專利名稱：在可變速度驅(qū)動器中的能量恢復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可變速度驅(qū)動器，其包括并入了用于存儲恢復(fù)能量的模塊的能量 恢復(fù)設(shè)備。此類速度驅(qū)動器特別用于控制在頻繁加速和減速的應(yīng)用中的電動機，諸如起重 應(yīng)用或位置調(diào)整應(yīng)用。
背景技術(shù)：
能量恢復(fù)設(shè)備一般能夠在電動機處于制動模式(或恢復(fù)模式)時存儲能量，然后 在電動機處于驅(qū)動模式(或電動機模式)時恢復(fù)存儲的能量，并且如果有必要的話在驅(qū)動 器的主電源消失時提供后備能量。
諸如US2001017234、EP1641110、US6742630、US6938733、W02006/016002 或 EP1586527A1的現(xiàn)有技術(shù)文獻已經(jīng)提出與可變速度驅(qū)動器關(guān)聯(lián)的能量恢復(fù)解決方案?，F(xiàn)有 拓撲常常基于附加的功率轉(zhuǎn)換器和能量存儲模塊，其中功率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接到可變速度驅(qū) 動器的直流功率總線。能量存儲模塊常包括一個或多個“超級電容器”或“超級電容器”和 電池的組合。
“超級電容器”或“超電容器”術(shù)語指定一公知元件，其能夠存儲比傳統(tǒng)電容器多的 大量的電能，例如接近于電化學(xué)電池，而且和傳統(tǒng)電容器一樣能夠接受大量的充電和放電 電流，而不同于電化學(xué)電池。
現(xiàn)有解決方案不能將直流總線的電壓放大(或提升)到比在整流器的輸出端由驅(qū) 動器的主電源提供的電壓大的值。類似地，直流總線電壓無法被調(diào)整以減少直流總線的振 蕩從而減少驅(qū)動電流的失真率并由此減少在施加于逆變器的輸出端的電壓是最大時的扭 矩紋波。另外，由整流器吸收的電流無法具有30%以下的電流的總諧波失真(THDI)率。另 外，在能量恢復(fù)設(shè)備中使用的開關(guān)的負荷因素未被最優(yōu)化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的因此是提出一種包括能量恢復(fù)設(shè)備的可變速度驅(qū)動器以便節(jié)約能 量，提高驅(qū)動器的性能且不具有以上的缺點。具體地，能量恢復(fù)設(shè)備必須顯著地使得可以
-當可變速度驅(qū)動器工作于制動模式時恢復(fù)和存儲電能。
-將在制動模式中存儲的電能復(fù)原到驅(qū)動器。
-減少到在驅(qū)動器輸入端的主電源的相位的電流的總諧波失真率的接近30%。
-即使在驅(qū)動器不具有總線電容器的情況下(C-Iess拓撲)，移除在主頻率(接近 50Hz)的直流總線電壓的變化(無紋波功能)，而不管外部主電源的可能干擾。直流總線的 電壓調(diào)節(jié)使得能夠特別更好地控制扭矩和電動機的磁通量。
-如果有必要的話，增加由驅(qū)動器的整流器模塊提供的直流總線電壓(升壓功 能)，這使得可以具有能量保留。
為此，本發(fā)明描述一種可變速度驅(qū)動器，包括配備有正極線和負極線的直流電源 總線，由直流總線供電的逆變器器模塊，以便向電負荷提供可變電壓。該驅(qū)動器包括能量恢復(fù)設(shè)備，其包括包括輸入級和輸出級的第一直流/直流轉(zhuǎn)換器，第一轉(zhuǎn)換器的輸出級串聯(lián) 連接于直流總線的正極線；包括輸入級和輸出級的第二直流/直流轉(zhuǎn)換器，第二轉(zhuǎn)換器的 輸入級連接在直流總線的正極線和負極線之間；以及電能存儲模塊，其與第一轉(zhuǎn)換器的輸 入級并聯(lián)連接以及與第二轉(zhuǎn)換器的輸出級并聯(lián)連接。
根據(jù)一個特征，電能存儲模塊包括一個或多個超級電容器。
根據(jù)另一個特征，第一直流/直流轉(zhuǎn)換器是不隔離(insulated)的單向轉(zhuǎn)換器，其 包括有源開關(guān)和無源開關(guān)。
