用于电力转换系统的预充电设备的制作方法

本文所公开的主题涉及电力转换，更具体地，涉及电力转换器和用于电力转换器的预充电方法和设备。

背景技术：

在有源前端整流器的通电期间，dc母线电容器和任何输入滤波器电容器被充电。该预充电可能引起高的浪涌电流，这会可能使电力转换系统的部件承受压力或者劣化。过多的浪涌电流流过还可能使系统的断路器跳闸。为减小预充电浪涌电流的尝试包括使用大型接触器或断路器，但这会增加转换系统的成本、尺寸和重量。一些预充电电路还包括复杂的开关逻辑来对dc母线电容器和任何滤波器电容器进行预充电。

技术实现要素：

下面总结本公开的各个方面以促进对本公开的基本理解，其中，该总结不是本公开的全面概述，并且既不旨在识别本公开的某些元素，也不旨在描绘本公开的范围。相反，该总结的主要目的是在下文中呈现更详细的描述之前以简化的形式呈现本公开的各种构思。本公开提供对dc总线电容器进行充电的电力转换系统、方法和预充电系统，包括晶闸管或其他半导体开关装置以及耦接在ac输入线与整流器之间的ac电路路径中的反向二极管。预充电电容器耦接在ac电路路径中的一个或更多个ac电路路径中。控制器关断所有的晶闸管以允许dc总线电容器通过预充电电阻器进行充电，并且在dc总线电压达到非零阙值时接通所有的晶闸管。

附图说明

图1是示出根据本发明的一种实施方式的系统的配置的示意图。

图2是示出根据本发明的另一种实施方式的系统的配置的示意图。

图3是示出根据本发明的又一种实施方式的系统的配置的示意图。

图4是示出根据本发明的另一种实施方式的系统的电路结构的示意图。

图5是示出根据本发明的一种实施方式的系统的电路结构的示意图。

图6是示出根据本发明的一种实施方式的系统的另一电路结构的示意图。

图7是示出根据本发明的又一种实施方式的系统的电路结构的示意图。

图8是示出根据本发明实施方式的系统中的预充电电路的结构的示意图。

图9是示出根据本发明实施方式的系统中的预充电电路的另一结构的示意图。

图10是示出根据本发明实施方式的对电力转换系统的dc总线电容器进行充电的方法的流程图。

具体实施方式

在整个附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且各种特征不一定是按比例绘制的。在下面的讨论和权利要求中，术语“耦接”(“coupled”,“couple”,“couples”)或其变型旨在包括间接或直接的电连接或其组合。例如，如果第一装置耦接至第二装置或与第二装置耦接，则该连接可以通过直接电连接或通过经由一个或更多个中间装置和连接的间接电连接。在下文中结合附图来描述若干实施例或实施方式，在整个附图中相同的附图标记用于指代相同的元件，并且在附图中各种特征不一定是按比例绘制的。

首先参照图1至图3，示出了系统100，该系统100包括与电网连接的三相ac电源102和相关联的馈送线，该馈送线向电机驱动的电力转换系统110的ac输入相线a、b和c提供ac输入电力以驱动电机负载104。所公开的示例包括电力转换系统110及方法和对开关整流器114的输出端处的dc总线电容器cdc进行充电的预充电系统118、120。整流器114包括整流器开关装置s1至s6，其分别耦接在ac输入端子u、v和w中的相应一个ac输入端子与第一dc输出端子dc+和第二dc输出端子dc-中的一者之间。如图3至图9的示例所示，预充电电路包括：固态或半导体开关装置，如晶闸管(例如，scr)qa、qb和qc；以及反向二极管da、db和dc，其耦接在ac输入线a、b、c与整流器114之间的ac电路路径中。预充电电阻器r耦接在ac电路路径中的一个或更多个ac电路路径中，并且控制器120关断所有的晶闸管qa、qb和qc以允许dc总线电容器cdc通过预充电电阻器r进行充电，并且在dc总线电压vdc达到非零阙值th时接通晶闸管。固态预充电开关电路的使用有利地避免或减轻了与预充电接触器或断路器相关联的成本、尺寸和重量问题，并且所公开的示例不需要复杂的开关逻辑以便利dc总线电容器cdc的预充电以及输入滤波电路112的预充电滤波电容器cf的可能性。关于这一点，固态预充电电路118可以如图1所示位于滤波电路112内、滤波电路112的上游(例如，之前)(图2)或者滤波电路112之后(例如，下游)(图3)以及各种实施例。可以采用所公开的示例的预充电设备和技术来减轻或减小电力转换系统部件的涌浪电流和相关联应力或劣化，并且避免转换器110的不期望的跳闸。

