多电平驱动器半dc总线电力供应的制作方法
【专利摘要】本发明公开再生驱动器(30)和用于将电力从此再生驱动器提供至至少一个辅助电力供应(41、43)的方法。所述驱动器可包括通过DC总线(33)连接的转换器(32)和逆变器(34)，和控制器(54)，所述控制器(54)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)，并且在所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)被不均匀地负荷时，提供所述DC总线(33)的所述上部分(130)两端的所述输出电压的约一半和所述DC总线(33)的所述下部分(136)两端的所述输出电压的约一半。第一辅助电力供应(41)可连接至所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的一个，并且可从所述多电平再生驱动器(30)接收电力。
【专利说明】多电平驱动器半DC总线电力供应
[0001 ] 公开领域
[0002]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。
[0003]公开背景
[0004]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。
[0005]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，逆变器的电力需求由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通常被称为再生。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。
[0006]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。
[0007]公开概述
[0008]本公开的示例性实施方案针对用于将电力从多电平再生驱动器提供至至少一个辅助电力供应的方法。多电平再生驱动器可包括通过DC总线操作性地连接至逆变器的转换器，所述DC总线具有由正端子和中性点界定的上部分和由中性点和负端子界定的下部分。逆变器可联接至电动机。DC总线具有输出电压。所述方法可包括:生成用于电动机的每个相的上臂和下臂的工作周期信号，所述工作周期信号在中性点处将中性点电流维持在约零安培处;和当DC总线的上部分和下部分被不均匀地负荷时，提供DC总线的上部分两端的输出电压的约一半和DC总线的下部分两端的输出电压的约一半。第一辅助电力供应可连接至DC总线的上部分和下部分中的一个，并且可从多电平再生驱动器接收电力。
[0009]在一个改进中，第二辅助电力供应可连接至DC总线的上部分和下部分中的另一个，并且可从多电平再生驱动器接收电力。
[0010]在另一改进中，方法可还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。在又一改进中，将单极调制和双极调制中的至少一个应用于转换器包括将单极调制应用于转换器。在又另一改进中，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将双极调制应用于逆变器。替代地，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。替代地，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。
[0011]在一个改进中，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。
[0012]另一示例性实施方案针对用于将电力从具有电动机的机械系统提供至至少一个辅助电力供应的系统。所述系统可包括:转换器，其操作性地连接至电源;DC总线;逆变器，其操作性地连接至机械系统的电动机；以及至少一个控制器，其处于与转换器和逆变器通信中。转换器可具有处于与电源选择性通信中的多个晶体管和二极管。DC总线可具有由正端子和中性点界定的上部分和由中性点和负端子界定的下部分。逆变器和转换器可通过DC总线操作性地连接。逆变器可具有处于与电动机选择性通信中的多个晶体管和二极管。至少一个控制器可被配置来在DC总线的上部分和下部分被不均匀地负荷时，提供DC总线的上部分两端的输出电压的约一半和DC总线的下部分两端的输出电压的约一半，其中第一辅助电力供应可连接至DC总线的上部分和下部分中的一个，并且可从DC总线的上部分和下部分中的一个接收电力。
[0013]在一个改进中，第二辅助电力供应可连接至DC总线的上部分和下部分中的另一个，并且可从DC总线的上部分和下部分中的另一个接收电力。在另一改进中，至少一个控制器可还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。在另一改进中，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。在另一改进中，至少一个控制器可还被配置来将单极调制应用于转换器，并且将单极调制和双极调制两者应用于逆变器。在另一改进中，至少一个控制器可还被配置来将双极调制应用于转换器并将双极调制应用于逆变器。在另一改进中，转换器和逆变器可具有中性点钳位、T型或基于反向阻断绝缘栅双极晶体管的拓扑。在另一改进中，机械系统可为电梯系统。