在本文件中，“有源開關(guān)”指代其開關(guān)動作被控制來斷開和/或閉合的開關(guān)，諸如晶 體管、閘流晶體管或三端雙向可控硅開關(guān)元件。相反地，“無源開關(guān)”指代具有自發(fā)的開關(guān)動 作的開關(guān)，諸如二極管。
根據(jù)另一個特征，無源開關(guān)是二極管，其串聯(lián)連接到直流總線的正極線，第一轉(zhuǎn)換 器的輸出級被連接到二極管的端子，第一轉(zhuǎn)換器的輸入級連接到由串聯(lián)連接的有源開關(guān)和 無源開關(guān)形成的組件的端子。有源開關(guān)是功率晶體管，其受控于由可變速度驅(qū)動器產(chǎn)生的 第一控制信號。
根據(jù)另一個特征，第二直流/直流轉(zhuǎn)換器是不隔離的雙向轉(zhuǎn)換器，其包括與第二 有源開關(guān)串聯(lián)連接的第一有源開關(guān)。第二轉(zhuǎn)換器的輸出級連接到第二有源開關(guān)的端子，而 第二轉(zhuǎn)換器的輸入級連接到由第一有源開關(guān)和第二有源開關(guān)形成的組件的端子。
根據(jù)另一個特征，第二直流/直流轉(zhuǎn)換器是隔離的雙向轉(zhuǎn)換器，其包括高頻變壓ο


參考作為示例給出的并由附圖表示的實施例，其他特征和優(yōu)點將在以下詳細說明 中顯現(xiàn)，其中
-圖1示出根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器的架構(gòu)的簡化的示例。
-圖2給出第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的優(yōu)選實施例的詳情。
-圖3表示直流總線電壓和整流電壓的圖。
-圖如到4d說明驅(qū)動器的各種工作模式。
-圖5和6給出第二直流/直流轉(zhuǎn)換器的幾個實施例的詳情。
具體實施方式
參考圖1，頻率轉(zhuǎn)換器類型的可變速度驅(qū)動器由三相外部主電源5供電。驅(qū)動器 包括整流器模塊12，在直流電源總線的正極線16和負極線17之間傳遞整流電壓VIN。優(yōu)選 地，整流器模塊12使用二極管而不需要閘流晶體管。優(yōu)選地，低值的附加的濾波器電感13 串聯(lián)安置于直流總線的正極線16上。
驅(qū)動器還包括由直流總線供電并且向外部電負荷M(特別是同步或異步電動機) 提供可變電壓的逆變器模塊14。此類逆變器模塊14通常包括功率晶體管，其受控于源自可 變速度驅(qū)動器的控制單元(圖中未示出)的控制信號。驅(qū)動器也可以包括總線電容器CB， 其在逆變器模塊14的一側(cè)連接于正極線16和負極線17之間。在該總線電容器Cb的端子 處的直流電壓叫做總線電壓VB。
驅(qū)動器包括能量恢復(fù)設(shè)備10，設(shè)計用來恢復(fù)和存儲在電負荷M變?yōu)轵?qū)動(電動機制動)時的電能。根據(jù)本發(fā)明，能量恢復(fù)設(shè)備10包括第一直流/直流轉(zhuǎn)換器(或DC/DC轉(zhuǎn) 換器)20、第二直流/直流轉(zhuǎn)換器(或DC/DC轉(zhuǎn)換器)30和電能存儲模塊Cs。第一直流/直 流轉(zhuǎn)換器20包括由兩個輸入端子形成的輸入級20b和由兩個輸出端子形成的輸出級20a。 類似地，第二直流/直流轉(zhuǎn)換器30包括由兩個輸入端子形成的輸入級30b和由兩個輸出端 子形成的輸出級30a。
第一轉(zhuǎn)換器20的輸出級20a串聯(lián)連接到介于濾波器電感13和總線電容器Cb之 間的直流總線的正極線16。在輸出級20a的兩個端子之間有電壓Vtl，從而VB = VIN+VQ，不 考慮在電感13的端子處的電壓。第二轉(zhuǎn)換器30的輸入級30b連接在直流總線的正極線16 和負極線17之間，在總線電容器Cb的上游，也即在整流器模塊12和總線電容器Cb之間。
