具有集成的前端整流器和旁路的可变频率驱动器的制作方法

背景技术：

本发明的实施方案整体涉及电机控制系统，并且更具体地涉及包括集成的前端整流器和旁路电路的可变频率驱动器(vfd)。

工业上常用的执行功率转换的一种类型的系统为可调速驱动器(也称为可变频率驱动器(vfd))。vfd是一种工业控制装置，为驱动系统诸如ac感应电机提供可变频率、可变电压的操作。在使用中，vfd通常作为电机控制系统以及整体控制和保护组件的一部分来提供，该组件包括vfd，并且布置有输入/输出熔断器、断开器、断路器或其他保护装置、控制器、滤波器、传感器和旁路组件，该旁路组件包括旁路接触器和软起动器中的一个或多个，它们提供用于控制驱动系统的替代控制路径或机构。

一般来讲，在已知的电机控制系统中，vfd以及相关联的保护和控制装置作为具有它们自己的壳体的分立部件来提供。所容纳的分立部件位于大的金属外壳内并且固定到外壳内的支撑件(诸如din导轨)，其中在部件之间提供接线以用于它们之间的电连接和/或通信。当所有部件集合装配为一个整体时，容纳这些部件所需的外壳会变得非常大而笨重，并且部件之间需要大量的接线，这会增加安装时间并增加因接线和接线连接件而引起故障的可能性，这降低了电机控制系统的总体效率。

因此，期望提供一种成本降低、效率提高且操作灵活性改善的电机控制系统。还期望这样的电机控制系统在可能的情况下集成和组合单独的部件，以限制所需部件的数量并提供全面的产品供应。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于选择性地控制从电源到负载的功率的电机控制系统。该电机控制系统包括vfd单元，该vfd单元包括：输入端，该输入端可连接到电源；以及整流器电路，该整流器电路连接到输入端，该整流器电路包括多个相脚，该多个相脚各自在其上包括上部开关单元和下部开关单元。该vfd单元还包括：逆变器，该逆变器通过dc链路连接到整流器电路并且在其中具有多个开关，该多个开关可控以向负载提供三相ac输出功率；以及旁路继电器单元，该旁路继电器单元包括旁路继电器，该旁路继电器耦接到下部开关单元下游的整流器电路的相脚中的每一个相脚。该电机控制系统还包括隔离接触器单元，该隔离接触器单元位于逆变器与负载之间并且可操作以选择性地将逆变器连接到负载并将逆变器与负载隔离。该旁路继电器单元在第一位置可操作以将整流器电路耦接到逆变器，并且在第二位置可操作以将整流器电路耦接到绕过逆变器的旁路路径。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于选择性地控制从ac电源到负载的功率的vfd单元。该vfd单元包括：输入端，该输入端可连接到ac电源；以及整流器电路，该整流器电路连接到输入端，该整流器电路包括多个相脚，该多个相脚各自在其上包括上部开关单元和下部开关单元。该vfd单元还包括：逆变器，该逆变器通过dc链路连接到整流器电路并且在其中具有多个开关，该多个开关可控以向负载提供三相ac输出功率；以及旁路继电器，该旁路继电器耦接到下部开关单元下游的整流器电路的相脚中的每一个相脚，该旁路继电器在第一位置可操作以将整流器电路耦接到逆变器，并且在第二位置可操作以将整流器电路从逆变器脱离。

根据本发明的又一个方面，提供了一种操作vfd单元的方法，该vfd单元包括整流器电路、逆变器和位于整流器电路与逆变器之间的旁路继电器单元。该方法包括以vfd操作模式操作vfd单元以向负载提供功率，其中以vfd操作模式操作vfd单元包括：在第一位置操作旁路继电器单元以将整流器电路耦接到逆变器；以及操作逆变器中的多个开关以向负载提供受控的三相ac输出功率。该方法还包括以旁路操作模式操作vfd单元以向负载提供功率，其中以旁路模式操作vfd单元包括：在第二位置操作旁路继电器单元以将整流器电路从逆变器脱离并将整流器电路耦接到绕过逆变器的旁路路径；操作逆变器中的多个开关以提供受控的三相ac输出功率；以及操作整流器电路中的多个低侧开关单元以向负载提供斜变的三相ac输出功率，从而提供负载的软起动。