[0014]另一示例性实施方案针对电梯系统，所述电梯系统连接至至少一个辅助电力供应。所述电梯系统可包括:电梯轿厢，其安置在电梯井中；电动机，其操作性地连接至电梯轿厢；电源，其操作性地连接至电动机;转换器，其操作性地连接至电源;DC总线;逆变器，其操作性地连接至电动机；以及至少一个控制器，其处于与转换器和逆变器通信中。电动机可生成推力以在电梯井内移动电梯轿厢。电源可将电力供应至电动机。转换器可具有处于与电源选择性通信中的多个晶体管和二极管。DC总线可具有由正端子和中性点界定的上部分和由中性点和负端子界定的下部分。逆变器和转换器可通过DC总线操作性地连接。逆变器可具有处于与电动机选择性通信中的多个晶体管和二极管。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。至少一个控制器可还被配置来在DC总线的上部分和下部分被不均匀地负荷时，提供DC总线的上部分两端的输出电压的约一半和DC总线的下部分两端的输出电压的约一半。第一辅助电力供应可连接至DC总线的上部分和下部分中的一个，并且从DC总线的上部分和下部分中的一个接收电力。
[0015]在一个改进中，第二辅助电力供应可连接至DC总线的上部分和下部分中的另一个，并且从DC总线的上部分和下部分中的另一个接收电力。在另一改进中，至少一个控制器可还被配置来在同时将双极调制应用于逆变器时，将单极调制应用于转换器。在另一改进中，至少一个控制器可还被配置来在同时在电梯轿厢的加速期间将双极调制应用于逆变器并且在恒定速度期间将单极调制应用于逆变器时，将单极调制应用于转换器。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]附图简述
[0019]图1是根据本公开的示例性实施方案的电梯系统的示意性表示；
[0020]图2是根据本公开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；
[0021]图3是根据本公开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；
[0022]图4是根据本公开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不;
[0023]图5是根据本公开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；
[0024]图6是根据本公开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；
[0025]图7是根据本公开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；
[0026]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；
[0027]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；
[0028]图10是例示根据本公开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。
[0029]图11是根据本公开的示例性实施方案的用于图2、图4和图6的逆变器或转换器的控制器的不意性表不;
[0030]图12是根据本公开的示例性实施方案的用于图11的控制器的热和中性点平衡调节器的示意性表示；
[0031]图13是根据本公开的示例性实施方案的用于图11的控制器的PWM调制器内的三角比较的图表；
[0032]图14是例示根据另一个示例性实施方案的用于控制逆变器或转换器的示例性过程的流程图；
[0033]图15是例示归因于死区时间效应的电流失真的现有技术的电流波形的图表；
[0034]图16是具有使用本公开的调制技术的死区时间补偿的电流波形的图表；
[0035]图17是示出现有技术的三相电流的模拟结果的图表；
[0036]图18是示出使用本公开的调制技术的中性点电流的模拟结果的图表；
[0037]图19是示出用于现有技术的NPC和T型拓扑两者中的最大装置j-c温度上升ATjc的模拟结果的图表；
[0038]图20是示出根据本公开的各种示例性实施方案的用于使用调制技术的NPC和T型拓扑两者中的最大装置j_c温度上升△ L。的模拟结果的图表;以及
[0039]图21是例示跨接在正端子与中性点之间的DC总线的上部分两端的辅助电力供应和跨接在中性点与负端子之间的DC总线的下部分两端的辅助电力供应的示意性表示。
[0040]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。
[0041 ] 详细描述
[0042]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。
[0043]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。
[0044]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。另夕卜，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。应当注意，虽然电源29被展示为三相AC电力供应，但是再生驱动器30可适合于从任何类型的电源接收电力，所述任何类型的电源包括单相AC电源和DC电源。
[0045]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可通过直流电(DC)总线33彼此连接。更具体地说，DC总线33可包括上DC总线38和下DC总线39，并且转换器32和逆变器34可通过上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 AC总线33可被认为具有上部分130和下部分136。上部分130可由DC总线33的正端子132和中性点134界定，并且下部分136可由中性点134和负端子138界定。
