启动再生式转换器的方法和再生式转换器

摘要

本发明涉及一种初始化再生式转换器(1)的方法以及包括经由直流中间电路(8A，8B)互连的线路桥(2)和机械桥(3)的对应的转换器(1)。该方法包含，在机械桥(3)保持非活跃时通过线路桥(2)将所述直流中间电路(8A，8B)充电到比主电网电压(13)的峰值更高的目标电压(14)。

说明书

技术领域

本发明涉及可以例如被用于在电梯系统中提供电力的再生电力转换 器。

背景技术

电梯的电动驱动可以包括用于驱动电梯轿厢的曳引机和用于控制曳 引机的电力转换器。曳引机可以包括DC电动机或AC电动机，诸如感应 电动机、永磁同步电动机、磁阻电动机，或对应物。诸如AC/DC转换 器或变频器的转换器将电流提供给电动机来产生电梯轿厢的期望的移 动。

取决于电梯轿厢的运行方向与负载，曳引机的电动机可将电功率转 换成机械能用于移动电梯轿厢，或通过制动电梯轿厢的移动将机械能再 生回到电力。

过去，再生的电力通常被消耗转化为单独的功率电阻中的热量，这 有能源效率有所妥协的效果。但是，现今，使用再生式转换器。再生式 转换器是指能够在两个相反方向在电机(electric machine)和主电网之间 馈送电功率的功率转换器，即，还从再生电梯曳引机将电力馈送回主电 网。

在一些实施例中，再生式转换器包括线路桥和机械桥，它们经由直 流中间电路母线连接在一起。线路桥交流输出端连接到所述主电网，并 且机械桥的输出端连接到电机的绕组。变频器具有带有耦合到交流电动 机或发电机的绕组的交流输出端的逆变器，而AC/DC转换器具有带有 耦合到直流电动机或发电机的绕组的直流输出端的H桥。

线路桥和机械桥两者都包含被布置作为支路(leg)的固态开关。该 固态开关可能是IGBT晶体管、MOSFET晶体管或与之对应物。每个支 路与对应的线路桥/机械桥的输出端之一相关联。每个支路包含在高压和 低压直流中间电路母线之间串联连接的高侧和低侧固态开关，并且输出 端连接到高侧和低侧开关的连接点。当支路的高侧和低侧开关在所选的 调制频率上，例如，在3kHZ和20kHZ之间，交替地开启时，在对应的 输出端上形成可调节的输出电压。所使用的调制方法可以例如是PWM (脉冲宽度调制)或空间向量调制。

附加的线路电流滤波器进一步连接在所述主电网的电力线和所述线 路桥的交流端之间，以除去电流纹波，这是开关线路桥的高侧和低侧开 关的结果。

在线路桥的控制循环中，通过控制来自主电网的电力线中的电流来 将高压和低压直流中间电路母线之间的直流电压调整到目标直流值。因 此电力线的电流和电压利用高精度的反馈信道来测量。

发明内容

再生式转换器可以在启动状况下，特别是当主电网的电力线的阻抗 很小时，从主电网产生非常高的启动电流。其中一个原因是，在该线路 桥的AC端的调制电压不总是正确的。有时，错误的交流端电压是跨线路 桥组件的电压损失的结果。有时，其原因可能是为了避免高侧和低侧线 路桥开关之间的交叉传导所需的消隐次数。另一方面，在线路桥反馈信 道中的测量误差也可能会导致对启动电流的不希望的峰值。

本发明的目的是解决至少一些上述问题。这个目的是利用根据权利 要求1的方法和根据权利要求7的再生式转换器实现的。

本发明的一些优选实施例在从属权利要求中描述。

本发明的一个方面是一种初始化再生式转换器的方法，该再生式转 换器包括连接到主电网的线路桥和连接到电动机的绕组的机械桥，该线 路桥和机械桥经由直流中间电路互连。该方法包含在机械桥保持非活跃 (inactive)时通过线路桥将所述直流中间电路充电到比主电网电压的峰 值更高的目标电压。在本公开中，术语“非活跃机械桥”是指机械桥不 工作的一种情况，即机械桥的高侧和低侧开关不开关。此外，在一些实 施例中，术语“非活跃机械桥”也可以指这样的情况，其中只有机械桥 的高侧的或可替换地只有机械桥的低侧的开关被导通。在这样的被称为 动态制动操作的情况下，功率不从直流中间电路传输到电机。术语“主 电网电压”在本公开中是指在连接再生式转换器和主电网的电力线上存 在的电压；如果利用变压器将主电网和转换器分开，则“主电网电压” 是指连接到转换器供电电缆的变压器次级上的电压。

