DC总线预充电系统的制作方法

dc总线预充电系统
技术领域
1.本文中公开的主题涉及电力转换系统的dc总线预充电。


背景技术：

2.电力转换系统通常使用共享dc总线架构，在该架构中多个dc负载连接至单个总线。例如，共享总线系统可以容纳为相应的马达供电的多个逆变器以及一个或更多个电容器组。具有高电力要求的高容量系统可以包括被设计成在相对高的dc电压下工作的大的dc总线电容器。在启动这样的系统时，一个或多个dc总线电容器需要被充电至用于所连接的逆变器或其他dc负载的安全操作的足够电压。然而，通过简单连接至输入电压源来对电容性负载充电会导致过大的涌入电流电平。在这点上，例如，当某些负载停用以及/或者与共享总线断开时，负载的量和总线电容会变化。另一方面，限制充电电流延长预充电时间。对于工业设施而言，长的预充电/启动时间是不期望的。当预充电电路物理上变得太大、太复杂以及/或者超过预期预充电时间时，可能出现困难。当多个不同的逆变器额定功率超过共享dc总线系统的最大预充电容量时，也会出现问题。


技术实现要素：

3.所公开的示例包括一种系统，具有：第一输入端、ac到dc转换器、第一接触器和第二接触器以及具有用于对共享(例如，系统)dc总线(下文中被称为dc总线电路)进行预充电的vfd的第二支路。第一输入端被配置成耦接至ac电源，并且ac到dc转换器具有耦接至dc总线电路的dc输出端。第一接触器耦接在第一输入端与ac到dc转换器的输入端之间的第一电路分支中。第二电路分支包括第二接触器、电感器、断开开关和vfd。断开开关耦接在第一输入端与vfd的ac输入端之间，并且vfd耦接在断开开关与电感器之间。电感器耦接在vfd的ac输出端与第二接触器之间，并且第二接触器耦接在电感器与dc总线电路之间。
4.所公开的示例包括一种预充电系统，具有：被配置成耦接至ac电源的第一输入端、第一电路分支和第二电路分支以及控制器。第一电路分支具有耦接在第一输入端与ac到dc转换器之间的第一接触器。第二电路分支具有：耦接至第一输入端的断开开关、vfd、耦接至vfd的ac输出端的电感器以及耦接至电感器的第二接触器。控制器在第一模式下打开第一接触器并闭合第二接触器和断开开关以防止直流电流从第一输入端流动到ac到dc转换器而允许电流从vfd的ac输出端流经电感器。在第二模式下，控制器闭合第一接触器并打开第二接触器和断开开关，以允许直流电流从第一输入端流动到ac到dc转换器而防止电流从vfd的ac输出端流经电感器。
5.另一个公开的示例提供了一种用于对dc总线电路进行预充电的方法，包括：将vfd耦接在ac电源与dc总线电路之间；用vfd对dc总线电路进行充电；以及响应于dc总线电路的电压达到阈值，将vfd与dc总线电路断开，将ac到dc转换器耦接至dc总线电路，以及使用ac到dc转换器对dc总线电路的电压进行调节。
附图说明
6.图1是电力转换系统的示意图，其具有共享dc总线、具有afe整流器的初级ac到dc转换器以及具有对dc总线进行预充电的vfd的预充电系统。
7.图2是另一电力转换系统的示意图，其具有共享dc总线、具有六脉冲桥式整流器的初级ac到dc转换器以及具有对dc总线进行预充电的vfd的预充电系统。
8.图3是另一电力转换系统的示意图，其具有共享dc总线、初级ac到dc转换器以及具有对dc总线进行预充电的vfd和桥式整流器的预充电系统。
9.图4是对dc总线电路进行预充电的方法的流程图。
10.图5是在图1的系统中的dc总线预充电期间lcl滤波器输入端处的ac电压的曲线图。
11.图6是在图1的系统中的dc总线预充电期间lcl滤波器输入端处的ac输入电流的曲线图。
12.图7是在图1的系统中的预充电期间dc总线电压的曲线图。
具体实施方式
