一种控制流经驱动装置组件的电流的方法、设备与流程

本发明涉及对流经组件的电流进行控制，以优化变频驱动装置的输入组件，尤其涉及优化变频驱动装置的输入组件。本发明特别适合工作周期较短的应用，例如与吊车、起重机或卷扬机一同使用的应用，但不局限于此类应用。

背景技术：

变速变频器驱动装置一般用于在恒速驱动装置效率欠佳或不够理想的情况下控制电机输出。通常来说，变速驱动装置的应用为可变化的和/或间歇性工作。

为节省组件成本，可以为驱动装置选择其热时间常数比应用负载的工作周期时间大或者差不多的组件以利用此类组件应具备的短时过载能力。

为避免因疏忽发生的过载对驱动装置或控制组件造成的损坏，可以使用测温装置来监控组件温度，并在温度过高时使用变速驱动装置来实现停机。组件停止运行时，可以在空载的条件下对组件实现冷却。

或者，可以采用其他测量方法并使用合适的热模型来估算组件温度，例如（但不限于）测量组件中的电流和组件附近的温度。

除了由于温控方面的要求而需要选择不同组件以外，如果安装地点位于欧盟国家，对于系统中变频驱动装置的输入整流器以及射频干扰发射(RFI)所产生的线路谐波电流，也需要满足电磁兼容性(EMC)方面的限制要求。这通常需要在变频驱动装置的直流链路或交流输入电路中安装一个坚固的输入扼流圈，并在交流输入电路中安装一个RFI滤波器，且输入扼流圈和RFI滤波器都带有输入电流，并具有适当的额定功率。因此，满足EMC标准的组件的额定功率极大影响了电路的复杂性、性能和成本。

如上所述，在驱动装置和控制电路因疏忽而发生过载的情况下，执行组件温度的监控。由于EMC或RFI设置的其他组件，也可能会由于过载（过热）而造成系统停机。因此，通常也需要对这些组件进行额外监控，这样便增加了成本和电路复杂度。

随着全球认知度不断提高、电磁兼容(EMC)相关规定的出台，以及电源线谐波对于邻近电子设备的影响的增加，系统运转时应符合规定的EMC限制这一要求可能会推广到全球其他地点。

因此，有必要基于热特性及其EMC/RFI性能的实用性，在底层电路组件以及满足EMC/RFI要求的其他组件的选择上实现平衡。

技术实现要素：

一方面，本发明提供了一种控制流经驱动装置组件的电流的方法，具体包括以下步骤：估算流经组件的电流量、估算组件温度、将估算的组件温度与组件所需的最高温度进行比较，并根据比较结果来调整流经部件的电流。

此方法可应用于一个或多个串联组件或并联组件。

采用此方法后，便无需向需要测量温度的部件添加温度传感器了。这样就减少了实施成本，且不会因为传感器可能发生故障而降低可靠性。了解了其中有驱动装置运行的应用后，便可以更好地了解通过该组件的电流。此外，也可以降低问题组件的额定功率，因为驱动装置中的可用数据用于控制流经组件的电流，以避免或减缓过热现象，从而能够查找出额定功率过高的组件。

