電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方法。提出了用于通過正弦波濾波器(16)和變壓器(18)驅(qū)動永磁電機(jī)或其他負(fù)載(6)的電力轉(zhuǎn)換器(10)、控制裝置(20)和方法(100)，其中使用電流頻率關(guān)系(24)控制逆變器輸出電流(IA、IB、IC)以將期望頻率或速度的值(21,31)轉(zhuǎn)換為電流設(shè)置點(diǎn)(32)，使用具有比正弦波濾波器(16)的諧振頻率低的帶寬的控制算法(26)來調(diào)節(jié)逆變器輸出電流(IA、IB、IC)。
【專利說明】電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 無傳感器電機(jī)驅(qū)動在多種應(yīng)用、特別是直接在電機(jī)負(fù)載處提供位置和/或速度傳 感器困難或不切實(shí)際的應(yīng)用中使用。典型的無傳感器系統(tǒng)采用壓頻（V/F)(可替代地被稱 為伏特每赫茲（V/Hz))控制器，其根據(jù)期望電機(jī)速度或頻率來提供電壓設(shè)置點(diǎn)，這種形式 的無傳感器控制主要用于感應(yīng)電機(jī)。在特定應(yīng)用中，然而，通常需要升高電機(jī)驅(qū)動器輸出 電壓的升壓變壓器。例如，變壓器可以使得能夠使用低壓驅(qū)動器向中壓感應(yīng)電機(jī)供電，和/ 或可以使用升壓變壓器以降低1?損失并且使得針對在電機(jī)驅(qū)動器與被驅(qū)動的電機(jī)之間的 長電纜布設(shè)使用較短的測量電纜電線。特定應(yīng)用還采樣正弦波濾波器，例如抑制與脈寬調(diào) 制變頻驅(qū)動相關(guān)聯(lián)的反射波電壓尖峰的LC濾波器。然而，使用壓頻控制技術(shù)會導(dǎo)致問題， 特別是在電機(jī)負(fù)載中的電機(jī)驅(qū)動器之間連接有變壓器和/或正弦波濾波器的情況。例如， 壓頻控制回路通常經(jīng)受非受控驅(qū)動電流的變化，即使電壓需求是恒定的。此外，升壓變壓器 的飽和會導(dǎo)致顯著增加的驅(qū)動電流，而不向電機(jī)負(fù)載傳輸太多的電力。另外，在啟動條件 下結(jié)合正弦波濾波器的壓頻控制會導(dǎo)致電機(jī)不能啟動，具有針對低頻需求的轉(zhuǎn)子軸的大振 蕩。另外，當(dāng)采用輸出濾波器和變壓器時，傳統(tǒng)的無傳感器壓頻驅(qū)動控制在驅(qū)動永磁電機(jī)時 并不十分成功。因此，盡管無傳感器控制方案由于電纜布設(shè)的長度并且避免了與從電機(jī)直 接提供反饋相關(guān)聯(lián)的成本而是有利的，但是需要針對無傳感器電機(jī)驅(qū)動控制特別是針對驅(qū) 動永磁電機(jī)的進(jìn)一步改進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 現(xiàn)在概述本公開內(nèi)容的各個方面以便于對本公開內(nèi)容的基本理解，其中，本發(fā)明 內(nèi)容并不是本公開內(nèi)容的廣泛概述，既不意在標(biāo)識本公開內(nèi)容的特定元素，也不意在描述 本公開內(nèi)容的范圍。相反地，本
【發(fā)明內(nèi)容】
的主要目的是在下文呈現(xiàn)更詳細(xì)的方式之前以簡 化形式來呈現(xiàn)本公開內(nèi)容的各個概念。本公開內(nèi)容提供了使用電流調(diào)節(jié)和電流頻率以及降 低的帶寬控制概念的無傳感器位置控制，通過該無傳感器位置控制，開環(huán)電力轉(zhuǎn)換控制能 夠避免或消除傳統(tǒng)的壓頻無傳感器控制的上述缺點(diǎn)。這些技術(shù)和裝置可見于如下特定應(yīng) 用：該應(yīng)用與包括正弦波輸出濾波器和升壓變壓器以提供驅(qū)動器與被驅(qū)動的電機(jī)（包括感 應(yīng)電機(jī)和/或永磁電機(jī)）之間的長電纜布設(shè)的無傳感器電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用（例如潛水泵應(yīng)用 等）相關(guān)聯(lián)。可以使用所述控制方法的其他應(yīng)用也是可以的，包括向任何形式的負(fù)載提供 變頻交流輸出的電力轉(zhuǎn)換操作。
[0004] 提出了一種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括：逆變器，所述逆變器提供交流輸 出電力以驅(qū)動負(fù)載；以及控制器，所述控制器通過控制算法、整體地或部分地根據(jù)頻率或速 度的設(shè)置點(diǎn)值來調(diào)節(jié)逆變器輸出電流，所述控制算法具有比耦接在所述逆變器與所述負(fù)載 之間的濾波器的諧振頻率低的帶寬。在某些實(shí)施方式中，所述控制器包括：電流頻率控制 部件，所述電流頻率控制部件至少部分地根據(jù)所述頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值提供電流設(shè)置 點(diǎn)值；以及電流控制調(diào)節(jié)部件，所述電流控制調(diào)節(jié)部件執(zhí)行所述控制算法，以至少部分地根 據(jù)所述電流設(shè)置點(diǎn)值來調(diào)節(jié)逆變器輸出電流。在某些實(shí)施中，所述電流控制調(diào)節(jié)器可以是 具有低于所述輸出濾波器的諧振頻率的控制帶寬的比例積分（PI)控制器，可以執(zhí)行所述 控制算法，以根據(jù)所述電流設(shè)置點(diǎn)值以及表示逆變器輸出電流的一個或更多個反饋信號或 值來調(diào)節(jié)逆變器輸出電流。此外，所述控制器的某些實(shí)施包括速率限定部件，所述的速率限 定部件能夠操作以對接收到的期望頻率或速度的值的變化速率進(jìn)行限定從而提供經(jīng)速率 限定的頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值。