根据以下具体实施方式和附图，本发明的各种其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

附图示出了目前预期用于执行本发明的优选的实施方案。

在附图中：

图1为根据本发明的一个实施方案的包括具有集成的前端整流器和旁路的可变频率驱动器的电机控制系统的示意图。

图2为根据本发明的一个实施方案的示出用于以功率转换操作模式和旁路操作模式操作图1的电机控制系统的技术的流程图。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及电机控制系统，该电机控制系统包括可变频率驱动(vfd)单元和位于vfd单元与负载之间的隔离接触器。该vfd单元包括集成的前端整流器和旁路电路，其中旁路继电器布置为与前端整流器的低侧开关以及与隔离接触器结合操作，以选择性地提供vfd操作模式和旁路操作模式用于操作负载。

尽管下文将本发明的实施方案描述和示出为涉及电机控制系统，但应当认识到，本发明的实施方案并不意味着限于这样的电路。也就是说，本发明的实施方案可以更广泛地扩展到具有不同构造和实施方式的功率/能量转换电路，包括例如电机起动器、电机控制中心以及用于驱动非电机负载的功率/能量转换电路。因此，以下对电机控制系统的讨论并不意味着限制本发明的范围。

参考图1，示出了根据本发明的一个实施方案的电机控制系统10的示意图。一般来讲，电机控制系统10由vfd单元12、隔离接触器单元14(该隔离接触器单元在vfd单元12的三相输出端18的每一相上包括接触器16)和控制器20组成，该控制器选择性地控制vfd单元12和隔离接触器单元14的操作。如图1所示，vfd单元12被构造为具有一般标准结构的vfd单元，使得vfd单元12包括三相整流器电路22和用于对所接收的ac输入进行整流和逆变的逆变器24，但vfd单元12还包括附加的旁路继电器单元26(该附加的旁路继电器单元在整流器电路22的每个相脚30上包括旁路继电器28)。可以经由输入端32向三相整流器电路22馈送ac功率，其中整流器电路22将ac功率输入转换为dc功率，使得在dc链路34上在整流器电路22与逆变器24之间存在dc电压。通过dc链路电容器组36对链路电压进行平滑处理。逆变器24可以由一系列绝缘栅双极晶体管(igbt)开关38和反并联二极管40(诸如六个igbt开关38和二极管40的布置)组成，这些绝缘栅双极晶体管开关和反并联二极管共同形成逆变器24，其中经由例如脉冲宽度调制(pwm)技术控制逆变器24，以合成具有固定频率和振幅的ac电压波形以便输送到负载42，该负载为三相电机诸如感应电机的形式。虽然上文将逆变器24描述为包括igbt开关38，但应当认识到，本发明的其他实施方案考虑了本领域中已知的其他功率开关装置(例如，mosfet)。经由控制器20进行逆变器24的操作，该控制器还可以由多个pi控制器组成，其中控制器20经由栅极驱动信号与逆变器24交互，并感测dc总线电压和极电流(通过例如电压传感器)，使得可以感测dc总线电压的变化。可以将这些电压变化解释为瞬态负载条件，并且用于控制逆变器24的开关38的切换，使得可以维持接近稳态的负载条件。

如图1所示，整流器电路22由布置在三个相脚30上的六个开关单元组成，其中在与三个输入相相对应的三个相脚30中的每一个相脚上串联有上部/高侧开关单元44和下部/低侧开关单元46。开关单元44、46中的每一个开关单元由一对单向导电的固态半导体开关48形成。虽然固态半导体开关48在图1中示为硅可控整流器(scr)或晶闸管(以下称为“scr48”)，但可以认识到，可以替代地使用其他固态半导体开关48，例如包括绝缘栅双极晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或集成门极换向晶闸管(igct)，尽管其他固态半导体开关也可能是合适的，因此本发明的实施方案并不意味着限于以上阐述的特定开关类型。此外，开关48可以由硅(si)、碳化硅(sic)、氮化镓(gan)或任何合适的宽带隙(wbg)材料制成，示例性实施方案具有由gan或sic制成的开关。

根据本发明的实施方案，整流器电路22可以作为有源前端整流器电路或无源前端整流器电路来操作。也就是说，可以认识到，可以操作整流器电路22的scr48，以便在vfd单元12中提供有源整流或无源整流。在作为无源前端整流器电路22操作时，scr48可以在vfd单元12的正常操作期间保持栅极导通，使得电流以不受控制的方式流过scr48。在作为有源前端整流器电路22操作时，scr48可以在vfd单元12的正常操作期间选择性地栅极导通和栅极关断，使得电流以受控的方式流过scr48。可以基于vfd单元12的实施方式及其需要/要求来确定整流器电路22以有源或无源/不受控制的方式进行的操作(基于scr48的操作)，并且如果作为有源前端整流器来操作，则在vfd单元12中将包括适当的相关联的部件(例如，对于有源整流器电路22，在vfd单元12中将包括lcl滤波器(未示出))，但在不受控制的前端整流器配置中则不需要。

