利用动态触发角确定的电流源转换器的制作方法

本发明涉及电流源转换器（converter）的领域。特别地，本发明涉及用于切换电转换器、控制器以及电驱动器系统的方法。

背景技术：

电流源转换器以及特别地负载换向逆变器（loadcommutatedinverter）可以用作用于给电动机供应能量的电力驱动器（electricdrives）。例如，变速同步机器可以经由第一晶闸管桥、感应dc链路以及第二晶闸管桥被连接到电网。这种类型的变速解决方案通常是在从几兆瓦到超过一百兆瓦变动的高功率应用中的优选选择。此类应用包括高速压缩机（compressor）和轧机（rollingmill）。

通常采用诸如负载换向逆变器之类的电力驱动器将频率固定的ac功率变换成频率变化的ac功率，或反之亦然。频率固定的ac功率由电力网提供，而频率变化的ac功率用于驱动诸如同步机器之类的电力ac机器。借助于电力驱动器，有可能控制驱动转矩（drivetorque）并因此以可选择的速度操作ac机器。与定速操作相比，使机器的速度变化可以具有若干优点，一个优点是通过以较低速度运行机器来节省能量的能力。

在大多数配置中，用两步方法来实施频率变换：首先，将频率固定的ac功率整流成dc功率，并且随后，将dc功率逆变成具有期望频率的ac功率。在发电模式中，使功率流逆转，并将机器的频率变化的ac功率整流成dc功率，并且随后将其逆变成电网的固定频率的ac功率。

虽然术语负载换向逆变器可以指处于电动机运行模式的在机器侧上的晶闸管桥，但整个ac-dc-ac转换器也可以被称为负载换向逆变器。

存在针对负载换向逆变器的操作而建立的许多控制解决方案。由负载换向逆变器供电的同步机器的三个控制变量是线路（line）侧的触发角（firingangle）、机器侧的触发角以及同步机器的激励。触发逻辑或调制器针对单个晶闸管将触发角转化成触发命令。单独的控制器可以并行操作以选择三个控制输入的值。激励控制器调节转子（rotor）激励，以便取决于同步机器的速度来控制定子（stator）电压。电流控制器可以适配转换器的线路侧上的触发角，以便调节流过dc链路的电流。功率因子控制器可以选择机器侧触发角，以便在转换器的机器侧上达到预定功率因子。该功率因子通常是dc电流的函数，并被预先计算和存储在查找表中。

此类预先计算方法的基本缺陷可能在于，该方法本质上是保守的。通常没有全面考虑电驱动器的操作条件，并且取而代之，并入重要的缓冲器以便保证电气驱动器在所有的操作条件下的操作。

在us4426611中，描述了用于由具有两个dc链路的负载换向逆变器馈电的双绕组同步机器的控制系统。机器侧触发角由转矩参考的查找表来确定，通过dc电流误差的另一查找表来适配。在定子过电压的情况下，能够适配前者查找表。

在us4460861中，描述了用于由负载换向逆变器馈电的单绕组同步机器的控制系统。通过建立转矩与dc电流之间的关系、整流过的dc电压与速度之间的关系以及激励电压与速度之间的关系，根据（asafunctionof）驱动转矩来确定机器侧触发角和换向角。

在us4654572中，描述了用于选择机器侧触发角以便负载换向逆变器给双绕组同步机器馈电的过程。该选择基于换向窗的长度的计算。

wo2016/091573a1涉及用于负载换向逆变器的控制方法，并描述了触发角被确定并且后来被修改。此外，提到触发角的下界的确定。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于电流源转换器的控制方法，其易于实现并且得出高功率因子。本发明的另外的目的是提高驱动器效率，降低对于由电流源转换器供电的电机的线路侧电流的和/或气隙转矩的谐波含量。

由独立权利要求的主题来实现这些目的。从下文的描述和从属权利要求中，另外的示范性实施例是显然的。

本发明的第一方面涉及用于切换电转换器的晶闸管桥的方法，晶闸管桥被连接到可能具有电感器的至少一个dc链路，并且包括每个相的至少一个相脚（phaseleg），每个相脚由两个串联连接的晶闸管臂构成。电转换器可以被视为负载换向逆变器和/或电流源转换器。电转换器可以是适合于转换超过10a的电流和/或超过1kv的功率转换器。特别地，电转换器可以适合于处理超过100kw的电功率。

例如，电转换器可以包括由可能具有电感器的dc链路来互连的第一晶闸管桥和第二晶闸管桥。单个晶闸管桥可以被视为负载换向转换器和/或电流源转换器。

晶闸管桥可以包括电转换器的每个输出相的相脚。相脚可以包括上臂和下臂，上臂和下臂中的每个提供开关，在目前情况下，该开关由一个或多个晶闸管提供。这些开关串联连接以在它们之间提供相输出。在每个臂超过一个晶闸管的情况下，晶闸管可以在臂中串联和/或并联连接。每个晶闸管臂可以仅装备有单个晶闸管。在下文中，术语晶闸管和晶闸管臂可以可互换地使用。

在电动机模式下，线路侧桥可以是整流器，并且在发电机模式下，线路侧桥可以是逆变器。相反地，在电动机模式下，机器侧桥可以是逆变器，并且在发电机模式下，机器侧桥可以是整流器。