13.电力转换系统通常使用共享dc总线架构，在该架构中多个dc负载连接至单个总线。例如，共享总线系统可以容纳为相应的马达供电的多个逆变器以及一个或更多个电容器组。具有高电力要求的高容量系统可以包括被设计成在相对高的dc电压下工作的大的dc总线电容器。在启动这样的系统时，一个或多个dc总线电容器需要被充电至用于所连接的逆变器或其他dc负载的安全操作的足够电压。然而，通过简单连接至输入电压源来对电容性负载充电会导致过大的涌入电流电平。在这点上，例如，当某些负载停用以及/或者与共享总线断开时，负载的量和总线电容会变化。另一方面，限制充电电流延长预充电时间。对于工业设施而言，长的预充电/启动时间是不期望的。当预充电电路物理上变得太大、太复杂以及/或者超过预期预充电时间时，可能出现困难。当多个不同的逆变器额定功率超过共享dc总线系统的最大预充电容量时，也会出现问题。
14.首先参照图1至图3，图1示出了包括预充电系统的电力转换系统100，预充电系统在预充电电路分支中使用vfd来为共享总线系统提供小型且可扩展的预充电解决方案。图1的系统100使用具有afe整流器的初级ac到dc转换器和具有对dc总线进行预充电的vfd的预充电系统。图2示出了另一示例电力转换系统，其具有共享dc总线、具有六脉冲桥式整流器的初级ac到dc转换器以及具有对dc总线进行预充电的vfd的预充电系统。图3示出了又一示例，其中预充电系统具有vfd和桥式整流器以对dc总线进行预充电。
15.使用具有ac输入端的vfd提供了优于先前的dc总线预充电系统和技术的优点。简单的预充电电路包括电阻器和接触器，可以在整流器的ac输入端或dc输出端上使用电阻器和接触器以对总线电容进行充电。预充电电阻器是不受控的系统部件，并用作系统电容的涌入充电电流的限制器，从而限制充电时间。当系统电容器完全充电时，系统控制在电路系统中的预充电与主分支之间切换电力流动。更复杂的预充电电路包括受控的ac或dc系统部件例如scr、igbt作为主整流器的一部分，并且预充电电路系统在预充电操作期间控制系统电容的涌入充电电流，并然后在预充电完成之后开始引导主电力流动。在使用预充电电阻器时，其他预充电电路受到开关占空比的限制，以及根据ac线路条件受到长且固定的预充
电时间的限制。此外，简单的预充电电阻器方法没有电流限制控制电路系统。此外，其他解决方案由于公共dc总线系统中的短路故障而在预充电加电时受到有限的保护(例如，与预充电电阻器协调的熔断器保护很困难)。此外，简单的预充电电阻器系统在预充电加电时仅对公共dc总线系统中的接地故障提供有限的保护，并且这些方法针对给定应用通常需要预充电电路部件额定值的定制工程系统设计。
16.图1示出了电力转换系统100，其具有共享dc总线、具有有源前端(afe)整流器的初级ac到dc转换器以及具有对共享dc总线进行预充电的vfd的预充电系统。系统100使用由ac电源101提供的三相ac电力进行操作。在其他实现方式中，可以使用单相ac输入电力，或者具有n相的其他多相电力，其中，n大于3。系统100包括预充电系统110，该预充电系统110具有在第一操作模式(例如预充电模式)下实现dc总线预充电和在第二操作模式(正常)下实现正常操作的分开的第一电路分支和第二电路分支。第一电路分支包括第一接触器111，并且第二电路分支包括第二接触器112。预充电系统110包括被配置成耦接至ac电源101的第一输入端113。第二电路分支包括第二接触器112以及耦接至第一输入端113的断开开关114。在所示的示例中，第一接触器111、第二接触器112和断开开关114都是三相部件，但是不是所有可能实现方式的严格要求。在一个实现方式中，第二电路分支还包括过电流保护电路116，例如三相自恢复断路器或熔断器。在其他实现方式中，过保护电路116被省略。在所示的示例中，第一电路分支包括过保护电路117，例如三相断路器或熔断器。在其他实现方式中，过保护电路117被省略。第二电路分支还包括三相电感器电路(在下文中被称为电感器)，该三相电感器电路具有在第二电路分支的三个相应的相线路中的三个电感器118。