[0005] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另外方面提供了電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制方法和具有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行 指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，至少部分地根據(jù)頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值來確定電流設(shè)置點(diǎn) 值，并且對電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的至少一個交流輸出電流反饋信號或值進(jìn)行采樣。所述方法還包 括使用具有比輸出濾波器的諧振頻率低的帶寬的控制算法、根據(jù)電流設(shè)置點(diǎn)值和輸出電流 反饋來調(diào)節(jié)輸出電流。在某些實(shí)施中，所述方法還包括對期望頻率或速度的值的變化速率 進(jìn)行限定以確定頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值，并且還可以包括：根據(jù)零電流值對應(yīng)零頻率值的 電流頻率關(guān)系來確定電流設(shè)置點(diǎn)值。在某些實(shí)施中，例如，所述電流頻率關(guān)系可以為曲線 或參數(shù)方程或查找表等，其包括對應(yīng)于從零頻率到截止頻率的第一頻率范圍電流值增加的 第一部分、以及針對在截止頻率值以上的頻率具有恒定電流值（例如逆變器的最大輸出電 流）的第二部分。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 以下描述和附圖詳細(xì)提出了本公開內(nèi)容的特定示例性實(shí)施，其表示可以執(zhí)行本公 開內(nèi)容的各種原理的若干個示例性方式。然而，所示示例并不窮盡本公開內(nèi)容的許多可能 的實(shí)施方式。當(dāng)結(jié)合附圖考慮時在以下的詳細(xì)描述中將提出本公開內(nèi)容的其他目的、優(yōu)點(diǎn) 和創(chuàng)新特征，在附圖中：
[0007] 圖1是示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個或更多個方面的示例性變頻驅(qū)動型電力轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)的示意圖，該電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過正弦波濾波器、升壓變壓器和電纜向在針對潛水泵 應(yīng)用等的被驅(qū)動的永磁電機(jī)負(fù)載提供交流輸出電力，其中，使用電流頻率控制部件和降低 的帶寬比例積分（PI)控制部件來控制電機(jī)驅(qū)動逆變器的輸出級；
[0008] 圖2是示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的圖1的系統(tǒng)中的示例性逆變器控制器的進(jìn)一步的 細(xì)節(jié)的示意圖，包括速率限定部件、電流頻率控制部件和降低的帶寬PI控制部件；以及
[0009] 圖3是示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的其他方面的用于控制通過濾波器驅(qū)動負(fù)載的電 力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示例性方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0010] 現(xiàn)在參照附圖，以下結(jié)合附圖描述若干個實(shí)施方式或?qū)嵤渲?，相似的附圖標(biāo)記 用于貫穿始終表示相似的元件，以及其中，各個特征未必是按比例繪制的。本公開內(nèi)容提供 了用于通過輸出濾波器以及可選地通過附加變壓器驅(qū)動電動機(jī)或其他負(fù)載的方法和裝置， 并且可見于潛水泵情形應(yīng)用的或不需要從被驅(qū)動的負(fù)載直接反饋而向交流負(fù)載供電的其 他應(yīng)用。例如，可以通過使用所公開的裝置和方法來增強(qiáng)即使針對永磁電機(jī)負(fù)載的無傳感 器電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，并且消除或避免在傳統(tǒng)的壓頻無傳感器電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中可見的不受調(diào)節(jié) 的驅(qū)動器輸出電流、變壓器飽和以及與電機(jī)啟動相關(guān)的問題。因此，可以結(jié)合使用正弦波濾 波器和變壓器以降低布線的成本和尺寸并且消除反射波問題來便利無傳感器控制的優(yōu)點(diǎn)： 包括降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜度、并且仍然實(shí)現(xiàn)相對于電機(jī)速度和/或位置或其他被驅(qū)動的負(fù) 載的特性參數(shù)的增強(qiáng)的控制能力。此外，本公開內(nèi)容的概念不需要附加硬件，因此為與傳統(tǒng) 的壓頻無傳感器電機(jī)控制方案相關(guān)聯(lián)的上述問題呈現(xiàn)了低成本的解決方案。
