專利名稱：使逆變器與交流電壓源同步的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流電壓源的檢測特性，更具體地，涉及使逆變器與交流電壓源同步。
背景技術(shù)：
變頻器是通常用于控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電氣設(shè)備。為了控制，變頻器必須與該機(jī)器同 步，以使變頻器了解機(jī)器的電特性。這些電特性包括受控機(jī)器的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。在變頻器中，控制負(fù)載的部分是逆變器。逆變器包括輸出開關(guān)，通過該輸出開關(guān)將 期望的電壓切換到負(fù)載。續(xù)流二極管反并聯(lián)連接至每個輸出開關(guān)，以允許電流在帶載相的 流動。變頻器還包括將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓的輸入橋，輸出開關(guān)根據(jù)DC電壓形成 到負(fù)載的交流電壓。二極管橋是最常見的輸入橋的結(jié)構(gòu)。一些變頻器配備有將電能轉(zhuǎn)回到 供電網(wǎng)絡(luò)的可能性。這些線轉(zhuǎn)換器基本類似于具有有源開關(guān)部件和與所述有源部件反并聯(lián) 連接的二極管的逆變器。如控制負(fù)載的逆變器，線控制器也必須與旋轉(zhuǎn)電壓源(即，供電網(wǎng) 絡(luò))同步。在一些情況下，逆變器與旋轉(zhuǎn)電壓源不同步。這可能是在線轉(zhuǎn)換器連接至供電網(wǎng) 絡(luò)或者在網(wǎng)絡(luò)在供電網(wǎng)絡(luò)故障之后返回的情況。類似地，當(dāng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的逆變器失去同 步或者連接至旋轉(zhuǎn)電機(jī)時，逆變器必須在其可以啟動開關(guān)調(diào)制之前獲得旋轉(zhuǎn)負(fù)載的電特性 的知識。如果旋轉(zhuǎn)負(fù)載是永磁同步電機(jī)，則如果機(jī)器的旋轉(zhuǎn)速度高到足以產(chǎn)生大于供干 線電壓的電壓，那么負(fù)載作為發(fā)電機(jī)并經(jīng)由逆變器橋的二極管向變頻器的中間電路提供電 能。可通過已知方法實(shí)現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)電壓源的同步，該已知方法包括零電流控制和短路脈 沖方法。在零電流控制中，零電流被設(shè)置為逆變器的電流控制器的目標(biāo)。一旦在逆變器和 旋轉(zhuǎn)負(fù)載之間沒有電流流動，逆變器的電壓就對應(yīng)于負(fù)載的電壓，并獲得同步。關(guān)于零電流 控制的問題在于電流控制器應(yīng)該相當(dāng)快以避免在開始該方法時的大電流脈沖。當(dāng)該方法僅 基于少數(shù)試驗(yàn)脈沖時，短路脈沖方法不是很精確。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度更高以及由此使運(yùn)動電壓更高時，上述問題更加嚴(yán)重。更高電壓還意 味著電流改變得更快。特別地，當(dāng)由機(jī)器生成的運(yùn)動電壓與變頻器的DC總線的電壓處于相 同電平時，一旦機(jī)器處于削弱磁場區(qū)域中，則短路脈沖測試被干擾。由于DC總線電壓的低 電平，在逆變器停止調(diào)制時，零電壓期間生成的電流矢量不會快速減弱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供方法和用于實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，以解決上述問題。本發(fā)明 的目的通過由獨(dú)立權(quán)利要求論述其特征的方法和裝置來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬 權(quán)利要求中公開。當(dāng)逆變器連接至諸如永磁同步電機(jī)或供電網(wǎng)絡(luò)的交流電壓源并且逆變器不進(jìn)行 調(diào)制時，逆變器仍然通過與可控開關(guān)并聯(lián)配置的二極管引出小電流。逆變器需要用于外圍電路操作的小電流和能量。盡管由這些電路得到的能量較小，但電流具有可測量幅值，其被 用作根據(jù)本發(fā)明同步的基礎(chǔ)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是用于確定旋轉(zhuǎn)特性而獲得的可靠性。此外，在開始逆變器的調(diào)制之前，快速確定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，當(dāng)開始調(diào)制時，知道交流電壓源的定向，并且不存在與過流 相關(guān)的風(fēng)險。


