用于再生多电平驱动器的PWM策略

摘要

本发明公开一种用于控制多电平再生驱动器(30)的方法(70)，所述多电平再生驱动器具有转换器(32)和逆变器(34)。所述方法(70)可包括将单极调制和双极调制中的至少一个应用于所述转换器(32)，和将单极调制和双极调制中的至少一个应用于所述逆变器(34)。本发明还公开一种用于机械系统(20)的控制系统(52)，所述机械系统具有电动机(28)。所述控制系统(52)可包括操作性地连接至电源(29)的转换器(32)，和操作性地连接至所述机械系统(20)的所述电动机(28)的逆变器(34)。至少一个控制器可处于与所述转换器(32)和逆变器(34)通信中，并且可被配置来将单极调制和双极调制中的至少一个应用于所述转换器(32)和所述逆变器(34)中的每一个。

说明书

公开领域

本公开总体涉及电梯系统，并且更具体地涉及用于电梯系统的控制系统和方法。

公开背景

电梯系统通常包括电梯轿厢，所述电梯轿厢定位在电梯井中以用于在建筑物的各楼层之间运载乘客和负载。电梯系统还包括电动机，所述电动机提供必要的推力以在电梯井内移动电梯轿厢。再生驱动器可用来实现所需要的电梯轿厢移动并且用来生成电力。

再生驱动器可通常包括输入或电力市电电网侧上的转换器和电动机侧上的逆变器。在再生驱动器的设计中，逆变器的电力需求通常由输入侧上的转换器的适当电力容量匹配。用于操作电梯的电力需求范围从正到负。在正电力需求的情况下，使用外部生成的电力，如来自电力市电电网的电力。在负电需求的情况下，电梯中的负载驱动电动机，因此所述电动机作为发电机产生电力。使用电动机作为发电机来产生电力有时被称为再生。再生驱动器可对三相电力输入操作。另外，再生驱动器可为具有多电平转换器和多电平逆变器的多电平的。

再生驱动器中的声噪声、效率、中性点稳定性和热平衡的管理可具有挑战性。因此，需要给予声噪声、效率、中性点稳定性和热平衡中的有益结果的控制系统和方法。

公开概述

本公开的示例性实施方案针对用于控制多电平再生驱动器的方法，所述多电平再生驱动器具有转换器和逆变器。所述方法可包括将单极调制和双极调制中的至少一个应用于转换器，和将单极调制和双极调制中的至少一个应用于逆变器。

另一示例性实施方案针对用于机械系统的控制系统，所述机械系统具有电动机。控制系统可包括转换器，所述转换器操作性地连接至电源。转换器可具有处于与电源选择性通信中的多个装置。控制系统可还包括逆变器，所述逆变器操作性地连接至机械系统的电动机。逆变器和转换器可彼此连接，并且逆变器可具有处于与电动机选择性通信中的多个装置。控制系统可还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器处于与转换器和逆变器通信中。至少一个控制器可被配置来将单极调制和双极调制中的至少一个应用于转换器和逆变器中的每一个。

另一示例性实施方案针对电梯系统。电梯系统可包括安置在电梯井中的电梯轿厢，和操作性地连接至电梯轿厢的电动机。电动机可生成推力以在电梯井内移动电梯轿厢。电梯系统可还包括电源，所述电源操作性地连接至电动机。电源可将电力供应至电动机。电梯系统可还包括操作性地连接至电源的转换器，和操作性地连接至电动机的逆变器。转换器可具有处于与电源选择性通信中的多个装置。逆变器和转换器可彼此连接，并且逆变器可具有处于与电动机选择性通信中的多个装置。电梯系统可还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器处于与转换器和逆变器通信中。至少一个控制器可被配置来在单极模式和双极模式下将脉冲宽度调制选择性地应用于转换器和逆变器。

虽然关于特定示例性实施方案公开了各种特征，但是应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，各种特征可彼此组合，或单独、与各种示例性实施方案中的任一个一起使用。例如，将单极调制和双极调制中的至少一个应用于转换器可包括将单极调制应用于转换器。将单极调制和双极调制中的至少一个应用于逆变器可包括将双极调制应用于逆变器。在另一改进中，将单极调制和双极调制中的至少一个应用于逆变器可包括在第一时期期间将双极调制应用于逆变器，和在第二时期期间将单极调制应用于逆变器，其中第一时期可在第二时期之前或之后。在另一改进中，将将单极调制和双极调制中的至少一个应用于逆变器可包括在加速期间将双极调制应用于逆变器和在恒定速度期间将单极调制应用于逆变器。