[0011] 圖1示出了示例性系統(tǒng)2,該示例性系統(tǒng)2具有向電機(jī)驅(qū)動電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)10提供 三相交流輸入電力（例如480V AC，50或60Hz)的交流電源4。電機(jī)驅(qū)動器10轉(zhuǎn)而通過正 弦波濾波器16和連接的變壓器18然后通過電纜8提供變頻、變幅度的多相交流輸出電力， 以驅(qū)動所示的永磁體或感應(yīng)電機(jī)負(fù)載6。在各種應(yīng)用例如潛水泵中，可以使用相對長的電 纜8,在特定實(shí)施中變壓器18可以用作升壓設(shè)備以將由電機(jī)驅(qū)動器10提供的電壓輸出升高 至更高電平以減輕沿電纜8的長度的I 2R損失、并且減小電纜8的尺寸，和/或使得相對低 的電壓電機(jī)驅(qū)動器10能夠操作高電壓電機(jī)負(fù)載6。由圖1可見，電機(jī)驅(qū)動器10包括整流 器12,該整流器12可以為有源（例如開關(guān)）整流器或無源整流器、全波整流器、半波整流器 等，該整流器12接收來自源4的交流輸入電力并且向總線或具有電容C的DC鏈路13提供 直流電力。盡管被示出為多相整流器，但是可以在單相輸入驅(qū)動器和電力轉(zhuǎn)換器中采用本 公開內(nèi)容的概念。逆變器14接收來自總線電路13的直流電力、并且包括根據(jù)由控制器20 提供的逆變器開關(guān)控制信號22進(jìn)行操作的開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5和S6,從而將直流電 力轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動電機(jī)負(fù)載6的交流輸出電流IA、IB和1C。在所不的實(shí)施方式中，逆變器 14提供三相輸出，但是在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)其他多相和單相輸出實(shí)施也是可以的?？梢?使用任何合適的開關(guān)器件S1至S6,包括但不限制于絕緣柵雙極晶體管（IGBT)、硅可控整流 器（SCR)、門極可關(guān)斷晶閘管（GT0)、集成門極換流晶閘管（IGCT)等。
[0012] 電機(jī)驅(qū)動器10還包括向逆變器開關(guān)S1至S6提供逆變器開關(guān)控制信號22的控制 器20?？刂破?0以及其元件和部件（例如如以下圖2進(jìn)一步所示）可以包括合適的邏輯 或基于處理器的電路元件，并且還可以包括信號電平放大裝置和/或驅(qū)動器電路元件（未 示出）（例如，諸如比較器、載波生成器或數(shù)字邏輯/處理器元件和信號驅(qū)動器），以提供足 以選擇性地激勵開關(guān)器件S1至S6的合適的驅(qū)動電壓和/或電流電平。此外，控制器20可 以根據(jù)如下任意合適的脈寬調(diào)制技術(shù)來提供開關(guān)控制信號22 :包括但不限制于基于向量 調(diào)制（SVM)載波的脈寬調(diào)制、選擇性諧波消除（SHE)等。
[0013] 圖1的系統(tǒng)2還包括正弦波或輸出濾波器16 (在一個示例中，具有在每個輸出線 路中的串聯(lián)濾波器電感器LF以及耦接在對應(yīng)的相位線路與公共連接點(diǎn)之間的對應(yīng)的濾波 器電容器CF的三相LC濾波器）?？梢允褂闷渌敵鰹V波器拓?fù)淅鏛CL濾波器、CLC濾 波器等，其中以任意合適的△配置或Y配置連接一個或更多個串聯(lián)元件與另外的濾波器元 件（例如濾波器電容器CF)。此外，如圖1所示，在濾波器16與電機(jī)電纜8之間設(shè)置變壓器 18。在所示示例中，變壓器18具有三相Λ連接初級繞組和Y連接次級繞組，但是可以使用 任意合適的變壓器初級和/或次級繞組配置或拓?fù)?。此外，變壓?8可以但未必為升壓變 壓器。在特定應(yīng)用中，升壓變壓器18有利地例如使得低壓驅(qū)動器10向中壓或高壓電機(jī)6供 電，或者使得使用中壓驅(qū)動器10向高壓電機(jī)6供電。另外或作為結(jié)合，升壓變壓器18可以 有用以使得降低電纜8中承載的電流電平，從而便于使用較小直徑的電纜電線并且相應(yīng)降 低電纜8中的1?損失。此外，電纜8可以為用于使用電機(jī)6的引線對接電機(jī)驅(qū)動器輸出、 正弦波濾波器16與變壓器18的任意合適的構(gòu)造。
[0014] 電機(jī)驅(qū)動器10及其控制器20以無傳感器的方式操作，以控制被驅(qū)動的電機(jī)負(fù)載6 的一個或更多個操作參數(shù)。例如，控制器20提供逆變器開關(guān)控制信號22,以控制電機(jī)6的 位置和/或速度和/或轉(zhuǎn)矩而不直接感測這些受控參數(shù)中的任意一個。在所示實(shí)施中，例 如，在逆變器14的輸出處提供電流傳感器27以向控制器20提供如下反饋信號或值28 :所 述反饋信號或值28表示逆變器輸出電流ΙΑ、IB和1C，和/或根據(jù)所述反饋信號或值28可 以計(jì)算、導(dǎo)出或不然估計(jì)出這些輸出電流的值?？梢允褂萌我夂线m的電流感測設(shè)備27以生 成信號和/或值28,以及可以提供模擬信號28、和/或傳感器27可以為提供表示由逆變器 14提供的輸出電流ΙΑ、IB和1C的數(shù)字值28的智能傳感器。
[0015] 控制器20使用反饋信號或值28以及一個或更多個期望操作參數(shù)21、以局部閉路 方式執(zhí)行調(diào)節(jié)輸出電流IA、IB和1C?？傮w上，然而，由控制器20實(shí)施的控制技術(shù)相對于被 驅(qū)動的負(fù)載6的實(shí)際操作條件為基本上無傳感器或開環(huán)的，因?yàn)椴煌ㄟ^電機(jī)6本身獲得直 接反饋信號。在圖1的示例中，例如，控制器20接收來自管理控制系統(tǒng)部件（未示出）的 期望頻率或電機(jī)速度值f*21，所述管理控制系統(tǒng)部件可以為分布式控制系統(tǒng)元件、用戶可 調(diào)節(jié)旋鈕、本地用戶接口等。此外，控制器20包括如以下進(jìn)一步描述的電流頻率控制部件 24和降低的帶寬比例積分（PI)控制器26。在操作中，控制部件24和26用于根據(jù)期望速 度或頻率的信號或值21以及反饋信號或值28、通過生成逆變器開關(guān)控制信號22來調(diào)節(jié)逆 變器輸出電流IA、IB和1C。