以下，將通過參照附圖的優(yōu)選實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1示出了連接至交流電壓源的逆變器的基本結(jié)構(gòu)；以及圖2示出了根據(jù)本發(fā)明估計(jì)的經(jīng)測量的二極管電流和單位矢量。
具體實(shí)施例方式圖1示出了連接至永磁同步電機(jī)1的逆變器橋。逆變器橋包括可控開關(guān)部件2、3、 4、5、6、7，能夠使正和負(fù)母線的電壓連接至機(jī)器1。圖1示出了并聯(lián)二極管8、9、10、11、12、 13，還已知為續(xù)流二極管，其與可控開關(guān)部件反并聯(lián)連接。當(dāng)永磁電機(jī)1自由旋轉(zhuǎn)時，例如通過其負(fù)載驅(qū)動，該機(jī)器生成電壓并用作發(fā)電機(jī)。 所生成電壓的幅值取決于機(jī)器的旋轉(zhuǎn)速度，因此機(jī)器旋轉(zhuǎn)得越快，所生成電壓的幅值越大。一旦所生成電壓的相間幅值超過中間電壓電路的電壓，S卩，正和負(fù)母線之間的電 勢差，電流就可通過與開關(guān)并聯(lián)配置的二極管從機(jī)器流向中間電壓電路。例如，當(dāng)變頻器的整流器還沒有連接至供電網(wǎng)絡(luò)或者當(dāng)機(jī)器是將電壓提供給中間 電壓源的發(fā)電機(jī)并且逆變器不調(diào)制時，中間電壓電路可以完全沒有電壓。在一些情況下，永 久磁鐵機(jī)器還可以旋轉(zhuǎn)而不控制在消弱磁場區(qū)域中(即，逆變器不調(diào)制)。在該區(qū)域中，機(jī) 器在其額定速度以上旋轉(zhuǎn)，并提供超過中間電壓電路的額定電壓的幅度的電壓。因此，即使 中間電壓電路被完全充電，如果機(jī)器的旋轉(zhuǎn)速度足夠高，則由永磁電機(jī)生成的電壓也可以 超過該電壓。當(dāng)逆變器不調(diào)制時，即有源開關(guān)部件沒有被控制時，逆變器從中間電壓電路獲取 少量的能量。當(dāng)所生成電壓的幅度向二極管施加正向偏壓時，這些輔助電路所需的能量通 過二極管8、9、10、11、12、13饋送。例如，需要能量的輔助電路是驅(qū)動受控開關(guān)所需的輔助 電源。根據(jù)本發(fā)明，流過逆變器的二極管的、由交流電壓源生成的電流被測量。在圖1 中，通過被配置以測量在機(jī)器的相位中流動的電流的電流傳感器14、15、16來執(zhí)行測量。這 些傳感器被正常操作以測量逆變器橋的電流。盡管在圖1中示出了三個傳感器，但由于系 統(tǒng)中的電流通過相同的二極管橋返回到電壓源，所以可以僅使用兩個傳感器來測量二極管 電流。根據(jù)本發(fā)明的方法，與交流電壓源有關(guān)的相位角和角速度根據(jù)所測量的電流來確 定。所確定的與交流電壓源有關(guān)的相位角和角速度使得在逆變器和交流電壓源之間的同步 能夠?qū)崿F(xiàn)。例如，相位角和角速度可以是交流電壓源的電壓特性或基于所測量二極管電流 確定的磁通量的特性。被測量的二極管電流具有低幅值，并且他們包含許多諧波。圖2示出了以χ和y分量形式的被測量的二極管電流21。二極管電流被示出為標(biāo)么值并且乘以10。二極管電 流的幅值與機(jī)器的旋轉(zhuǎn)速度成反比，并且與輔助能量的需求直接成比例。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，使用鎖相環(huán)來估計(jì)具有二極管電流基波的方向的單位 矢量。該單位矢量以正交的χ和y分量被定義為en = eilx+jeily(1)被測量的二極管電流矢量的瞬時相位角為
(i \Oi = arctan ^( 2 )
K1SX其中，isy和isx是被測量的二極管電流矢量的y和χ分量。二極管電流矢量方向 上的瞬時單位矢量為ei = eix+jeiy = cos ( θ》+jsin ( θ(3)對于鎖相環(huán)，誤差變量吞被定義為所定義的單位矢量的相位角θ η和所測量的二 極管電流矢量的相位角91之間的差θ = θ Λ — θ, Sinp1e;, X e, = ei1xeiy -^eix( 4 )根據(jù)(1)的單位矢量可以通過在每個計(jì)算步驟將矢量轉(zhuǎn)動角度來計(jì)算= |T-1JJ+ JSin^toi1 JJ其中，當(dāng)(4)的誤差變量被控制為零時，根據(jù)Pl控制器(6)的輸出來獲得針對單 位矢量的角頻率估計(jì) λ = kp§ + Ki pdt( 6 )其中，常數(shù)Iii和kp是控制器的增益。