专利名称：在可变速度驱动器中的能量恢复方法
技术领域：
本发明涉及一种可变速度驱动器，其包括并入了用于存储恢复能量的模块的能量 恢复设备。此类速度驱动器特别用于控制在频繁加速和减速的应用中的电动机，诸如起重 应用或位置调整应用。
背景技术：
能量恢复设备一般能够在电动机处于制动模式(或恢复模式)时存储能量，然后 在电动机处于驱动模式(或电动机模式)时恢复存储的能量，并且如果有必要的话在驱动 器的主电源消失时提供后备能量。
诸如US2001017234、EP1641110、US6742630、US6938733、W02006/016002 或 EP1586527A1的现有技术文献已经提出与可变速度驱动器关联的能量恢复解决方案。现有 拓扑常常基于附加的功率转换器和能量存储模块，其中功率转换器并联连接到可变速度驱 动器的直流功率总线。能量存储模块常包括一个或多个“超级电容器”或“超级电容器”和 电池的组合。
“超级电容器”或“超电容器”术语指定一公知元件，其能够存储比传统电容器多的 大量的电能，例如接近于电化学电池，而且和传统电容器一样能够接受大量的充电和放电 电流，而不同于电化学电池。
现有解决方案不能将直流总线的电压放大(或提升)到比在整流器的输出端由驱 动器的主电源提供的电压大的值。类似地，直流总线电压无法被调整以减少直流总线的振 荡从而减少驱动电流的失真率并由此减少在施加于逆变器的输出端的电压是最大时的扭 矩纹波。另外，由整流器吸收的电流无法具有30%以下的电流的总谐波失真(THDI)率。另 外，在能量恢复设备中使用的开关的负荷因素未被最优化。发明内容
本发明的目的因此是提出一种包括能量恢复设备的可变速度驱动器以便节约能 量，提高驱动器的性能且不具有以上的缺点。具体地，能量恢复设备必须显著地使得可以
-当可变速度驱动器工作于制动模式时恢复和存储电能。
-将在制动模式中存储的电能复原到驱动器。
-减少到在驱动器输入端的主电源的相位的电流的总谐波失真率的接近30%。
-即使在驱动器不具有总线电容器的情况下(C-Iess拓扑)，移除在主频率(接近 50Hz)的直流总线电压的变化(无纹波功能)，而不管外部主电源的可能干扰。直流总线的 电压调节使得能够特别更好地控制扭矩和电动机的磁通量。
-如果有必要的话，增加由驱动器的整流器模块提供的直流总线电压(升压功 能)，这使得可以具有能量保留。
为此，本发明描述一种可变速度驱动器，包括配备有正极线和负极线的直流电源 总线，由直流总线供电的逆变器器模块，以便向电负荷提供可变电压。该驱动器包括能量恢复设备，其包括包括输入级和输出级的第一直流/直流转换器，第一转换器的输出级串联 连接于直流总线的正极线；包括输入级和输出级的第二直流/直流转换器，第二转换器的 输入级连接在直流总线的正极线和负极线之间；以及电能存储模块，其与第一转换器的输 入级并联连接以及与第二转换器的输出级并联连接。
根据一个特征，电能存储模块包括一个或多个超级电容器。
根据另一个特征，第一直流/直流转换器是不隔离(insulated)的单向转换器，其 包括有源开关和无源开关。
在本文件中，“有源开关”指代其开关动作被控制来断开和/或闭合的开关，诸如晶 体管、闸流晶体管或三端双向可控硅开关元件。相反地，“无源开关”指代具有自发的开关动 作的开关，诸如二极管。
根据另一个特征，无源开关是二极管，其串联连接到直流总线的正极线，第一转换 器的输出级被连接到二极管的端子，第一转换器的输入级连接到由串联连接的有源开关和 无源开关形成的组件的端子。有源开关是功率晶体管，其受控于由可变速度驱动器产生的 第一控制信号。
根据另一个特征，第二直流/直流转换器是不隔离的双向转换器，其包括与第二 有源开关串联连接的第一有源开关。第二转换器的输出级连接到第二有源开关的端子，而 第二转换器的输入级连接到由第一有源开关和第二有源开关形成的组件的端子。