[0016] 參照圖2,圖2示出了控制器20的一個實(shí)施方式，控制器20可選地包括前向控制 回路路徑中的速率限定器30、電流頻率（I-F)控制部件24和PI控制器元件26。如果包括 速率限定部件30,其接收期望頻率或速度的值21、并且限定所述值的變化速率，以提供頻 率或速度的設(shè)置點(diǎn)值31作為電流頻率控制部件24的輸入。省略速率限定器30的其他實(shí) 施方式也是可以的，其中電流頻率部件24直接接收期望頻率或速度的信號21作為設(shè)置點(diǎn) 輸入。在所示實(shí)施中，來自速率限定器30的輸出信號或值為經(jīng)速率限定的頻率或速度的設(shè) 置點(diǎn)信號或值31 (例如，速率限定部件30可為任意合適的硬件、處理器執(zhí)行的軟件、處 理器執(zhí)行的固件、可編程邏輯元件、模擬電路元件等，其限定接收到的期望速度或頻率的信 號21的變化速率。
[0017] 在一個可能的實(shí)施中，例如，速率限定器30限定速度信號21的變化速率，使得輸 出信號31處于其變化不快于電機(jī)6的最大加速能力的頻率。例如，正弦波濾波器16可以 具有幾千Hz (例如在一個示例中約為4000Hz)的諧振頻率（根據(jù)濾波器電感器LF的電感 和濾波器電容器CF的電容確定的），速率限定器30操作將接收到的信號21的變化速率限 定為每秒幾十個周期（例如，在一個實(shí)施方式中約為20-30HZ或更低）。操作中，接收到的 信號21的步進(jìn)變化將被變成斜坡信號31，從而速率限定器30防止其后的電流頻率控制部 件24要求立即變化為高頻電流。特別的與輸出正弦波濾波器16和/或變壓器18 -起使 用時，立即變化為高頻電流輸出未必引起電機(jī)負(fù)載6旋轉(zhuǎn)。在特定實(shí)施方式中使用速率限 定器30有利地將頻率設(shè)置點(diǎn)的變化速率向下限定為電機(jī)負(fù)載6可以以期望速率加速的值。
[0018] 經(jīng)速率限定的頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值31被提供為電流頻率控制部件24以及如以 下將詳細(xì)描述的集成式系統(tǒng)40、42的輸入。電流頻率（I-F)控制部件24接收經(jīng)速率限定 的頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)31，并相應(yīng)生成δ軸電流設(shè)置點(diǎn)（i*s)32。如圖2所描述地，控制 器20例如以處理器執(zhí)行軟件或固件來實(shí)施各個部件，并且操作同步δ、γ參考幀中的特定 變量，接收到的反饋信號或值28以及生成的開關(guān)控制信號22被參考為靜止（例如a、b、c) 參考幀。關(guān)于此，所示的S、 Y參考幀以與傳統(tǒng)的現(xiàn)場通信控制（D，Q)參考幀相等的頻率 來旋轉(zhuǎn)，但是位置未必相同，Y和S某種程度上與"d"和"q"相似，但是它們未必匹配（例 如Y將可能位于D軸與Q軸之間的某處，γ和δ相互垂直）。還需要理解可以以其他參 考幀執(zhí)行電流調(diào)節(jié)。
[0019] 由圖2可見，電流頻率控制部件24基于接收到的（例如經(jīng)速率限定的）頻率或速 度的設(shè)置點(diǎn)信號或值31來提供電流設(shè)置點(diǎn)輸出32。在一個可能的實(shí)施中，電流頻率控制部 件24實(shí)施如所示的具有零電流值對應(yīng)零頻率值（例如0Hz)的電流頻率關(guān)系的雙量程曲線 或函數(shù)。如圖2所示，通過控制部件24實(shí)施的電流頻率關(guān)系包括對應(yīng)于從零頻率值到截止 頻率值F euT的第一頻率范圍電流值增加的第一部分、以及對應(yīng)于在截止頻率FeuT以上的頻 率電流值恒定（例如，I MX)的第二部分，其中IMX在特定實(shí)施中可以為逆變器14的最大額 定輸出電流，將截止頻率F euT優(yōu)選地設(shè)置為與電機(jī)6的很低的操作頻率（例如在一個實(shí)施 中約為0. 5至1. 0Hz)對應(yīng)。在特定實(shí)施方式中的電流頻率控制部件24可以使用查找表或 參數(shù)函數(shù)來實(shí)施。關(guān)于此，電流頻率關(guān)系有利地避免了以零頻率向變壓器18和電機(jī)6提供 電流，并且包括直至截止頻率為止的第一斜變部分，在第一斜變部分之后要求最大電流，從 而控制部件24避免向變壓器18發(fā)送直流。I-F控制部件24從而避免了向變壓器18發(fā)送 直流，電機(jī)負(fù)載6典型地以最大電流I MX進(jìn)行操作，從而電機(jī)驅(qū)動器10的操作與現(xiàn)有的無 傳感器驅(qū)動的傳統(tǒng)壓頻方法很不同。
[0020] 電流頻率控制器24的輸出（i* s)為被提供給PI控制部件26的δ軸電流設(shè)置點(diǎn) 32。？1控制不是對本公開內(nèi)容的所有實(shí)施方式的嚴(yán)格要求，其中，可以使用任意合適的電流 調(diào)節(jié)算法以按照比正弦波濾波器16的諧振頻率低的算法帶寬來調(diào)節(jié)逆變器輸出電流ΙΑ、 ΙΒ和1C。在所示實(shí)施方式中，ΡΙ控制器26根據(jù)零γ軸值33 (i*Y = 0)進(jìn)行操作，盡管這 并非對本公開內(nèi)容的所有實(shí)施的嚴(yán)格要求。ΡΙ控制器26可以為公知的比例積分控制算法 的任意合適的實(shí)施，但是控制算法是帶寬限定的。此外，控制部件26可以為將對應(yīng)微分增 益（KD)設(shè)置為零的PID控制器。本發(fā)明人已經(jīng)意識到：限定ΡΙ控制器26的帶寬避免或消 除了在上電期間、特別是驅(qū)動器10正通過正弦波濾波器16和/或變壓器18提供輸出電流 的情況下的大浪涌電流（inrush current)。在特定應(yīng)用中，例如，正弦波濾波器16使得逆 變器輸出特別容易受到大浪涌電流的影響，將PI控制器26 (或通過控制器20實(shí)施的其他 電流調(diào)節(jié)控制算法）的帶寬限定為剛好低于正弦波濾波器諧振頻率有助于消除或避免特 別是上電時的高浪涌電流電平。
