用于軟啟動電機(jī)和其它應(yīng)用的ac到ac轉(zhuǎn)換器及其操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及AC到AC電子轉(zhuǎn)換器，并且更特別地涉及用于提供AC負(fù)載(例如AC電機(jī))的軟啟動以及包括管理三相AC負(fù)載的其它相關(guān)操作的AC到AC轉(zhuǎn)換器及其操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]AC到AC轉(zhuǎn)換器用于將AC電壓轉(zhuǎn)換為另一 AC電壓。通常在工業(yè)中使用的AC到AC轉(zhuǎn)換器的一種類型是軟啟動器，其是使得采用減小的浪涌電流平滑啟動AC感應(yīng)電機(jī)成為可能的工業(yè)控制設(shè)備。軟啟動器通常采用可控硅整流器(SCR)以便減小施加到電機(jī)上的電壓，并且因而減小到電機(jī)的啟動浪涌電流。盡管SCR可被任意導(dǎo)通，但是因?yàn)镾CR在電流為零時自然關(guān)斷，所以不能以動態(tài)并且可控方式將其關(guān)斷。因此SCR缺少提供電流的精確控制的期望能力，可期望采用電流的更多控制以便減小諧波，減小熱耗散，并且進(jìn)一步改進(jìn)AC電機(jī)啟動，重啟以及停止特性。
[0003]使動態(tài)以及可控電流中斷成為可能的例如諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的其它器件是可用的。已經(jīng)將IGBT用于以諸如通過首先整流進(jìn)入AC電壓，采用電容器來平滑DC電壓，并且然后采用六個IGBT (三相全橋DC到AC逆變器)將其逆變的各種方式來啟動電機(jī)。然而，這種IGBT的使用通常受限于復(fù)雜的“電機(jī)驅(qū)動器”，并且盡管IGBT在電機(jī)驅(qū)動器中的使用運(yùn)行良好，但是集成IGBT的電機(jī)驅(qū)動器通常明顯比軟啟動器昂貴。盡管可避免/消除電機(jī)驅(qū)動器中的某些元件以試圖減小成本，諸如通過使用矩陣結(jié)構(gòu)來避免使用DC連接，但是這種轉(zhuǎn)換器使用更多的器件并且也是高成本的。
[0004]已經(jīng)用于提供可控電流中斷的另一種電路類型稱作“AC斬波器”。在AC斬波器中，以典型為高的給定頻率(kHz或者更高)將IGBT切換為導(dǎo)通和關(guān)斷。在較大程度上，切換在計(jì)時和相位方面與進(jìn)入電壓分離。這使得必須在AC斬波器中使用電容器，以便在IGBT關(guān)斷時提供機(jī)器電感中的能量路徑，因?yàn)樵陉P(guān)斷時刻留在電感中的能量可產(chǎn)生與L * di/dt成比例的大的電壓尖峰。這些電容器需要是大的，通常與機(jī)器電感相稱。這樣，最后AC斬波器需要諸如電容器的大的無源元件，因而導(dǎo)致高成本。
[0005]因此將期望提供可以平滑、方便地啟動、操作并且停止(制動)AC負(fù)載以及特別是電子AC電機(jī)，并且與傳統(tǒng)的基于SCR的軟啟動器相比具有更多的控制，還比驅(qū)動器、矩陣式轉(zhuǎn)換器或者AC斬波器成本更低的系統(tǒng)及其操作方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出用于為諸如AC感應(yīng)電機(jī)的AC負(fù)載提供不間斷電流的系統(tǒng)和方法。提出其中包括具有簡單的軟啟動器類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)/布置的多個開關(guān)的控制設(shè)備，具有在啟動期間限制到AC負(fù)載的瞬態(tài)電壓和電流的開關(guān)。負(fù)載控制設(shè)備中的控制器實(shí)施用于控制開關(guān)以使得AC負(fù)載中的電流永不間斷的控制方案。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，控制到AC負(fù)載的電流流動的負(fù)載控制設(shè)備包括電路，該電路具有可連接到AC源的線路端子的輸入；可連接到AC負(fù)載的負(fù)載端子的輸出；連接輸入和輸出以便將電力從AC源傳遞到AC負(fù)載的一條或多條電源線，每條電源線對應(yīng)于AC負(fù)載的相；在線路端子和負(fù)載端子之間連接的多個線路側(cè)開關(guān)，每條電源線包括至少一個連接到其上的線路側(cè)開關(guān)；以及一端連接到負(fù)載端子并且另一端在公共連接處連接到一起的多個浮動中性側(cè)開關(guān)，每條電源線包括至少一個連接到其上的浮動中性側(cè)開關(guān)。