该方法可以由适合于生成晶闸管臂的切换信号（即，触发信号）的控制器实行。

根据本发明的实施例，晶闸管桥的晶闸管臂通过以下过程来周期性切换：确定晶闸管桥的触发角的上界，其中，从例如电转换器中的电压和电流测量结果中确定上界；以及确定晶闸管桥的触发角，该触发角确定晶闸管臂的切换时间，其中，确定触发角，使得触发角小于或等于上界。

通常，电转换器具有六的倍数个晶闸管臂，并且，周期性切换可能意味着，在循环期间，晶闸管臂中的每个被切换一次。此外，每次循环，晶闸管臂可以按相同顺序切换。

对于每个晶闸管臂，从触发角确定切换时刻，触发角基于动态和/或在线确定的可变上界。触发角的上界可以在晶闸管臂、晶闸管桥和/或循环之间变化。可以相对于通过晶闸管臂的触发来换向的相的相间电压的相角来提供触发角。

应当注意，还可以使用术语切换时间代替术语触发角。

一般而言，晶闸管能够处于传导状态或阻断状态。两种状态指电流是由晶闸管传导或阻断。电流可以仅在一个方向上流过晶闸管。如果跨晶闸管的电压为正并且触发命令应用于晶闸管的栅极，则阻断的晶闸管能够切换到传导状态（也被称为导通）。然而，传导的晶闸管不能借助于栅极命令从其传导状态切换到其阻断状态（其被称为断开）。取而代之，为了使晶闸管切换到其阻断状态，必须跨晶闸管施加负电压，并且，电流不必流过晶闸管。

晶闸管多相桥通常包括两个或三个相脚，相脚由串联连接的两个晶闸管臂构成。相脚在正电位与负电位之间并联连接，正电位和负电位由dc链路提供。晶闸管多相桥的触发角可以确定晶闸管何时相对于由晶闸管多相桥提供的多相电压的角被触发。当考虑相间电压时，触发角被定义为相间电压的过零点（zerocrossing）与两个相之间的换向的起点之间的相位差。在触发角为零度的情况下，晶闸管多相桥表现得如同二极管桥，即，具有最高电压的相连接到多相桥的dc侧上的正电位，而具有最低电压的相连接到多相桥的负电位。通过选择晶闸管多相桥的触发角，可以确定其晶闸管臂的触发的序列和频率。

在利用本方法来控制的晶闸管桥在电驱动器的机器侧上的情况下，触发角可能直接地影响系统中的两个量：施加到dc链路电感的整流过的dc电压，以及电机的定子电压和定子电流之间的相移以及因而机器侧上的功率因子。这两个量又可能具有另外的影响：整流过的dc电压可能影响dc电流的变化率（rateofchange），并且机器侧上的功率因子可以确定机器中的气隙转矩。较高的功率因子一般是有益的，因为，它得出较少的无功功率、较低的损耗、较高的效率、较少的谐波以及将更多的功率递送到机器的能力。

在利用本方法来控制的晶闸管桥在线路侧上的情况下，线路电流的谐波含量可以利用触发角来控制和/或降低。

在这两种情况下，当处于其中功率流从dc到ac的逆变器模式中的触发角被选择得尽可能高时，即，接近发生换向时的时间来切换晶闸管臂时，这可能是有益的。然而，过高的触发角可能引起晶闸管臂的所谓的误触发。当不足以使晶闸管臂切换到其阻断状态的负电压施加到晶闸管臂时，可能发生误触发。随后，附接到单个相的两个晶闸管臂都可能是传导的，致使dc链路短路。误触发可能经常导致过电流情形，随后dc链路电流迅速上升，使得电转换器跳闸并且操作停止。

可能由于整流过的dc电压的值而出现选择触发角中的第二个困难：为了保持dc链路电流恒定，dc链路的一侧上的整流过的dc电流可能必须至少与dc链路的另一侧上的整流过的dc电流一样高。该约束可能要求用作逆变器的晶闸管桥上的触发角减小，以便在诸如减小的电网电压和/或高电动机定子电压之类的某些操作点中，与整流器桥的可达到的电压匹配。

因此，本方法提出确定最大的可能的触发角，即，上界，并且将该上界用于确定实际触发角。如上文中所提到的，确定触发角的上界是有益的，这可以防止晶闸管臂的误触发和/或dc链路的一侧上的整流过的dc电压足够低以免对dc链路电流的调节造成不利影响。

另一方面，应用于晶闸管臂的触发角可以服从下述目标而确定：定子处的功率因子尽可能高，然而可能被限制到上界。

应当注意，触发角的几度的差可能对电转换器的操作点造成重大影响。

一般而言，在逆变器操作中晶闸管桥的和/或逆变器侧上的增大的触发角可能得出许多技术益处，诸如功耗降低、较高的效率、较少的谐波、较少的可听噪声、较高的效率以及提高现有的设施的功率的可能性。当利用如上文和下文中所描述的方法来控制电转换器（即，整流器加逆变器）时，可以实现所有的这些益处。

特别地，逆变器操作中触发角的上界被确定，使得上界连同至少是晶闸管臂的换向时间窗和恢复时间窗的和的时间窗小于或等于180°，并且时间窗小于或等于360°除以周期性切换的晶闸管臂的数量。如已经提到的，可以从电转换器中的测量结果在线确定上界。以晶闸管臂的触发开始的时间窗可以如此长，使得必定能发生晶闸管臂的相间换向和恢复。触发角的上界由晶闸管臂换向和随后恢复的持续时间确定。另外，上界连同时间窗可能不长于180°；即，应当发生切换使得在由晶闸管臂换向的相之间的相间电压下降低于0v之前，使时间窗结束。同样地，时间窗可以小于360°除以周期性切换的晶闸管臂的数量，即，在循环中的下一个晶闸管臂被切换之前，应当发生切换。