[0021] 降低的帶寬PI控制器26還接收來自機(jī)載輸出電流傳感器27的根據(jù)逆變器14的 輸出的反饋。所示的控制器20包括靜止至同步參考幀轉(zhuǎn)換器部件44(a，b，c - δ，γ)，其 提供從感測的逆變器輸出相位電流ΙΑ、IB和1C轉(zhuǎn)換的、作為PI控制器26的輸入的δ和 Υ電流反饋值46和48 (^和1)。此外，轉(zhuǎn)換器44根據(jù)相位角信號或值Θ 43執(zhí)行參考幀 轉(zhuǎn)換，所述相位角信號或值Θ 43在所示實(shí)施方式中、基于經(jīng)速率限定的頻率或速度的設(shè)置 點(diǎn)信號或值31被計(jì)算作為頻率ω的積分（2 π ，乘法器部件40生成頻率信號ω 41以 及積分器部件42提供相位角信號或值Θ 43。此外，ΡΙ控制器26分別提供δ和γ軸電壓 設(shè)置點(diǎn)信號或值的輸出^35和^34,所述輸出￥835和^34被轉(zhuǎn)換器36(δ，γ - a，b，c) 使用相位角信號或值θ 43轉(zhuǎn)換為靜止參考幀。參考幀轉(zhuǎn)換器36使用已知技術(shù)轉(zhuǎn)而提供一 組三個靜止參考幀電壓設(shè)置點(diǎn)信號或值37 (Va，Vb和V。）、作為包括任意合適形式的調(diào)制、隔 離、放大器、驅(qū)動電路元件等的脈寬調(diào)制（PWM)部件38的輸入，以生成逆變器開關(guān)控制信號 22〇
[0022] 在特定實(shí)施方式中，在控制部件26中實(shí)施的PI或其他調(diào)節(jié)控制算法的帶寬剛好 低于相關(guān)聯(lián)的正弦波濾波器16的諧振頻率。在這點(diǎn)上，傳統(tǒng)的伺服和/或電機(jī)驅(qū)動控制算 法使用相對高的帶寬例如按照1kHz的量級調(diào)節(jié)電流。然而，如上所述，這樣的高控制算法 帶寬會導(dǎo)致不穩(wěn)定或不能適當(dāng)?shù)乜刂铺峁┙o電機(jī)負(fù)載6的輸出電流，和/或?qū)е虏黄谕?變壓器18的飽和以及過度的浪涌電流的問題。根據(jù)本公開內(nèi)容，PI控制器26的帶寬優(yōu)選 地比正弦波濾波器16的諧振頻率低一個或更多個量級的幅度。例如，PI控制器帶寬26可 以處于用于與具有大約2kHz至6kHz的諧振頻率的正弦波濾波器16相關(guān)聯(lián)的大約20Hz或 30Hz的量級。這可以通過例如限定在PI控制器26的調(diào)節(jié)算法中使用的比例和積分增益 (例如KP和KI)來實(shí)施。在這點(diǎn)上PI控制器26的輸出可以實(shí)施為電流設(shè)置點(diǎn)值32和33 與對應(yīng)的反饋值46和48之間的誤差的求和乘以比例常數(shù)KP與誤差乘以積分常數(shù)KI的積 分相加的和。因此在特定實(shí)施方式中，電流回路調(diào)節(jié)帶寬顯著低于濾波器16的諧振范圍， 這可以通過對在PI算法26中使用的KI和KP值進(jìn)行約束或限定來實(shí)施，使得在特定實(shí)施 中整個閉路的諧振點(diǎn)低于大約20或30Hz。因此，由控制器20實(shí)施的電流調(diào)節(jié)算法不試圖 調(diào)節(jié)在大約30Hz以上的電流。PI控制器26的輸出34、35為同步參考幀電壓值34和35， 所述值34和35然后被轉(zhuǎn)變成用于脈寬調(diào)制逆變器開關(guān)S1至S6的三相靜止參考幀值37。
[0023] 還參照圖3,圖3提供了用于控制通過濾波器（例如正弦波濾波器16)驅(qū)動負(fù)載 (例如電機(jī)6)的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（例如以上的電機(jī)驅(qū)動器10)的方法100的流程圖。盡管以 一些列動作或事件的形式描寫和描述示例性方法100,但是應(yīng)當(dāng)理解的是本公開內(nèi)容的各 個方法并不受在此具體提出的這樣的動作或事件的所示順序的限制。在這點(diǎn)上，除了以下 具體提供的，一些動作或事件可以與除了在此說明和描述的動作和事件之外的其他動作或 事件以不同順序和/或同時出現(xiàn)，并非所有示出的步驟需要實(shí)施根據(jù)本公開內(nèi)容的處理或 方法。所示方法可以以硬件、處理器執(zhí)行的軟件或其組合來實(shí)施，以使用在本文中描述的帶 寬限定控制算法來提供無傳感器電機(jī)控制，各個實(shí)施方式或?qū)嵤┌ň哂袌?zhí)行所示和描述 的方法的計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。例如，可以使用與控制器20相關(guān)聯(lián)的 一個或更多個處理器，通過執(zhí)行存儲在與控制器20關(guān)聯(lián)操作的電子存儲器中的指令來實(shí) 施方法100。
[0024] 處理100開始于接收更新后的期望頻率或速度的值（例如以上圖1和圖2中的信 號或值f*21)的102。在104處，期望值f*可選地被速率限定以提供經(jīng)速率限定的頻率或 速度的設(shè)置點(diǎn)值（例如圖2中的431)。在圖3的106處，至少部分地根據(jù)頻率或速度的 設(shè)置點(diǎn)值21、31來確定電流設(shè)置點(diǎn)值（圖2中的δ軸電流設(shè)置點(diǎn)值i* s32)。在108處， 對電力轉(zhuǎn)換器的一個或更多個交流輸出電流反饋信號或值進(jìn)行采樣（例如以上圖1中使用 傳感器27采樣的ΙΑ、IB和1C)。在110處，使用具有低于濾波器16的諧振頻率的帶寬的 控制算法、根據(jù)電流設(shè)置點(diǎn)值32和反饋信號或值28來調(diào)節(jié)交流輸出電流。例如，使用具有 比正弦波濾波器16的諧振頻率低的帶寬的比例積分控制算法（例如通過PI控制器26)來 調(diào)節(jié)上述電機(jī)驅(qū)動器10中的交流輸出電流。圖3中的處理100然后返回102處接收另外 的更新后的期望頻率或速度的值21并且如上所述繼續(xù)。