負(fù)載控制設(shè)備還包括控制器，該控制器連接到電路并且被配置為確定每條電源線上的電流流動方向，基于每條電源線上所確定的電流方向確定多個線路側(cè)開關(guān)中的每個線路側(cè)開關(guān)以及多個浮動中性側(cè)開關(guān)中的每個浮動中性側(cè)開關(guān)的切換模式，并且根據(jù)所確定的切換模式使多個線路側(cè)開關(guān)中的每個線路側(cè)開關(guān)以及多個浮動中性側(cè)開關(guān)中的每個浮動中性側(cè)開關(guān)以導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷狀態(tài)操作，從而為AC負(fù)載提供受控的不間斷電流流動。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于控制從AC電源到AC負(fù)載的電壓施加和電流供給的控制設(shè)備包括，將AC電源的線路端子連接到AC負(fù)載的負(fù)載端子的一條或多條電源線，每條電源線對應(yīng)于AC負(fù)載的相?？刂圃O(shè)備還包括在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間可選擇地切換的多個開關(guān)，從而控制電壓和電流從AC電源到AC負(fù)載的傳輸，多個開關(guān)進(jìn)一步包括，連接到在線路端子和負(fù)載端子之間的電源線的一組線路側(cè)開關(guān)，使得每條電源線包括至少一個連接到其上的線路側(cè)開關(guān)；以及一端連接到電源線并且另一端在公共連接處連接到一起的一組浮動中性側(cè)開關(guān)，使得每條電源線包括至少一個連接到其上的浮動中性側(cè)開關(guān)。開關(guān)具有采用用于反向電流流動的二極管的單向控制。當(dāng)電機(jī)端子的電壓高于線路側(cè)的電壓時，電流流過開關(guān)的二極管，其在開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時發(fā)生?？刂圃O(shè)備進(jìn)一步包括處理器，該處理器編程為識別每條電源線上的電流為正電流或負(fù)電流，基于所識別的正和負(fù)電流確定每個線路側(cè)開關(guān)和每個浮動中性側(cè)開關(guān)的切換模式，以及根據(jù)所確定的切換模式選擇性地以導(dǎo)通狀態(tài)或關(guān)斷狀態(tài)操作每個線路側(cè)開關(guān)和每個浮動中性側(cè)開關(guān)，其中根據(jù)所確定的切換模式切換多個開關(guān)在切換多個開關(guān)期間向AC負(fù)載提供在開關(guān)和二極管之間的不間斷電流流動。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，用于控制到AC負(fù)載的電流流動的方法包括提供在AC電源和AC負(fù)載之間串聯(lián)的電路的步驟，該電路包括多個開關(guān)，該多個開關(guān)形成連接到在AC電源的線路端子和AC負(fù)載的負(fù)載端子之間的一條或多條電源線的一組線路側(cè)開關(guān)，以及一端連接到一條或多條電源線并且另一端在公共連接處連接到一起的一組浮動中性側(cè)開關(guān)。方法還包括選擇性地以有源模式和續(xù)流模式操作電路的步驟，從而選擇性地在有源操作模式期間向負(fù)載端子提供全相位電壓并且在續(xù)流操作模式期間向負(fù)載端子提供零電壓，其中操作電路的步驟進(jìn)一步包括識別一條或多條電源線中的每條電源線的電流為正電流或者負(fù)電流，基于所識別的正和負(fù)電流確定具有用于每個線路側(cè)開關(guān)和每個浮動中性側(cè)開關(guān)的限定頻率和占空比的切換模式，以及根據(jù)所確定的切換模式選擇性地以導(dǎo)通狀態(tài)或關(guān)斷狀態(tài)操作多個線路側(cè)開關(guān)中的每個線路側(cè)開關(guān)和多個浮動中性側(cè)開關(guān)中的每個浮動中性側(cè)開關(guān)，其中根據(jù)所確定的切換模式切換多個開關(guān)在切換多個開關(guān)期間向AC負(fù)載提供連續(xù)電流流動。
[0010]以下詳細(xì)描述和附圖將使本發(fā)明的各種其它特征和優(yōu)點(diǎn)更加顯而易見。
【附圖說明】
[0011 ] 附圖示出目前預(yù)期用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0012]在附圖中:
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于以受控方式控制到AC負(fù)載的三相AC電流的AC負(fù)載或電機(jī)控制設(shè)備的示意圖。
[0014]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于切換圖1中負(fù)載控制設(shè)備的IGBT的切換邏輯的表。