直流中间电路优选包括与所述直流中间电路母线并联连接的一个或 多个电容。这可以意味着，高电容电压所造成的额外的能量可以用于开 始正常的转换器操作。

本发明的另一个方面是一种再生式转换器，包括用于连接到主电网 的线路桥，用于连接到电机的绕组的机械桥，将线路桥和机械桥连接在 一起的直流中间电路，以及耦合到线路桥和机械桥两者的控制器，该控 制器被配置为当机械桥保持非活跃时使得线路桥将直流中间电路充电到 高于主电网电压的峰值的目标电压。

因此有可能通过以明显较小的电流将直流中间电路再充电到高于主 电网峰值电压的目标电压来初始化转换器，而不需要非常高精度的线路 电压和线路电流测量。初始化后，可以在没有高启动电流的情况下开始 正常的转换器操作，因为已经通过增加直流中间电路的电压消除了线路 桥控制回路的饱和。小的启动电流增加了转换器的寿命，并确保在开始 转换器操作时不发生诸如熔丝熔断等的故障。另外，精度较差以及因此 更简单和更便宜的测量装置可以被用于测量转换器的电压和线路电流。

根据一个或多个实施例，转换器包括在线路桥交流输出端与主电网 之间串联布置的线路电流滤波电感。该方法包含通过以预选的脉冲图形 开关线路桥的低侧和/或高侧开关中的一个或多个来对直流中间电路充 电。根据一个或多个实施例，该方法包含通过只开关线路桥的低侧开关 中的一个或多个或者可替换地只开关线路桥的高侧开关中的一个或多个 来对直流中间电路充电。这可以意味着，从主电网通过滤波电感和线路 桥到直流中间电路建立了升压电路，并且可以通过以预选的脉冲图形开 关该升压电路的(多个)线路桥开关来以明显较小的电流对该直流中间 电路充电。在一些其它实施例中，代替预选的脉冲图形，使用控制回路 来定义用于在转换器的初始化期间操作的开关子集的开关图形。

根据一个或多个实施例，该方法包含观测直流中间电路电压，以及 当直流中间电路电压达到阈值时开始正常的转换器操作。这可以意味着， 在启动情况下可以尽快开始正常的转换器操作。术语“正常的转换器操 作”是指线路桥和机械桥两者都工作并且因此发生主电网和电机之间的 电力供应的工作情况。

根据一个或多个实施例，再生式转换器包括在线路桥交流输出端与 主电网连接之间串联布置的线路电流滤波电感。

根据一个或多个实施例，控制器包括用于存储线路桥的低侧开关和/ 或高侧开关的一个或多个的控制脉冲的预选脉冲图形的存储器，并且该 控制器被配置成使得以该预选脉冲图形开关线路桥的低侧开关和/或高侧 开关的一个或多个。

根据一个或多个实施例，该线路桥包含布置作为支路的低侧和高侧 开关，并且控制器被配置为使得所述线路桥通过仅开关所述开关的子集 (例如，一个或多个，但不是所有的)来对直流中间电路充电。

根据一个或多个实施例，控制器被配置为使得所述线路桥通过仅开 关线路桥的低侧开关中的一个或多个或者可替换地仅开关线路桥的高侧 开关中的一个或多个来对直流中间电路充电。

根据一个或多个实施例，控制器包含用于观测直流中间电路电压的 反馈信道，并且控制器被配置为当直流中间电路达到阈值时开始正常的 转换器操作。

根据一个或多个实施例，再生式转换器是变频器。

如果没有另外说明，上文中描述的实施例可以在彼此的任何组合中 使用。至少两个实施例中的若干实施例可以被组合在一起以形成进一步 的实施例。本发明的任何方面可包含以上所描述的实施例中的至少一个。