存儲模塊Cs并聯(lián)連接于第一轉(zhuǎn)換器20的輸入級20b以及并聯(lián)連接于第二轉(zhuǎn)換器 30的輸出級30a。在存儲模塊Cs的端子處電壓(也即在輸出級30a的端子和在輸入級20b 的端子處)被稱為Vs。優(yōu)選地，存儲模塊Cs由一個或多個超級電容器組成，從而允許大量 的電能的存儲和允許高的充電/放電電流。
第一轉(zhuǎn)換器20是不隔離的單向直流/直流轉(zhuǎn)換器。它在輸入端接收存儲模塊Cs 的電壓Vs并且在輸出端傳遞電壓Vtl至直流總線的正極線16。在圖2中詳細示出第一轉(zhuǎn)換 器20的非常簡單的實施例。它簡單地包括與有源開關(guān)21串聯(lián)的無源開關(guān)22。在優(yōu)選的方 式中，有源開關(guān)是IGBT、M0SFET或其他類型的功率晶體管21，而無源開關(guān)是二極管22，其正 極置于有源開關(guān)21的一側(cè)。功率晶體管21受控于源自可變速度驅(qū)動器的控制單元的控制 信號 21?？刂菩盘朣21是脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號，其特別使得可以改變第一轉(zhuǎn)換器20的 輸出電壓V。。
第一轉(zhuǎn)換器20的輸出級20b直接連接到二極管22的端子，第一轉(zhuǎn)換器20的輸入 級20a直接連接到由串聯(lián)連接的功率晶體管21和二極管22形成的組件的端子。二極管22 因此串聯(lián)安置于直流總線的正極線16上而在二極管的端子的電壓Vd等于第一轉(zhuǎn)換器20的 輸出電壓V。。
當功率晶體管21斷開時(OFF狀態(tài))，則直流總線的電流流入二極管22。因此在 二極管的端子的電壓Vd是零，從而Vtl = 0和Vb = VIN。當功率晶體管21閉合時(ON狀態(tài))， 則電流流入晶體管21而電壓Vd變?yōu)榈扔诖鎯δKCs的電壓Vs，從而Vb = VIN+VS。因此輸 出電壓Vtl在0和Vs之間改變并且總是正的或零。因此，通過對功率晶體管21的控制信號 S21的動作，可以調(diào)整電壓Vb和在電感13中流動的電流。
第二轉(zhuǎn)換器30是雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器。它在輸入端接收直流總線的電壓Vb并 且在輸出端傳遞存儲模塊Cs的電壓Vs。第二轉(zhuǎn)換器30的輸入級30b因此直接連接到總線 電容器Cb并且第二轉(zhuǎn)換器30的輸出級30a直接連接到存儲模塊Cs。
按一般方式，第二轉(zhuǎn)換器30可以是雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器并可以是隔離的或不隔 離的。不隔離的拓撲具有半橋類型，其具有電壓的兩個電平或幾個電平，例如NPC(中性點 電容器)或快速(flying)電容器類型。隔離的拓撲具有全硅軟開關(guān)類型，包括由半橋或全 橋類型的兩個直流/直流轉(zhuǎn)換器圍繞的HF變壓器。
在圖5和6中詳細示出第二轉(zhuǎn)換器30的幾個簡單的實施例。
圖5示出不隔離的拓撲的第二轉(zhuǎn)換器30的非常簡單的實施例。它包括與第二有源開關(guān)32串聯(lián)的第一有源開關(guān)31。優(yōu)選地，這些有源開關(guān)是諸如IGBT、M0SFET或JFET類 型的功率晶體管的雙向電流開關(guān)，每個具有并聯(lián)的續(xù)流二極管。功率晶體管31、32分別受 控于源自可變速度驅(qū)動器的控制單元的控制信號、?？刂菩盘朣32是脈沖寬度調(diào) 制(PWM)信號。
第二轉(zhuǎn)換器30的輸出級30a連接到第二功率晶體管32的端子，而輸入級30b連 接到由串聯(lián)連接的第一功率晶體管31和第二功率晶體管32形成的組件的端子。第二轉(zhuǎn)換 器30也包括連接在兩個功率晶體管31、32的中間點和存儲模塊Cs的負極端子之間的線電 感33。線電感33使得可以限制在存儲模塊Cs的充電或放電期間存儲模塊Cs的電流變化。
第二轉(zhuǎn)換器30的簡化實施例具有非常經(jīng)濟和使用非常少的組件的優(yōu)點，但是具 有在存儲模塊Cs和直流總線之間的直接連接的缺點，這會造成對功率晶體管31、32的相當 大的壓力由總線電壓Vb確定的高電壓和由存儲模塊Cs電流確定的高電流。