[0046]此外，转换器32的每个相脚R、S、T可包括处于与电源29的每个相37选择性通信中的多个电力晶体管电路44，并且逆变器34的每个相脚W、V、U可包括处于与电动机28的每个相37选择性通信中的多个电力晶体管电路44。更具体地说，转换器32和逆变器32中的所述多个电力晶体管电路44可包括多个晶体管T1-T4和多个二极管D1-D6。每个晶体管T1-T4可为例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。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。
[0047]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NPC拓扑中，每个相脚可包括钳位二极管D5、D6。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AT NPC型或基于反向阻断IGBT的拓扑50。在这些实施方案中，每个相脚36可包括四个IGBT T1-T4。
[0048]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的电力晶体管电路44中的晶体管T1-T4的栅或基极。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IGBT T1-T4中的每一个。控制器54可被编程来应用脉冲宽度调制(P丽)以产生选通脉冲，以便周期地切换转换器32和逆变器34的晶体管Tl-TLPWM是可用来进行以下操作的调制技术:将来自转换器32的DC电力提供至上DC总线38和下DC总线39;将来自逆变器34的三相AC电力提供至电动机28;以及再生地将来自逆变器34的DC电力提供至上DC总线38和下DC总线39，并将三相AC电力提供至电源29。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。
[0049]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PffM: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Tl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。
[0050]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56JGBTTl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IGBT T2和T4可在Tl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IGBT Tl和T3的切换，而负部分60控制IGBT T2和T4的切换。
[0051 ] 对于单极调制，当IGBT中的一对，S卩Tl和T3正在切换时，IGBT中的另一对，S卩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(IGBT Tl和T3的切换)非零时，负调制波形60 (IGBT T2和T4的切换)为零。类似地，当负调制波形60 (IGBT T2和T4的切换)非零时，正调制波形58(IGBT Tl和T3的切换)为零。
[0052]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IGBT T1-T4的切换。在一个PffM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。
[0053]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62JGBTTl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IGBT T2和T4可在Tl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IGBT Tl和T3的切换，而负部分66控制IGBT T2和T4的切换。
[0054]对于双极调制，在调制波形62的区域68中，所有四个Tl-T4可在一个PWM周期期间切换。正调制波形64(IGBT Tl和T3的切换)和负调制波形66(IGBT T2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(IGBT Tl和T3或IGBT T2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。
[0055]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。
[0056]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。
[0057]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。
[0058]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IGBT T1-T4的改进的热平衡，这导致用于IGBT的改进的大小选择。