借助于下面对一些实施例的描述，将可以更好地理解前述发明内容， 以及在下面呈现的本发明的其它特征和其它优点，所述描述并不限制本 发明的应用的范围。

附图说明

图1表示根据本公开实施例的再生式变频器的示意图。

图2a表示图1的线路桥高侧IGBT的开启脉冲图形。

图2b表示初始化图1的变频器时的直流链路电压曲线图。

具体实施方式

为了可理解，在图1、2a和2b中，仅表示出被认为理解本发明所必 要的那些特征。因此，例如，没有表示出广泛公知存在于相应技术领域 中的某些组件/功能。

在描述中，总是使用相同的附图标记用于相同的项目。

图1表示电梯曳引机的再生式变频器1。曳引机包括永磁同步电动机 10。在一些其他实施例中，曳引机可以包括感应电机、磁阻电机或甚至 是直流电机，在这种情况下，代替变频器1，使用AC/DC转换器来提供 电动机功率。在图1的实施例中，如本领域已知的，变频器1将电力供 应至永磁电动机10的定子绕组，以产生所述电梯轿厢的期望的移动。

变频器1是再生式转换器，这意味着根据操作模式它可以在两个相 反方向在主电网12和电机10之间供应功率。当电机扭矩应用在电机10 的旋转方向上时(驱动模式)，变频器将电功率从主电网12供应到电机 10。否则，当电机扭矩应用在相反方向时(发电机模式)，变频器将电功 率从电机10供应回主电网12。

变频器1包括线路桥2和逆变器3，它们经由高压8A和低压8B直 流中间电路母线连接在一起。直流中间电路8A，8B还包含电容9或与直 流中间电路母线8A，8B并联连接的一组电容，用于平衡直流中间电路电 压。

线路桥2与逆变器3具有类似的拓扑结构，例如，两者都有2级逆 变器拓扑结构。在一些其他实施例中，线路桥2和/或逆变器3可以具有 多级的拓扑结构，例如，3级逆变器拓扑结构。

线路桥2(以及逆变器3)具有布置作为支路4的固态开关5A，5B。 固态开关5A，5B可以是IGBT晶体管、MOSFET晶体管或与之对应物。 在图1的变频器1中，使用了IGBT晶体管。整流二极管18与每个IGBT 晶体管5A，5B以反向平行方式(antiparallel-wise)连接。每个支路4与 线路桥2的输出端2A，2B，2C之一相关联(以及类似的逆变器3的输 出端与电机10的端子相关联)。每个支路4包含串联连接在高压8A和低 压8B直流中间电路母线之间的高侧5A和低侧5B IGBT晶体管。输出端 2A，2B，2C连接到高侧5A和低侧5B IGBT晶体管的连接点。在正常操 作中，高侧5A和低侧5B IGBT晶体管在所选调制频率(在此情况下为 5kHz)上交替地开关。以这种方式，在每个输出端2A，2B，2C中形成 可调节的输出电压。PWM(脉冲宽度调制)被用作调制方法。

包含线圈的线路电流滤波器2’连接在主电网12的相L1，L2，L3和 输出端2A，2B，2C之间。线路电流滤波器2’的目的是从线路电流消除 干扰。

此外，控制电路11耦接到IGBT晶体管5A，5B的控制栅极。如本 领域已知的，控制电路可以使用任何合适的处理和通信元件来实现，诸 如微处理器、微控制器、DSP处理器、FPGA(现场可编程门阵列)电路、 存储器电路、模拟和数字信号线、数据总线和数据转换器等。

这意味着，控制电路11在正常操作期间对线路桥2和逆变器3IGBT 晶体管生成PWM控制脉冲，使得通过变频器1进行无级的、受控的功率 供应。

控制电路11具有用于控制线路桥2的操作的控制回路。在正常操作 中，线路桥2将直流中间电路电压U_DC调整到约为650伏的预选的目标 值。术语“直流中间电路电压U_DC”是指高压8A和低压8B直流中间电 路母线之间的电压。U_DC电压调整是如上面所公开的通过调节线路桥输出 端2A，2B，2C中的电压来控制供电电缆19中的电流来完成的。控制电 路11还包含测量放大器，其测量供电电缆19中的电流以及直流中间电 路电压U_DC。