如图1至图3所示，电力转换系统110包括三相输入滤波电路112，该三相输入滤波电路112将ac电力传输至三相有源前端(afe)整流器114的输入端子u、v和w。驱动器110包括反馈电路128和控制电路或控制器120。整流器114具有用于经由端子u、v和w来接收ac输入电力的输入端和用于在dc输出端子dc+和dc-处提供dc输出信号的输出端。反馈电路128在一个示例中将三相输入电压值提供给控制器120，并且控制器120确定输入线对线电压的相位角。中间dc电路或dc总线连接在整流器114的dc输出端子dc+和dc-与逆变器116的输入端之间。在一个示例中，dc中间电路包括如图1所示连接在正dc总线dc+与负dc总线dc-之间的电容器cdc。

逆变器116包括通过中间电路耦接至整流器114的输出端子的dc输入端以及能够耦接至电机负载104以提供ac输出信号的输出端。在该示例中，逆变器116提供三相输出信号以驱动电机负载104。在其他示例中，可以由逆变器116的输出端来提供单相ac输出信号以驱动负载104。afe整流器114可以向任何合适的一个或多个负载提供dc输入电力。在图1的示例中，系统110包括由逆变器控制器126操作以驱动单个电机负载104的单个逆变器116。在其他示例中，afe整流器114和滤波电路112可以用在多驱动配置中以向多个负载提供dc输入电力，例如分别驱动单独的电机负载104的多个逆变器116。可以在具有公共dc总线连接的多隔室的外壳(multi-bayenclosure)中设置这样的系统以从整流器114向多个逆变器116提供电力。电力转换系统110可以包括各种不同的输入滤波电路拓扑或配置。例如，可以将电感-电容(lc)或电感-电容-电感(lcl)输入滤波电路与每个ac输入相a/u、b/v、c/w相关联以控制所连接的电网的谐波含量。在其他示例中，转换系统可以包括afe整流器114以提供dc输出，而不包括逆变器或驱动的电机。

进一步如图4至图7所示，系统110包括控制器120，所述控制器120具有一个或更多个处理器200以及具有程序指令的相关联的电子存储器202，该程序指令用于操作整流器114、任何包括的逆变器116并且还用于控制dc总线电容器cdc的预充电。控制器120在一个示例中包括整流器控制部件或系统126，该整流器控制部件或系统126向igbt或其他开关s1至s6提供整流器开关控制信号125以操作afe整流器114。控制器120在一个示例中还包括或实现逆变器控制部件或系统以提供逆变器开关控制信号(未示出)来操作逆变器116。控制器120在各种操作模式下操作电机驱动器110，并且从反馈系统128获取各种系统操作参数和信号或值130的测量结果。控制器120及其部件可以是被调节、编程或以其他方式配置成实现本文所示和所描述的功能的任何合适的硬件、处理器执行的软件、处理器执行的固件、逻辑或其组合。控制器120在某些实施例中可以整体或部分地被实现为使用一个或更多个处理元件如一个或更多个处理器200执行的软件部件，并且可以被实现为包括计算机可执行指令的子部件或对象的集合，该计算机可执行指令存储在非暂态计算机可读电子存储器202中以用于使用在一个或更多个硬件平台(如包括一个或更多个处理器、数据存储器、内存等的一个或更多个计算机)上执行的计算机可读数据来进行操作。

控制器120的部件可以在相同的计算机处理器上执行，或者以分布式方式在两个或更多个处理部件中执行，该两个或更多个处理部件在操作上彼此耦接以提供本文所描述的功能和操作。控制器120在一个示例中通过下述方式来配置：在处理器200中执行存储器202中的指令以实现已知的各种电机驱动功能以及在一个示例中通过经由部件122的谐振检测和阻抗计算功能来配置，该部件122被设置为在存储器202中包括处理器可执行指令的部件。类似地，整流器控制功能可以至少部分地经由存储在存储器202中的用于由处理器200执行的处理器可执行指令124来实现。此外，控制器120可以包括各种信号调节电路，该各种信号调节电路用于接收模拟信号并且将模拟信号转换成数字信号，以及用于提供合适的输出信号(例如，适于操作整流器114和逆变器116的各种开关装置的整流器开关控制信号125和逆变器开关控制信号127(图1))。

在图1至图7的各种非限制性示例中，预充电电路118耦接在ac输入线a、b、c与整流器114的ac输入端子u、v、w之间。在某些示例中，预充电电路118连接至滤波电路112的滤波电容器cf(图1、图5和图6)。在其他示例中，预充电电路118耦接在ac输入线a、b、c与滤波电路112之间，并且滤波电路112耦接在预充电电路118与整流器114的ac输入端子u、v、w之间(图2和图4)。在另一些示例中，滤波电路112耦接在ac输入线a、b、c与预充电电路118之间，并且其中，预充电电路118耦接在滤波电路112与整流器114的ac输入端子u、v、w之间(图3和图7)。