在等式(5)中，通過轉(zhuǎn)動在時刻T-I處計(jì)算的先前單位矢量，在時刻T計(jì)算單位矢 量的估計(jì)方向，并且At是兩個連續(xù)計(jì)算之間的時間差。可直接根據(jù)等式(5)的單位矢量 確定二極管電流的相位角。因此，上述過程形成被控制為二級管電流的基波方向的單位矢量。確定單位矢量 的相位角和角頻率。這兩個值對應(yīng)于二極管電流的相位角和角頻率。通過上述過程，確定二極管電流矢量的瞬時方向。一些逆變器控制原則基于機(jī)器的磁通量，由此逆變器和機(jī)器之間的同步需要關(guān)于磁通量的信息。由于由逆變器或變頻器 的輔助電路弓I出的電流接近有效電流，即，電流具有電壓方向，所以永磁電機(jī)的磁通量導(dǎo)致 電流旋轉(zhuǎn)90度。因此，可以確定機(jī)器的磁通量的方向和旋轉(zhuǎn)速度。圖2示出了通過上述方 法計(jì)算的脈沖二極管電流21和單位矢量22。以χ和y分量示出單位矢量22。當(dāng)交流電壓源是供電網(wǎng)絡(luò)時，也可以應(yīng)用上述過程。在這種情況下，逆變器通常被 稱為線逆變器。當(dāng)認(rèn)為圖1的結(jié)構(gòu)為線逆變器時，機(jī)器1被交流主電壓來替代，而其他結(jié)構(gòu) 是相同的?？梢岳酶删€的電壓來進(jìn)行同步，其具有與二極管電流相同的定向。用于根據(jù)所測量的二極管電流獲得相位角和角速度的另一種可能是使用對所測量的電流的傅里葉分析。例如，通過使用對圖2所示二極管電流21的FFT(快速傅里葉變 換)算法，獲得基波的頻率、幅度和相位角。所獲得的頻率和相位角是確定交流電壓的頻率 和相位角以及進(jìn)一步確定磁通量的頻率和相位角所需要的。
本發(fā)明的方法可以在逆變器或變頻器中實(shí)現(xiàn)。這些裝置包括數(shù)據(jù)處理能力，因此 適合于執(zhí)行該方法所需的步驟。所測量的電流被饋送至控制系統(tǒng)或者具有處理能力的類似 系統(tǒng)。只要根據(jù)本發(fā)明確定交流電壓電源的定向，控制系統(tǒng)就可以初始化逆變器以利用正 確的開關(guān)組合開始調(diào)制。例如，根據(jù)任何一個實(shí)施例的本發(fā)明可以通過設(shè)置有適當(dāng)軟件的計(jì)算機(jī)或?qū)?yīng) 數(shù)字信號處理設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，這種計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號處理設(shè)備至少包括工作存儲 器(RAM)，其為算術(shù)運(yùn)算提供存儲區(qū)域；以及諸如通用數(shù)字信號處理器的中央處理單元 (CPU)。CPU可包括一組寄存器、算術(shù)邏輯單元和控制單元?？刂茊卧粡腞AM傳送至CPU 的程序指令序列所控制?？刂茊卧砂糜诨A(chǔ)操作的許多微指令。微指令的實(shí)現(xiàn)可根 據(jù)CPU設(shè)計(jì)而改變。程序指令可通過編程語言來編碼，該編程語言可以為諸如C、Java等 的高級編程語言，或者諸如機(jī)器語言或匯編程序的低級編程語言。計(jì)算機(jī)還可以具有操作 系統(tǒng)，其可以向利用程序指令寫入的計(jì)算機(jī)程序提供系統(tǒng)服務(wù)。優(yōu)選地，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的計(jì) 算機(jī)、逆變器或其他裝置進(jìn)一步包括適當(dāng)?shù)妮斎胙b置，用于接收例如測量值和/或控制數(shù) 據(jù)，由此該輸入裝置例如能夠監(jiān)控電流和電壓量；以及輸出裝置，用于輸出例如故障警報和 /或例如用于控制逆變器的開關(guān)的控制數(shù)據(jù)。還可以將特定集成電路或電路和/或離散部 件和設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)任一實(shí)施例的功能。本發(fā)明可以在諸如逆變器、變頻器或類似設(shè)備的現(xiàn)有系統(tǒng)元件中實(shí)現(xiàn)。目前的逆 變器設(shè)備通常包括可以在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的功能中利用的處理器和存儲器。因此，例如， 在現(xiàn)有逆變器中用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例所需的所有修改和配置可以作為軟件程序來執(zhí)行， 其可以作為增加或更新的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。