17.在一个示例中，预充电系统110包括预充电控制器119，该预充电控制器119具有被配置成操作第一接触器111和第二接触器112以及断开开关114的适当控制输出。根据本公开内容的某些方面，第二电路分支还包括具有ac输入端和ac输出端的变频驱动器(vfd)120。在一个实现方式中，预充电控制器119包括选择性地操作vfd 120的适当控制输出端。在另一个实现方式中，在vfd 120的一个或更多个编程处理器中实现预充电控制器119。
18.在所示的示例中，vfd 120是ac到ac转换器。示例vfd 120包括具有耦接至断开开关114(例如，直接或通过任何包括的熔断器116)的ac输入端的转换器122(例如，整流器)以及耦接至整流器122的dc输出端的内部(例如，第二)dc总线电路126。在一个示例中，转换器122是无源整流器或者包括无源整流器，例如六脉冲二极管桥式整流器电路。在另一个示例中，转换器122是有源前端(afe)开关整流器或者包括有源前端(afe)开关整流器。第二转换器122提供并调节dc总线电路126的总线电容器两端的内部总线电压vb。vfd 120还包括逆变器124，逆变器124具有耦接至第二dc总线电路126的dc输入端和通过电感器118耦接至第二接触器112的ac输出端。
19.该系统还包括初级ac到dc转换器，在一个示例中，该初级ac到dc转换器具有直接或间接耦接至三相ac输入端131的afe整流器130。在图1的示例中，初级ac到dc转换器包括输入滤波器电路132。在一个示例中，滤波器电路132是三相电感器
‑
电容器
‑
电感器(lcl)滤波器，其包括彼此串联连接且在三个相应相中的每一相中的两个电感器(未示出)以及分别耦接在公共节点(例如，局部中性点)与相应连接节点之间的y电路中的三个电容器，该连接节点连接各个相中的相应一个相的两个电感器。在其他实现方式中，可以使用其他形式的整流器，其具有或不具有输入滤波电路。初级ac到dc转换器包括afe整流器130的dc输出端。
20.整流器130的dc输出端提供主dc总线电压vdc，以驱动具有dc输入端的多个负载，在该示例中多个负载包括多个逆变器140和相应的驱动马达141以及dc总线电容器组142。整流器130的dc输出端和dc负载140、142耦接至共享dc总线电路150(例如，dc总线系统)，该共享dc总线电路150包括第一(例如，正或“ ”)线路或节点151和第二(例如，负或
“‑”
)线路或节点152。
21.预充电控制器119在第一模式下操作以将主dc总线电路150充电至dc总线电压vdc的阈值，并且随后在第二模式下操作以使初级ac到dc转换器130、132正常操作。在一个示例中，在在vfd 120的一个或更多个处理器中实现预充电控制器119的情况下，至少部分地基于表示dc总线电压vdc的反馈信号vfb来控制预充电系统110的操作模式。图1示出了提供从第一dc总线线路151到vfd 120的反馈连接以便根据dc总线电路150的dc总线电压vdc选择性地实现第一操作模式或第二操作模式的示例。在第二模式下的正常操作期间，第一接触器111闭合并且第二接触器112打开。
22.如图1进一步所示，断开开关114耦接在第一输入端113与vfd 120的ac输入端之间，vfd 120耦接在断开开关114与电感器118之间，电感器118耦接在vfd 120的ac输出端与第二接触器112之间，并且第二接触器112耦接在电感器118与初级ac到dc转换器130、132之间。此外，在该示例中，第一接触器111和第二接触器112的输出端耦接在一起并耦接至初级ac到dc转换器130、132的输入端131，但是不是所有可能实现方式的严格要求。此外，在所示的示例中，第二接触器112耦接在电感器118与ac到dc转换器130、132的输入端131之间，但是不是所有可能实现方式的严格要求。