如图4至图7所示，针对每个相a/u、b/v和c/w，示例性lcl滤波电路112包括连接在整流器114的输入端与电源102的输出端之间的第一和第二滤波电感器l1和l2。滤波器112的相a/u包括表示为电感l1a的第一(整流器侧)电感器以及表示为电感l2a的第二(电网侧)电感器。类似地，滤波器相b/v包括由电感l1b、l2b表示的第一和第二电感器，并且滤波器相c/w包括由电感l1c、l2c表示的第一和第二电感器。在滤波器112的每个相线的第一和第二电感器l1与l2之间，滤波电容器cf从连接相应电感器l1和l2的线连接至滤波器中性点n1。这些在图4至图7中被示为滤波电容器cfa、cfb和cfc。滤波器中性点n1可以但不需要连接至电源中性点n。在一些示例中，可以以delta配置来连接滤波电容器cf。delta或y连接的滤波电容器在某些示例中可以包括与电容器串联的阻尼电阻器或陷波滤波电感器。

反馈电路或系统128包括用于感测或检测滤波电路112、整流器114和/或中间dc总线电路中的一个或更多个电状况的一个或更多个传感器(未示出)。反馈电路128向控制器120提供一个或更多个反馈信号或值130(例如，模拟信号和/或经转换的数字值)以通常用于电机驱动器110的闭环反馈控制中以及用于由预充电控制部件122来使用。如图4至图7进一步所示的，整流器114在一个示例中是具有igbt型开关装置s1至s6的开关整流器，该开关装置s1至s6分别耦接在ac输入端子u、v或w中的相应一个ac输入端子与第一和第二dc输出端子dc+或dc-中的一者之间。可以使用其他基于半导体的开关装置，包括但不限于场效应晶体管(fet)等。每个整流器开关装置s1至s6由来自控制电路120的整流器控制器124的相应整流器开关控制信号125来操作以选择性地将相应ac输入端子连接至相应dc输出端子或将相应ac输入端子与相应dc输出端子断开。

预充电电路118包括分别耦接在ac输入线a、b和c中的相应一个ac输入线与ac输入端子u、v和w中的相应一个ac输入端子之间的三个ac电路路径。各个ac电路路径包括半导体开关装置(例如，图4的三相示例中的qa、qb和qc)。半导体开关装置分别根据相应预充电控制信号(例如，124a、124b或124c)进行操作以选择性地允许电流在相应ac输入线a、b或c与相应ac输入端子u、v或w之间流动。此外，预充电电路118的各个ac电路路径包括反向二极管(例如，da、db或dc)，该反向二极管具有与相应ac输入端子u、v或w耦接的阳极和与相应ac输入线a、b或c耦接的阴极。此外，为了减少过量的涌浪电流对dc总线电容器cdc和/或滤波电路112的电容器cf进行充电，预充电电路112包括一个或更多个预充电电阻器r。在图4至图7的示例中，单个预充电电阻器r连接在与输入线a和整流器输入端子u相关联的ac电路路径中。在其他示例中，单个预充电电阻器r可以与ac相中的另一ac相的相应开关装置q和反向二极管d并联连接。在另一些示例中，两个或更多个预充电电阻器r可以被包括在预充电电路118中，分别连接在ac电路路径的两个或更多个相应ac电路路径中。

控制器120在第一模式和第二模式下进行操作，该第一模式和第二模式包括对dc总线电容器cdc进行充电的第一或预充电模式以及第二或正常操作模式，在第二或正常操作模式期间，有源前端整流器114进行有源切换以调节电容器cdc两端的dc总线电压vdc。在第一模式下，当dc总线电压在非零阙值th以下时，控制器120提供预充电控制信号124a、124b和124c以关断所有的半导体开关装置qa、qb和qc。这允许dc总线电容器cdc通过预充电电阻器r进行充电，其中，电流从ac输入线a通过电阻器r流至图4中的滤波器112中，并且电流通过预充电电路118的相应反向二极管返回至其他ac输入线b和/或c中的一者或两者。在图4的示例中，预充电电路除了对dc总线电容器cdc进行充电以外，还对滤波电路112的滤波电容器cfa、cfb和cfc进行充电。在该示例中，来自ac输入线a的预充电电流通过滤波电感器l2a和l1a传导至整流器114的ac输入端子u。该电流流过第一整流器开关s1的二极管，并且对dc总线电容器cdc进行充电。返回的电流从dc整流器输出端子流动经过s4或s6的二极管中的一者或两者，并且流回经过滤波器112的b/v和/或c/wac线的相应滤波电感器，并且通过预充电电路118的反向二极管db和/或dc返回至电源102。

