用于在可調(diào)速驅(qū)動中控制再生能量的系統(tǒng)以及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及可調(diào)速驅(qū)動，并且更特別地涉及在利用雙環(huán)路控制結(jié)構(gòu)的減速期 間用于在操作的發(fā)電模式時(shí)控制可調(diào)速驅(qū)動的系統(tǒng)以及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電機(jī)驅(qū)動在工業(yè)應(yīng)用中頻繁用于適應(yīng)電力以及此外控制電驅(qū)動電機(jī)，例如與栗、 風(fēng)扇、壓縮機(jī)、起重機(jī)、造紙廠、鋼廠、乳鋼廠、電梯、機(jī)床等一起供應(yīng)的電驅(qū)動電機(jī)。電機(jī)典 型地提供伏特/赫茲的控制，并大幅改進(jìn)了電驅(qū)動電機(jī)和應(yīng)用的效率和生產(chǎn)率。逐漸地，電 機(jī)驅(qū)動采取擅于為電驅(qū)動電機(jī)或者感應(yīng)式電機(jī)提供可變速度和/或可變轉(zhuǎn)矩控制的可調(diào)節(jié) 或者可變速度驅(qū)動(ASD或者VSD)或者可調(diào)頻率驅(qū)動(AFD)的形式。
[0003] 如果感應(yīng)式電機(jī)的定子端部連接至三相AFD系統(tǒng)，感應(yīng)式電機(jī)的定子在電機(jī)驅(qū)動 操作模式期間將以定子旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩被施加至電機(jī)軸時(shí)，穩(wěn)態(tài)速度保 持小于同步速度。然而，當(dāng)感應(yīng)式電機(jī)以與定子旋轉(zhuǎn)場相同的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，例如在無負(fù)載操 作狀態(tài)期間，如果感應(yīng)式電機(jī)的速度高于同步速度，則感應(yīng)式電機(jī)處于發(fā)電操作模式。在發(fā) 電模式期間，產(chǎn)生在定子旋轉(zhuǎn)磁場相反作用的發(fā)電轉(zhuǎn)矩，使得電力從感應(yīng)式電機(jī)回流至 AFD〇
[0004] 為了停止ΑΠ )系統(tǒng)，AFD施加更低的頻率至感應(yīng)式電機(jī)，以嘗試以比如果電機(jī)允許 逐漸至停止更快的速率對電機(jī)減速。在減速過程中，ΑΠ )持續(xù)向電機(jī)繞組施加能量，以便保 持磁場有效。由于施加的頻率低于電機(jī)的實(shí)際頻率，在感應(yīng)式電機(jī)的發(fā)電行為將會導(dǎo)致電 力流反轉(zhuǎn)ΑΠ )系統(tǒng)的動能并將電力反饋回供電電源期間，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電操作模式。由于能量 從電機(jī)轉(zhuǎn)移到AFD的DC連接，DC連接電壓增加并可能變得不穩(wěn)定。
[0005] 在減速過程中，一種用于保護(hù)ΑΠ )的已知技術(shù)監(jiān)測DC連接電壓。如果在減速期間DC 連接電壓上升超過DC連接電壓閾值，ΑΠ )將會跳閘并打斷正常的停止操作。圖1中顯示了該 技術(shù)的說明。圖表10顯示了用于由40hp驅(qū)動在無負(fù)載時(shí)（即最小轉(zhuǎn)矩）以0.1秒減速速率從 100Hz至0Hz驅(qū)動的20hp電機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形，包括驅(qū)動輸出頻率12、DC連接電壓14以及電機(jī)電 流16。圖表10的頂部18以1秒分割說明，并且圖表10的底部20以50毫秒分割說明波形的子部 分。由于電機(jī)開始斜降其速度并且驅(qū)動輸出頻率12降低，當(dāng)DC連接電壓超出閾值時(shí)，電機(jī)進(jìn) 入發(fā)電狀態(tài)并且上升的DC連接電壓14導(dǎo)致過電壓跳閘。在AFD跳閘之后，電機(jī)以不可控的方 式關(guān)閉。不穩(wěn)定的DC連接電壓以及不受控的關(guān)閉增加 DC連接電容器上的壓力，引入EMC問 題，產(chǎn)生非期望的諧波和共振，增大機(jī)械應(yīng)力，并且降低整體系統(tǒng)性能。