[0059]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。
[0060]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。
[0061 ] 如图11中所示，控制器54可包括处于彼此通信中的模快82、84、86、88、90、92。更具体地说，外调节器82可接收控制命令信号和状态反馈信号以生成直接正交(D-Q)电流命令信号i*q、i*d。控制命令信号可为真实和无效电力、直流电(DC)链路电压等。状态反馈信号可为真实和无效电力、DC链路电压等。
[0062]D-Q电流调节器84可接收来自外调节器82的D-Q电流命令信号i*q、i*d，以及测量的D-Q电流信号iq、id，以生成D-Q工作周期命令信号D*q、D*d<3DQ/ABC变换模块86接收D-Q工作周期命令信号D*q、D*d和相角0JQ/ABC变换模块86将二相D-Q工作周期命令信号D*q、D*d转换成三相的量，从而生成三相工作周期信号D*abc。
[0063]三相工作周期信号D*abc和状态反馈信号被馈送至热和中性点(NP)平衡模块88。热和NP平衡模块88生成用于电动机的每个相的上臂和下臂的工作周期信号D*abc+、D*ab。—，所述工作周期信号平衡转换器32和/或逆变器34中的中性点电压和热应力。更具体地说，如图12中所示，热和NP平衡模块88可包括以下模块:谐波计算器104、DC电压差比例-积分(PI)调节器106和调制器108。
[0064]谐波计算器104接收状态反馈信号。基于状态反馈信号，谐波计算器104生成工作周期注入信号Dtm，所述工作周期注入信号平衡转换器32和/或逆变器34的NP电压。为确定工作周期注入信号Dtff2的值，谐波计算器104可使用例如但不限于查找表、线性方程组、非线性方程组等的技术加以实施。
[0065]工作周期注入信号Dtff2的较高值指示施加至转换器32和/或逆变器34的增加的注入。因此，增加的电流流过先前提及的拓扑中的外IGBT和二极管，而较小电流流过中性点路径。当输出电流为高并且频率为低时，可选取Dtff2的较高值。当转换器32/逆变器34具有减小的负载时，则DUf2的较低值可适合于开关损耗降低。在如此进行时，谐波计算器104最小化NP电流，以便维持逆变器的所需要的NP电压。
[0066]状态反馈信号可包括转换器32/逆变器34的上DC总线38与下DC总线39之间的电压差。上DC总线38与下DC总线39之间的电压差被馈送至DC电压差PI调节器106 JC电压差PI调节器106生成工作周期注入信号Dtm，所述工作周期注入信号消除稳态NP电压失衡并且具有缓慢的动态以便防止不稳定性。在如此进行时，DC电压差PI调节器106生成工作周期注入信号Dtm，所述工作周期注入信号平衡或减轻跨於转换器32/逆变器34中的多个装置的不均匀热应力。
[0067]连同三相工作周期信号D*abc—起，来自模块104、106的工作周期注入信号Dtm和Dtm被馈送至调制器108中。调制器108确定用于电动机的每个相的上臂和下臂的工作周期，从而生成工作周期信号D*abc+、D*ab。—。为计算用于每个相脚的上臂和下臂的工作周期，调制器108可使用以下公式:
[0068]D*i = D*abc+0.5[max(D*abc)+min(D*abc)]
[0069]D*abc+ = 0.5(D*1-min(D*i))+D*offi+D*off2 对于上臂
[0070]D*abc-= |0.5(D*i_max(D*i))卜D*0ffi+D*0ff2 对于下臂
[0071]其中0七为工作周期参考信号，D*ab。为三相工作周期信号，D*ab。+为用于上臂的工作周期信号，D*ab。-为用于下臂的工作周期信号，Dtm为来自DC电压差PI调节器106的工作周期注入信号，并且Dtff2为来自谐波计算器104的工作周期注入信号。
[0072]将理解，来自具有输出Dtm的DC电压差PI调节器106的中性点平衡算法和来自具有输出Dtff2的谐波计算器104的热平衡算法可独立地与各种基本脉冲宽度调制(PffM)技术一起使用。例如，在另一实施方案中，可修改以上方程组，并且调制器108可使用以下公式以便计算用于每个相脚的上臂和下臂的工作周期:
[0073]D*i = D*abc+0.5[max(D*abc)+min(D*abc)]
[0074]D*abc+ = D*i++D*0f f i+D*0f f 2 对于上臂
[0075]D*abc- = D*1--D*0f f i+D*0f f 2 对于下臂
[0076]其中0七为工作周期参考信号，D*ab。为三相工作周期信号，D*ab。+为用于上臂的工作周期信号，D*ab。-为用于下臂的工作周期信号，Dtm为来自DC电压差PI调节器106的工作周期注入信号，Dtm为来自谐波计算器104的工作周期注入信号，Dt-为工作周期的对应于i(=8、13或0)相的正侧，并且1>14-为工作周期的对应于；[(=3、13或0)相的负侧。
[0077]可使用的其他基本PffM技术包括但不限于空间向量PffM(SPffM)、具有三次谐波注入的正弦三角(8；[11-1:1^&1^16)?￥1、开关在交流电波形(例如，逆变器/转换器)中的一个大电流时段期间不切换的不连续PWM( DPffM)等。
