有源变换器的功率因数控制器

本发明涉及再生驱动器，特别是一种以选择的高(电压)值控制其直流链路 的技术。

再生驱动器通常包括借助于直流链路与负载变换器连接的线路变换器。负载 变换器用于连接交流机器，而线路变换器用于连接交流电源/换能器。在电动方式 中，来自交流电源/换能器的电源向把交流转换为用于直流链路的直流的线路变换 器提供电能，负载变换器把直流变换为交流用于驱动交流电机，如电动机的交流。 在再生方式中，交流发电机产生交流，负载变换器把该交流电源变换为直流，然 后线路变换器将直流变换回交流，并作为电源供给交流电源/换能器。

在具有有源线路变换器的再生驱动器中，直流母线被控制到与交流线路电压 无关的固定电压上。例如，直流电压希望保持高电压，如750V直流，以为直流母 线电容器和变换器开关器件(如IGBTS)提供足够的裕度。在这种设计中，有源 线路变换器将用于起升压变压器的作用，控制交流线路电流，使其呈正弦波，具 有单一的功率因数。

然而，问题出现在用480伏±10％的交流线路操作这种类型的变换器。在这 种情况下，交流线路电压可以变得足够高以致在线路电感器侧的线路变换器上的 线电压不足以控制交流线路电流。在这种情况中，交流线路电流可能变得不可控 制，导致驱动器关闭。技术上的一般作法是使用由公共电力网提供的电压装置上 的变压器把电压降低到440至460V交流来避免该问题的出现。然而这会导致额外 变压器的使用，从而增加系统的费用和可能对直流链路上可达到的直流电压值造 成不利影响。

本发明的目的是能够用比其它可能出现的情况明显高的交流线路电压使有 源线路变换器工作。

本发明的另一个目的是通过在线路电感器中输入无功功率使控制的交流线 路电流具有如此高的交流线路电压的正弦波，从而不再保持单一的功率因数，同 时维持正弦波电压和电流。

根据本发明的第一个方面，使有功功率流入在交流电源/换能器与线路变换 器之间连接的线路电感器中直到确定出被控制的线路变换器电压或检测的线路变 换器电压超过最大值，以控制直流线电压在期望的水平；此后，使无功功率也流 入线路电感器中，以减小控制有功功率流所需的线路变换器电压。

根据本发明的第二个方面，一种控制具有由直流链路连接的线路和负载变换 器的再生驱动器的方法，负载变换器连接到一个交流机器，线路变换器通过线路 电感器连接交流电源/换能器，该方法包括以下步骤：通过提供控制线路变换器交 流电压的线路变换器电压指令信号控制线路电感器中的有功功率流动，以便以选 择的幅值控制直流链路的电压；将线路变换器电压指令信号与选择的最大线路变 换器电压信号比较，以便提供使无功功率流入线路电感器的控制信号以减小控制 有功功率流所需的线路控制器交流电压。

根据本发明的第三个方面，控制通过线路电感器连接交流电源/换能器的再 生驱动器的线路变换器的方法，包括以下步骤：将所控制的直流链路电压与实际 直流链路电压比较，以便提供有功电流指令信号；将有功电流指令信号与实际有 功电流指令信号比较，以便提供有功电压指令信号；将最大线路变换器电压与被 控制线路变换器电压比较，以便提供误差信号；对无比例增益的误差信号进行积 分，以便提供无功电流指令信号；将无功电流指令信号与实际无功电流指令信号 比较，以便提供无功电压指令信号；处理有功电压指令信号和无功电压指令信号， 以便提供被控制的线路变换器电压；和处理有功电压指令信号和无功电压指令信 号，以提供线路变换器相位电压指令信号。

通过如附图所示的最佳实施例的详细说明将会进一步理解本发明的上述的 和其它的目的以及特点和优点。

图1示出了根据本发明的具有非零无功功率特性的例如同电梯一同使用的再 生驱动器；

图2示出了本发明主要构思的整体方框圈，根据这个构思在对高等级交流线 路电压中用仅具有积分增益的无功功率控制环引入无功功率；

图3更详细地示出了根据本发明的图1中的线路变换器控制器。

尽管下面的说明显示了用于特定操作(即，电梯操作)的再生驱动器，但本 领域的熟练人员应该明白本发明的原理能够应用于其它的操作。

图1示出了用于连接交流电极12的再生驱动器10，该交流电机在12位于电 梯机房中，其轴14与滑轮16连接。缆绳18套在滑轮16上，其一端与电梯车厢 20连接，其另一端与平衡块22连接；它们构成了牵引型电梯，用于以公知的卷 扬方式以不同的(相反的)垂直方向移动车厢20和平衡块。平衡块通常的取值为 这样的量值，其重量等于半载(half-loaded)电梯的重量，从而使交流电机在平 衡块下降时产生能量，在电梯厢在小于半载荷情况下上行时释放存储在其中的势 能。