可选地，估算电流的步骤包括对负载中产生的扭矩或在负载中产生扭矩的并由驱动装置驱动的电流进行抽样。

可选地，估算电流的步骤还包括对由驱动装置驱动的电机的轴转速进行取样。

可选地，估算电流的步骤包括对驱动装置变频器的输出频率进行取样。

可选地，估算电流的步骤包括对驱动装置变频器的输出电压进行取样。

可选地，估算电流的步骤包括将负载中生成扭矩的电流与轴转速相乘，以估算由驱动装置驱动的电机的输入功率。

可选地，将比例因子应用于上述乘法的结果中。

可选地，估算电流的步骤包括在驱动装置的输入电流与电机的输入功率之间应用一种已知关系。

可选地，估算电流的步骤包括测量驱动装置直流链路中的电流。

可选地，估算温度的步骤包括根据流经组件的估算的电流来估算组件中的上升温度。

可选地，估算温度的步骤可进一步基于环境温度而估算组件中的上升温度。

可选地，调整电流的步骤包括对驱动装置变频器的输出进行调整。

可选地，调整电流的步骤包括调整驱动装置变频器的输出功率，以调整该变频器的输入电流。

可选地，调整驱动装置变频器的输出包括限制由驱动装置驱动的电机的速度。

可选地，调整驱动装置变频器的输出包括限制由驱动装置驱动的电机的加速度。

可选地，调整驱动装置变频器的输出包括限制由驱动装置驱动的电机的扭矩。

另一方面，本发明提供了一种控制流经驱动装置组件的电流的设备，该设备包含了执行上述方法所需的工具。该工具包含控制器，可能还包含变频器，其中该控制器为变频器的控制器。可使用驱动装置来驱动电机，该电机用来驱动吊车、起重机或卷扬机。

需要注意的是，在某些司法管辖区，“电梯”也被称为“升降机”。

附图说明

现在将参考以下附图对实施例进行详细说明，在这些附图中：

图1为本发明实施例之一提供的升降机构；

图2为升降机构中的电机轴转速的示例；

图3为升降机构中的电磁转矩的示例；

图4为升降机构中的变频器输出功率的示例；

图5为升降机构中的输入功率的示例；

图6为本发明实施例之一提供的方法的流程图。

具体实施方式

在包含了诸如交流电源、整流器、直流链路和用于在电机位置生成所需交流波形的输出变频器）等组件的电机变频驱动装置中，当电流从驱动装置流到电机时，输入电流即成为输出功率的一个函数，即关于机械负载的扭矩与机械负载的转速的乘积的函数。当电流从电机流到驱动装置（即通常所称的“高惯量”或“再生”）时，返回的功率通常会分散在制动电阻器或类似设备中，而此时的输入电流为零或接近零。

对于一组特定应用（例如位于吊车、起重机或卷扬机的驱动装置中），平均而言，约一半的主动负载带有高惯量负载，故输入功率在至少一半的运转时间内都接近零。在这些应用中，对于加速期间（此时转速和扭矩都接近最大值），其输出功率（即扭矩和转速的乘积）只在电机循环的一小部分中接近其最大值。

由于在吊车、起重机或卷扬机等低负载示例应用中表现出高惯量负载的特性，这些应用中的变频驱动装置的输入组件的负载一般远远低于驱动装置标准输入额定值的50%。对于如输入线路扼流线圈和射频干扰滤波器之类的电磁兼容组件，其热时间常数相当于或长于吊车、起重机或卷扬机的常见循环周期，这类组件可降低其电流额定值，以便将其减少的负载周期考虑在内。组件电流额定值的降低可能非常明显，并会进一步更加明显，因为此类组件中的功率损耗（导致产生热量）明显与电流的平方成正比，而反过来则与变频驱动装置的输出功率成正比。在负载驱动的初始阶段（后面部分会详细说明）高惯量负载（零耗散）的输入电流为零或接近零，虽然初始扭矩可能较高，但转速较低，因此输出功率会较低（输出功率与扭矩和转速的乘积成正比），这反过来会导致流经输入组件的输入电流较低。

因此，降低此类组件的电流额定值成为可能。这也降低了成本，缩减了组件尺寸，并由于功率损耗的降低而降低了铜之类材料的消耗量，因此此类组件所产生的热量可能不会高于考虑到预期最大可用输出功率时所产生的热量。

如图1所示，变频驱动装置1，该装置在此实施例中包括交流电源10，整流器11、直流连接12、输出变频器13（由控制器14控制，也包含了处理器15和可选的存储器16），变频驱动装置1可以驱动电机17。在操作时，变频器13具有输入电压、输入电流和输入功率(21)，以及输出电压、输出频率、输出电流和输出功率(22)。电流在电机高惯量时会从电机返回(23)。在此实施例中，电机17驱动升降机构24，该机构包含变速箱18、吊车19和平衡块20。可选地，电机17也可以通过相同方式驱动起重机或升降机构。可选地，也可以使用其他形式的变频驱动装置，例如使用直流电源的变频驱动装置。