必须注意，作为将触发角适配成诸如具有对于要发生的换向和/或晶闸管恢复的某一（恒定）裕度的结果的替代，可以根据电转换器的当前操作点（currentoperatingpoint）显式计算时间窗。通过考虑影响时间窗的长度的因素，能够确定触发角的不太保守的近似值。时间窗的最坏情况处置由基于实际情况的处置取代。

根据本发明的实施例，换向时间窗和/或恢复时间窗取决于触发角。换向时间窗和/或恢复时间窗可以取决于电转换器的状态，其中，晶闸管臂被触发。因而，换向时间窗的长度可以基于电转换器的实际状态来确定。

根据本发明的实施例，使上界最大化，使得上界连同时间窗小于或等于180°，并且时间窗小于或等于360°除以周期性切换的晶闸管臂的数量。可以利用最大化方法来确定上界，其中基于对上界的一个或多个约束使上界最大化。约束可以基于起点确定晶闸管臂的切换的时间窗。

根据本发明的实施例，换向时间窗取决于电转换器的输出相之间的相间电压、dc链路电流以及触发角中的至少一个。例如，可以根据定子电压、定子电流和/或触发角，在线计算换向时间窗的持续时间。

根据本发明的实施例，恢复时间窗取决于dc链路电流的变化、切换期间施加到晶闸管臂的电压的变化和/或晶闸管结温中的至少一个。例如，可以根据定子电压、定子电流、晶闸管结温和/或触发角，在线计算晶闸管恢复时间窗的持续时间。

例如，由于dc链路电流的变化通常取决于触发角，因而恢复时间窗也可以间接地取决于触发角。

晶闸管结温可以根据晶闸管电流、晶闸管电压和/或环境温度来估计。此外，可以基于容纳晶闸管的模块内侧的温度测量结果来确定晶闸管结温。

一般而言，触发角可以由在两个级中操作的控制器确定。在第一级中，确定触发角的上界，并且在第二级中，确定触发角。在第二级中，使用已经确定的上界。第二级可以用不同方式实现。

根据本发明的实施例，通过将触发角设置成触发角的所确定的上界来确定晶闸管臂的触发角。所确定的上界可以被直接应用为触发角。可能的是，上界经受滤波以确保线路侧触发角能够跟随机器侧触发角的变化。

根据本发明的实施例，该方法包括：基于电转换器中的测量结果来确定无界触发角，其中，独立于上界来确定无界触发角；以及将触发角设置成无界触发角和上界中的最小值。也可能的是，触发角和触发角的上界例如在不同的控制器模块中彼此独立地来确定，以及两个值中的最小值被用作应用于电转换器的触发角。

所计算的触发角上界不需要被用作控制器所知的先验边界，而是还可以凭经验（a-posteriori）应用于限制由控制器确定的触发角。例如，控制器可以使用不保证遵守上界的方法。

根据本发明的实施例，该方法包括：基于上界和电转换器中的测量结果来确定触发角；其中，上界是对于确定触发角的约束。另外的可能性是，在第一级中确定的上界被用作其中触发角被确定的第二级中的约束。例如，可以使用依赖于恒定上界的控制方法，其中，用在线计算的可变上界来取代恒定上界。

根据本发明的实施例，基于模型预测控制来确定触发角。模型预测控制可以适合于处置可以将可由上界定义的可能的触发角范围合并的约束。另外，只要dc电流控制不受影响，模型预测控制就可以适合于确定允许的范围内的最大的可能的触发角。

控制器的第二级可以基于模型预测控制，其中，可以容易地包括采取上界的形式的约束。必须理解，基于上界的约束可以是，触发角必须小于或等于上界。

根据本发明的实施例，通过以下过程来确定触发角：接收对于dc链路电流和/或驱动转矩的参考；利用电转换器的数学模型，根据至少一个时刻的时间范围内的未来输入来预测电转换器的未来状态，其中，未来输入包括晶闸管臂的未来触发角；以及通过使目标函数最小化来确定触发角，该目标函数是参考、未来状态和/或未来输入的函数。

一般而言，在模型预测控制中，电转换器的未来状态可以基于估计状态来确定，估计状态从电转换器中的测量结果来估计。未来状态在电转换器的模型的帮助下确定，该模型可以在控制器中以一个或多个数学方程的形式编码。还利用该数学模型来确定未来输入，在本情况下，未来输入可以包括可以应用于电转换器的未来触发角。最后，确定针对优化目标的最佳未来输入。这可以利用目标函数来实行，目标函数可以是参考与根据未来状态和未来输入来确定的所预测的量之间的差的二次函数，所预测的量诸如未来的估计dc链路电流和/或未来的估计转矩。

可能的是，针对未来的一个、两个或更多个时刻来预测未来的量。不止一个时刻的时间范围可以使得更好地实现优化目标。

此外，可能的是，小于或等于上界的触发角作为不等式约束（inequalityconstraint）被包括到模型预测控制中。

根据本发明的实施例，利用二次规划求解器使目标函数最小化。可能的是，使目标函数和/或模型线性化。以这样的方式，可以利用对于控制器中的实现可用的二次规划求解器来确定触发角。