[0006] 取代跳閘，ΑΠ )的切換控制可導(dǎo)致DC連接電壓在減速過程中開始振蕩。作為示例， 圖1中所示的圖表22說明了用于在無負(fù)載時(shí)對20hp電機(jī)從100Hz減速至0Hz的示例性60hp驅(qū) 動的DC連接電壓24、電機(jī)電流26以及驅(qū)動輸出頻率28的所捕捉的波形。當(dāng)選擇減速功能并 且將減速速率設(shè)定為0.1秒時(shí)，電機(jī)開始斜降其速度進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。如圖表22所示，DC連接 電壓24形成具有超過150V過沖的振蕩。也就是說，特定的頻率，電壓將會在高值和低值之間 跳動并且打斷正常的減速過程，導(dǎo)致EMI和EMC干擾周圍設(shè)備。
[0007] 用于控制減速過程的另一已知方案采用制動電阻器，其提供了驅(qū)散可再生能量的 通路。制動電阻器控制電路感測高DC電壓狀態(tài)并穿過DC連接與制動電阻電連接。盡管制動 電阻器可有效驅(qū)散過度的能量，制動電阻器的成本顯著。此外，制動電阻器的大的物理尺寸 顯著增加了 AFD的整體尺寸。
[0008] 因此，可期望提供一種在發(fā)電操作模式期間用于控制AFD的系統(tǒng)以及方法，該發(fā)電 操作模式在減速期間維持平滑DC連接電壓，而無需跳閘ΑΠ )或者在DC連接電壓中產(chǎn)生振蕩。 進(jìn)一步地，可期望提供一種無需制動電阻器而控制AFD的系統(tǒng)以及方法，以最小化ΑΠ)的尺 寸以及成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種在利用雙環(huán)路控制結(jié)構(gòu)的再生操作環(huán)境期間用于負(fù) 載的受控減速的系統(tǒng)以及方法。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，可調(diào)頻率驅(qū)動系統(tǒng)包括可耦接到AC負(fù)載的可調(diào)頻率驅(qū) 動?？烧{(diào)頻率驅(qū)動包括被耦接到DC連接的電容器、具有被耦接到DC連接的輸入的逆變器、以 及被耦接到逆變器的輸出的電流傳感器系統(tǒng)。可調(diào)頻率驅(qū)動進(jìn)一步包括控制系統(tǒng)，該控制 系統(tǒng)被編程為計(jì)算電容器的能量，利用計(jì)算的電容器能量而產(chǎn)生參考電力，以及計(jì)算來自 由電流傳感器系統(tǒng)接收的實(shí)時(shí)電流信號的反饋電力?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)一步被編程為將反饋電力 與參考電力進(jìn)行比較，基于比較而限定頻率偏移，利用頻率偏移而生成速度命令，以及輸出 速度命令至逆變器。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，減速感應(yīng)式電機(jī)的方法包括控制可調(diào)速驅(qū)動從而根據(jù)V/ Hz分布的第一操作點(diǎn)而為感應(yīng)式電機(jī)初始地提供電力，計(jì)算可調(diào)速驅(qū)動的DC電容器能量， 以及計(jì)算從感應(yīng)式電機(jī)發(fā)送至可調(diào)速驅(qū)動的反饋電力。方法還包括基于計(jì)算的DC電容器能 量和計(jì)算的反饋電力而生成補(bǔ)償頻率，在來自補(bǔ)償頻率的V/Hz分布上限定第二操作點(diǎn)，以 及控制可調(diào)速驅(qū)動從而根據(jù)第二操作點(diǎn)而為感應(yīng)式電機(jī)提供電力。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，用于被耦接到負(fù)載的可調(diào)速驅(qū)動的控制系統(tǒng)包括第一控 制環(huán)路，該第一控制環(huán)路具有電容器能量微分電路以及被耦接到電容器能量微分電路的輸 出的第一控制器。第一控制器被編程為調(diào)整電容器能量變化?？刂葡到y(tǒng)還包括被耦接到第 一控制環(huán)路的輸出的第二控制環(huán)路，第二控制環(huán)路具有電力微分電路以及被耦接到電力微 分電路的輸出的第二控制器，第二控制器被編程為調(diào)整負(fù)載的有效電力功耗。
[0013] 本發(fā)明的各種其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下詳細(xì)的描述和附圖中變得顯而易見。
【附圖說明】
【附圖說明】 [0014] 了目前預(yù)期用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0015] 在附圖中：