在另一实例中，将单极调制和双极调制中的至少一个应用于转换器可以包括将双极调制应用于转换器。将单极调制和双极调制中的至少一个应用于转换器可包括在第一时期期间将双极调制应用于转换器，和在第二时期期间将单极调制应用于转换器，其中将单极调制和双极调制中的至少一个应用于逆变器可包括在第三时期期间将双极调制应用于逆变器，和在第四时期期间将单极调制应用于逆变器，并且其中第一时期、第二时期、第三时期和第四时期可以任何时间顺序发生，并且可部分或完全重叠。

方法可还包括为转换器和逆变器提供中性点钳位拓扑、T型拓扑或基于反向阻断绝缘栅双极晶体管的拓扑。机械系统可为电梯系统。在另一实例中，至少一个控制器可还被配置来将单极调制应用于转换器并将双极调制应用于逆变器。至少一个控制器可还被配置来将单极调制应用于转换器，并且将单极调制和双极调制两者应用于逆变器。至少一个控制器可还被配置来在电梯轿厢在零到预定额定速度的范围内的加速期间将双极调制应用于逆变器，和在恒定速度和电梯轿厢在预定额定速度到恒定速度的范围内的加速期间将单极调制应用于逆变器。

当结合随附图式进行时，这些和其他方面和特征在阅读以下详细描述后将变得更易于显而易见。

附图简述

图1是根据本发明的示例性实施方案的电梯系统的示意性表示；

图2是根据本发明的示例性实施方案的用于图1的电梯系统的中性点钳位(NPC)再生驱动器的示意性表示；

图3是根据本发明的示例性实施方案的图2的再生驱动器的逆变器或转换器的相脚的示意性表示；

图4是根据本发明的示例性实施方案的用于图1的电梯系统的T型再生驱动器的示意性表示；

图5是根据本发明的示例性实施方案的图4的再生驱动器的逆变器或转换器的相脚的示意性表示；

图6是根据本发明的示例性实施方案的用于图1的电梯系统的基于反向阻断绝缘栅双极晶体管(IGBT)的再生驱动器的示意性表示；

图7是根据本发明的示例性实施方案的图6的再生驱动器的逆变器或转换器的相脚的示意性表示；

图8是根据本发明的各种示例性实施方案的图3、图5或图7的相脚的单极调制波形的图表；

图9是根据本发明的各种示例性实施方案的图3、图5或图7的相脚的双极调制波形的图表；以及

图10是例示根据本发明的示例性实施方案的用于控制多电平再生驱动器的示例性过程的流程图。

虽然本公开易受各种修改和替代性构造的影响，但是以下将详细地展示并描述本公开的某些例示性实施方案。然而，应理解，不意图限于所公开的特定实施方案，并且意图覆盖处于本公开的精神和范围内的所有修改、替代性构造和等效物。

详细描述

现在参考附图，并且特别参考图1，提供根据一个示例性实施方案的电梯系统20的示意图。将理解，图1中所示的电梯系统20的版本仅用于例示性目的，并且用来帮助公开本发明的各种实施方案。如本领域技术人员所理解，图1没有描绘示例性电梯系统的部件中的全部，所描绘的特征也未必包括于全部电梯系统中。

如图1中所示，电梯系统20可以完全或部分地驻留于垂直地安置在建筑物内的电梯井22中。电梯井22可提供垂直路径，电梯轿厢24可通过所述垂直路径在建筑物的楼层或楼梯平台26之间行时。电动机28或其他原动机可操作性地连接至电梯轿厢24，以便产生推力来在电梯井22内移动电梯轿厢24。电动机28也可以被称为机器，或在替代性配置中，电动机28可以是用来移动电梯轿厢24的机器的部分。

电源29(如图2中所示)可操作性地连接至电动机28，以便将电力供应至电动机。电源29可为外部生成的电力，如来自电力市电电网。电动机28和电源29可各自为三相的。另外，再生驱动器30可联接至电动机28和电源29，以便操作电动机28来实现所需要的电梯轿厢移动。

现在参考图2至图7并且继续参考图1，再生驱动器30可包括输入或电力市电电网侧上的转换器32和电动机侧上的逆变器34。更具体地说，转换器32可操作性地连接至电源29，并且可具有用于电源29的每个相37的相脚36。逆变器34可操作性地连接至电动机28，并且可具有用于电动机28的每个相37的相脚36。在这个实例中，因为电源29和电动机28各自为三相的，所以转换器32和逆变器34各自具有三个相脚36。另外，转换器32和逆变器34如通过上直流电(DC)总线38和下DC总线39彼此连接。转换器32的中性点40可以或可并不连接至逆变器34的中性点42。