[0078]参考回图11，死区时间补偿器90可从热和中性点(NP)平衡模块88接收工作周期信号D*abc+、D*abc-。死区时间补偿器90可修改工作周期信号D*abc+、D*abc-以补偿死区时间，从而生成修改后工作周期信号D**abc+、D**abc；-。可采用死区时间以防止跨於DC链路的击穿，以及保证交流电(AC)端子处的低电压变化率(dV/dt)应力。此外，适当的死区时间补偿的应用可防止由采用死区时间引入的电流失真。死区时间补偿可基于相电流方向、死区时间持续时间和PffM频率。死区时间补偿器90可使用以下公式确定用于每个相脚的死区时间补偿:
[0079]Δ D*COmp = -sine(i) XTdtXFs
[0080]D**abc+ = D*abc++Δ D*Comp 对于上臂
[0081]D**abc- = D*abc-- A D*comp 对于下臂
[0082]其中Δ D*_P为死区时间补偿，i为相电流方向，Tdt为死区时间持续时间，Fs为P丽频率，D*ab。+为用于上臂的工作周期信号，D*ab。-为用于下臂的工作周期信号，D**ab。+为用于上臂的修改后工作信号，并且D**ab。-为用于下臂的修改后工作信号。
[0083]Pmi调制器92可接收用于三角比较的修改后工作信号D**abc+、D**ab。—。三角比较控制电力电路中的半导体装置，并且可实施于PWM调制器92中，如图13中所例示。在PffM调制器92中可存在用于每个相脚的一个比较器，所述比较器针对(i = a、b、c)接收修改后正工作周期信号D#1+和修改后负工作周期信号D^1-。比较器随后可输出逻辑信号Tu?Tl4，所述逻辑信号控制转换器/逆变器中的对应IGBT(图2至图7)(其中I =打开并且0 =关闭)。分别将来自调制器的修改后正工作周期信号D**1 +和修改后负工作周期信号D*h—与两个载波Carrier+、Carrier_进行比较。两个载波Carrier+、Carrier_相移了一百八十度(180°)。以下示出逻辑计算:
[0084]若D*1.> Carrier+，则Tii = I，Ti3 = 0;否贝IjTii = O，Ti3= I
[0085]若D*i—> Carrier-，则Ti4= I，Ti2 = 0;否则Ti4 = 0，Ti2= I
[0086]其中D*1-为工作周期的对应于i(=a、b或c)相的负侧，D*1-为工作周期的对应于i(=a、b或c)相的正侧，Carrier+为载波的正侧，Carrier-为载波的负侧，并且Tii?Ti4为控制图2至图7中的对应IGBT的输出逻辑信号。
[0087]现在转到图14，并且继续参考图1至图13，示出用于控制联接至电动机28的转换器32和/或逆变器34的示例性过程110。在方框112处，控制器54可接收状态反馈信号和控制命令信号。在方框114处，控制器54可至少部分基于状态反馈信号来生成工作周期注入信号DtmJtrn。在方框116处，控制器54可至少部分基于控制命令信号来生成三相工作周期信号D*ab。。在方框118处，控制器54可生成用于电动机28的每个相的上臂和下臂的工作周期信号D*abG+、D*ab。-。工作周期信号D*abG+、D*ab。-可至少部分基于工作周期注入信号D*offl、D*off2和三相工作周期信号D*abc。此外，工作周期信号D*abc+、D*abc—平衡转换器32/逆变器34中的中性点电压和热应力。
[0088]现在转至图2、图4和图6，在其中所示的实施方案中，辅助电力供应41可跨接在正端子132与中性点134之间的DC总线33的上部分130两端，并且辅助电力供应43可跨接在中性点134与负端子138之间的DC总线33的下部分136两端。图21示出例示跨接在正端子132与中性点134之间的DC总线33的上部分130两端的辅助电力供应41和跨接在中性点134与负端子138之间的DC总线33的下部分136两端的辅助电力供应43的简化电路图。
[0089]由于从DC链路的上部分130和下部分136汲取的不均匀电力产生的不平衡电压通过DC链路的上部分130和下部分136中的每一个两端的电压的结合双极调制的应用的主动测量缓和。更具体地说，应用调制(例如，双极调制)，所述调制使用DC链路的上部分130与下部分136之间的电压差来将正确量的电流(鉴于以上提及的电压差)注入中性点134中，以便保持DC链路的上部分130和下部分136平衡。
[0090]将如图2、图4、图6和图21中所描绘的那些的拓扑和本文所描述的方法论利用于中性点平衡允许具有较低输入电压额定值(相较于否则将需要的)的辅助电力供应41、43将被连接至DC总线33的上部分130和下部分136，因为每个辅助电力供应41、43被供应整个DC总线(正端子132到负端子138)两端所见的电压的仅约一半。此外，连接至这些辅助电力供应41、43的部件不必针对DC总线33(从正端子132到负端子138)两端的整个电压降加以定额。这允许电气部件(连接至电力供应41、43)的使用，所述电气部件具有相较于否则将需要的较低电压额定值(在不存在跨于DC总线33的DC链路的分裂的情况下，连同所公开的方法论一起来将中性点134维持在全DC总线电压的约一半处)。这类较低额定部件易于被标准化并且不太昂贵。使每个辅助电力供应41、43参考DC总线33的中间也降低每个辅助电力供应41、43的隔离要求。另外，当再生驱动器关闭时，辅助电力供应41、43可用作使DC总线33的每一半放电的双重目的，从而替换可为昂贵的并且对系统增添不必要的损耗的平衡电阻。
[0091]工业适用性
[0092]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。
[0093]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。