圖6示出在隔離的拓撲中第二轉(zhuǎn)換器30的示范實施例，其包括具有兩個繞組的高 頻變壓器35以允許電隔離同時準許能量的傳遞。在變壓器35的每側(cè)，第二轉(zhuǎn)換器30包括 兩兩成對地串聯(lián)的四個有源開關(guān)，在總線電容器Cb的一側(cè)的標記為31a、31b、32a、32b，以及 在存儲模塊Cs的一側(cè)的標記為33a、33b、34a、34b。全部這些有源開關(guān)是雙向電流開關(guān)，諸 如IGBT、MOSFET類型的功率晶體管，每個裝備有續(xù)流二極管并具有并聯(lián)的吸收電容器(未 示出)。這八個開關(guān)的控制信號是源自可變速度驅(qū)動器控制單元的相移調(diào)制信號。如圖6 所示，變壓器35的繞組連接在有源開關(guān)的中間點之間。另外，漏電感36連接在變壓器35 的繞組和兩個開關(guān)31b、32b的中間點之間的總線電容器Cb —側(cè)。電感36特別允許開關(guān)到 零電壓的開關(guān)動作(軟開關(guān)動作)。
在圖6的實施例的變體中，可以用電容器替換開關(guān)31b、32b、33b、34b。那么第二轉(zhuǎn) 換器30包括四個電容器且只要四個有源開關(guān)。在這種情況下，這四個有源開關(guān)不要求吸收 電容器并且它們的控制信號是頻率調(diào)制信號。該變體具有更經(jīng)濟的優(yōu)點。
在圖如到4d中說明能量恢復(fù)設(shè)備10的工作的各種情況
-正常工作模式(圖4a_驅(qū)動模式)對應(yīng)于其中驅(qū)動器由外部主電源5經(jīng)由整流 器12供電的模式，并且使用由主電源5提供的能量以便供電和驅(qū)動負荷M?？偩€電壓Vb保 持常量并且依靠在第一轉(zhuǎn)換器20的輸出端處電壓Vtl的提供而高于整流電壓VIN。如圖3指 示，電壓Vtl因此具有增加整流器模塊12的整流電壓Vin(升壓功能)和消除整流電壓Vin的 紋波(無紋波功能)的作用。第一轉(zhuǎn)換器20的另一重要功能是實際保持在電感13中流動 的電流的恒定，不管在外部主電源5的電壓的變化。在該模式中，由主電源5提供的能量也 允許第二轉(zhuǎn)換器30對超級電容器Cs充電和/或保持在超級電容器Cs的端子處的電壓Vs 為最小值VSmin。
-圖4b對應(yīng)于制動模式，其中在負荷M正在驅(qū)動時(如在下降階段提升電動機) 驅(qū)動器恢復(fù)和存儲由負荷M提供的電能?；謴?fù)的制動能量使得可以充電超級電容器Cs。第 二轉(zhuǎn)換器30具有調(diào)整總線電壓Vb的作用和增加在超級電容器Cs的端子處的電壓Vs的作 用。在該模式中，控制信號S21保持有源開關(guān)21為斷開狀態(tài)。
-圖如對應(yīng)于其中負荷M沒有消耗或恢復(fù)能量的模式(后備模式)。
-圖4d對應(yīng)于復(fù)原模式，其中在制動模式期間由超級電容器Cs存儲的能量依靠第 二轉(zhuǎn)換器30復(fù)原到驅(qū)動器。在該模式中，存儲在超級電容器Cs的能量被返回給負荷M且電壓Vs因此減少直到它達到最小值VSmin。在該模式中，控制信號S21保持有源開關(guān)21為斷 開狀態(tài)。當電壓Vs達到最小值Vsmin時，負荷M必須再次由外部電源5供電，并且因此驅(qū)動 器返回正常工作模式如。
另外，由本發(fā)明提出的架構(gòu)也使得可以預(yù)防外部主電源5的短期中斷，在這種情 況下，這是通過允許超級電容器Cs的較大的放電實現(xiàn)的，從而能夠維持負荷M的供電。
將能很好地理解，在不脫離本發(fā)明的情境的情況下，可以設(shè)想其他變化和具體地 改進以及類似地想到等價部件的使用。
權(quán)利要求