过去，对通常使用的非再生驱动器来说，这样功率被引导到机房中的再生功 率电阻器上并以热的形式由该电阻器消耗掉。这种电阻器需要外壳以及适应的开 关，而且在机机房中也许需要空调或冷却风扇。

另一方面，图1中的再生驱动器10不是简单的单向整流器，它包括用三个 电感器(也称之为线路电抗器)La、Lb和Lc连接交流电源/变换器26的双向线路变 换器24。线路变换器24使再生功率流回到起变换器作用的交流电源。为了实现 本发明目的希望使用通常可从公共电力网得到480V±10％VAD的交流电源。然而， 由于受半导体器件(通常为IGBTs器件)额定值的限制和受电解电容器额定值的限 制，在再生驱动部分(不只用于电梯)中能够成功地使用如此高的交流电源电压 一般来说存在问题。上述电解电容器是用于连接在线路变换器24与负载变换器30 之间的直流母线28的正端和负端的优选电容器。其负载变换器30通过交流线路 29与交流机器12连接。

当用作电动机时，交流电机12从负载变换器30接收交流电源。负载变换器 30作为把直流母线28供应的直流电流变换为驱动交流电机的交流电流的逆变 器。负载变换器具有关联控制(未示出，因为不构成本发明的一部分)。例如， 根据本发明，直流母线以800V直流设计和检验，但是以750V直流控制它。该电 容器是具有几千微法，例如4,000-10,000微法电容量的电解电容。

在电动运行情况下，线路变换器24接收来自交流电源26的交流电源并由PWM 控制器34控制以作为全波整流桥，以便把来自交流电源26的交变电流变换为用 于直流母线28的直流电流，从而使负载变换器30驱动作为电动机的交流机器以 便使电梯在小于半负载的条件减速，在半负载条件下加速。

相反在再生情况下的过程也是如此。这时交流电机12当电梯厢20在小于半 载的情况下上行时通过存储在平衡块中的势能因作为平衡块向下运动的释放而作 为发电机运行。在这种情况下，从交流机器12经线路29向负载变换器30提供三 相交流电源。负载变换器30本身把该交流电源整流成用于供给直流母线28的直 流电源，该直流电源在PWM控制器34的控制下由线路变换器24连续地变换成交 流电源。

为了使交流电源以可接受的形式由变换器供给交流电源/换能器26(一般是 充当换能器的公用设备)，该电源必需满足某些严格技术要求，这包括不能存在 有害的谐波和可接受的功率因数。因此，希望在这种情况中控制流经电感器La、Lb 和Lc的交流线路电流，使其是具有单一功率因数的正弦波。

正如上面所提到的那样，问题出现在用480V交流±10％的交流线路操作这种 类型的变换器时。假定上述的IGBTS和电容器的电压额定值限定为施加所期望的 750V直流线电压，则交流线路电压可能足够高(528V交流(rms))以致在电感 器的线路变换器侧存在不足以适当控制交流电流的线电压。在这种情况下，交流 线路电流甚至变得不可控制，导致驱动器关闭。本技术的解决方案一般是使用变 压器把交流线路电压降到480V交流以下(例如在440至460V交流之间)，同时 仍保持直流线电压为(例如)750V直流的高电压值。

根据本发明，具有非零无功功率控制特性的线路变换器控制器36能够使线 路变换器24用比原来可能的高很多的交流线路电压来操作。特别是，线路变换器 控制器36和及其使用的处理方法，使交流线路电流即使在交流设施线路电压高的 情况下也可以通过在受控情况下使功率因数偏离使交流电路电流控制成正弦波， 同时保持稳定性。这是通过下列措施达到的：在交流公共线路电压处于正常水平 时促使有功功率流入，但当确定控制线路变流器的目的是提供超过所要求的电压 等级或经检测为提供超过所要求的电压等级的电压(因为电源的交流线路电压在 其+10％范围内升高)的交流电压时也促使无功功率流入交流换能器与线路变流 器之间的线路电感器中，以降低线路变流器控制有功功率流入所需要的电压换 句话说，为使线路变流器电压达到所要求的幅值而不致超过上述实际限制情况， 往受控制的电压中加入了无功电压分量。