在电机控制系统10中，隔离接触器单元14位于vfd单元12的下游(在vfd单元12与负载42之间)，并且选择性地可操作以将逆变器24的输出端连接到负载42并将其隔离。在一个示例性实施方案中，隔离接触器单元14由机电接触器16的布置组成，其中接触器16设置在三相输出端18的每一相上，如本领域中已知的。隔离接触器单元14(即，其接触器16)可以在导通/关闭状态下操作以传导电流流过其中，并且在关断/打开状态下阻止电流流过其中。

如图1进一步所示，旁路继电器单元26(由旁路继电器/接触器28的布置组成)结合到vfd单元12中。根据一个示例性实施方案，旁路继电器28被设置为单刀双掷(spdt)继电器，这些单刀双掷继电器连接到下部开关单元46下游的整流器电路22的相脚30中的每一个相脚，其中第一旁路继电器28a连接到第一相脚30a，第二旁路继电器28b连接到第二相脚30b，并且第三旁路继电器28c连接到第三相脚30c。

旁路继电器28可与整流器电路22(即，与前端整流器电路22的下部开关单元46)一起操作以选择性地允许vfd单元12以功率转换操作模式(即，vfd模式)和旁路操作模式进行操作。也就是说，旁路继电器28在处于vfd模式时可在将整流器电路22连接到逆变器24的第一位置或状态下操作以及当处于旁路模式并且处于第二位置或状态时可在将整流器电路22与逆变器24断开的第二位置或状态下操作。在一个实施方案中，第一位置/状态可以为旁路继电器28初始操作所处的名义上关闭的位置/状态。在vfd操作模式中，通过vfd单元12的逆变器24向负载42提供功率，而在旁路操作模式中，通过旁路路径50向负载42提供功率(其中逆变器24断开)。在vfd单元12中发生逆变器故障、超温故障或其他错误的情况下，可以向旁路路径50自动传递负载操作，以继续负载42的操作、维持驱动器寿命以及其他益处。当期望在不需要由逆变器24进行功率调节的稳态状况(例如，全速)下操作负载42时，控制器20还可以确定将负载操作传递到旁路路径50，使得可以有利地绕过该逆变器以减少开关损耗等。

根据本发明的实施方案，控制器20可以基于多个输入和/或测量的参数来确定是以vfd操作模式还是以旁路操作模式操作电机控制系统10。在一个实施方案中，控制器20可以由操作员基于一个或多个输入来确定是以vfd模式还是以旁路模式操作电机控制系统10，使得可以有利地绕过该逆变器(例如，以减少开关损耗)，该一个或多个输入指示将在不需要vfd单元12的逆变器24进行功率调节的稳态状况(例如，全速)下操作负载42。在另一个实施方案中，控制器20可以基于检测到vfd单元12已经经历故障状况或者以其他方式不能正常工作来做出该确定。也就是说，控制器20可以将在vfd单元12中所测量的一个或多个电压值和/或电流值(诸如由电压传感器和/或电流传感器或感测电路(例如，未示出)测量)，作为对vfd单元12的输入或者作为来自vfd单元12的输出，与一个或多个预定阈值进行比较，以便感测电机控制系统10中的短路或其他故障状况。例如，一个或多个电压或电流采样或感测电路或传感器(未示出)可操作以测量电机控制系统10中的以下电压参数/电流参数中的一个或多个，包括例如：到vfd单元12的三相输入电流或电压；整流器电路22或逆变器24的开关级处的电流和/或vfd单元12中的dc链路34上的电流；和/或来自vfd单元12的负载输出电流或电压。作为一个示例，控制器20将dc链路电压与预定的“过电压状况”进行比较以确定vfd单元12是否已经发生故障。

在控制电机控制系统10以vfd模式和旁路操作模式进行的操作时，控制器20诸如经由控制信号或栅极驱动信号传输到该控制器而选择性地控制旁路继电器单元26、隔离接触器单元14、逆变器24的开关38以及整流器电路22的开关单元44、46的操作。通过控制旁路继电器单元26和隔离接触器单元14的打开/关闭以及开关38和开关单元44、46的导电性，可以选择性地控制电流流过vfd单元12。更具体地，可以选择性地控制旁路继电器单元26和隔离接触器单元14以在电机控制系统10以vfd模式操作时提供电流流过vfd单元12的逆变器24并流出到负载42并且在电机控制系统10以旁路模式操作时(而不是将逆变器24与电源12和负载42电隔离)不允许电流流过vfd单元12的逆变器24，而不是将电流沿着旁路路径50引导到负载42。

