[发明专利]用于在可调速驱动中控制再生能量的系统以及方法

说明书

本发明公开了一种用于控制可调速度驱动(ASD)以便在发电操作模式期间减速AC负载的系统以及方法。ASD包括电容器以及被耦接到DC连接的逆变器。电流传感器系统被耦接到逆变器的输出。ASD进一步包括控制系统，该控制系统被编程为计算电容器的能量，利用计算的电容器能量而生成参考电力，以及从由电流传感器系统接收的实时电流信号来计算反馈电力。控制系统将反馈电力与参考电力进行比较，基于该比较而限定频率偏移，利用频率偏移而生成速度命令，以及向逆变器输出速度命令以便在减速期间维持平滑的DC连接电压。

技术领域

本发明一般涉及可调速驱动，并且更特别地涉及在利用双环路控制结构的减速期间用于在操作的发电模式时控制可调速驱动的系统以及方法。

背景技术

电机驱动在工业应用中频繁用于适应电力以及此外控制电驱动电机，例如与泵、风扇、压缩机、起重机、造纸厂、钢厂、轧钢厂、电梯、机床等一起供应的电驱动电机。电机典型地提供伏特/赫兹的控制，并大幅改进了电驱动电机和应用的效率和生产率。逐渐地，电机驱动采取擅于为电驱动电机或者感应式电机提供可变速度和/或可变转矩控制的可调节或者可变速度驱动(ASD或者VSD)或者可调频率驱动(AFD)的形式。

如果感应式电机的定子端部连接至三相AFD系统，感应式电机的定子在电机驱动操作模式期间将以定子旋转磁场的方向旋转。当负载转矩被施加至电机轴时，稳态速度保持小于同步速度。然而，当感应式电机以与定子旋转场相同的方向旋转时，例如在无负载操作状态期间，如果感应式电机的速度高于同步速度，则感应式电机处于发电操作模式。在发电模式期间，产生在定子旋转磁场相反作用的发电转矩，使得电力从感应式电机回流至AFD。

为了停止AFD系统，AFD施加更低的频率至感应式电机，以尝试以比如果电机允许逐渐至停止更快的速率对电机减速。在减速过程中，AFD持续向电机绕组施加能量，以便保持磁场有效。由于施加的频率低于电机的实际频率，在感应式电机的发电行为将会导致电力流反转AFD系统的动能并将电力反馈回供电电源期间，电机进入发电操作模式。由于能量从电机转移到AFD的DC连接，DC连接电压增加并可能变得不稳定。

在减速过程中，一种用于保护AFD的已知技术监测DC连接电压。如果在减速期间DC连接电压上升超过DC连接电压阈值，AFD将会跳闸并打断正常的停止操作。图1中显示了该技术的说明。图表10显示了用于由40hp驱动在无负载时(即最小转矩)以0.1秒减速速率从100Hz至0Hz驱动的20hp电机的实验波形，包括驱动输出频率12、DC连接电压14以及电机电流16。图表10的顶部18以1秒分割说明，并且图表10的底部20以50毫秒分割说明波形的子部分。由于电机开始斜降其速度并且驱动输出频率12降低，当DC连接电压超出阈值时，电机进入发电状态并且上升的DC连接电压14导致过电压跳闸。在AFD跳闸之后，电机以不可控的方式关闭。不稳定的DC连接电压以及不受控的关闭增加DC连接电容器上的压力，引入EMC问题，产生非期望的谐波和共振，增大机械应力，并且降低整体系统性能。

取代跳闸，AFD的切换控制可导致DC连接电压在减速过程中开始振荡。作为示例，图2中所示的图表22说明了用于在无负载时对20hp电机从100Hz减速至0Hz的示例性60hp驱动的DC连接电压24、电机电流26以及驱动输出频率28的所捕捉的波形。当选择减速功能并且将减速速率设定为0.1秒时，电机开始斜降其速度进入发电状态。如图表22所示，DC连接电压24形成具有超过150V过冲的振荡。也就是说，特定的频率，电压将会在高值和低值之间跳动并且打断正常的减速过程，导致EMI和EMC干扰周围设备。

用于控制减速过程的另一已知方案采用制动电阻器，其提供了驱散可再生能量的通路。制动电阻器控制电路感测高DC电压状态并穿过DC连接与制动电阻电连接。尽管制动电阻器可有效驱散过度的能量，制动电阻器的成本显著。此外，制动电阻器的大的物理尺寸显著增加了AFD的整体尺寸。