此外，转换器32的每个相脚R、S、T可具有处于与电源29的每个相37选择性通信中的多个装置44，并且逆变器34的每个相脚W、V、U可具有处于与电动机28的每个相37选择性通信中的多个装置44。更具体地说，转换器32和逆变器32中的所述多个装置44可包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)T1-T4和多个二极管D1-D6。再生驱动器30可为具有多电平转换器32和多电平逆变器34的多电平驱动器。在这个实例中，再生驱动器30可为具有三电平转换器32和三电平逆变器34的三电平驱动器。更具体地说，转换器32和逆变器34的每个相脚36可输出电压的三个电平，例如，正电压、中性点电压和负电压。

如图2和图3中最好地所示，转换器32和逆变器34的每个相脚36可具有中性点钳位(NPC型)拓扑46。在图4和图5中最好地所示的实施方案中，转换器32和逆变器34的每个相脚36可具有T型拓扑48。在图6和图7中最好地所示的实施方案中，转换器32和逆变器34的每个相脚36可具有ATNPC型或基于反向阻断IGBT的拓扑50。在所有拓扑中，每个相脚36可包括四个IGBTT1-T4。

控制系统52可用来控制转换器32和逆变器34。控制系统52可包括控制器54，所述控制器操作性地连接至转换器32和逆变器34。例如，控制器54可连接至驱动电路，所述驱动电路可将逻辑信号发送至转换器32和逆变器34中的IGBTT1-T4中的每一个。虽然控制器54被示出并描述为适用于转换器32和逆变器34两者，但将理解，可存在两个单独的控制器，而不是一个控制器，例如用于转换器32的一个控制器和用于逆变器34的一个控制器。控制器54可包括处理器(例如，“计算机处理器”)或基于处理器的装置，所述处理器或基于处理器的装置可包括非暂态计算机可读存储介质或与非暂态计算机可读存储介质相关联，所述非暂态计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令。应理解，控制系统52和控制器54可包括其他硬件、软件、固件或其组合。

控制器54可被编程来将脉冲宽度调制(PWM)应用于转换器32和逆变器34。PWM为用来控制供应至电动机28的电力的调制技术。在多电平再生驱动器30例如三电平转换器32和三电平逆变器34的情况下，控制器54可在以下两个模式下应用PWM：单极和双极。单极调制包括在应用于转换器32或逆变器34的相脚36时，在一个PWM周期期间IGBT中的仅一对即T1和T3或T2和T4的切换。在单极调制的情况下，输出交流电(AC)电压可从中性电位到正电位或从中性电位到负电位变动。单极调制可提供效率和声性能效益。

图8例示应用于图3、图5或图7的逆变器/转换器相脚的所得单极调制波形56。IGBTT1和T3可在T2接通并且T4断开时利用于合成AC电压的正部分，并且IGBTT2和T4可在T1断开并且T3接通时利用于合成AC电压的负部分。如单极调制波形56中所示，正部分58控制IGBTT1和T3的切换，而负部分60控制IGBTT2和T4的切换。

对于单极调制，当IGBT中的一对，即T1和T3正在切换时，IGBT中的另一对，即T2和T4不切换，且反之亦然。如单极调制波形56中所示，当正调制波形58(IGBTT1和T3的切换)非零时，负调制波形60(IGBTT2和T4的切换)为零。类似地，当负调制波形60(IGBTT2和T4的切换)非零时，正调制波形58(IGBTT1和T3的切换)为零。

双极调制包括在应用于转换器32或逆变器34的相脚36时，在一个PWM周期期间所有IGBTT1-T4的切换。在一个PWM周期期间切换所有四个装置T1-T4可实现中性点调节。在双极调制的情况下，输出AC电压可从正电位到负电位变动。双极调制可提供中性点稳定性和热平衡效益。中性点控制可导致电梯系统20的改进的乘坐质量，同时跨于装置的改进的热平衡可导致较长的零件寿命。

图9例示应用于图3、图5或图7的逆变器/转换器相脚的所得双极调制波形62。IGBTT1和T3可在T2接通并且T4断开时利用于合成AC电压的正部分，并且IGBTT2和T4可在T1断开并且T3接通时利用于合成AC电压的负部分。如双极调制波形62中所示，正部分64控制IGBTT1和T3的切换，而负部分66控制IGBTT2和T4的切换。