23.在一个示例中，控制器119是根据存储在电子存储器例如vfd 120的存储器中的程序指令实现预充电模式操作和正常模式操作的处理器。在一个示例中，控制器119被配置成在第一预充电模式下打开第一接触器111并闭合第二接触器112和断开开关114，以防止直流电流从第一输入端113流动到ac到dc转换器130而允许电流从vfd 120的ac输出端流经电感器118。在一个实现方式中，控制器119实现第一模式以对dc总线电压vdc进行充电直到vdc超过阈值。在第二正常模式下，控制器119进行操作以闭合第一接触器111并打开第二接触器112和断开开关114，以允许直流电流从第一输入端113流动到ac到dc转换器130、132而防止电流从vfd 120的ac输出端流经电感器118。
24.在一个示例中，图1中的预充电系统110利用具有可调逆变器输出电压和频率(例如，可调电压和频率或者avaf控制)的标准ac vfd(例如，变速驱动器)来实现可调和可扩展的预充电功能或选项作为用于对具有多个逆变器140和经由电容器组142的潜在大的dc总线电容的公共或共享dc总线电路150进行预充电的部件。在一个示例中，vfd 120根据反馈电压信号vfb和电流限制来实现充电速率控制，以促进快速预充电和防止过电流和/或短路保护二者。vfd 120和主ac到dc转换器130、132在第一模式期间同时操作，其中vfd 120向主ac到dc转换器130、132的输入端131提供输入ac电力，并且afe提供dc充电电流以对共享dc总线电路150的总线电容进行充电。在一个示例中，预充电vfd 120提供对预充电操作例如充电时间、电流限制、短路保护和接地故障保护的精确控制，并且例如如下面图4所示在启动诊断检查之后验证共享dc总线电路150的健康状况。
25.图2和图3进一步示出了非限制性示例。图2示出了电力转换系统200，如上面总体上描述的，该电力转换系统200具有共享dc总线、作为初级ac到dc转换器的六脉冲桥式整流
器230以及具有对dc总线电路150进行预充电的vfd 120的预充电系统110。在该示例中，桥式整流器230包括被配置在整流器电路中的6个整流二极管或scr，该整流器电路具有ac输入端231和耦接至dc总线电路150的dc输出端。图3示出了如上结合图1所述的具有共享dc总线电路150和带有vfd 120的预充电系统310的另一电力转换系统300。在该示例中，预充电系统310包括耦接在电感器118与第二接触器112之间的整流器319。在一个示例中，整流器319是具有被配置在整流器电路中的6个整流二极管或scr的六脉冲桥式整流器，所述整流器电路具有耦接至电感器的ac输入端和通过接触器112耦接至dc总线电路150的dc线路151和152的dc输出端。系统300中的初级ac到dc转换器是具有ac输入端331和耦接至dc总线电路150的dc输出端的afe或桥式整流器330。在该示例中，第二接触器112具有两个触点，以在第一模式下选择性地允许dc电流在整流器319的dc输出端之间流动以直接对dc总线电路150进行预充电，或者在第二模式下防止dc电流从整流器319流动到dc总线电路150。在一个示例中，初级ac到dc转换器330是具有耦接至第一接触器111的ac输入端和耦接至dc总线电路150的dc输出端的第二桥式整流器。在另一个示例中，初级ac到dc转换器330包括具有耦接至第一接触器111的ac输入端和耦接至dc总线电路150的dc输出端的afe整流器。
26.图4示出了用于对dc总线电路例如上面结合图1至图3描述的dc总线电路150进行预充电的方法400。在一个示例中，该方法400由预充电控制器119根据存储在电子存储器例如图1中的vfd 120的存储器中的程序指令来实现。方法400在402处开始，并且包括将变频驱动器vfd 120耦接在ac电源101与共享dc总线电路150之间。在一个实现方式中，控制器119通过打开上面图1中的第一接触器111和闭合第二接触器112并在图4中的404处施加输入ac电力来提供这种互连。在一个示例中，该方法400还包括控制器119在406处执行ac/dc转换器健康状况检查。
