逆变器控制装置以及方法与流程

1.本发明涉及逆变器控制装置以及方法。


背景技术：

2.通常，逆变器是将直流电(dc)转换为交流电(ac)的逆变换装置，在工业使用的逆变器被定义为接收来自商用电源的电力并自身改变电压和频率之后向电动机供给，由此能够将电动机速度控制为能够高效地利用的一系列装置。这种逆变器采用变压变频(variable voltage variable frequency，vvvf)的方式控制，可以根据脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)输出来改变向电动机输入的电压和频率。
3.图1是普通逆变器的构成图。
4.通常，逆变器100接收三相交流电，由整流部110对接收到的交流电进行整流，由平滑部120使由整流部110整流后的直流电压平滑并存储。逆变部130根据pwm控制信号将存储于作为平滑部120的直流链路电容器的直流电压输出为具有规定电压和频率的交流电压，并将其提供给电动机。
5.通常，整流部110由作为无源元件的二极管构成，由于这种二极管不能进行通断控制，并且不能对存储于平滑部120的直流端电压进行控制，因此平滑部120的直流端电压取决于交流输入电压。另外，由于电力从电网的交流电源向逆变器100的直流端电压单向流动，从而不能再生运转。因此，现有的逆变器100难以根据电源和负载状态而进行主动的动作。
6.如上所述，使用由二极管构成的整流部110的逆变器100因交流电源的电压下降或断电而无法稳定地保持直流端电压，因此存在逆变器无法持续地运转，在逆变器难以持续地运转的情况下，再启动逆变器100需要较长的时间的问题。


技术实现要素：

7.发明要解决的问题
8.本发明要解决的课题是，提供一种即便在逆变器的供电异常的情况下，也能够使逆变器连续运转的逆变器控制装置及其方法。
9.用于解决问题的手段
10.为了解决如上所述的技术课题，本发明一实施例的逆变器控制装置可以包括：第一推算部，推算电动机的转速；第一确定部，在向所述电动机提供输出电压的逆变器的直流端电压为规定电平以下的情况下，利用所述逆变器的直流端电容器的能量和直流端能量指令来确定滑差频率指令；以及生成部，向所述逆变器提供通过将所述电动机的转速和所述滑差频率指令相加而确定的频率指令。
11.在本发明的一实施例中，所述第一推算部可以利用逆变器的输出电压、输出电流以及电动机的公称值来推算所述电动机的转速。
12.在本发明的一实施例中，所述第一推算部可以包括：第二确定部，利用逆变器的输
出电压和输出电流来确定输出功率；第三确定部，利用所述输出功率和所述逆变器的输出频率来确定负载转矩；第二推算部，利用所述负载转矩、所述逆变器的额定滑差频率以及额定转矩来推算滑差频率；以及第三推算部，利用由所述第二推算部推算出的滑差频率和所述逆变器的输出频率之差来推算所述电动机的转速。
13.在本发明的一实施例中，所述第一推算部还可以包括低通滤波器(lpf)，所述低通滤波器执行由所述第二推算部推算出的滑差频率的低通滤波。
14.在本发明的一实施例中，所述第一确定部可以包括：第四确定部，根据所述逆变器的直流端电容器的能量和直流端能量指令来确定所需能量；第五确定部，根据所述所需能量来确定功率指令；第六确定部，利用所述功率指令和所述电动机的转速来确定转矩指令；以及第七确定部，从所述转矩指令利用转矩常数来确定滑差频率指令。
15.在本发明的一实施例中，所述第五确定部可以包括比列控制器。
16.在本发明的一实施例中，可以利用所述电动机的额定转矩和所述电动机的额定滑差频率来确定所述转矩常数。
17.在本发明的一实施例中，所述生成部可以从所述频率指令确定电压指令并提供给所述逆变器。
18.本发明一实施例的逆变器控制装置还可以包括控制部，在所述逆变器的直流端电压为规定电平以下的情况下，所述控制部向所述第一确定部提供动作标志。