根据另一个特征，第二直流/直流转换器是隔离的双向转换器，其包括高频变压ο
参考作为示例给出的并由附图表示的实施例，其他特征和优点将在以下详细说明 中显现，其中
-图1示出根据本发明的驱动器的架构的简化的示例。
-图2给出第一直流/直流转换器的优选实施例的详情。
-图3表示直流总线电压和整流电压的图。
-图如到4d说明驱动器的各种工作模式。
-图5和6给出第二直流/直流转换器的几个实施例的详情。
具体实施方式
参考图1，频率转换器类型的可变速度驱动器由三相外部主电源5供电。驱动器 包括整流器模块12，在直流电源总线的正极线16和负极线17之间传递整流电压VIN。优选 地，整流器模块12使用二极管而不需要闸流晶体管。优选地，低值的附加的滤波器电感13 串联安置于直流总线的正极线16上。
驱动器还包括由直流总线供电并且向外部电负荷M(特别是同步或异步电动机) 提供可变电压的逆变器模块14。此类逆变器模块14通常包括功率晶体管，其受控于源自可 变速度驱动器的控制单元(图中未示出)的控制信号。驱动器也可以包括总线电容器CB， 其在逆变器模块14的一侧连接于正极线16和负极线17之间。在该总线电容器Cb的端子 处的直流电压叫做总线电压VB。
驱动器包括能量恢复设备10，设计用来恢复和存储在电负荷M变为驱动(电动机制动)时的电能。根据本发明，能量恢复设备10包括第一直流/直流转换器(或DC/DC转 换器)20、第二直流/直流转换器(或DC/DC转换器)30和电能存储模块Cs。第一直流/直 流转换器20包括由两个输入端子形成的输入级20b和由两个输出端子形成的输出级20a。 类似地，第二直流/直流转换器30包括由两个输入端子形成的输入级30b和由两个输出端 子形成的输出级30a。
第一转换器20的输出级20a串联连接到介于滤波器电感13和总线电容器Cb之 间的直流总线的正极线16。在输出级20a的两个端子之间有电压Vtl，从而VB = VIN+VQ，不 考虑在电感13的端子处的电压。第二转换器30的输入级30b连接在直流总线的正极线16 和负极线17之间，在总线电容器Cb的上游，也即在整流器模块12和总线电容器Cb之间。
存储模块Cs并联连接于第一转换器20的输入级20b以及并联连接于第二转换器 30的输出级30a。在存储模块Cs的端子处电压(也即在输出级30a的端子和在输入级20b 的端子处)被称为Vs。优选地，存储模块Cs由一个或多个超级电容器组成，从而允许大量 的电能的存储和允许高的充电/放电电流。
第一转换器20是不隔离的单向直流/直流转换器。它在输入端接收存储模块Cs 的电压Vs并且在输出端传递电压Vtl至直流总线的正极线16。在图2中详细示出第一转换 器20的非常简单的实施例。它简单地包括与有源开关21串联的无源开关22。在优选的方 式中，有源开关是IGBT、M0SFET或其他类型的功率晶体管21，而无源开关是二极管22，其正 极置于有源开关21的一侧。功率晶体管21受控于源自可变速度驱动器的控制单元的控制 信号 21。控制信号S21是脉冲宽度调制(PWM)信号，其特别使得可以改变第一转换器20的 输出电压V。。
第一转换器20的输出级20b直接连接到二极管22的端子，第一转换器20的输入 级20a直接连接到由串联连接的功率晶体管21和二极管22形成的组件的端子。二极管22 因此串联安置于直流总线的正极线16上而在二极管的端子的电压Vd等于第一转换器20的 输出电压V。。
当功率晶体管21断开时(OFF状态)，则直流总线的电流流入二极管22。因此在 二极管的端子的电压Vd是零，从而Vtl = 0和Vb = VIN。当功率晶体管21闭合时(ON状态)， 则电流流入晶体管21而电压Vd变为等于存储模块Cs的电压Vs，从而Vb = VIN+VS。因此输 出电压Vtl在0和Vs之间改变并且总是正的或零。因此，通过对功率晶体管21的控制信号 S21的动作，可以调整电压Vb和在电感13中流动的电流。