[0094]用于控制系统和方法的所公开的调制公式对于数字控制器中的实施是便利的。使用所公开的调制公式，有可能控制中性点电流，以便平衡中性点电压，从而最小化DC链路电容要求。同时，转换器/逆变器中的热应力可在所有装置之间均匀地分布，这转化为逆变器电力吞吐量的显著增大和预期装置寿命的实质性增强。
[0095]所公开的控制器便利地管理装置的热应力，因为所公开的调制技术仅与一个控制变量(工作周期注入信号D*Qff2)有关，并且控制逻辑是简单的。此外，所公开的热平衡调制技术考虑到控制变量(工作周期注入信号D^ff2)的连续变化，从而消除对在中性点平衡PWM与双极PffM之间来回切换的需要并且改进电压总谐波失真。
[0096]此外，所公开的调制技术包括死区时间补偿。与图15中所示的现有技术电流波形相比，本公开的死区时间补偿改进归因于死区时间效应的电流失真，如图16中所示。
[0097]本文所公开的调制技术可在例如NPC、T型和反向阻断IGBT拓扑中用于三电平转换器和/或三电平逆变器。图17至图20描绘与现有技术相比的所公开调制技术的模拟结果。与图17中的现有技术结果相比，使用所公开的调制技术显著地最小化中性点电流，如图18中所示。与图19中的现有技术相比，使用所公开的调制技术也显著地降低最大装置j-c温度上升ΔΤ」。，如图20中所示。另外，所公开方法的益处是在不使用较高额定功率的装置或增添额外电路部件的情况下实现，并且实行所描述的方法所需要的增加的计算电力是最小的。
[0098]本文所公开的拓扑和调制技术允许用于转换器32/逆变器34的每个相的上臂和下臂的工作周期信号的生成，所述工作周期信号在中性点134处将中性点电流维持在约零安培处。这维持上部分130两端的总DC总线电压的约一半和DC总线33的下部分136两端的总DC总线电压的约一半；即使当DC总线33的上部分130和下部分136不平坦地负荷时。
[0099]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。
【主权项】
1.一种用于将电力从多电平再生驱动器(30)提供至至少一个辅助电力供应(41、43)的方法(70)，所述多电平再生驱动器(30)包括转换器(32)，所述转换器通过DC总线(33)操作性地连接至逆变器(34)，所述DC总线具有由正端子(132)和中性点(134)界定的上部分(130)和由所述中性点(134)和负端子(138)界定的下部分(136)，所述逆变器(34)联接至电动机(28)，所述DC总线(33)具有输出电压，所述方法包括: 生成用于所述电动机(28)的每个相的上臂和下臂的工作周期信号，所述工作周期信号在中性点(134)处将中性点电流维持在约零安培处；以及 当所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)被不均匀地负荷时，在所述DC总线(33)的所述上部分(130)两端提供所述输出电压的约一半并且在所述DC总线的所述下部分(136)两端提供所述输出电压的约一半，其中第一辅助电力供应(41)连接至所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的一个，并且从所述多电平再生驱动器(30)接收电力。2.如权利要求1所述的方法，其中第二辅助电力供应(43)连接至所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的另一个，并且从所述多电平再生驱动器(30)接收电力。3.如权利要求1所述的方法，其还包括: 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);以及 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)。4.如权利要求3所述的方法，其中所述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)包括将单极调制应用于所述转换器(32)。5.如权利要求4所述的方法，其中所述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)包括将双极调制应用于所述逆变器(34)。6.如权利要求4所述的方法，其中所述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)包括在第一时期期间将双极调制应用于所述逆变器(34)，和在第二时期期间将单极调制应用于所述逆变器(34)，其中所述第一时期可在所述第二时期之前或之后。7.如权利要求4所述的方法，其中所述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)包括在加速期间将双极调制应用于所述逆变器(34)和在恒定速度期间将单极调制应用于所述逆变器(34)。8.如权利要求3所述的方法，其中所述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)包括将双极调制应用于所述转换器(32)。9.