19.另外，为了如上所述的技术课题，本发明一实施例的逆变器控制方法可以包括：推算电动机的转速的步骤；在向所述电动机提供输出电压的逆变器的直流端电压为规定电平以下的情况下，利用所述逆变器的直流端电容器的能量和直流端能量指令来确定滑差频率指令的步骤；以及向所述逆变器提供通过将所述电动机的转速和所述滑差频率指令相加而确定的频率指令的步骤。
20.在本发明的一实施例中，所述推算的步骤可以包括：利用逆变器的输出电压和输出电流来确定输出功率的步骤；利用所述输出功率和所述逆变器的输出频率来确定负载转矩的步骤；利用所述负载转矩、所述逆变器的额定滑差频率以及额定转矩来推算滑差频率的步骤；以及利用推算出的滑差频率和所述逆变器的输出频率之差来推算所述电动机的转速的步骤。
21.在本发明的一实施例中，所述确定的步骤可以包括：根据所述逆变器的直流端电容器的能量和直流端能量指令来确定所需能量的步骤；根据所述所需能量来确定功率指令的步骤；利用所述功率指令和所述电动机的转速来确定转矩指令的步骤；以及从所述转矩指令利用转矩常数来确定滑差频率指令的步骤。
22.发明效果
23.如上所述的本发明在输入电源发生故障的情况下，通过执行将电动机的机械能转换为逆变器的电能的再生运转，使直流端电压保持恒定，从而具有能够使逆变器不停地连续运转的效果。
附图说明
24.图1是普通逆变器的构成图。
25.图2是用于说明现有的逆变器控制系统的构成图。
26.图3是图2的逆变器控制部的详细构成图。
27.图4是用于说明逆变器运转频率和逆变器输出电压的关系的曲线。
28.图5是本发明一实施例的逆变器系统的构成图。
29.图6是图5的速度推算部的一实施例的详细构成图。
30.图7是图5的滑差频率(slip frequency)发生部的一实施例的详细构成图。
31.图8是用于说明在图5中电动机和滑差频率发生部的控制关系的构成图。
32.图9是用于说明本发明一实施例的逆变器控制方法的一示例图。
33.图10是用于说明根据本发明一实施例的控制动作而发生变化的电压电流关系的一示例图。
具体实施方式
34.为了充分理解本发明的结构和效果，将参考附图描述本发明的优选实施例。然而，本发明不限于下面描述的实施例，而是可以以各种形式实施，并且可以进行各种改变。然而，本实施例的描述旨在提供本发明的完整公开，并且向本发明所属领域的普通技术人员充分公开本发明的范围。在附图中，为了便于说明，构成要素的尺寸被放大，并且构成要素的比例可以被夸大或减小。
35.术语“第一”，“第二”等可以用于描述各种构成要素，但是这些构成要素不应受限于上述术语。上述术语仅可用于区分一个构成要素与另一个构成要素。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，“第一构成要素”可以被命名为“第二构成要素”，并且类似地，“第二构成要素”也可以被命名为“第一构成要素”。此外，除非上下文另有明确规定，否则单数的表达包括复数的表示。除非另外定义，否则本发明的实施例中使用的术语可以被解释为本领域技术人员公知的含义。
36.下面，参照图2至图4对现有的逆变器控制系统进行说明，参照图5至图10对本发明一实施例的逆变器控制装置以及方法进行说明。
37.图2是用于说明现有的逆变器控制系统的构成图，图3是图2的逆变器控制部200的详细构成图。如果用户输入指令频率ω
ref
，则逆变器控制部200合成与该指令频率相应的指令电压并向逆变部130输出。
38.在图3中，逆变器控制部200包括电压确定部210、积分部220、相位确定部230以及输出部240。
39.电压确定部210可以从逆变器运转频率ω
v/f
确定输出电压v
v/f
的大小。逆变器运转频率ω
v/f
表示从0开始到指令频率ω
ref
为止的电压。图4是用于说明逆变器运转频率和逆变器输出电压的关系的曲线。
40.在逆变器100初始启动时，逆变器的运转频率ω
v/f
从0开始增加，因此在初始启动时输出较小的电压，随着频率的增加而输出与频率成比例的大小的电压。如果输出频率达到作为目标频率的指令频率ω
ref