[0025] 因此，上述技術(shù)和裝置有利地便于例如在以上描述的應(yīng)用中的感應(yīng)或永磁電機(jī)負(fù) 載6的無傳感器控制，其中，正弦波濾波器16和/或變壓器18被設(shè)置以提供長的電纜長度 8而不具有與傳統(tǒng)的壓頻控制方案相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)。此外，所公開的概念可以被采用不需要 任何附加硬件，并且可以基本上以電機(jī)驅(qū)動控制器20的處理器執(zhí)行軟件來實(shí)施。此外，可 以采用這些技術(shù)降低或避免與傳統(tǒng)方法相關(guān)聯(lián)的濾波器浪涌電流、變壓器飽和以及非受控 的電機(jī)驅(qū)動輸出電流振蕩，并且避免與負(fù)載6處的傳感器的設(shè)置相關(guān)聯(lián)的額外成本和/或 系統(tǒng)復(fù)雜度。此外，所述技術(shù)還使得具有采用變壓器18的系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活度以提供長電纜布 設(shè)，并且降低或避免I 2R損失并允許使用較短電纜8,從而為潛水泵應(yīng)用或變壓器18能夠提 供用于中壓或高壓電機(jī)6包括永磁電機(jī)的低壓電機(jī)驅(qū)動器10的使用的其他設(shè)施提供切實(shí) 可行的解決方案。
[0026] 以上示例僅僅是本公開內(nèi)容的各個方面的若干個可能的實(shí)施方式的說明，其中當(dāng) 本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀并理解本說明書及附圖時可以做出等價變型和/或修改。特別地關(guān) 于上述部件（組件、設(shè)備、系統(tǒng)、電路等）執(zhí)行的各種功能，用于描述這樣的部件的術(shù)語（包 括引用"裝置"）除非特別指出，意在對應(yīng)于任何部件，例如執(zhí)行所述部件的指定功能（即 功能上等價）的硬件、處理器執(zhí)行軟件或其組合，盡管與執(zhí)行本公開內(nèi)容的所述實(shí)施中的 功能的所公開的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上不等價。此外，盡管相對于若干個實(shí)施中的僅一個實(shí)施公開了 本公開內(nèi)容的特定特征，但是這樣的特征可以與其他實(shí)施的一個或更多個其他特征進(jìn)行組 合，只要這樣的組合對任何給定或特定應(yīng)用為期望并有利地即可。此外，對于術(shù)語"包含"、 "具有"或其變型用于詳細(xì)描述和/或權(quán)利要求中的程度，這樣的術(shù)語意在為與術(shù)語"包括" 相似方式的包容性。
[0027] 根據(jù)上述描述可知，本發(fā)明的實(shí)施例公開了以下技術(shù)方案，包括但不限于：
[0028] 方案1. 一種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括：
[0029] 逆變器，所述逆變器包括能夠根據(jù)開關(guān)控制信號進(jìn)行操作的多個開關(guān)器件，以提 供交流輸出電力來驅(qū)動負(fù)載；以及
[0030] 控制器，所述控制器向所述逆變器提供所述開關(guān)控制信號，以通過控制算法、至少 部分地根據(jù)頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值來調(diào)節(jié)逆變器輸出電流，所述控制算法具有比耦接在所 述逆變器與所述負(fù)載之間的濾波器的諧振頻率低的帶寬。
[0031] 方案2.根據(jù)方案1所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器包括：
[0032] 電流頻率控制部件，所述電流頻率控制部件根據(jù)所述頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值提供 電流設(shè)置點(diǎn)值；以及
[0033] 電流控制調(diào)節(jié)部件，所述電流控制調(diào)節(jié)部件執(zhí)行所述控制算法，以至少部分地根 據(jù)所述電流設(shè)置點(diǎn)值來調(diào)節(jié)所述逆變器輸出電流。
[0034] 方案3.根據(jù)方案2所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述電流控制調(diào)節(jié)部件是具有比 耦接在所述逆變器與所述負(fù)載之間的所述濾波器的諧振頻率低的帶寬的比例積分控制器。
[0035] 方案4.根據(jù)方案3所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述電流控制調(diào)節(jié)部件執(zhí)行所述 控制算法，以根據(jù)所述電流設(shè)置點(diǎn)值和表示所述逆變器輸出電流的至少一個反饋信號或值 來調(diào)節(jié)所述逆變器輸出電流。
[0036] 方案5.根據(jù)方案4所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器包括速率限定部件，所 述速率限定部件對接收到的期望頻率或速度的值的變化速率進(jìn)行限定以提供所述頻率或 速度的設(shè)置點(diǎn)值。
[0037] 方案6.根據(jù)方案3所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器包括速率限定部件，所 述速率限定部件對接收到的期望頻率或速度的值的變化速率進(jìn)行限定以提供所述頻率或 速度的設(shè)置點(diǎn)值。