对于双极调制，在调制波形62的区域68中，所有四个IGBTT1-T4可在一个PWM周期期间切换。正调制波形64(IGBTT1和T3的切换)和负调制波形66(IGBTT2和T4的切换)两者在区域68中非零。在双极调制波形62的区域69中，装置中的一对(IGBTT1和T3或IGBTT2和T4)可在一个PWM周期期间切换。可使用双极调制和单极调制技术实现输出电压的相同基本分量。

控制器54可被配置来将单极调制和/或双极调制应用于转换器32的每个相脚36并且同时将单极调制和/或双极调制应用于逆变器34的每个相脚36。例如，控制器54可将单极调制应用于转换器32并将双极调制应用于逆变器34。在如此进行时，电梯系统20可在转换器32中具有提高的声性能和效率，同时在逆变器34中实现增加的中性点控制和热平衡。

在另一实例中，控制器54可将单极调制应用于转换器32并将双极调制和单极调制的混合应用于逆变器34。例如，控制器54可在电梯轿厢24的加速期间将双极调制应用于逆变器34。加速可包括正加速和负加速(减速)。当电梯轿厢24正以恒定速度移动时，则控制器54可将单极调制应用于逆变器34。在如此进行时，电梯系统20可在转换器32中具有提高的声性能和效率，同时在逆变器34中实现增加的中性点控制和热平衡。此外，在电梯轿厢24的恒定速度期间，由于单极调制对于逆变器34的应用，效率可增加并且声噪声可减小。

此外，控制器54可被编程来在电梯轿厢24在一定范围(如，零到预定额定速度的范围)内的加速期间将双极调制应用于逆变器34。预定额定速度可为额定速度的近似百分之七十五(75％)，但是当然可使用其他值。控制器54可还被编程来在电梯轿厢24在预定额定速度(例如，额定速度的75％)到额定或恒定速度的范围内的加速期间并且在整个电梯轿厢24以恒定速度移动期间将单极调制应用于逆变器34。

在另一实例中，控制器54可将单极调制应用于转换器32并将双极调制应用于逆变器34。这种配置可为转换器32和逆变器34两者提供提高的中性点控制，这导致电梯系统20的改进的乘坐品质性能。此外，可存在归因于双极调制的应用的跨于IGBTT1-T4的改进的热平衡，这导致用于IGBT的改进的大小选择。

将理解，当然可使用其他配置，例如但不限于转换器32中的单极调制和逆变器34中的单极调制、转换器32中的双极调制和逆变器32中的单极调制、转换器32中的混合单极和双极调制和逆变器32中的混合单极和双极调制。

现在转至图10，并且继续参考图1至图9，示出用于控制多电平再生驱动器30的示例性过程70。再生驱动器30可包括三电平转换器32和三电平逆变器34。在方框72处，可将单极调制和/或双极调制应用于转换器32。同时，在方框74处，可将单极调制和/或双极调制应用于逆变器34。

工业适用性

从前述内容，可看出，本公开的教义可发现工业或商业应用，如包括但不限于用于再生驱动器的控制系统。这类控制系统可用于例如牵引应用中，所述牵引应用如包括但不限于电梯系统。将理解，所公开的控制系统和方法也可用于除电梯系统之外的其他机械系统。

所描述的公开内容提供用于多电平(例如，三电平)再生驱动器的控制系统和方法，所述多电平再生驱动器具有多电平(例如，三电平)转换器和多电平(例如，三电平)逆变器。所公开的控制系统和方法将单极调制和双极调制应用于转换器和逆变器，以便在电梯系统中实现某些效益。应用于转换器和/或逆变器的单极调制提供改进的效率和减少的波纹/声噪声，这提高电梯系统的声性能。应用于转换器和/或逆变器的双极调制提供热的热量跨于装置的重新分布或热平衡，这从而导致再生驱动器的较长零件寿命。另外，双极调制考虑到较严格的中性电压控制，这改进电梯系统的乘坐品质。

虽然已关于某些特定实施方案给出并且提供了先前详细描述，但是将理解，本公开的范围不应限于这类实施方案，并且所述实施方案被提供来仅用于实现方式和最佳模式目的。本公开的广度和精神比具体公开的实施方案更宽，并且涵盖在所附权利要求书内。应理解，在可实践的情况下，关于特定实施方案所描述的特征可与替代实施方案一起使用。