)所需電機(jī)控制電流，將第二組開關(guān)控制信號(hào)提 f共給逆變器，從而Mf共交流輸出。
7. 權(quán)利要求6戶腿的控制系統(tǒng)，其特征在于，所,變器控制元件根據(jù)所 需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值，以減小的增益運(yùn)行。
8. 權(quán)利要求7戶脫的控制系統(tǒng)，其特征在于，所鵬變器控制元件在根據(jù) 所需的電機(jī)控制電流值將交流輸出電流提供給電機(jī)的同時(shí)，在所述第二組開關(guān) 控制信號(hào)中提供至少一個(gè)旁路態(tài)，以根據(jù)所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值選擇性旁 路一部分直流鏈路電流。
9. 權(quán)利要求6戶;M的控制系統(tǒng)，其特征在于，戶;M整流器控制元件在電機(jī)速度低于第一速度值時(shí)，提供第一組開關(guān)控制信號(hào)用于增大的直流鏈路電流， 所述第^I度值小于滿額電lra度。
10. —種用于控制交流電機(jī)的方法，包括利用開，流，流交流輸入，以跑共直流鏈路電流； 禾鵬逆變器逆魏流鏈路電流，以將交流輸出電流提供給電機(jī)； 根據(jù)電機(jī)反饋和設(shè)置值或曲線圖，確定所需的電^J空制電流值； 確定對應(yīng)于與交流輸入相關(guān)聯(lián)的輸入電容的所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電流值； 控制開關(guān)整流器，以根據(jù)所需的電機(jī)控制電流值和所需的功率因數(shù)補(bǔ)償電 流值，在至少一部分的電機(jī)速度范圍內(nèi)提供增大的直流鏈路電流；以及 根據(jù)所需的電機(jī)控制電流，控制逆變器以提供交流輸出。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種系統(tǒng)和方法，用于控制具有開關(guān)整流器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率因數(shù)，該開關(guān)整流器將直流鏈路電流提供給逆變器，增大整流器的增益以提供附加直流鏈路電流，以用于校正基于被交流驅(qū)動(dòng)器功率輸入的電容吸收的電流的驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)，和通過在逆變器開關(guān)控制方案中引入旁路態(tài)或通過減少電機(jī)磁通來較少逆變器的增益，以適應(yīng)增大的直流鏈路電流。
文檔編號(hào)H02P27/04GK101267186SQ200810085700
公開日2008年9月17日 申請日期2008年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月30日
發(fā)明者J·C·懷斯曼, N·R·扎格里, Y·肖 申請人:洛克威爾自動(dòng)控制技術(shù)股份有限公司