图1的线路变换器24称为有源变换器，它包括多个开关38、40、42、44、 46、48，每个开关包括(例如，本技术领域公知的IGBT和回扫(fiyb交流k)二 极管，它们以简单的通一断开关进行图示说明。通过适当的IGBTS切换，可以控 制节点50、52和54上施加的电压，以控制功率因数。线路电感器La、Lb和Lc接 在交流电源26与变换器24之间的线路上，以实现相位电流的控制。需要施加的 电压(忽略阻抗)为： ${\bar{V}}_{\mathrm{dq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}{\bar{V}}_{\mathrm{ac}}+j{\omega }_{l}L\bar{I}$

在这里： Vdq是变换器上施加的电压矢量 Vac＝V交流＋jo是交流线路的电压矢量(in line rms) I＝Iq＋JId是变换器中的电流矢量 ωl是交流线路的频率 L是线路电感器的电感

为了变换器24在单一功率系数下的操作，应使与交流线路异相的电流矢量 的分量(Id)保持(为)零。与交流线路同相的电流矢量的有功分量(Iq)用来把 节点50、52、54上的线电压控制到期望的值(Vbus)。在这种情况下，这三个节点 需要施加的电压为 ${\bar{V}}_{\mathrm{dq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}+j{\omega }_{l}L{I}_q$ 其幅值为： $\left|V_{\mathrm{dq}}\right|=\sqrt{{\left(\sqrt{\frac{2}{3}\mathrm{Vac}}\right)}^2+{\left({\omega }_{l}L{I}_q\right)}^2}$ 加给IGBTS上变换器的电压幅值|Vdq|被限定为 。因此，能够被 使用并仍能控制电流的最大交流电压为： $V_{\mathrm{ac}\_\max }=\sqrt{\frac{3}{2}}\sqrt{{\left(\frac{V_{\mathrm{bus}}}{\sqrt{3}}\right)}^2-{\left({\omega }_l{\mathrm{LI}}_q\right)}^2}$

如果与电流矢量线路不同相的电流矢量的分量(Id)不为零，则变换器的电 压的幅值可以写成： $V_{\mathrm{dq}}^2={(\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}-{\omega }_l{\mathrm{LI}}_d)}^2+{\left({\omega }_l{\mathrm{LI}}_q\right)}^2$ $={\left(\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}\right)}^2+{\left({\omega }_l{\mathrm{LI}}_q\right)}^2-{\omega }_l{\mathrm{LI}}_d(2\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}-{\omega }_l{\mathrm{LI}}_D)$ $\approx [{\left(\sqrt{\frac{2}{3}{V}_{\mathrm{ac}}}\right)}^2+{\left({\omega }_l{\mathrm{LI}}_q\right)}^2-\left(2{\omega }_{l}L\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}\right)]\mathrm{Id}$

从这个最后的等式的近似值可以看出在适当的时候通过Id的适当控制可以 减小节点50，52，54上所需的变换器电压。这一技术允许无功功率流过线路电感 器，以产生与交流线路同相的电压降。

假定电流控制器用来在同步参考帧中操作，则Vdq2能够容易地从电流调节器的 输出算起：

Vdq2(command)＝Vd2(command)＋Vq2(command)

控制环路可以如图2所示的那样用来控制Vdq2使其不超过最大的允许电压 (Vdus2/3)。使用上述近似等式中所示的用于Vdq2的近似值，显示Vd2与Vq2之间的差 值，就可以提供图2所示的控制环路，以实现预期的结果。该控制环路模型略去 了包括环路延迟、电流环路动态等实际系统的许多细节。然而，由于功率因数的 带宽要求很低。对本申请所需的相对低的控制增益来说这些细节可以略去。