在电机控制系统10需要以旁路模式操作的情况下，控制器20操作来使逆变器24中的开关38变成它们的打开/关断状态以终止功率流过逆变器24，并且还通过向旁路继电器单元26发送控制信号来使逆变器24脱机，这些控制信号使旁路继电器28在关闭的旁路位置中操作，从而使逆变器24与前端整流器电路22(和电源52)隔离并将整流器电路22连接到旁路路径50。接下来，控制器20使隔离接触器单元14移动到打开/关断位置，以使逆变器24与负载42断开。然后在旁路模式下，控制器20使下部开关单元46换向，以使负载42斜升并提供旁路模式，其中下部开关单元46用作到负载路径的线电压。在使整流器电路22的下部开关单元46换向时，可以对开关48进行电压缺口控制，以便限制电压并允许负载42的软起动。使用来自线电压和负载侧电压的过零电压值和反电动势(bemf)电压值，电机控制系统10可以在负载42以线频率操作的情况下允许快速起动。

在电机控制系统10需要以vfd模式操作的情况下，控制器20操作来使逆变器24联机，其中控制器20向旁路继电器单元26发送控制信号，这些控制信号使旁路继电器28在正常关闭状态下操作，从而将逆变器24连接到前端整流器电路22(和电源52)并将旁路路径50与整流器电路22隔离。接下来，控制器20使隔离接触器单元14(即，该隔离接触器单元的接触器16)在关闭/导通位置操作，以便将逆变器24连接到负载42。然后由控制器20经由已知的pwm技术来控制逆变器24的开关38，以合成具有固定频率和振幅的ac电压波形以便输送到负载42。

现在参考图2，同时继续参考图1，示出了根据本发明的一个实施方案的用于以vfd操作模式和旁路操作模式操作电机控制系统10的技术60，这将由例如控制器20来实现。技术60从步骤62开始，其中电机控制系统10以vfd模式操作。在vfd模式下，隔离接触器单元14中的接触器16处于“导通/关闭”位置，使得vfd单元12连接到负载42。另外，旁路继电器28各自处于其名义上的导通/关闭位置，使得整流器电路22电耦接到逆变器24，其中dc链路34因此向逆变器24提供功率，该逆变器继而向负载42提供受控的三相功率输出。

在步骤64处，确定电机控制系统10是否应切换到旁路操作模式。可以基于多个输入和/或测量的参数来确定是否切换到旁路模式。在一个实施方案中，控制器20可以由操作员基于一个或多个输入来确定是以vfd模式还是以旁路模式操作电机控制系统10，使得可以有利地绕过该逆变器(例如，以减少开关损耗)，该一个或多个输入指示将在不需要vfd单元12的逆变器24进行功率调节的稳态状况(例如，全速)下操作负载42。在另一个实施方案中，控制器20可以基于检测到vfd单元12已经历故障状况或以其他方式不能正常工作来做出该确定，诸如通过将一个或多个电压值和/或电流值与一个或多个预定电压进行比较，以便感测电机控制系统10中的短路或其他故障状况。

如果在步骤64处确定电机控制系统10应保持在vfd模式(并且不切换到旁路模式)，如步骤66所示，则技术60返回到步骤62，并且电机控制系统10继续以vfd模式操作。另选地，如果在步骤64处确定电机控制系统10应切换到旁路模式，如步骤68所示，则技术60继续到步骤70，其中控制vfd单元12和隔离接触器单元14以使得负载42从逆变器24脱离。也就是说，在步骤70处，逆变器24中的开关38全部变成它们的打开/关断状态以终止功率流过逆变器24，同时隔离接触器单元14(即，其接触器16)移动到打开/关断状态，并且旁路继电器28接合到它们的第二(或“旁路”)位置/状态。在步骤70完成后，负载42从逆变器24脱离，并且功率从整流器电路22沿着旁路路径50路由到负载42。