控制器120接收表示dc总线电压vdc的反馈信号，并且据此在适当的第一或第二模式下进行操作。在第二模式下，当电压vdc大于或等于非零阙值th时，控制器120提供预充电控制信号124a、124b和124c以接通所有的半导体开关装置qa、qb和qc。这绕开了一个或更多个预充电电阻器旁路或使一个或更多个预充电电阻器短路，并且允许控制器120开始并继续整流器114的操作。在图4所示的示例中，控制器120还实现整流器控制部件126，该整流器控制部件126在第一模式下提供整流器开关控制信号125以关断整流器开关装置s1至s6。在第二模式下，控制器120提供整流器开关控制信号125以操作整流器开关装置s1至s6来转换ac输入电力，从而控制dc总线电容器cdc两端的dc总线电压vdc。此外，在某些示例中，当给定ac电路路径的电压处于峰值时，控制器120通过提供预充电控制信号124a、124b、124c以开始接通所有的半导体开关装置qa、qb和qc而从第一模式过渡至第二模式，从而最小化涌浪电流。在第二模式下，预充电开关qa、qb和qc被接通并且维持在接通状态以允许电机驱动器110的正常操作。

任何合适的半导体开关装置qa、qb和qc可以用在预充电电路118中。在所示的示例中，开关装置qa、qb和qc是晶闸管如硅控型整流器(scr)。晶闸管分别包括与相应ac输入线a、b或c耦接的阳极、以及与相应ac输入端子u、v或w耦接的阴极和用于从控制器120接收相应预充电控制信号124a、124b或124c的栅极。此外，在该示例中，在第二模式下，控制器120提供预充电控制信号124a、124b和124c作为恒定频率、恒定占空比的脉冲信号以接通所有的晶闸管qa、qb和qc。在一个实施方式中，通过对晶闸管qa、qb和qc中的每个晶闸管施加相对高频率、恒定占空比(例如，在一个非限制性实施方式中，约30khz开关频率、10％占空比)的脉冲信号来在第二模式下完全激励(fire)晶闸管qa、qb和qc。这用于在第二模式下的整个正常操作期间将晶闸管qa、qb和qc维持在完全接通状态。在其他示例中，在预充电电路118中可以使用不同类型或形式的基于半导体的开关，包括但不限于双极晶体管、场效应晶体管或其他半导体器件等。

在图5的示例中，预充电电路118与滤波电路112中的滤波电容器cf耦接。在该实施方式中，与图4一样，预充电电路118的操作除了允许对dc总线电容器cdc进行预充电以外，还允许对滤波电容器cf进行预充电。在图6中，预充电电路118也连接至滤波电路112中的滤波电容器cf。图7示出了预充电电路118布置在滤波器112与整流器114之间的另一示例。

如图8和图9所示，可以将预充电电阻器r设置在ac相中的多于一个的ac相中。图8示出了相a/u和b/v的预充电电路分别包括预充电电阻器ra和rb的一个示例。在图9中，预充电电阻器ra、rb和rc分别设置在ac相中的每个相中。预充电电路可以用在其他单相或包括多于三个相(未示出)的多相实施方式中。预充电电路118在其他示例中可以包括反向的scr和二极管连接。例如，对于给定的相，预充电电路118的替选实施方式可以包括scr或具有连接至整流器侧的阳极和连接至输入侧的阴极的其他半导体开关装置、以及具有连接至输入侧的阳极和连接至整流器侧的阴极的二极管，其中，一个或更多个这样的电路包括与scr和二极管并联连接的电阻器。在这样的示例中，在相应相电压的负峰值处，scr被激励。

图10示出了对电力转换系统110的dc总线电容器进行充电的过程或方法1004。在1002处，在预充电开关(例如，scr)全部关断的情况下对驱动器电力转换系统110进行供电。在1004处继续该第一操作模式，其中，dc总线电容器(例如，以上的cdc)通过一个或更多个预充电电阻器进行充电。控制器120在1006处确定dc总线电压vdc是否超过非零阙值th。如果不超过，则在第一模式下继续操作，其中，dc总线电容器cdc在1004处通过一个或多个预充电电阻器r进行充电。一旦dc总线电压大于或等于阙值(在1006处为是)，则在第二模式下继续过程1000，其中，当具有预充电电阻器的相的ac电压在该相相对于其他两个相处于峰值或最大电压时，控制器120在1008处开始激励scr以便于减小涌浪电流。在第二模式下继续之后的操作，其中，控制器120将预充电开关(例如，scr)维持在完全接通状态。如上所述，这在一个示例中可以通过向scr中的每个scr提高恒定占空比、恒定频率的脉冲信号来实现。

在前述说明中，已经参照附图描述了各种实施例。然而，将明显的是，可以在不偏离如所附的权利要求中所阐述的本发明的广泛范围的情况下，对各种实施例进行各种修改和改变，并且可以实现另外的实施例。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。