一种用于将电力从具有电动机(28)的机械系统(20)提供至至少一个辅助电力供应(41)的系统(52)，所述系统包括: 转换器(32)，其操作性地连接至电源(29)，所述转换器(32)具有处于与所述电源(29)选择性通信中的多个晶体管(T)和二极管(D); DC总线(33)，其具有由正端子(132)和中性点(134)界定的上部分(130)和由所述中性点(134)和负端子(138)界定的下部分(136); 逆变器(34)，其操作性地连接至所述机械系统(20)的所述电动机(28)，所述逆变器(34)和所述转换器(32)通过所述DC总线(33)操作性地连接，所述逆变器(34)具有处于与所述电动机(28)选择性通信中的多个晶体管(T)和二极管(D);以及 至少一个控制器(54)，其处于与所述转换器(32)和所述逆变器(34)通信中，所述至少一个控制器(54)被配置来在所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)被不均匀地负荷时，在所述DC总线(33)的所述上部分(130)两端提供所述输出电压的约一半并且在所述DC总线(33)的所述下部分(136)两端提供所述输出电压的约一半，其中第一辅助电力供应(41)连接至所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的一个，并且从所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的所述一个接收电力。10.如权利要求9所述的系统，其中第二辅助电力供应(43)连接至所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的另一个，并且从所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的所述另一个接收电力。11.如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个控制器(54)还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)。12.如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个控制器(54)还被配置来将单极调制应用于所述转换器(32)并将双极调制应用于所述逆变器(34)。13.如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个控制器(54)还被配置来将单极调制应用于所述转换器(32)，并将单极调制和双极调制两者应用于所述逆变器(34)。14.如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个控制器(54)还被配置来将双极调制应用于所述转换器(32)并将双极调制应用于所述逆变器(34)。15.如权利要求9所述的系统，其中所述转换器(32)和所述逆变器(34)具有中性点钳位、T型或基于反向阻断绝缘栅双极晶体管的拓扑。16.如权利要求9所述的系统，其中所述机械系统(20)为电梯系统。17.—种电梯系统(20)，其连接至至少一个辅助电力供应(41、43)，所述电梯系统包括: 电梯轿厢(24)，其安置在电梯井(22)中； 电动机(28)，其操作性地连接至所述电梯轿厢(24)，所述电动机(28)生成推力以在所述电梯井(22)内移动所述电梯轿厢(24); 电源(29)，其操作性地连接至所述电动机(28)，所述电源(29)将电力供应至所述电动机(28); 转换器(32)，其操作性地连接至所述电源(29)，所述转换器(32)具有处于与所述电源(29)选择性通信中的多个晶体管(T)和二极管(D); DC总线(33)，其具有由正端子(132)和中性点(134)界定的上部分(130)和由所述中性点(134)和负端子(138)界定的下部分(136); 逆变器(34)，其操作性地连接至所述电动机(28)，所述逆变器(34)和所述转换器(32)通过所述DC总线(33)操作性地连接，并且所述逆变器(34)具有处于与所述电动机(28)选择性通信中的多个晶体管(T)和二极管(D);以及 至少一个控制器(54)，其处于与所述转换器和所述逆变器通信中，所述至少一个控制器(54)被配置来在单极模式和双极模式中的至少一个下将脉冲宽度调制选择性地应用于所述转换器(32)和所述逆变器(34)，所述至少一个控制器(54)还被配置来在所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)被不均匀地负荷时，在所述DC总线(33)的所述上部分(130)两端提供所述输出电压的约一半并且在所述DC总线(33)的所述下部分(136)两端提供所述输出电压的约一半，其中第一辅助电力供应(41)连接至所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的一个，并且从所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的所述一个接收电力。18.如权利要求17所述的电梯系统(20)，其中第二辅助电力供应(43)连接至所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(130、136)中的另一个，并且从所述DC总线(33)的所述上部分和下部分(I 30、136)中的所述另一个接收电力。19.如权利要求17所述的电梯系统(20)，其中所述控制器(54)还被配置来将单极调制应用于所述转换器(32)，同时将双极调制应用于所述逆变器(34)。20.如权利要求17所述的电梯系统(20)，其中所述至少一个控制器(54)还被配置来将单极调制应用于所述转换器(32)，同时在所述电梯轿厢(24)的加速期间将双极调制应用于所述逆变器(34)并且在恒定速度期间将单极调制应用于所述逆变器(34)。
【文档编号】B66B1/30GK105829224SQ201380081735
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2013年12月18日
【发明人】S.M.米勒, I.阿吉尔曼
【申请人】奥的斯电梯公司