第二转换器30是双向直流/直流转换器。它在输入端接收直流总线的电压Vb并 且在输出端传递存储模块Cs的电压Vs。第二转换器30的输入级30b因此直接连接到总线 电容器Cb并且第二转换器30的输出级30a直接连接到存储模块Cs。
按一般方式，第二转换器30可以是双向直流/直流转换器并可以是隔离的或不隔 离的。不隔离的拓扑具有半桥类型，其具有电压的两个电平或几个电平，例如NPC(中性点 电容器)或快速(flying)电容器类型。隔离的拓扑具有全硅软开关类型，包括由半桥或全 桥类型的两个直流/直流转换器围绕的HF变压器。
在图5和6中详细示出第二转换器30的几个简单的实施例。
图5示出不隔离的拓扑的第二转换器30的非常简单的实施例。它包括与第二有源开关32串联的第一有源开关31。优选地，这些有源开关是诸如IGBT、M0SFET或JFET类 型的功率晶体管的双向电流开关，每个具有并联的续流二极管。功率晶体管31、32分别受 控于源自可变速度驱动器的控制单元的控制信号、。控制信号S32是脉冲宽度调 制(PWM)信号。
第二转换器30的输出级30a连接到第二功率晶体管32的端子，而输入级30b连 接到由串联连接的第一功率晶体管31和第二功率晶体管32形成的组件的端子。第二转换 器30也包括连接在两个功率晶体管31、32的中间点和存储模块Cs的负极端子之间的线电 感33。线电感33使得可以限制在存储模块Cs的充电或放电期间存储模块Cs的电流变化。
第二转换器30的简化实施例具有非常经济和使用非常少的组件的优点，但是具 有在存储模块Cs和直流总线之间的直接连接的缺点，这会造成对功率晶体管31、32的相当 大的压力由总线电压Vb确定的高电压和由存储模块Cs电流确定的高电流。
图6示出在隔离的拓扑中第二转换器30的示范实施例，其包括具有两个绕组的高 频变压器35以允许电隔离同时准许能量的传递。在变压器35的每侧，第二转换器30包括 两两成对地串联的四个有源开关，在总线电容器Cb的一侧的标记为31a、31b、32a、32b，以及 在存储模块Cs的一侧的标记为33a、33b、34a、34b。全部这些有源开关是双向电流开关，诸 如IGBT、MOSFET类型的功率晶体管，每个装备有续流二极管并具有并联的吸收电容器(未 示出)。这八个开关的控制信号是源自可变速度驱动器控制单元的相移调制信号。如图6 所示，变压器35的绕组连接在有源开关的中间点之间。另外，漏电感36连接在变压器35 的绕组和两个开关31b、32b的中间点之间的总线电容器Cb —侧。电感36特别允许开关到 零电压的开关动作(软开关动作)。
在图6的实施例的变体中，可以用电容器替换开关31b、32b、33b、34b。那么第二转 换器30包括四个电容器且只要四个有源开关。在这种情况下，这四个有源开关不要求吸收 电容器并且它们的控制信号是频率调制信号。该变体具有更经济的优点。
在图如到4d中说明能量恢复设备10的工作的各种情况
-正常工作模式(图4a_驱动模式)对应于其中驱动器由外部主电源5经由整流 器12供电的模式，并且使用由主电源5提供的能量以便供电和驱动负荷M。总线电压Vb保 持常量并且依靠在第一转换器20的输出端处电压Vtl的提供而高于整流电压VIN。如图3指 示，电压Vtl因此具有增加整流器模块12的整流电压Vin(升压功能)和消除整流电压Vin的 纹波(无纹波功能)的作用。第一转换器20的另一重要功能是实际保持在电感13中流动 的电流的恒定，不管在外部主电源5的电压的变化。在该模式中，由主电源5提供的能量也 允许第二转换器30对超级电容器Cs充电和/或保持在超级电容器Cs的端子处的电压Vs 为最小值VSmin。
-图4b对应于制动模式，其中在负荷M正在驱动时(如在下降阶段提升电动机) 驱动器恢复和存储由负荷M提供的电能。恢复的制动能量使得可以充电超级电容器Cs。第 二转换器30具有调整总线电压Vb的作用和增加在超级电容器Cs的端子处的电压Vs的作 用。在该模式中，控制信号S21保持有源开关21为断开状态。