根据本发明的实施例，触发角的上界被用作二次规划求解器的约束。二次规划求解器可以适合于包括采取等式约束的形式的电转换器模型和/或包括另外的不等式约束，其中之一可以是，触发角小于或等于上界。

根据本发明的实施例，在确定之后，上界降低了安全裕度。所确定的上界可以降低安全裕度，例如以确保电转换器的操作点的突变不会导致晶闸管臂的误触发。这样的安全裕度还可以确保，在比实际dc电流更高的dc电流可能被换向的故障情况下，具有更高的换向电感（例如，这是由于更长的电缆而导致的）的电机还可以由电转换器供电，和/或机器侧上的整流过的dc电压可以小于线路侧上的最大可能的整流过的dc电压。此外，这样的安全裕度可以说明电流、电压和/或速度测量结果的不确定性、三相电压的相估计中的不确定性和/或晶闸管臂的触发中的延迟。

根据本发明的实施例，电转换器的相电压被测量，并且晶闸管臂的换向时间窗的持续时间从相电压的变化确定，其中，基于所确定的换向时间窗来确定触发角的上界。换向时间窗的确定不仅可以基于对换向时间窗的长度基于电转换器的当前状态（currentstate）来进行建模的公式，而且还可以直接从电转换器的相输出处测量的电压的曲线特性来确定。例如，两个相的换向时间窗的持续时间可以被确定为时间窗，其中，这些相之间的相间电压基本上为零，即，小于设置的电压阈值。

一般而言，如果换向时间窗的持续时间的测量结果是可用的，则可以使用那些测量结果代替所计算的窗长度和/或除了所计算的换向时间窗长度之外还可以使用那些测量，以提高所计算的上界的准确度。

根据本发明的实施例，电转换器的相电压被测量，并且从所测量的相电压来确定换向电感，其中，基于所确定的换向电感来确定触发角的上界。用于计算换向时间窗的公式可以包括对换向的相之间的电感进行建模的换向电感。该换向电感可以离线估计，或者如此处的情况下，可以从测量的相电压在线确定。这些测量可以用于提高换向电感的准确度，使得所计算的换向时间窗长度的准确度提高。

本发明的另外的方面涉及用于电转换器的控制器，其中，控制器适合于实行如上文和下文中所描述的方法。例如，控制器可以基于dsp和/或fpga。也可能的是，该方法至少部分地在软件中实现，和/或该方法在由控制器提供的处理器中运行。

根据本发明的实施例，控制器包括：上界确定级，适合于基于电转换器中的测量结果来确定上界；以及触发角确定级，适合于基于电转换器中的测量结果来确定触发角。上界确定级和触发角确定级可以在一个控制器的不同的模块中实现和/或可以在不同的硬件中实现。

上界确定级可以被视为适合于确定关于触发角的上界的角限制器。上界确定级可以计算换向窗的长度和/或断开或恢复时间窗的长度，以确定触发角的上界。考虑影响当前操作点处的上界的值的因素，可以在线重复实行计算。这些因素可以包括dc链路电流、定子电压、转子速度以及晶闸管温度。

触发角确定级可以与来自由上界定义的角的范围内的触发角的确定和/或选择有关。该确定和/或选择可以由可基于模型预测控制的转矩和/或电流控制器来实行。备选地，如果触发角确定级不能显式地遵守约束，则由角限制器确定的上界可以凭经验应用于由触发角确定级确定的触发角，例如以确保不发生误触发。

本发明的另外的方面涉及包括如上文和下文中所描述的控制器的电驱动器系统。电驱动器系统可以被视为电流源转换器系统。必须理解，如上文和下文中所描述的方法的特征可以是如上文和下文中所描述的控制器和/或驱动器系统的特征，并且反之亦然。

此外，电驱动器系统可以包括：线路侧桥，用于对输入多相电流进行整流；机器侧桥，用于生成输出多相电流；以及可能具有电感器的dc链路，将线路侧桥和机器侧桥互连；其中，线路侧桥和/或机器侧桥是晶闸管桥，并且其中，控制器适合于控制线路侧桥和/或机器侧桥。

控制器可以控制线路侧桥或机器侧桥。也可能的是，控制器可以控制线路侧桥和机器侧桥两者。必须理解，在线路侧桥的情况下，特别地，当功率从由线路侧桥供电的电机流向电力网时，对电力网的输入相还可以被视为相输出。

例如，仅仅用作整流器的桥可以基于二极管，即，可以是二极管整流器。

根据本发明的实施例，线路侧桥和/或机器侧桥包括诸如三相桥之类的两个或更多个多相桥。线路侧桥和/或机器侧桥分别在线路侧上和/或在机器侧上可以包括一个多相桥或可以具有不同数量的串联和/或并联的这种桥。

根据本发明的实施例，电流源转换器可以具有不止一个dc链路，dc链路可以包含电感器或可以不包含电感器，和/或dc链路电感可以是可忽略的。

根据本发明的实施例，电流源转换器可以仅包括一个晶闸管桥。例如，下文中所描述的转换器如果其晶闸管桥，即，dc链路和整流器，可以被dc电流源取代并且晶闸管桥的相可以连接到可能具有感应性质的ac电压源而不是电机，则可以减少到一个。例如，电流源转换器可以是hvdc站的终端。