[0015]圖3是具有示出圖2的切換邏輯的矢量作為矢量控制的矢量圖。
[0016]圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示出圖1中電機(jī)控制設(shè)備的控制器的輸出電流(例如負(fù)載/電機(jī)電流)和IGBT的柵極信號的圖。
[0017]圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示出由圖1的負(fù)載控制設(shè)備產(chǎn)生的低占空比和高占空比循環(huán)的負(fù)載端子電壓的圖。
[0018]圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示出當(dāng)從有源操作模式轉(zhuǎn)換到續(xù)流操作模式時，用于切換圖1中電機(jī)控制設(shè)備的IGBT的切換邏輯的圖。
[0019]圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于以受控形式控制到AC負(fù)載的單相AC電流的負(fù)載控制設(shè)備的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]在本文中陳述的本發(fā)明的實(shí)施例涉及向諸如AC感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載提供受控不間斷電流的系統(tǒng)以及方法。提出包括其中在啟動期間限制到AC負(fù)載的瞬態(tài)電壓和電流的多個開關(guān)的電機(jī)控制設(shè)備，具有電機(jī)控制設(shè)備中實(shí)施用于控制開關(guān)以使得AC負(fù)載的電流連續(xù)的控制方案的控制器。
[0021]參考圖1，示出用于與本發(fā)明的實(shí)施例一起使用的三相AC負(fù)載10。根據(jù)一個實(shí)施例，AC負(fù)載10包括一個或多個感應(yīng)電機(jī)，其中借助于電磁感應(yīng)由定子提供電力到其轉(zhuǎn)子(未示出)，而AC負(fù)載10在操作上分別通過對應(yīng)的電源線14，16和18連接到三相AC源12a-12c，從而從其接收電力。因此，出于參考的目的，電源線14對應(yīng)于相A，電源線16對應(yīng)于相B以及電源線18對應(yīng)于相C。如圖1所示，執(zhí)行由AC源12a-12c產(chǎn)生的AC波形到用于向AC負(fù)載10輸入的另一 AC波形的AC到AC轉(zhuǎn)換的電機(jī)控制設(shè)備20在AC源12a_12c與AC負(fù)載10之間連接。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，電機(jī)控制設(shè)備20包括被配置為限制啟動期間到AC負(fù)載10的浪涌電流的軟啟動器，導(dǎo)致避免浪涌電流的“軟”電機(jī)啟動，并且因此電機(jī)控制設(shè)備在下文中指軟啟動器。然而理解為本發(fā)明的實(shí)施例并不限于軟啟動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并且可合并到諸如AC電機(jī)驅(qū)動器的其它電機(jī)控制設(shè)備和其他相關(guān)設(shè)備中。一般而言，控制設(shè)備20使用三相AC電源電壓作為輸入，并且為負(fù)載提供受控的AC電壓或電流。
[0022]在圖1中示出軟啟動器20的基本結(jié)構(gòu)(即軟啟動器的電路21)如包括連接到電源線14，16，18的多個開關(guān)22，24，26，28，30，32，每個開關(guān)具有單向控制并且與用于反向電流流動的二極管34反并聯(lián)耦接，從而控制電流流動并且依次控制AC負(fù)載10的端子電壓。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，開關(guān)為IGBT的形式，并且因此開關(guān)在下文中一般指IGBT。IGBT目前是在許多感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中的公共技術(shù)，然而注意的是“ IGBT”應(yīng)該理解為可被任意導(dǎo)通或關(guān)斷的任何開關(guān)(以包括幾十kHz以及更高的高頻的任何頻率)。取決于電壓級別，電力級別以及其它考慮因素可使用其它種類的例如諸如MOSFET或者M(jìn)CT (M0S控制的晶閘管)的電子開關(guān)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例，在軟啟動器中提供六個IGBT 22，24，26，28，30