使用图2所示的模型，开环传递函数为： $G\left(S\right)=(K_P+\frac{\mathrm{Ki}}{S})\left(2{\omega }_{l}L\sqrt{\frac{2}{3}{V}_{\mathrm{ac}}}\right)$ 为了得到fbw的交叉频率，根据本发明的技术，控制器增益应该用下式选择： Kp＝0 $K_I=\left(\frac{1}{2\mathrm{fiL}\sqrt{\frac{2}{3}}{V}_{\mathrm{ac}}}\right)f_{\mathrm{bw}}$

如上所示，根据本发明人的发现，采用纯积分控制(Kp＝0)是本发明非常重 要的学说。与预期的相反，不使用比例—加—积分控制，因此使用纯积分控制对 系统的稳定性十分重要的。由于发电设备是以代数方程为基础，因此比例增益的 任何量都被认为造成了稳定的问题。如图2的系统模型所示，线路58a上所示的 与交流线路异相的电流矢量(Id)由纯积分器56a提供，该电流矢量Id由无功处 理块60处理。无功处理块60经线路62向加法器64提供输出信号。加法器64还 响应线路66上的来自有功功率处理块68的信号输出。方块60、68代表上面的 Vdq2近似等式右边的正的和负的数值。线路70a上的加法器的输出代表Vdq2并反馈 到第二加法器72a，在加法器72a中它与Vdq2(max)值相加。加法器72a在线路 76a上提供误差信号，该误差信号代表Vdq2实际值与所期望的最大值间的差值。

为了在需要的时候只控制电压幅值，必须在积分器56中设置限制值，以限 制小于零的输出(和积分器状态)。这样，当需要降低控制电流所需的电压时将 会仅仅使无功功率流动。

功率因数控制器的参考值是对输出电压幅值平方的期望的上限制。因此，为 了把输出电压限制到驱动器容量的97.5％ ，参考值(Vdq2(max))应 设为0.95Vbus2/3。

现在参看图3，图中更详细地示出了本发明图1的线路变流器控制器36。记 住图2讨论的有关实施例时的一些原理，Vdq2max信号74作为信号值恒定的恒定信 号在线路74上提供给与图2的加法器72a类似的加法器72，加法器72a还根据 线路70上的Vdq2指令信号在线路76上给纯积分器56提供误差信号，积分器56中 如上述一样设有极限值将输出(和积分器状态)限制得使其在此情况下小于零， 从而必要时只控制电压幅度值。如上在图2中所讨论的，这样当需要降低控制电 流所需的电压时只会使无功功率可以流入。

线路58从纯积分器56来的id指令信号提供给求和接点78，在那里与线路 80上信号处理器82提供的id实际信号相加。多个检测出的线路电流信号84连 同线路86上表示线路上电压旋转角的信号提供给信号处理器82。这是由图1中 所示的锁相环88来提供的，如图1中所示，锁相环88又对线路由电压起作用。 线路86上的旋转信号确保信号处理器82(这可能包括电流控制器)设计得使其 以同步参考系工作。

线路80上实际无功电流id在线路82上实际有功电流信号iq的对应部分连 同线路86上的有功指令电流信号一起提供给加法器84。比例积分控制器88根据 线路90上的误差信号在线路86上提供有功电流指令信号。加法器92根据线路94 上其幅值表示图1直流母线28额定电压(例如直流750伏)的信号与线路96上 标以VDc实际检测出的直流母线电压之间的差值，在线路90上提供误差信号。

加法器78、84在线路98、100上给各比例积分放大器102、104提供相应的 误差信号，以便将线路106、108上的各无功和有功电压指令信号提供给一对信号 处理器110、112。处理器110还根据线路86上的旋转信号在多个线路114上给 图1PWM控制器34中相应的多个脉宽调制相位控制器提供多个三相电压指令信 号，如图中所示，以控制各开关38、40、42、44、46、48的切换过程，从而按要 求的方式控制功率在线路变流器两侧的交流和直流母线之间的传递。

根据上述的Vdq2方程，信号处理器112为了上述目的根据有功和无功电压指令 信号108、106，在线路70上给加法器72提供Vdq2指令信号，这和处理器110提供 变流器指令电压时一样，但提供的形式不同。而本技术领域的行家们都知道，这 些同样还可应用于其它一些用途中。

上面已就本发明的最佳实施例说明本发明，但本技术领域的行家们都知道， 在不脱离本发明精神实质和范围的前提下是可以对本发明在形式和细节上进行上 述和其它种种修改、删除和追加的。