在传统的解决方案中，在启动情况下，变频器1从主电网12产生非 常高的启动电流I₁₂，因为控制回路操作开始之前达到饱和。饱和的原因 是在线路桥2开始操作前直流中间电路电压U_DC小于主电网电压12。操 作前，电压U_DC被定义为从主电网12通过二极管18整流，因此二极管 18的电压损失导致U_DC压降。高启动电流I₁₂的另一原因是线路桥2的交 流端2A，2B，2C的调制电压并不总是正确的。有时，错误的交流端端 2A，2B，2C电压是跨线路桥组件的电压损失的结果。有时，其原因可能 是为了避免高侧和低侧线路桥开关之间的短路所需的消隐次数。采用消 隐次数无意中减少了交流端2A，2B，2C的电压，尤其是在高的开关频 率下。另一方面，在线路桥反馈信道中的测量误差也可能会导致对启动 电流的不希望的峰值。通常是控制回路校正这些误差，但是只在操作已 经开始之后。高的启动电流I₁₂尤其存在于具有来自主电网的低电力线阻 抗的装置中。

为了解决上述启动电流的问题，控制器11具有特殊的初始化模式， 其在开始正常的变频器操作之前将直流中间电路电压U_DC充电到高于主 电网电压峰值的目标值。术语“主电网12电压峰值”是指电力线缆中来 自主电网12去往变频器1的相与相之间电压的幅度，即，相L1，L2， L3的任两者之间的电压的幅度。在初始化模式中，利用专用的脉冲图形 只开关线路桥IGBT晶体管5A，5B的子集，该专用的脉冲图形导致明显 较小的充电电流从主电网通过线路桥流至直流中间电路电容9。基本上， 只开启晶体管5A，5B之一就足以对电容9充电；然而，在此实施例中， 所有的高侧晶体管5A都开关而低侧晶体管5B保持非活跃。

参看图1，从主电网12通过电感2’和线路桥2的高侧晶体管5A到 直流中间电路电容9建立了升压电路。当晶体管5A开关时，由于线圈2’ 中感应的电压，直流中间电路母线8A中的电压可以升至高于主电网12 的电压峰值。相应地，直流中间电路母线8B中的电压变为小于主电网12 的电压最小值。高侧晶体管5A以存储在控制电路11中的预选的脉冲图 形15同时开关。这意味着只有高侧晶体管5A开关，而低侧晶体管5B保 持非活跃。如在图2a中表示的，在脉冲图形15中只使用很窄的控制脉冲 15以减小启动电流I₁₂。如图2b中表示的，晶体管5A的开关导致直流中 间电路电压U_DC逐步上升。

控制电路11测量直流链路电压U_DC，并将测得的电压U_DC与阈值16 进行比较。阈值可以基本上与正常操作期间的直流链路电压相同。在时 刻t₁，控制电路11识别出测得的直流中间电路电压U_DC已达到阈值16， 并且它通过启动线路桥2的控制回路和启动逆变器3操作来开始正常操 作。此时，线路桥2的所有高侧5A和低侧5B晶体管开始以脉冲图形20 开启，该脉冲图形20由线路桥2控制回路连续地重新定义。因为所测得 的直流中间电路电压U_DC现在基本上与正常操作电压(例如，线路桥2 控制回路目标值)相同，线路桥2控制回路可在没有高的启动电流I₁₂的 情况下启动。

在上述实施例中，变频器1被表示为电梯装置的一部分。然而，本 领域技术人员会理解，所公开的变频器也可以有其他的应用，例如，在 自动扶梯的电气驱动、自动步道、电动车、风力发电厂、光伏能源供应 等中。

虽然已经结合一些示例实施例和实施方式描述了本发明，但本发明 并不受此限制，而是涵盖各种修改和等同布置，其属于期望的权利要求 书的范围之内。