根据本发明的实施例，电驱动器系统还包括由逆变器供电的同步电动机。通过切换逆变器的晶闸管，控制器可以控制可以在工业环境下例如用于驱动泵或涡轮的电动机的速度。然而，也可能是，电动机在发电机模式下操作，并且生成经由电转换器供应到电力网的电功率。

将参考下文中所描述的实施例而显而易见并且阐明本发明的这些方面及其它方面。

附图说明

将参考附图中所图示的示范性的实施例，在下面的文本中更详细地解释本发明的主题。

图1示意性地示出根据本发明的实施例的电驱动器系统。

图2a和图2b示出图1的电驱动器系统的相间电压的图。

图3示意性地示出根据本发明的实施例的控制器。

图4示出用于从图1的电驱动器系统的一个相换向到另一相的等效电路。

在参考符号列表中，以概要的形式列出附图中所使用的参考符号及其含义。原则上，在附图中，为相同的部分提供相同的参考符号。

具体实施方式

系统综述

图1示出电驱动器系统10，电驱动器系统10包括电转换器12，电转换器12用于将来自电力网16的多相ac电流转换成将供应到电机14的多相电流。可能的是，流过转换器12的功率是从电网到电机14，或反之亦然，是从电机14流到电网16。

负载换向转换器12经由变换器18连接到电网16，变换器18将来自电网16的三相电流变换成具有两对三个相的电流。在机器侧上，转换器12还生成具有两对相的电流，这两对相供应到双绕组同步机器14。

电机14的转子借助于激励系统20来激励和/或附接到驱动轴（driveshaft）24和诸如泵或涡轮之类的某个机械设备26。

转换器12包括线路侧桥28、具有电感32的dc链路30以及机器侧桥34。线路侧桥28和机器侧桥34两者都在所谓的12脉冲配置中，意味着它们各自由两个具有六个晶闸管臂38的三相桥36组成。对于线路侧桥28和机器侧桥34，第一和第二三相桥被指示为36a和36b。

每个三相桥36包括三个相脚40，其中的每个包括采取晶闸管臂38的形式的上臂42a和下臂42b。相脚40在dc链路30侧处并联连接，并且提供两个臂42a、42b之间的中点，ac电流的对应的相被连接到该中点。

必须注意，在此以及在下文中，一个晶闸管臂38可以包括串联和/或并联连接并且同时切换的一个、两个或更多个晶闸管。

线路侧桥28的两个三相桥36a、36b的正侧经由dc链路30的电感器32与桥34的两个三相桥36a、36b的正侧连接。线路侧桥28的两个三相桥36a、36b的负侧与桥34的两个多相桥36a、36b的负侧交叉连接，使得负侧与三相桥中的作为正侧的另一个连接。

双绕组同步机器14具有彼此以30°的相位差安装的两组三相绕组。在不失一般性的情况下，在下文中假设施加到多相桥36b的定子电压以30°滞后于多相桥36a处的定子电压。

虽然图1中所示出的系统10包括具有12脉冲配置的转换器12，但诸如6脉冲、18脉冲或24脉冲配置之类的其它配置也是可能的。例如，图1的转换器12可以在线路侧和/或机器侧上包括一个、两个、三个或更多个多相桥36。可以通过多相桥36的数量与6相乘来计算脉冲数。

在图1中所示出的配置中，来自三相桥36b的定子电压可能以30度滞后于来自三相桥36a的定子电压。通过操作以30度相移的两个三相晶闸管桥36a、36b，可以减少驱动转矩中的谐波。名称“12脉冲配置”源于下述事实：对于转换器12的ac侧上的每个ac电压周期，每个晶闸管臂38被触发一次，导致每周期十二个脉冲。对于机器侧桥34的三相桥36，晶闸管臂38另外指示为将相r、s和t连接到dc链路30的正电位和负电位的rp、sp、tp、rn、sn、tn。线路侧桥28的三相桥36的晶闸管臂38可以类似地命名。

图2a示出机器侧相间电压u。图2b更详细地示出图2a的区段。电压u以v为单位提供。在图2a中，经由一个360°的周期的相角，即，经过转子的一次旋转的相角来描绘电压u。图2示出100°与200°之间的区段。

图2a和图2b示出由于相之间的换向而引起的换向时间窗42，对于换向时间窗42，示出相间电压。该换向是由于晶闸管臂38以触发角44的触发而引起的。在此示例中，当两个相都短路，直到电流传导从一个相转移到下一个相为止时，晶闸管臂38的触发角是145°度。该过程被称为换向，并且换向时间窗42可以是当相间电压u基本上为零时的时间窗。换向窗42的长度也可以表示为换向长度、换向时间或换向角。

电压u中的其它锯齿状（indention）是由于其它相之间的换向而引起的。然而，在一个周期期间，一个晶闸管臂可能仅被触发一次，并且因此，每周期可能仅存在一个换向时间窗42。

在换向时间窗42之后，断开或恢复时间窗46立即开始：断开的晶闸管臂38要求利用负晶闸管电压（其对应于正的相间电压）来恢复的一段时间，以便重新获得其阻断状态。换句话说，换向时间窗42和恢复时间窗44两者都必须在定子电压的相变为负之前完成。恢复时间窗46的长度也可以表示为断开时间、断开角恢复时间或恢复角。

换向时间窗42的长度和恢复时间窗46的长度取决于电驱动器系统10的当前状态，尤其是取决于相r、s、t中的相电压、dc链路电流、晶闸管臂38的一个或多个晶闸管的结温、和/或触发角44。