进一步地，根据本发明实施例之一，变频驱动装置可为本领域技术人员熟知的变速驱动装置。合适驱动电机的变速驱动装置，可通过任意组合包含以下部分：

·输入整流器11，用于将交流电源转化为直流电源，其中整流器无法将电力从直流电路返回到交流电路10。

·相关的输入组件，如开关、保险丝、扼流线圈和射频干扰滤波器。如前所述，扼流线圈和RFI滤波器可用于实现EMC目的。

·直流滤波电路12。

·可在电机轴生成所需扭矩和转速的变频器13，该变频器可将直流电源转化为交流电源，其频率和电压由控制器14进行控制。变频器能够在任何方向上传输电力，既可以从直流电路传输到电机，也可以从电机传输到直流电路。

·控制变频器13的控制器14，该控制器一般包含微处理器15和存储器之类的其他电路。控制器可访问电流和电压(21,22,23)之类的各种测量参数，并可以将此类数据用于操作/驱动电机。

·配备了控制电路并连接到直流电路的制动电阻器，可在负载高惯量过载时吸收返回的电力。

驱动电机17之类的电机时，此类驱动装置不同组件的负载可总结如下：

·输入整流器11和相关输入组件可传导的电流(25)，该电流电机17的电力的函数，例如电机轴扭矩和转速以及相关损耗的乘积。采用高惯量负载时（即电机再次为变频器充电时），输入电流为零或接近零。

·变频器13传导的电流，该电流为电机开发中的扭矩，损耗和电机磁化电流的函数，不考虑功率流的方向。

·直流滤波电路传导电流，是输入电流(25)和输出电流(22)的一个复杂函数。

·制动电路传导的电流，此为只关于高惯量期间从电机返回的电流的函数，即为高惯量期间轴扭矩与转速减少损失的乘积。

·控制电路可持续运行。由于此原因，其功耗被认为可忽略不计。

在图1所示的系统中，可采取措施防止短时额定组件由于操作负载过长（或不正常）或环境温度过高等原因而产生过热现象。环境温度过高可由多种原因引起，例如（但不限于）部分屏蔽的驱动冷却风扇、建筑或位置中的驱动损耗，以及异常炎热的天气。

向此类系统添加额外的温度传感器，或将传感器连接到驱动装置控制器14的处理器15上或连接到其他智能控制器的处理器上，都会增加系统的成本和复杂度，因此都不太理想。

在“背景技术”提到的已知方法中，如果变频驱动装置1的组件温度过高，则驱动电机会在变频驱动装置跳闸、停机或切断电源时损失一定电量，例如，在检测到组件中温度过高后禁用控制器14。在现有的实施例中，为了在给过热组件降温时避免降低驱动装置的可用性，可使用控制器14中的处理器15来处理变频驱动装置1中的可用数据，在电机17的操作方式上，也可使用该可用数据影响驱动装置控制器14的操作。驱动装置控制器14的操作可能会在不同阶段受到以下因素的影响：

(a)电机的扭矩和/或加速度可能会受到限制。这会限制变频驱动装置1所有部分中的电流，从而限制问题组件出现过热现象。如果足够的扭矩被用于支持净负载，即考虑到平衡力，则对于应用（例如正在操作中的吊车、起重机或卷扬机电梯）的唯一影响就是会降低加速度，同时会小幅增加运行时间。

这是因为在加速时以及接近吊车、起重机或卷扬机的额定转速时，吊车、起重机或卷扬机的功率会达到峰值功率。在此阶段，扭矩用于支持吊车、起重机或卷扬机的负载，并用于支持加速惯性。达到额定转速后，就无需加速扭矩了。因此，限制扭矩并不会大幅延长运行时间，而只会延长达到最高转速所需的时间。

(b)如果单独的扭矩限制仍无法缓解组件过热问题，则可能会限制电机转速。这样会减少变频器13输入阶段中的电流，当驱动电机或制动电路时，且电机采用高惯量方式，也会减少位于直流滤波电路中的电流。降速会增加运行时间。