1.一種可變速度驅(qū)動器，包括具有正極線(16)和負極線(17)的直流電源總線；由直 流總線供電的逆變器模塊(14)，以便向電負荷(M)提供可變電壓；以及能量恢復(fù)設(shè)備(10)， 其特征在于，該能量恢復(fù)設(shè)備(10)包括-第一直流/直流轉(zhuǎn)換器(20)，包括輸入級和輸出級，第一轉(zhuǎn)換器00)的輸出級串聯(lián) 連接于直流總線的正極線，-第二直流/直流轉(zhuǎn)換器(30)，包括輸入級和輸出級，第二轉(zhuǎn)換器(30)的輸入級連接 在直流總線的正極線和負極線之間，-電能存儲模塊(Cs)，其與第一轉(zhuǎn)換器00)的輸入級并聯(lián)連接以及與第二轉(zhuǎn)換器(30) 的輸出級并聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變速度驅(qū)動器，其特征在于，電能存儲模塊包括一個或多 個超級電容器(Cs)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變速度驅(qū)動器，其特征在于，第一直流/直流轉(zhuǎn)換器00) 是不隔離的單向轉(zhuǎn)換器，其包括有源開關(guān)和無源開關(guān)02)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可變速度驅(qū)動器，其特征在于，第一轉(zhuǎn)換器OO)的無源開關(guān) 是二極管(22)，其串聯(lián)連接到直流總線的正極線，第一轉(zhuǎn)換器OO)的輸出級被連接到二極 管0 的端子，第一轉(zhuǎn)換器OO)的輸入級連接到由串聯(lián)連接的有源開關(guān)和無源開關(guān) (22)形成的組件的端子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可變速度驅(qū)動器，其特征在于，第一轉(zhuǎn)換器OO)的有源開關(guān) 是IGBT或MOSFET類型的功率晶體管(21)，其受控于由可變速度驅(qū)動器產(chǎn)生的第一控制信 號(S21)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變速度驅(qū)動器，其特征在于，第二直流/直流轉(zhuǎn)換器(30) 是不隔離的雙向轉(zhuǎn)換器，其包括與第二有源開關(guān)(32)串聯(lián)連接的第一有源開關(guān)(31)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可變速度驅(qū)動器，其特征在于，第二轉(zhuǎn)換器(30)的輸出級連 接到第二有源開關(guān)(3 的端子，而第二轉(zhuǎn)換器(30)的輸入級連接到由第一有源開關(guān)(31) 和第二有源開關(guān)(3 形成的組件的端子。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變速度驅(qū)動器，其特征在于，第二直流/直流轉(zhuǎn)換器(30) 是隔離的雙向轉(zhuǎn)換器，其包括高頻變壓器(35)。
全文摘要
本發(fā)明涉及可變速度驅(qū)動器，包括具有正極線(16)和負極線(17)的直流電源總線；由直流總線供電的逆變器模塊(14)，以便向電負荷(M)提供可變電壓。該驅(qū)動器包括能量恢復(fù)設(shè)備(10)，能量恢復(fù)設(shè)備(10)包括第一直流/直流轉(zhuǎn)換器(20)，第一轉(zhuǎn)換器(20)的輸出級串聯(lián)連接于直流總線的正極線；第二直流/直流轉(zhuǎn)換器(30)，第二轉(zhuǎn)換器(30)的輸入級連接在直流總線的正極線和負極線之間；和電能存儲模塊(CS)，其與第一轉(zhuǎn)換器(20)的輸入級并聯(lián)連接以及與第二轉(zhuǎn)換器(30)的輸出級并聯(lián)連接。
文檔編號H02P27/04GK102037640SQ200980117981
公開日2011年4月27日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日
發(fā)明者佩塔·格爾波維克, 菲利普·勒莫伊格恩, 菲利普·鮑德森 申請人:施耐德東芝換流器歐洲公司