控制系统

图3示出具有电转换器12的电驱动器系统10，所述电转换器12具有由dc链路30互连的线路侧桥28和机器侧桥34。在图3中，仅示出两个三相桥36。然而，电转换器12可以如图1中所示出的电转换器那样设计。

此外，图3示出具有用于控制电驱动器系统10的若干控制模块和/或控制级的控制器48。这些模块和/或级可以在一个控制单元中或在若干控制单元中实现，即，在相同或不同的硬件装置中实现。

速度控制器级50接收电机14的实际速度52和参考速度54，并且为触发角确定级58确定参考56。例如，参考56可以是参考转矩和/或参考dc链路电流。实际速度52还被供应到激励控制器级60，激励控制器级60控制电机14的激励系统20。另外，在转换器12的输出相中测量的相电压62的测量结果被供应到激励控制器级60。

速度控制器50的参考56被供应到触发角确定级64，触发角确定级64确定晶闸管桥28、34的触发角44。触发角44被供应到触发逻辑级68，触发逻辑级68从触发角确定触发信号70。另外，晶闸管桥28、34的输入相或输出相中的相电压62的电压测量结果被供应到触发逻辑级68，该电压测量结果还用于确定触发信号70。触发信号70可以包括触发实例，即，相应的晶闸管臂38要被触发时的时间。

上界确定级72接收dc链路电流74的电流测量结果，该电流测量结果还被供应到触发角确定级64。上界确定级72确定触发角44的上界76。例如，确定上界76，使得它允许晶闸管臂38在没有误触发的情况下的换向和恢复。基于转换器12的当前操作点，确定最大的可能的线路侧和/或机器侧触发角，即，相应的触发角44的上界76。必须注意，为线路侧桥28确定的上界76通常不同于为机器侧桥34确定的上界。在此情况下，上界确定级72确定两个不同的上界。

上界76被供应到触发角确定级64，以支持触发角44的确定。例如，当触发角确定级64基于模型预测控制来实现时，上界76可以用作约束。

必须注意，输入和/或输出相中的相电压的电压测量结果62还可以被供应到触发角确定级64和/或上界确定级72。

备选地，触发角确定级64可以省略，并且（线路侧和/或机器侧的）（一个或多个）上界76可以被直接供应到（一个或多个）触发逻辑级68。作为另外的备选，（一个或多个）触发角44可以独立于（一个或多个）上界76和（一个或多个）触发角44的最小值来确定，并且相应的上界76可以被供应到（一个或多个）触发逻辑级68。

控制方法

在下文中，将描述用于图1中所示出的电驱动器系统的控制方法。该方法可以由图3中所示出的控制器实行。

一般而言，晶闸管桥28、34的晶闸管臂38由线路侧桥28或机器侧桥34的相应的触发逻辑级68周期性切换。给两个触发逻辑级68都提供触发角44，触发角44确定晶闸管臂的切换信号或切换时刻70。可以相对于相应的输出相的相角，即，线路侧桥28的ac相或机器侧桥34的ac相的相角来提供触发角44。

可能的是，在晶闸管臂38被切换的每个时刻或针对更长的时间间隔，确定触发角44的新值。例如，控制级64和68可以异步操作。

上界确定

一般而言，上界确定级72为线路侧桥28和/或机器侧桥34的晶闸管臂38的触发角66确定上界76。上界76可以从电转换器12中的电压和电流测量结果74、62来确定。

上界确定级72的目标可以是针对电转换器12的当前操作点来计算触发角44的上界76，使得避免晶闸管臂的误触发。触发角44的上界76可以通过对下面的优化问题进行求解来确定：

此处，表示关于触发角44的上界76，tc表示换向时间窗42的持续时间，以及tr表示恢复时间窗46的持续时间（全都以弧度为单位计量，即180°=π）。下面将描述的是，tc和tr两者都是取决于触发角44的函数。n是周期性切换的晶闸管臂的数量，例如，对于图1中所示出的晶闸管桥28、34中的一个，n=12。一般而言，每个三相桥36占有6个晶闸管臂，使得当m是三相桥36的数量时，n=6m。

约束确保换向时间窗52和恢复时间窗46两者都由于达到180°度或由于随后触发下一个晶闸管臂38而在关注的相间电压（参见图2a和图2b）变为负之前发生。

总之，使触发角44的上界、76最大化，使得上界76连同时间窗42、46，即，取决于触发角44而小于或等于180°，并且时间窗42、56小于或等于360°除以周期性切换的晶闸管臂38的数量。

时间窗可以是晶闸管臂38的换向时间窗tc、42和恢复时间窗tr、46的和。

为了计算上界、76，晶闸管臂38的换向时间窗42和恢复时间窗46的长度可能需要被计算和/或可以作为公式来提供。

例如，该计算可以基于诸如图4中所示出的、对于两个换向的相的等效模型。此处，针对每个相，同步电机14被建模为ac电压源和换向电感78。作为示例，两个晶闸管臂38表示为rp和sp。在换向期间，两个晶闸管臂rp、sp都在传导，并且换向时间窗42的长度tc是电压源14将一个相中的电流在使另一个相中的电流倾斜上升（rampingup）到dc电流的同时减小到零所需的时间。