，则频率不再进一步增加，而进行恒速运转。
41.即，电压确定部210根据图4的关系从逆变器运转频率ω
v/f
确定输出电压v
v/f
的大小。
42.积分部220通过对运转频率ω
v/f
进行积分来确定输出电压的相位θ
v/f
，由三角函数输出部230输出三相交流正弦波。由输出部240将交流正弦波和输出电压相乘，输出指令电
压v
as_ref
、v
bs_ref
、v
cs_ref
。
43.即，逆变器控制部200合成与三相的指令电压相应的三相的脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)电压并输出最终指令电压v
abc_pwm
。在图2中，逆变器100的逆变部130从平滑部120的直流端电压输出三相的交流输出电压v
an
、v
bn
、v
cn
并向感应电动机400供给电力，三相交流输出电压取决于逆变部130的开关的开/关状态。在逆变部130中，各相通过串联连接两个开关而构成，各相彼此独立地动作并产生输出电压。此时，控制为各相的输出电压彼此具有120度的相位差。
44.在现有的逆变器控制系统中，从作为能量源的三相电源300接收到交流电源的逆变器100，通过整流部110将交流电转换为直流电。此时，整流部110由二极管构成，因此电流始终单向导通。
45.平滑部120由电容器或电池等构成，并且保持规定的电压。逆变部130的三相开关将直流电压转换为交流电压，并且通过开关的开/关来控制逆变器100的输出电压。
46.电动机400作为三相逆变器100的负载发挥功能。逆变器控制部200将逆变部130的开关状态控制为使电动机400以与指令频率相同的速度旋转。
47.在如上所述的现有的逆变器控制系统中，由于整流部110由作为无源元件的二极管构成，因此难以控制直流端电压，并且在三相电源非正常动作，例如瞬间断电或电压下降等情况下，逆变器100不能持续运转，不能将直流端电压控制为恒定，因此存在逆变器100发生故障的问题点。另外，在此情况下，根据情况逆变器100的再启动需要相当长的时间，因此存在产生较大的损失的问题点。
48.因此，需要能够与电源状态无关地持续运转的电压穿越(ride through)运转。
49.本发明为了解决如上所述的问题而提出，提供一种通过再生运转从电动机的动能接收逆变器的电能，从而在供电非正常的情况下也能够持续地执行逆变器和电动机的运转的逆变器控制装置。
50.即，本发明的控制装置采用在断电时利用负载惯性的动能来保持逆变器的直流端电源的方式，通过适合的运转频率调整来执行再生运转。因此，惯性越大负荷越小就能够越稳定地长时间保持直流端电源。
51.图5是本发明一实施例的逆变器系统的构成图。
52.如图所示，本发明一实施例的逆变器控制装置可以包括向逆变器1供给指令电压的指令电压发生部10、推算电动机2的速度的速度推算部20、滑差频率发生部30以及控制部40。
53.控制部40可以确认逆变器1的直流端电压，并在规定电平以下的情况下，向滑差频率发生部30传送使滑差频率发生部30的动作开启的标志(falg)。
54.速度推算部20可以推算电动机2的转子的速度。图6是图5的速度推算部20的一实施例的详细构成图。由于在一般的电压/频率运转的情况下，执行开环(open loop)控制，因此难以使用通过如编码器的速度测量设备获得的速度信息。因此，本发明一实施例的速度推算部20通过可用的逆变器输出电压和电流以及电动机2的公称值(nominal value)来推算电动机2的转速
55.如图所示，本发明的速度推算部20可以包括输出功率确定部21、负载转矩确定部
22、滑差频率推算部23、速度确定部24以及低通滤波器(low pass filter，lpf)25。
56.输出功率确定部21可以考虑逆变器1的输出电压v
v/f
、逆变器1的转矩分量输出电流即各个指令基准的同步坐标系q轴电流iqse以及极数，来确定逆变器1的输出功率。
57.另外，负载转矩确定部22可以利用输出功率和逆变器1的输出频率ω