[0038] 方案7.根據(jù)方案2所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述電流控制調(diào)節(jié)部件執(zhí)行所述 控制算法，以根據(jù)所述電流設(shè)置點(diǎn)值以及表示所述逆變器輸出電流的至少一個反饋信號或 值來調(diào)節(jié)所述逆變器輸出電流。
[0039] 方案8.根據(jù)方案7所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器包括速率限定部件，所 述速率限定部件對接收到的期望頻率或速度的值的變化速率進(jìn)行限定以提供所述頻率或 速度的設(shè)置點(diǎn)值。
[0040] 方案9.根據(jù)方案2所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器包括速率限定部件，所 述速率限定部件對接收到的期望頻率或速度的值的變化速率進(jìn)行限定以提供所述頻率或 速度的設(shè)置點(diǎn)值。
[0041] 方案10.根據(jù)方案2所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器包括調(diào)節(jié)所述逆變器 輸出電流的比例積分控制器，所述比例積分控制器具有比耦接在所述逆變器與所述負(fù)載之 間的所述濾波器的諧振頻率低的帶寬。
[0042] 方案11.根據(jù)方案10所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器根據(jù)從所述頻率或 速度的設(shè)置點(diǎn)值得到的電流設(shè)置點(diǎn)值以及根據(jù)表示所述逆變器輸出電流的至少一個反饋 信號或值，調(diào)節(jié)所述逆變器輸出電流。
[0043] 方案12.根據(jù)方案10所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器包括速率限定部件， 所述速率限定部件對接收到的期望頻率或速度的值的變化速率進(jìn)行限定以提供所述頻率 或速度的設(shè)置點(diǎn)值。
[0044] 方案13.根據(jù)方案1所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器根據(jù)從所述頻率或速 度的設(shè)置點(diǎn)值得到的電流設(shè)置點(diǎn)值以及根據(jù)表示所述逆變器輸出電流的至少一個反饋信 號或值，調(diào)節(jié)所述逆變器輸出電流。
[0045] 方案14.根據(jù)方案1所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器包括速率限定部件， 所述速率限定部件對接收到的期望頻率或速度的值的變化速率進(jìn)行限定以提供所述頻率 或速度的設(shè)置點(diǎn)值。
[0046] 方案15. -種用于控制電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方法，所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過濾波器驅(qū)動 負(fù)載，所述方法包括：
[0047] 至少部分地根據(jù)頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值來確定電流設(shè)置點(diǎn)值；
[0048] 對所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的至少一個交流輸出電流反饋信號或值進(jìn)行采樣；以及
[0049] 使用具有比所述濾波器的諧振頻率低的帶寬的控制算法、根據(jù)所述電流設(shè)置點(diǎn)值 以及所述至少一個交流輸出電流反饋信號或值，調(diào)節(jié)所述至少一個交流輸出電流。
[0050] 方案16.根據(jù)方案15所述的方法，包括對期望頻率或速度的值的變化速率進(jìn)行限 定以確定所述頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值。
[0051] 方案17.根據(jù)方案15所述的方法，其中，所述電流設(shè)置點(diǎn)值是根據(jù)零電流值對應(yīng) 零頻率值的電流頻率關(guān)系確定的。
[0052] 方案18.根據(jù)方案17所述的方法，其中，所述電流頻率關(guān)系包括對應(yīng)于從零頻率 值到截止頻率值的第一頻率范圍電流值增加的第一部分、以及對應(yīng)于比所述截止頻率值高 的頻率電流值恒定的第二部分。
[0053] 方案19.根據(jù)方案15所述的方法，其中，使用具有比所述濾波器的諧振頻率低的 帶寬的比例積分控制算法來調(diào)節(jié)所述至少一個交流輸出電流。
[0054] 20. -種具有用于控制電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所 述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過濾波器驅(qū)動負(fù)載，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述 計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令用于：
[0055] 至少部分地根據(jù)頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值來確定電流設(shè)置點(diǎn)值；
[0056] 對所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的至少一個交流輸出電流反饋信號或值進(jìn)行采樣；以及