27.在一个实现方式中，控制器119在408处确定主接触器(例如，第一接触器111)是否打开。如果否(在图4中的408处为“否”)，则控制器119在410处禁用操作和这样的系统故障。否则(在408处为“是”)，则控制器119在412处确定预充电驱动器(例如，图1中的vfd 120)是否准备好。如果否(在412处为“否”)，则控制器119在410处禁用操作并设置系统故障。此外，在一个示例中，控制器119例如基于用户输入或其他配置源在图4中的414处设置一个或更多个参考，包括斜坡时间和期望的dc总线电压参考。
28.如果预充电vfd 120准备好(在412处为“是”)，则控制器119在416处使vfd 120执行启动命令，并且控制器119在418处确定vfd驱动器是否有故障。如果是(在418处为“是”)，则控制器119在420处检查故障状态以在422处确定是否存在硬故障。如果是(在422处为“是”)，则控制器119在410处禁用操作并设置系统故障。如果不存在硬故障(在422处为“否”)，则控制器119在423处重置vfd 120，并且在416处vfd 120再次执行启动命令。
29.一旦vfd驱动器在没有故障(在418处为“否”)的情况下启动，控制器119在424处在第一模式下运行预充电操作，以用vfd 120对dc总线电路150进行充电，直到dc总线电路150的电压vdc达到阈值或者预设的最大斜坡时间参考值已经被超过。在一个示例中，控制器119以ac电源101的线路频率或以接近ac电源101的线路频率操作vfd 120，但是不是所有可能实现方式的严格要求。在另一个示例中，控制器119以比线路频率更高的频率例如ac电源101的线路频率的两倍或三倍操作vfd 120。在所示的示例中，控制器119在426处确定预定参考时间是否被超过(例如，确定斜坡时间是否小于参考时间)。如果是(在426处为“否”)，
则控制器119在410处禁用操作并设置系统故障。如果没有超过参考时间(在426处为“是”)，则控制器119在428处确定dc总线电压vdc是否达到或超过阈值。如果还没有达到阈值dc总线电压(在428处为“否”)，则该方法400在426和428处继续以继续对dc总线电路150进行预充电。
30.响应于dc总线电路150的电压vdc达到阈值而不超过预定参考时间限制(在428处为“是”)，该方法进行至430，在430处控制器119停止运行vfd 120并打开第二接触器112以将vfd 120与dc总线电路150断开。在432处，控制器119闭合第一(例如，主)接触器111以将初级ac到dc转换器(例如，图1中的130、132)耦接至dc总线电路150并检查dc总线电容健康状况。在一个示例中，控制器119控制打开第二接触器112与闭合第一接触器111之间的时序，以提供非零(例如，在打开或闭合之前中断)切换时间延迟。这有利地避免了使vfd频率(例如，逆变器124的输出频率)与ac电源101的频率和相位同步。在一个示例中，控制器119在434处验证第一接触器是否闭合。如果否(在434处为“否”)，则控制器119在410处禁用操作并设置系统故障。如果是(在434处为“是”)，则控制器119在436处确定初级ac到dc转换器(例如，图1中的afe整流器130)准备好，并且afe整流器130调节dc总线电路150的电压vdc。在图4中的438处，控制器119确定预充电操作完成并且向耦接至共享dc总线电路150的逆变器140发出运行许可，并且该方法400在440处结束。
31.图5至图7示出了示例波形，其示出了图1的上述预充电系统100的操作中的受控预充电，其中在小于15秒内dc总线系统电容约为2f(例如，图1中的电容器组142)。图5是具有曲线502的曲线图500，示出了图1的系统100中的dc总线预充电期间lcl滤波器输入处的rms ac电压，其中，预充电在时间t0处开始，并且在一个示例中，在预充电在t0处开始之后，在控制器119在时间t1(大约15秒)处打开第二接触器112时滤波器输入电压达到476vrms。短时间之后在t2处，控制器119闭合主第一接触器111，通过该主第一接触器111ac电源101开始在到滤波器电路132的输入端处提供ac输入电压。