[0016]圖1為根據(jù)已知技術(shù)的用于由40hp驅(qū)動在無負(fù)載時(shí)以0.1秒減速速率從100Hz至 0Hz驅(qū)動的20hp電機(jī)的波形圖。
[0017]圖2為根據(jù)另一已知技術(shù)的用于由60hp驅(qū)動在無負(fù)載時(shí)以0.1秒減速速率從100Hz 至0Hz驅(qū)動的20hp電機(jī)的波形圖。
[0018]圖3為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于以受控方式控制負(fù)載減速的3相AC控制系統(tǒng)的 示意圖，該3相AC控制系統(tǒng)整合了諸如可調(diào)速驅(qū)動(ASD)的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備。
[0019] 圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于在減速期間控制圖1中所示的可調(diào)速驅(qū)動的雙 環(huán)路控制系統(tǒng)的框圖。
[0020] 圖5為闡述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動減速控制技術(shù)的步驟的流程圖。
[0021]圖6為說明利用圖5的減速控制技術(shù)的示例性ASD操作的波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]此處闡述的本發(fā)明實(shí)施例涉及電子電力轉(zhuǎn)換器和逆變器，以及涉及在再生操作狀 態(tài)期間提供負(fù)載的受控減速的系統(tǒng)以及方法。系統(tǒng)包括雙環(huán)路控制系統(tǒng)，該雙環(huán)路控制系 統(tǒng)包括調(diào)整電容器能量的外部的控制環(huán)路以及調(diào)整由負(fù)載消耗的電力的內(nèi)部的控制環(huán)路。 [0023] 參照圖3，圖示了三相可調(diào)頻率驅(qū)動(AFD)系統(tǒng)50 JFD系統(tǒng)50包括可調(diào)頻率驅(qū)動 (AFD) 52，該可調(diào)頻率驅(qū)動(AFD) 52被設(shè)計(jì)為接收三相交流(AC)電力輸入、整流AC輸入，以及 執(zhí)行所整流的段到被供應(yīng)至負(fù)載54的可變頻率和幅度的三相交流電壓的DC/AC轉(zhuǎn)換。在一 個(gè)實(shí)施例中，ΑΠ ) 52根據(jù)以下更詳細(xì)描述的示例性V/Hz特性而運(yùn)行。例如，根據(jù)不同實(shí)施 例，負(fù)載54可以是諸如感應(yīng)式電機(jī)的交流電機(jī)。AFD 52還包括轉(zhuǎn)換器56(例如將非受控的AC 輸入從AC電壓輸入58轉(zhuǎn)換到直流(DC)輸出的三相整流橋），DC連接電容器組60，將DC輸入轉(zhuǎn) 換為受控AC輸出的開關(guān)陣列62,電流傳感器系統(tǒng)64, DC連接電壓傳感器66,以及包括一個(gè)或 者更多計(jì)算機(jī)處理器70以及多個(gè)控制算法的控制系統(tǒng)68。
[0024] 轉(zhuǎn)換器56將三相AC電壓輸入58轉(zhuǎn)換為DC電力，從而在轉(zhuǎn)換器56與逆變器62之間存 在DC連接電壓VdC(3DC連接電壓通過DC連接電容器組60被緩沖或者平滑，該DC連接電容器組 60具有基于一個(gè)或者多個(gè)DC連接電容器72的整體電容Cd。
[0025] 開關(guān)陣列62逆變并適配DC連接電壓或者將DC連接電壓逆變并適配為感應(yīng)式電機(jī) 54的受控的可調(diào)頻率，可調(diào)電壓AC輸出。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，開關(guān)陣列62包括共同形成脈寬調(diào) 制(PWM)逆變器78的一系列IGBT開關(guān)74以及反并聯(lián)二極管76JWM逆變器78將AC電壓波形綜 合成具有固定頻率和幅度，以傳遞至諸如感應(yīng)式電機(jī)的負(fù)載541WM逆變器78被配置為根據(jù) P麗控制方案(諸如，例如空間矢量調(diào)制（SVM)控制方案或者正弦三角P麗控制方案）而運(yùn)行 以便控制多個(gè)開關(guān)，因而產(chǎn)生受控制的AC電力輸出。在示例性實(shí)施例中，P麗逆變器78被配 置為根據(jù)SVM控制方案運(yùn)行。盡管開關(guān)陣列6