可选地，可以在无需执行(a)的情况下单独执行(b)。

可选地，可以使用远程处理器执行处理功能，且该处理器可经由通讯链路（如数字总线或其他有线或无线链接）从驱动装置访问相关数据。

如图2至图5所示，显示了客梯应用中测量的一个示例，其中电梯的运行周期为60秒，且是在电梯无负载时测量的。整个上升过程的耗时为从约0秒至30秒，而整个下降过程的耗时则为从约30秒至60秒。图2说明了电机17的轴转速，图3说明了变频器13中的处理器15（通过了解电流的幅度和相位，处理器可以估算电磁转矩）估算的电磁转矩，图4说明了变频器13的输出功率，而图5则说明了变频器13的输入功率。图4和图5中的波形是按照电机17的扭矩和转速的乘积来计算的。

由于平衡块20和升降机构的变速箱18中的摩擦力，在吊车上升时，变频器输出功率（见图4）约为-50%（即高惯量），而输入功率为零（见图5）。吊车下降期间，变频器的输出功率和输入功率都约为90%。在此示例中，变频器13的平均功率级别位于其额定等级27%的区域，而平均输入功率则位于其额定等级17%的区域，在图4和图5中分别进行了相应计算，计算出其总花费时间为56秒。在56秒的时间内，约90%的输入功率集中在约10秒的时间段（以参考数50来表示）内。如果限定在最大输入功率的情况下连续使用的话，循环期间变频驱动装置组件（例如用于EMC或RFI目的的扼流线圈）中所产生（即释放）的热量估算约为其容量的14%。通过采用与输入功率成正比的电流，可得出对所产生的热量的估算结果，其中所产生的热量与电流平方成正比。（该近似值未考虑到电阻随温度变化之类的二阶效应，也未考虑到输入电流并未与功率完全成正比，原因是由于整流器存在非正弦波而并非完全呈线性关系，而本领域技术人员明白这一点。）

因此，从上述运算可以看出，输入组件可以降级，且在降级后仍符合系统在避免过热方面的要求。这使得在系统设计方面，本发明具有成本和外形大小上的优势。

可以从图1中所示的系统获得如图2至图5中所示的波形数据，而无需额外引入如下所示的温度传感器。

如图6所示，控制器14的处理器15可实施步骤流程图中所示的实施例。对于变频器1之类变频驱动装置的任何组件，都可以从驱动装置控制器14中的可用数据估算（步骤60）相关组件的电流。基于对变频驱动装置内功率流连续性的理解，此类数据可用于以下场合：

·工作电流（可生成扭矩的电流）或工作扭矩，可用于闭环扭矩控制的变频驱动装置中的示例。

·电机17的轴速度，或变频器13的输出频率或电压。

在一个实施例中，可以通过将工作电流乘以电机17的轴速度再进一步乘以适当的比例因子的方法来估算电机17的输入功率（变频器13的输出功率）。由于变频驱动装置驱动输入电流25，因此可通过输入电流与电机输入功率之间的已知关系来估算流经变频驱动装置特定组件（如之前提到的扼流线圈或其他EMC组件）的电流，并通过测量、模拟或计算得来。

例如，当有理想的电机和驱动装置示例可用时，可直接测量负载试验装置中的相关电流来确定其关系。可选地，在另一个实施例中，可使用电路建模语言（例如SPICE）来创建该型号，而该模型在运行后可得出相应的关系，以及一个合适的比例因子。可选地，可以将该结果与通过测量加载装置中的示例系统所得结果进行比较，来验证该模型的有效性。

如果电机输入功率为负数，即负载为高惯量，则驱动装置的输入电流为零或接近零。

可选地，如果可行的话，通过直流链路电流12的测量值也可以推断出电流大小。

如图6中的步骤61所示，根据问题组件的电流估计值（该估计值通过使用合适的热模型在步骤60中获得）估算出问题组件的上升温度，便可以估算出问题组件的温度。可选地，在另一个实施例中，这可能是本领域技术人员熟知的、基于该组件已测热响应得出的数学模型、查询表或算法。

例如，模型可能基于单一的热时间常数，该热时间常熟可从组件的已知累积曲线和冷却曲线计算得来。可以使用包含多个时间常数的更复杂的模型，例如在半导体设备（如功率晶体管）的温度动态特性研究中得到广泛应用的模型。模型参数可通过组件厂商数据或测量获得，也可结合这两种方法获得。