图6示出了具有在与图5的示例对应的图1的系统中的dc总线预充电期间在lcl滤波器输入端处的ac输入电流的曲线602的曲线图600。在该示例中，在第一模式下的预充电期间，预充电电流从零增加至大约92arms的峰值。在这点上，除了短路保护之外，使用vfd 120向初级ac到dc转换器130、132提供ac输入电力有助于电流限制控制。图7示出了具有曲线702的曲线图700，该曲线702示出了对于图5和图6中所示的示例在图1的系统中的预充电期间的dc总线电压vdc。在一个示例中，dc总线电压vdc从0v处开始，并且控制器119继续预充电，直到dc总线电压vdc达到预定阈值，例如652v。与其他方法不同，在初始dc总线电压vdc非零的情况下，使用vfd 120进行预充电有助于预充电操作。
32.所描述的示例提供了多种优点，其中vfd 120可以与具有不受控的整流二极管初级整流器(例如，上面图2和图3)的共享dc总线系统一起使用，以及在具有受控的整流器(例如，scr)前端的系统中使用。此外，示例预充电系统110、310可以与具有lcl滤波器和igbt afe的系统(例如，图1和图3)一起使用。此外，使用vfd 120进行预充电有助于与预充电操作开始时的初始dc总线电压无关地控制电容充电时间，并且所描述的预充电系统110和310有助于限制充电电流。此外，基于vfd的预充电系统110和310有利地提供充电电路系统和dc总线部件的短路保护，以及提供充电电路系统和dc总线部件的接地故障保护的能力。此外，示例预充电系统110和310提供系统电容的诊断以增加其可靠性。另外的益处包括考虑到受控
的最大预充电斜坡时间来优化vfd电感器118的尺寸和成本的能力，而不需要加大这些部件的尺寸以工作更长的时间。例如，仅15秒内的预充电有助于系统停机时间减少，并且在一个示例中，电感器118的尺寸不必设置为工作30分钟。所公开的示例还有助于消除有时在系统中的其他预充电中使用的内部预充电dc链路电感器，从而提供额外的成本节省和减少的谐波。实际上，一旦预充电操作完成，预充电系统110、310的vfd 120就可以停止使用以提高长时间可靠性。
33.在前面的说明书中，已经参照附图描述了各种实施方式。然而，明显的是，在不背离所附权利要求书所阐述的本发明的广泛的范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变，并且可以实现另外的实施方式。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。根据本公开内容的另外方面，提供了一种非暂态计算机可读介质例如计算机存储器、在电力转换器控制系统内的存储器(例如，控制器存储器、cd
‑
rom、软盘、闪存驱动器、数据库、服务器、计算机等)，其包括用于执行上述方法的计算机可执行指令。上述示例仅仅是说明本公开内容的各个方面的几个可行的实施方式，其中在阅读和理解本说明书和附图后，本领域的技术人员将会想到等同的更改和/或修改。特别是关于由上述部件(组件、设备、系统、电路等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这样的部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所描述部件的指定功能(即，功能上等同)的任何部件例如硬件、处理器执行的软件或其组合，即使其在结构上不等同于所公开的、在本公开内容的所示实现方式中执行该功能的结构。此外，虽然本公开内容的特定特征可能仅针对若干实现方式中的一个来公开，但是这样的特征可以根据需要以及对于任何给定的或特定的应用期望并有利地与其他实现方式中的一个或更多个其他特征组合。此外，就在具体实施方式和/或权利要求中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“拥有”或其变体来言，以类似于术语“包括”的方式，这样的术语旨在是开放性的。