v/f
来确定负载转矩。
58.由输出功率确定部21和负载转矩确定部22输出的负载转矩如下面的数学式。
59.数学式1
[0060][0061]
滑差频率推算部23可以利用负载转矩、逆变器1的额定滑差频率以及额定转矩来推算滑差频率。由滑差频率推算部24推算的滑差频率如下面的数学式。
[0062]
数学式2
[0063][0064]
速度确定部24可以利用所推算的滑差频率和逆变器1的输出频率之差来推算电动机1的速度。推算的电动机1的速度如下面的数学式。
[0065]
数学式3
[0066][0067]
此时，lpf25可以配置于滑差频率推算部23的输出端和速度确定部24的输入端之间并执行低通滤波，并且可以考虑系统的稳定而确定滤波的带域。
[0068]
在图5中，滑差频率发生部30可以根据控制部40的控制在直流端电压为规定电平以下的情况下，通过比较直流端电压指令v*
dc
和实际直流端电压v
dc
来确定用于保持直流端电压恒定的滑差频率。通常，滑差频率是逆变器输出频率和电动机速度的差异，在本发明一实施例中，在直流端电压达到规定电平以下的情况下，可以通过将滑差频率确定为负数而使电动机速度大于逆变器输出频率。
[0069]
图7是图5的滑差频率发生部的一实施例的详细构成图。
[0070]
如图所示，本发明一实施例的滑差频率发生部30可以包括能量确定部31、功率指令确定部32、转矩指令确定部33以及滑差频率指令发生部34，并且可以利用滑差频率来执行再生运转。
[0071]
滑差频率可以从与直流端电压指令相应的电能和与实际直流端电压相应的电能之差计算。
[0072]
如果将直流端电容器的能量称作e，将直流端能量指令称作e*，将本发明一实施例的再生运转所需的电容器的能量称作e
cap
，则直流端电容器的能量和再生运转所需的电容器的能量分别如下面的数学式，能量确定部31可以通过数学式5来确定再生运转所需的电容器的能量。
[0073]
数学式4
[0074][0075]
数学式5
[0076][0077]
此时，在上面的数学式中，c
cap
是直流端电容器的电容，v*
dc
是直流端电压指令。
[0078]
另一方面，直流端电容器的功率如下面的数学式。
[0079]
数学式6
[0080][0081]
功率指令确定部32可以接收再生运转所需的电容器的能量，并确定功率指令p*
cap
。例如，功率指令确定部32可以是比例控制增益为k
p
的比列控制器。
[0082]
通常，比列控制器测量控制对象的输出并通过将其与所希望的参照值或设定值进行比较来计算误差，并利用该误差值计算控制所需的控制值，从而执行与当前状态下的误差值的大小成比列的控制作用。但是，这仅为示例，对于本领域技术人员而言，功率指令确定部32可以由其他控制器构成是不言自明的。
[0083]
转矩指令确定部33可以利用由速度推算部20推算的速度来确定转矩指令。
[0084]
电动机的额定转矩、速度以及力的关系如下面的数学式。
[0085]
数学式7
[0086][0087]
在此，t
rated
是电动机2的额定转矩，pole是极数、p
rated
是电动机2的额定功率、ω
rated
是电动机2的额定速度。因此，转矩指令确定部33可以利用上面的数学式7来确定转矩指令。
[0088]
滑差频率指令确定部34可以利用电动机2的转矩常数来计算滑差频率。转矩和滑差频率的关系如下。
[0089]
数学式8
[0090]
k
t
＝ω
sl_rated
/t
rated
[0091]
即，如果利用上面的关系式，则滑差频率指令确定部34可以利用转矩指令和转矩常数来确定滑差频率指令。在此，t
rated
是电动机2的额定转矩，ω
sl_rated
是电动机2的额定滑差频率。
[0092]
在图5中，从滑差频率发生部30输出的滑差频率指令与从速度推算部20输出的电动机2的推算速度相加，并输入到指令电压发生部10。
[0093]