[0057] 使用具有比所述濾波器的諧振頻率低的帶寬的控制算法、根據(jù)所述電流設(shè)置點(diǎn)值 以及所述至少一個交流輸出電流反饋信號或值，調(diào)節(jié)所述至少一個交流輸出電流。
[0058] 部件列表
[0059]

【權(quán)利要求】
1. 一種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)，包括： 逆變器（14)，所述逆變器（14)包括能夠根據(jù)開關(guān)控制信號（22)進(jìn)行操作的多個開關(guān) 器件（S1-S6)，以提供交流輸出電力來驅(qū)動負(fù)載（6);以及 控制器（20)，所述控制器（20)向所述逆變器（14)提供所述開關(guān)控制信號（22)，以通 過控制算法（26)、至少部分地根據(jù)頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值（21，31)來調(diào)節(jié)逆變器輸出電流 (IA、IB、1C)，所述控制算法（26)具有比耦接在所述逆變器（14)與所述負(fù)載（6)之間的濾 波器（16)的諧振頻率低的帶寬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)，其中，所述控制器（20)包括： 電流頻率控制部件（24)，所述電流頻率控制部件（24)根據(jù)所述頻率或速度的設(shè)置點(diǎn) 值（21，31)提供電流設(shè)置點(diǎn)值（32);以及 電流控制調(diào)節(jié)部件（26)，所述電流控制調(diào)節(jié)部件（26)執(zhí)行所述控制算法，以至少部分 地根據(jù)所述電流設(shè)置點(diǎn)值（32)來調(diào)節(jié)所述逆變器輸出電流（ΙΑ、ΙΒ、1C)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)，其中，所述控制器（20)包括速率限定部 件（30)，所述速率限定部件（30)對接收到的期望頻率或速度的值（21)的變化速率進(jìn)行限 定以提供所述頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值（31)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)，其中，所述控制器（20)包括調(diào)節(jié)所述逆 變器輸出電流（IA、IB、IC)的比例積分控制器（26)，所述比例積分控制器（26)具有比耦接 在所述逆變器（14)與所述負(fù)載（6)之間的所述濾波器（16)的諧振頻率低的帶寬。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)，其中，所述控制器（20)包括速率限定部 件（30)，所述速率限定部件（30)對接收到的期望頻率或速度的值（21)的變化速率進(jìn)行限 定以提供所述頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值（31)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)，其中，所述控制器（20)根據(jù)從所述頻率 或速度的設(shè)置點(diǎn)值（21，31)得到的電流設(shè)置點(diǎn)值（32)以及根據(jù)表示所述逆變器輸出電流 (IA、IB、1C)的至少一個反饋信號或值（46, 48)，調(diào)節(jié)所述逆變器輸出電流（IA、IB、1C)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)，其中，所述控制器（20)包括速率限定部 件（30)，所述速率限定部件（30)對接收到的期望頻率或速度的值（21)的變化速率進(jìn)行限 定以提供所述頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值（31)。
8. -種用于控制電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)的方法（100)，所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)通過濾波 器（16)驅(qū)動負(fù)載（6)，所述方法（100)包括： 至少部分地根據(jù)頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值（21，31)來確定電流設(shè)置點(diǎn)值（32); 對所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（10)的至少一個交流輸出電流反饋信號或值（IA、IB、IC)進(jìn)行采 樣；以及 使用具有比所述濾波器（16)的諧振頻率低的帶寬的控制算法（26)、根據(jù)所述電流設(shè) 置點(diǎn)值（32)以及所述至少一個交流輸出電流反饋信號或值（IA、IB、1C)，調(diào)節(jié)所述至少一 個交流輸出電流（IA、IB、IC)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法（100)，包括對期望頻率或速度的值（21)的變化速率進(jìn) 行限定以確定所述頻率或速度的設(shè)置點(diǎn)值（31)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法（100)，其中，使用具有比所述濾波器（16)的諧振頻率 低的帶寬的比例積分控制算法（26)來調(diào)節(jié)所述至少一個交流輸出電流（IA、IB、1C)。
【文檔編號】H02P27/08GK104124883SQ201410165847
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月23日
【發(fā)明者】劉晶波, 托馬斯·諾德哈爾, 彼得·舒米特, 謝苗·羅亞克 申請人:洛克威爾自動控制技術(shù)股份有限公司