能够从该等效模型中导出对于换向时间窗42的长度tc的方程：

在该方程中，f表示转子频率（或电网频率），l表示每个相的换向电感78，i表示dc链路电流，以及表示相间电压的均方根值。

另外地或备选地，可能的是，测量电转换器12的相电压62，并且从相电压62的变化确定晶闸管臂38的换向时间窗42的持续时间tc。

此外，换向电感l、78可以从所测量的相电压62来确定。

恢复时间窗42的长度tr可以通过诸如换向期间的dc电流的变化率di/dt、切换过程期间施加到晶闸管臂38的电压的变化率dv/dt或晶闸管的结温tj之类的多个贡献因素来确定。更正式地，该关系式（relation）能够阐述为：

精确关系式f可以取决于晶闸管的所使用的类型。换向期间的dc电流的变化率di/dt可以取决于转换器12的操作点，并且可以阐述为：

其中，表示触发角44。

缓冲（snubber）电路可以并联连接到晶闸管臂38，从而限制晶闸管电压的变化率dv/dt。

总之，换向时间窗42和/或恢复时间窗46可以取决于触发角44。换向时间窗42可以取决于电转换器12的输出相之间的相间电压、dc链路电流和触发角44中的至少一个。恢复时间窗46可以取决于dc链路电流的变化、切换期间施加到晶闸管臂38的电压的变化和/或晶闸管结温中的至少一个。

通常不测量晶闸管臂38的结处的温度tj，然而，如果晶闸管臂38附近的温度测量结果是可用的，则可以取决于转换器12的操作点，即，dc电流、触发角、定子电压以及转子速度而估计结温tj。

最后，在确定之后，上界、76可以被降低安全裕度。这可以是从上界、76减去的恒定值。

触发角确定

一般而言，确定晶闸管臂38的触发角44，使得触发角44小于或等于上界76。存在如何在上界76的帮助下确定触发角44的若干可能性。

在第一实施例中，通过将触发角44设置成触发角44的所确定的上界76来确定晶闸管臂38的触发角44。在该实施例中，省略了控制器48的级64。

在第二实施例中，无界触发角基于电转换器12中的测量结果62、74，其中，独立于上界76来确定无界触发角。在该实施例中，没有将上界76输入到控制器级64，但应用于触发逻辑级68的触发角44可以设置成无界触发角和上界76中的最小值。

在第三实施例中，基于上界76和电转换器12中的测量结果62、74来确定触发角44：在此情况下，上界76可以被输入到控制器级64，和/或上界76可以是对于确定触发角44的约束。

在下文中，将描述根据第三实施例的触发角确定级76。

模型预测控制触发角确定

触发角确定级64可以包括确定触发角44小于或等于由上界确定级72提供的上界76的电流控制器。在模型预测控制中，转换器12的数学模型被用于从触发角44预测转换器12的诸如有限时间范围上的dc链路电流之类的状态的演进，即转换器12的未来状态。

该预测用公式表示为具有使实际dc电流与其参考56的偏差和/或实际驱动转矩与其参考56的偏差最小化的目标的优化问题。其它目标可以是电机14的功率因子的最大化和/或触发角44的平稳变化。这些目标可以被编码成目标函数，目标函数必须最小化以实现目标。目标还可以被加权，而这些目标的权重可以确定那些目标之间的优先级（prioritization）。

在下文中，描述了可能的模型预测控制方法的可能的实施例，该模型预测控制方法可以由触发角确定级64实行。然而，其它实现也可以是可能的。

模型预测控制可以确定线路侧桥28和机器侧桥34两者的触发角44。线路侧桥28和机器侧桥34的控制动作因而可以由同一控制器级64确定，从而允许控制动作的系统协调。

数学预测模型可以在如下形式的常微分方程中阐述：

x(k+1)=f(x(k),u(k))

y(k)=g(x(k),u(k))

其中，k表示离散时间（时刻）；x(k)表示转换器12在时间k的状态；u(k)表示其在时间k的诸如触发角44之类的输入；以及y(k)表示转换器12和同步电机14在时间k的诸如电压、电流或转速之类的可测量的输出。虽然f(.)通常是描述转换器12的动态行为的非线性函数，但g(.)通常是描述输出如何取决于转换器12的状态和输入的非线性函数。

函数f(.)和g(.)必须是先验已知的，并且对于每种电力驱动器配置，它们可能是不同的（结构差异和参数差异是可能的）。因此，建模过程可能必须在所提出的控制器48的操作之前执行。

模型预测控制可以通过实时计算平台上的软件例程的集合来实行。软件例程的集合可以包括驱动器系统10的非线性数学预测模型、二次规划（qp）准备（preparation）算法以及二次规划（qp）求解器。

注意，在此节中，仅描述一个可能的实施例，然而，存在多个备选实施例。例如，可以直接借助于非线性问题求解器对非线性优化问题进行求解，或者可以通过在每个采样实例处将数学预测模型线性化来实现从非线性问题中导出二次规划。备选地，人们还可以对简化的问题进行求解而代替对全非线性问题进行求解，该简化的问题仍然包含诸如双线性项之类的非线性。此外，人们还可以决定不在线对优化问题进行求解，而是遵循所谓的显式模型预测控制方法，其中，离线对优化问题进行参数式（parametrically）求解并且在线过程缩减成对该解进行评估以便进行当前状态估计。