可以根据现有测量值、最不利的数值或其他技术向本地环境温度增加容差。

在步骤62中，将步骤61的组件温度估算值与该组件所需的最高温度进行了比较。所需的最大值可以从厂商数据表或试验装置的测量值中推断出来，例如：

在步骤63中，步骤62的比较结果用于适应或调整变频驱动装置1的输出值，例如，通过对电机中现有的扭矩、加速度或速度设定限制，以减少变频器13的输出功率来调节组件温度，从而减少变频器13的输入功率21，并减少流经问题组件的电流。流经组件的电流减少后，反过来也会减低该组件中的功率损耗，从而有利于降低该组件中的温度。

上述算法用于限制驱动装置的速度、扭矩或加速度，可以采用本领域技术人员熟知的比例-积分-微分(PID)控制回路或其他控制技术。

例如，可使用反馈控制系统的任何已知技术执行此项操作。例如，可以使用PI（比例积分）控制器，以便在估算的温度超过所需温度的部分达到ΔT时，可通过以下公式减少目标参数（例如扭矩极限或速度极限）：

Δa＝k_pΔT+k_i∫ΔTdt

其中：

Δa是控制动作（目标参数的变化）

k_p是所选的比例增益

k_i是所选的积分增益

t是时间

接下来所产生的控制操作可能受控于极限函数，以便将目标参数保持在所需范围内，例如，上限值可能为正常的驱动操作限制，且下限值可能为可接受的最小转矩、加速度或速度。

可以基于变频驱动装置中并联或串联的一个或多个组件执行上述步骤，以便在调整期间能够将变频驱动装置中的一个或多个组件考虑在内。

可以对处理器15或其他设备（如微控制器或FPGA）进行说明，以便通过计算机可读媒体（包括但不限于光盘、内存卡或固定存储设备）进行上述计算。

如上所述，可以通过使用驱动装置1（特别是驱动装置控制器14）中的可用数据来估算变频驱动装置输入级组件的温度。从组件电流的估算值显示，组件温度也是可以估算的，且可以适当调整变频器的输出功率，从而调整变频器的输入电流，使电流流经问题组件。这样一来，便可以对输入组件的热效应进行估算和控制。且无需再添加传感器，也无需测量组件温度或驱动装置输入电流。

进一步地，如上所述，通过比较一个或多个温度估算值与该组件所需的最高温度（步骤62），该比较结果可调节驱动装置输出值，以限制输出功率，从而达到限制输入电流的目的，而同时对驱动装置速度（如前所述的“a”阶段）造成较小影响。这是因为，当扭矩或加速度受限时，只有在加速阶段速度才会降低。

上述调节对电机操作的影响较为平稳，而不会在突然跳闸时对所有驱动装置都突然出现损耗。降低扭矩的主要影响是，只会降低加速度，从而为电机活动带来较为平稳的调节。此外，如果速度降低（如前所述的“b”阶段），则在理想情况下，会对速度变化进行平稳控制，以避免电机速度突然变化。在控制器的控制算法中，可能会实施此类平稳控制。

由于对变频器13的输出进行了上述调整，电机驱动的负载操作未对用户造成严重影响。例如，在吊车的实施例中，对（由电机驱动的）吊车加速度进行调整后不会对吊车操作造成严重影响。虽然减速会导致操作变慢，但仍可避免因跳闸引起的破坏。这与已知系统形成了对照，在这些已知系统中，简易的超温跳闸会切断负载的所有电源，从而中断操作，并可能造成操作人员或用户的不便。

本发明实施例具有一些优点，例如降低了部件成本，因为可以使用低于常规额定电流的组件（由于低负载应用可允许使用低额定电流的组件和上述温度控制的实施），这样可节省空间，因为无需另外添加传感器或面临被迫停机的风险（跳闸的情况下）。无需另外添加传感器还可以避免增加的传感器可能出现的故障或磨损，这样便不会为了选择最佳组件而降低电路的可靠性。

此外，也无需为了使环境最为可靠而制定变频器的大小（这样做的好处是可以在组件采购和制造方面节约成本）。此外，避免了只是因为发生了相对较轻的故障而跳闸的情况（例如可能会使人陷入停止运转的吊车中），上述相对较轻的故障可能如由于空气过滤器阻塞而造成系统的环境温度被提高，从而引起局部过热的故障。