-图如对应于其中负荷M没有消耗或恢复能量的模式(后备模式)。
-图4d对应于复原模式，其中在制动模式期间由超级电容器Cs存储的能量依靠第 二转换器30复原到驱动器。在该模式中，存储在超级电容器Cs的能量被返回给负荷M且电压Vs因此减少直到它达到最小值VSmin。在该模式中，控制信号S21保持有源开关21为断 开状态。当电压Vs达到最小值Vsmin时，负荷M必须再次由外部电源5供电，并且因此驱动 器返回正常工作模式如。
另外，由本发明提出的架构也使得可以预防外部主电源5的短期中断，在这种情 况下，这是通过允许超级电容器Cs的较大的放电实现的，从而能够维持负荷M的供电。
将能很好地理解，在不脱离本发明的情境的情况下，可以设想其他变化和具体地 改进以及类似地想到等价部件的使用。
权利要求
1.一种可变速度驱动器，包括具有正极线(16)和负极线(17)的直流电源总线；由直 流总线供电的逆变器模块(14)，以便向电负荷(M)提供可变电压；以及能量恢复设备(10)， 其特征在于，该能量恢复设备(10)包括-第一直流/直流转换器(20)，包括输入级和输出级，第一转换器00)的输出级串联 连接于直流总线的正极线，-第二直流/直流转换器(30)，包括输入级和输出级，第二转换器(30)的输入级连接 在直流总线的正极线和负极线之间，-电能存储模块(Cs)，其与第一转换器00)的输入级并联连接以及与第二转换器(30) 的输出级并联连接。
2.根据权利要求1所述的可变速度驱动器，其特征在于，电能存储模块包括一个或多 个超级电容器(Cs)。
3.根据权利要求1所述的可变速度驱动器，其特征在于，第一直流/直流转换器00) 是不隔离的单向转换器，其包括有源开关和无源开关02)。
4.根据权利要求3所述的可变速度驱动器，其特征在于，第一转换器OO)的无源开关 是二极管(22)，其串联连接到直流总线的正极线，第一转换器OO)的输出级被连接到二极 管0 的端子，第一转换器OO)的输入级连接到由串联连接的有源开关和无源开关 (22)形成的组件的端子。
5.根据权利要求4所述的可变速度驱动器，其特征在于，第一转换器OO)的有源开关 是IGBT或MOSFET类型的功率晶体管(21)，其受控于由可变速度驱动器产生的第一控制信 号(S21)。
6.根据权利要求1所述的可变速度驱动器，其特征在于，第二直流/直流转换器(30) 是不隔离的双向转换器，其包括与第二有源开关(32)串联连接的第一有源开关(31)。
7.根据权利要求6所述的可变速度驱动器，其特征在于，第二转换器(30)的输出级连 接到第二有源开关(3 的端子，而第二转换器(30)的输入级连接到由第一有源开关(31) 和第二有源开关(3 形成的组件的端子。
8.根据权利要求1所述的可变速度驱动器，其特征在于，第二直流/直流转换器(30) 是隔离的双向转换器，其包括高频变压器(35)。
全文摘要
本发明涉及可变速度驱动器，包括具有正极线(16)和负极线(17)的直流电源总线；由直流总线供电的逆变器模块(14)，以便向电负荷(M)提供可变电压。该驱动器包括能量恢复设备(10)，能量恢复设备(10)包括第一直流/直流转换器(20)，第一转换器(20)的输出级串联连接于直流总线的正极线；第二直流/直流转换器(30)，第二转换器(30)的输入级连接在直流总线的正极线和负极线之间；和电能存储模块(CS)，其与第一转换器(20)的输入级并联连接以及与第二转换器(30)的输出级并联连接。
文档编号H02P27/04GK102037640SQ200980117981
公开日2011年4月27日 申请日期2009年6月3日 优先权日2008年6月6日
发明者佩塔·格尔波维克, 菲利普·勒莫伊格恩, 菲利普·鲍德森 申请人:施耐德东芝换流器欧洲公司