在执行之前，软件例程可能需要借助于初始化阶段来准备，之后，在线阶段中可以运行软件例程。

初始化阶段（离线）

在初始化阶段中，准备模型预测控制以便应用于驱动器系统10。该准备可以包括两个步骤：

1.提供电力驱动器系统10的动态模型，以及

2.为电气驱动器系统10选择目标和约束。

对受约束的最优控制问题进行求解（在线）

在初始化之后，软件例程可以在诸如实时计算平台之类的控制器级64中，例如每几百微秒周期性地在线执行。软件例程可以按以下序列实施：

步骤1：二次规划（qp）子问题的在线整合（integration）和公式化（formulation）

第一步骤将受约束的有限时间最优控制问题线性化，以得出采取二次规划（qp）的形式的子问题，这比原始问题更易于求解。为了这样做，沿着开始于初始状态的当前估计的预测对非线性模型进行整合以确定未来状态。另外，确定所预测的未来状态相对于初始状态以及控制输入的一阶导数。

非线性模型和一阶导数计算的此整合作出（deliver）原始模型的线性化的公式化：

ξ(k)=akξ(k)+bku(k)+fk

η(k)=ckξ(k)+dku(k)+gk

基于该线性化的模型公式化，能够用公式表示模型预测控制问题的线性化版本，这等同于凸二次规划（qp）：

使(z-r)^tq(z-r)关于z而最小化

服从ginz<=bin，以及geqz=beq。

其中，在沿着（长度为p的）预测范围的所有时刻在如下向量内：

z=[ξ(k),u(k),ξ(k+1),u(k+1),…,ξ(k+p-1),u(k+p-1),ξ(k+p)]

以及在如下向量内针对未来状态和控制输入的参考值：

r=[ξref(k),uref(k),ξref(k+1),uref(k+1),…,ξref(k+p-1),uref(k+p-1),ξref(k+p)]

收集状态ξ(k)和控制输入u(k)。

二次目标函数(z-r)^tq(z-r)惩罚所预测的状态和输入z与它们的参考r的偏差，其中，q是用于对模型预测控制进行调谐的半正定二次权矩阵。

线性化模型方程借助于等式约束ginz<=bin合并到二次规划（qp）问题中。geq和beq可以采取紧凑形式在整个预测范围上表示线性化状态更新方程。对状态和控制输入的物理限制和/或期望的限制可以借助于由geq和beq给定的不等式约束来合并。

注意，上面的二次规划（qp）公式化可以适合于合并所预测的可测量输出η(k)而代替所预测的状态ξ(k)。

另外注意，可以提供上文中所提到的二次规划（qp）公式化的许多变型和扩展。例如，避免优化问题的不可行性的软约束、移动阻断（moveblocking），以及多重（multiplex）模型预测控制可以用于减小优化问题的大小。

此外，目标函数可以包括形式为gt(z-r)的线性目标项，其中，梯度g是提供惩罚设置点偏差的更大的灵活性的附加调谐参数。此外，人们还能够使用所谓的δu-公式化而代替提供控制输入的设置点，并且还能使连续的控制输入之间的差最小化而代替它们与给定的稳态值的偏差。

最后注意，二次规划（qp）问题公式化可以表现出特殊稀疏性结构，因为，它包括状态和控制输入两者的优化变量。依据计算效率采用该结构的一种方式可以是采用稀疏二次规划（qp）求解器。另一种方法是使用线性化状态更新方程从向量z以及因而从二次规划（qp）问题公式化移除除了初始状态ξ(k)以外的全部。这可能得出规模较小但密集的二次规划（qp）问题。该第二种方法可能在短期预测范围上是更高效的。

步骤2：对二次规划（qp）子问题进行求解以及控制动作的实现

对如步骤1中所描述的（以任一种形式的）凸二次规划（qp）进行求解可以使用现有的二次规划（qp）求解器，以快速并且可靠的方式进行。二次规划（qp）求解器可以有能力在毫秒或更小的范围内对小规模的二次规划（qp）问题进行求解。通过这样做，在时刻k获得可能近似的最优解zopt(k)，其包括在时刻k的优化的控制输入动作uopt(k)。

仅优化的控制输入分布（profile）的该第一段uopt(k)可以用移动范围的方式实现。优化的触发角44可以作为参考值分配给触发逻辑级66。

在下一个采样时刻，可从步骤1开始重复整个过程。

虽然在附图和前文的描述中，详细地图示并且描述了本发明，但这样的图示和描述要被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。实践要求保护的本发明的本领域技术人员能够根据对附图、公开内容以及所附权利要求的研究来理解并且实施针对所公开的实施例的其它变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可以实现权利要求中所叙述的若干项的功能。仅仅在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实不指示这些措施的组合不能用于获利。权利要求中的任何参考符号都不应当被解释为限制范围。

参考符号列表

10电驱动器系统

12电转换器

14电机

16电力网

18变换器

20激励系统

24驱动轴

26机械设备

28线路侧桥

30dc链路

32电感

34机器侧桥

36三相桥、十二脉冲桥

36a第一三相桥、六脉冲桥

36b第二三相桥、六脉冲桥

38晶闸管臂

40相脚

r相

s相

t相

rp相脚的正臂的晶闸管

sp相脚的正臂的晶闸管

tp相脚的正臂的晶闸管

rn相脚的负臂的晶闸管

sn相脚的负臂的晶闸管

tn相脚的负臂的晶闸管

42换向时间窗

44触发角

46恢复时间窗

48控制器

50速度控制器级

52实际速度

54参考速度

56对于触发角确定级的参考

58触发角确定级

60激励控制器级

62相电压测量结果

64触发角确定级

68触发逻辑级

70触发信号

72上界确定级

74dc链路电流测量结果

76上界

78换向电感