指令电压发生部10用于控制逆变器1的输出电压，可以从指令频率确定逆变器1的输出电压和运转频率并向逆变器1提供合成电压。
[0094]
指令电压发生部10执行与图2的逆变器控制部200相同的功能，由于指令电压发生部10的动作和逆变器1的动作与参照图2进行的说明相同，因此省略对其的详细说明。
[0095]
图8是用于说明在图5中电动机2和滑差频率发生部30的控制关系的构成图。此时，针对电动机2的框图是通过数学式7和数学式8而近似化的。
[0096]
在图8的控制构成中的传递函数如下面的数学式。
[0097]
数学式9
[0098][0099]
此时，k
p
是作为功率指令确定部32的比列控制器的增益，和分别是计算出的电动机的速度和转矩常数。此时，由图5的速度推算部20确定。
[0100]
在数学式9中，如果速度和转矩常数的推算准确，则可以如数学式10表示。
[0101]
数学式10
[0102][0103]
即，滑差频率发生部30的传递函数可以如数学式10以一阶低通滤波器的形态表示，带宽可以通过作为功率指令确定部32的比列控制器的增益来选定。
[0104]
本发明一实施例的控制部40持续确认直流端电压，在直流端电压为规定电平以下的情况下，提供使滑差频率发生部30开启的标志，由此可以如图8所示控制为备份电动机2的动能。
[0105]
图9是用于说明本发明一实施例的逆变器控制方法的一示例图，图10是用于说明基于本发明一实施例的控制动作的电压电流关系的一示例图。
[0106]
如图所示，在本发明一实施例的控制方法中，控制部40可以持续确认逆变器1的直流端电压(s90)，并且可以确认逆变器1的直流端电压是否为规定电平以下(s91)。在输入电源发生了故障的情况下，直流端电压因输入电源的影响而变小。
[0107]
用于本发明的控制部40向滑差频率发生部30传送动作标志的直流端电压的电平可以由操作者的设定来确定。
[0108]
在控制部40判定为逆变器1的直流端电压为规定电平以下的情况下，控制部40可传送使滑差频率发生部30的动作开启的动作标志。在图10中，如果在输入电源正常且直流端电压保持规定电平的期间，直流端电压成为规定的基准电平(10a)以下，则控制部40可以向滑差频率发生部30传送使滑差频率发生部30的动作开启的动作标志。此时，作为一例，在使用220v的商用电源的情况下，基准电平(10a)可以是200v。
[0109]
即便在此情况下，速度推算部20可以通过持续执行动作来推算电动机2的转子的转速。
[0110]
之后，如果速度推算部20推算出电动机2的速度(s93)，则滑差频率发生部30可以利用直流端电压的能量来生成滑差频率指令。
[0111]
之后，可以通过对推算出的速度加上滑差频率来生成频率指令(s95)，并且由指令电压发生部10生成与该频率指令相应的逆变器的输出电压，并提供给逆变器1(s96)。
[0112]
参照图10，在直流端电压小于基准电平(10a)的情况下，通过对电动机2的推算出的速度加上滑差频率指令来生成频率指令，此时逆变器输出频率以小于电动机速度的速度运转，输出电压的大小可以由电压和频率的关系来确定。即，逆变器1的输出频率可以以小于电动机2的速度的速度输出，逆变器1的直流端电压可以保持恒定的大小。
[0113]
之后，如果直流端电压恢复到规定大小t
recovery
(s97)，则控制部40可以控制为向滑差频率发生部30传送使滑差频率发生部30关闭的动作标志，使得正常运转(s98)。此时，参照图10，控制部40可以将逆变器输出频率控制为从电源恢复时的逆变器输出频率上升，以恢复到故障之前的速度。
[0114]
如上所述，根据本发明，在输入电源发生故障的情况下，执行将电动机的机械能转换为逆变器的电能的再生运转，由此能够使直流端电压保持恒定，从而逆变器能够不停地持续运转。
[0115]
应理解，以上所说明到的本发明的实施例仅仅是示例性的，本领域技术人员可以基于这些实施例实施各种变形和等同范围内的实施例。因此，本发明真正的技术保护范围应由所附的权利要求书确定。