如果通過軟件實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的功能性，則這種軟件 可以作為包括計(jì)算程序代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品來提供，當(dāng)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時，該計(jì)算機(jī)程 序代碼使計(jì)算機(jī)或?qū)?yīng)配置執(zhí)行上述根據(jù)本發(fā)明的功能性。這種計(jì)算機(jī)程序代碼可以存儲 或通常嵌入在諸如適當(dāng)存儲器的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，例如，該計(jì)算機(jī)程序代碼可從其中加 載到執(zhí)行程序代碼的單元或多個單元的閃存或盤存儲器。此外，例如，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這種計(jì) 算機(jī)程序代碼可以經(jīng)由適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)加載到執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序代碼的單元或多個單元，并 且可以替換或更新可能存在的程序代碼。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，作為技術(shù)進(jìn)步，本發(fā)明的概念可以以各種方式實(shí)現(xiàn)。 本發(fā)明及其實(shí)施例不限于上述實(shí)例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
一種使逆變器與交流電壓源同步的方法，其特征在于，所述方法包括測量流過所述逆變器的二極管的、由所述交流電壓源生成的電流；根據(jù)所測量的電流確定與所述交流電壓源相關(guān)的相位角和角速度，使得所述逆變器和所述交流電壓源之間能夠同步；以及根據(jù)所獲得的相位角和角速度開始所述逆變器的調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括確定單位矢量，所述單位矢量與流過所述二極管的所述測量的電流的基波同步旋轉(zhuǎn)， 根據(jù)所確定的單位矢量確定與所述交流電壓源相關(guān)的所述相位角和所述角速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，確定與所述交流電壓源相關(guān)的所述相 位角和所述角速度的步驟包括定義單位矢量(en)，將誤差變量(歹)定義為單位矢量的相位角(θη)與所述測量的流過所述二極管的電 流的相位角Oi)之間的差，將所述誤差變量(θ )控制為零，以獲得所述單位矢量的角速度估計(jì)(^i1 )，以所述角速度(知)旋轉(zhuǎn)所述單位矢量，根據(jù)所述單位矢量(en)的角度確定流過所述二極管的電流的相位角，以及 根據(jù)所述單位矢量(en)的角速度確定流過所述二極管的電流的角速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定所述相位角和所述角速度的步驟包 括對所述測量的流過所述二極管的電流使用傅里葉分析。
5.一種逆變器，其特征在于，所述逆變器包括用于測量流過所述逆變器的二極管的、由交流電壓源生成的電流的裝置， 根據(jù)所測量的電流確定與所述交流電壓源相關(guān)的相位角和角速度使得所述逆變器和 所述交流電壓源之間能夠同步的裝置，以及根據(jù)所獲得的相位角和角速度開始所述逆變器的調(diào)制的裝置。
6.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序代碼，其中，計(jì)算機(jī)中所述程序代碼的執(zhí)行使 得所述計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及使逆變器與交流電壓源同步。一種使逆變器與交流電壓源同步的方法以及一種逆變器。該方法包括測量流過逆變器的二極管的由交流電壓源生成的電流；根據(jù)所測量的電流確定與交流電壓源相關(guān)的相位角和角速度，使得逆變器和交流電壓源之間能夠同步；以及根據(jù)所獲得的相位角和角速度開始逆變器的調(diào)制。
文檔編號H02M5/20GK101814841SQ201010103979
公開日2010年8月25日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月28日
發(fā)明者米科·韋爾塔寧 申請人:Abb公司