然后，技术60继续到步骤72，其中确定是否将以旁路模式操作负载42，即在电机控制系统10以旁路模式操作时，诸如当在不需要vfd单元12的逆变器24进行功率调节的稳态状况(例如，全速)下操作负载42时，负载42是否要接收功率。如果在电机控制系统10以旁路模式操作时负载42不接收功率，如步骤74所示，则技术60继续到步骤74，其中电机控制系统10以旁路配置等待并且不向负载42提供功率。另选地，如果在电机控制系统10以旁路模式操作时负载42要接收功率，如步骤78所示，则技术60继续到步骤80，其中选择性地控制整流器电路22的开关单元44、46，以向负载42提供功率。具体地，根据一个示例性实施方案，将下部开关单元46(即，其开关48)换向，以使负载42斜升至全速，其中下部开关单元46用作到负载路径的线电压。在使整流器电路22的下部开关单元46换向时，可以对开关48进行电压缺口控制，以便限制电压并允许负载42的软起动。因此，如步骤82所示，负载42在旁路操作模式期间接收功率。

有利地，将旁路功能集成到vfd单元上的前端整流器电路中允许简化电机控制系统。也就是说，将旁路功能集成到vfd单元上的前端整流器电路中，消除了对独立的旁路电路/部件的需要，因为vfd单元中提供了此类功能或固件。另外，如上所述，将旁路功能集成到vfd单元上的前端整流器电路中允许单个控制器或中央处理器基于提供给控制器的输入或感测到的参数来控制电机控制系统的操作。具有集成的前端整流器电路和旁路电路的vfd单元为电机控制系统提供了减小的封装尺寸和成本、消除了分立的部件之间的接线，从而减少了电缆损耗，需要更少的端子连接件，并消除了这些连接件的电压损耗，使得可以提供更高效的电机控制系统。

根据本发明的一个实施方案，提供了一种用于选择性地控制从电源到负载的功率的电机控制系统。该电机控制系统包括vfd单元，该vfd单元包括：输入端，该输入端可连接到电源；以及整流器电路，该整流器电路连接到输入端，该整流器电路包括多个相脚，该多个相脚各自在其上包括上部开关单元和下部开关单元。该vfd单元还包括：逆变器，该逆变器通过dc链路连接到整流器电路并且在其中具有多个开关，该多个开关可控以向负载提供三相ac输出功率；以及旁路继电器单元，该旁路继电器单元包括旁路继电器，该旁路继电器耦接到下部开关单元下游的整流器电路的相脚中的每一个相脚。该电机控制系统还包括隔离接触器单元，该隔离接触器单元位于逆变器与负载之间并且可操作以选择性地将逆变器连接到负载并将逆变器与负载隔离。该旁路继电器单元在第一位置可操作以将整流器电路耦接到逆变器，并且在第二位置可操作以将整流器电路耦接到绕过逆变器的旁路路径。

根据本发明的另一个实施方案，提供了一种用于选择性地控制从ac电源到负载的功率的vfd单元。该vfd单元包括：输入端，该输入端可连接到ac电源；以及整流器电路，该整流器电路连接到输入端，该整流器电路包括多个相脚，该多个相脚各自在其上包括上部开关单元和下部开关单元。该vfd单元还包括：逆变器，该逆变器通过dc链路连接到整流器电路并且在其中具有多个开关，该多个开关可控以向负载提供三相ac输出功率；以及旁路继电器，该旁路继电器耦接到下部开关单元下游的整流器电路的相脚中的每一个相脚，该旁路继电器在第一位置可操作以将整流器电路耦接到逆变器，并且在第二位置可操作以将整流器电路从逆变器脱离。

根据本发明的又一个实施方案，提供了一种操作vfd单元的方法，该vfd单元包括整流器电路、逆变器和位于整流器电路与逆变器之间的旁路继电器单元。该方法包括以vfd操作模式操作vfd单元以向负载提供功率，其中以vfd操作模式操作vfd单元包括：在第一位置操作旁路继电器单元以将整流器电路耦接到逆变器；以及操作逆变器中的多个开关以向负载提供受控的三相ac输出功率。该方法还包括以旁路操作模式操作vfd单元以向负载提供功率，其中以旁路模式操作vfd单元包括：在第二位置操作旁路继电器单元以将整流器电路从逆变器脱离并将整流器电路耦接到绕过逆变器的旁路路径；操作逆变器中的多个开关以提供受控的三相ac输出功率；以及操作整流器电路中的多个低侧开关单元以向负载提供斜变的三相ac输出功率，从而提供负载的软起动。

已根据优选的实施方案描述了本发明，并且认识到，除了明确指出的那些以外，等同形式、替代形式和修改形式也是可能的并且在附加权利要求的范围内。