частотно-регулируемый привод с возможностью регенерации

Формула изобретения

1. Схема торможения, содержащая конфигурацию силовых элементов, электрически соединенных для приема мощности от источника и подачи мощности на нагрузку, причем конфигурация содержит первый ряд регенеративных силовых элементов и второй ряд нерегенеративных силовых элементов, соединенных с упомянутым первым рядом регенеративных силовых элементов, и схему управления, соединенную с упомянутой конфигурацией силовых элементов, причем схема управления выполнена с возможностью генерации команд в виде напряжения с широтно-импульсной модуляцией для управления упомянутыми регенеративными силовыми элементами и упомянутыми нерегенеративными силовыми элементами.

2. Схема по п.1, в которой падение напряжения имеет место на нерегенеративных элементах в ходе торможения нагрузки.

3. Схема по п.1, в которой выходные напряжения регенеративных силовых элементов и нерегенеративных силовых элементов поддерживаются, по меньшей мере, по существу, равными их номинальным значениям при эксплуатации нагрузки при потоке, меньшем номинального, и при токе, меньшем номинального.

4. Схема по п.3, в которой схема управления, по меньшей мере, по существу, использует предельно допустимый ток регенеративных силовых элементов при эксплуатации нагрузки при номинальном потоке и токе, меньшем номинального.

5. Схема по п.4, в которой схема управления, по меньшей мере, по существу, использует предельно допустимый ток регенеративных силовых элементов и нерегенеративных силовых элементов при эксплуатации нагрузки при номинальном потоке и полном токе.

6. Схема по п.1, в которой каждый регенеративный силовой элемент содержит инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и активный входной каскад, содержащий совокупность транзисторов, электрически соединенных по схеме трехфазного моста.

7. Схема по п.1, в которой каждый регенеративный силовой элемент содержит инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, трехфазный выпрямитель, выполненный по схеме диодного моста, электрически подключенный между клеммами, и комбинацию последовательно соединенных транзистора и резистора, которая электрически подключена между клеммами.

8. Схема по п.7, в которой инверторный мост содержит инвертор, выполненный по схеме Н-моста с четырьмя транзисторами, или инвертор, выполненный по схеме Н-моста с восемью транзисторами, на основе соединения с заземленной нейтралью.

9. Схема по п.1, в которой каждый нерегенеративный силовой элемент содержит инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и трехфазный мостовой выпрямитель, электрически подключенный между клеммами.

10. Схема по п.9, в которой инверторный мост содержит инвертор, выполненный по схеме Н-моста с четырьмя транзисторами, или инвертор, выполненный по схеме Н-моста с восемью транзисторами, на основе соединения с заземленной нейтралью.

11. Схема по п.1, в которой регенеративные силовые элементы и нерегенеративные силовые элементы установлены в корпусе с возможностью удаления и замены.

12. Электрическое устройство для приема мощности и подачи ее на нагрузку, содержащее совокупность однофазных силовых элементов, электрически соединенных для приема мощности от источника и подачи мощности на нагрузку, причем однофазные силовые элементы содержат первый ряд регенеративных силовых элементов и второй ряд нерегенеративных силовых элементов, соединенных с упомянутым первым рядом регенеративных силовых элементов, в котором каждый нерегенеративный силовой элемент содержит инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и трехфазный мостовой выпрямитель, электрически подключенный между клеммами, в котором нерегенеративные силовые элементы выдают реактивную мощность, когда совокупность элементов используется для торможения двигателя; и схему управления, соединенную с упомянутой совокупностью однофазных силовых элементов, причем схема управления выполнена с возможностью генерации команд в виде напряжения с широтно-импульсной модуляцией для управления упомянутой совокупностью однофазных силовых элементов.

13. Устройство по п.12, в котором каждый регенеративный силовой элемент содержит инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и активный входной каскад, содержащий совокупность транзисторов, электрически соединенных по схеме трехфазного моста.

14. Устройство по п.12, в котором каждый регенеративный силовой элемент содержит инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и трехфазный выпрямитель, выполненный по схеме диодного моста, электрически подключенный между клеммами, и комбинацию последовательно соединенных транзистора и резистора, которая электрически подключена между клеммами.

15. Устройство по п.12, в котором падение напряжения имеет место на нерегенеративных элементах в ходе торможения нагрузки, выходные напряжения регенеративных силовых элементов и нерегенеративных силовых элементов поддерживаются, по меньшей мере, по существу, равными их номинальным значениям при эксплуатации нагрузки при потоке, меньшем номинального, и при токе, меньшем номинального, схема управления, по меньшей мере, по существу, использует предельно допустимый ток регенеративных силовых элементов при эксплуатации нагрузки при номинальном потоке и токе, меньшем номинального, и схема управления, по меньшей мере, по существу, использует предельно допустимый ток регенеративных силовых элементов и нерегенеративных силовых элементов при эксплуатации нагрузки при номинальном потоке и полном токе.

16. Электрическое устройство для приема мощности и подачи ее на нагрузку, содержащее первый ряд, содержащий, по меньшей мере, три однофазных нерегенеративных силовых элемента, второй ряд, содержащий, по меньшей мере, три однофазных регенеративных силовых элемента, соединенных с упомянутым первым рядом регенеративных силовых элементов; схему управления, соединенную с упомянутыми первым и вторым рядами, причем схема управления выполнена с возможностью генерации команд в виде напряжения с широтно-импульсной модуляцией для управления упомянутыми регенеративными силовыми элементами и упомянутыми нерегенеративными силовыми элементами, в котором каждый нерегенеративный силовой элемент содержит инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и трехфазный мостовой выпрямитель, электрически подключенный между клеммами, и в котором, когда устройство используется для торможения двигателя, трехфазный силовой элемент не требуется, и нерегенеративные силовые элементы выдают реактивную мощность.

17. Устройство по п.16, в котором каждый регенеративный силовой элемент содержит инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и активный входной каскад, содержащий совокупность транзисторов, электрически соединенных по схеме трехфазного моста.

18. Устройство по п.16, в котором каждый регенеративный силовой элемент содержит инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и трехфазный выпрямитель, выполненный по схеме диодного моста, электрически подключенный между клеммами, и комбинацию последовательно соединенных транзистора и резистора, которая электрически подключена между клеммами.

19. Устройство по п.16, в котором падение напряжения имеет место на нерегенеративных элементах в ходе торможения нагрузки, выходные напряжения регенеративных силовых элементов и нерегенеративных силовых элементов поддерживаются, по меньшей мере, по существу, равными их номинальным значениям при эксплуатации нагрузки при потоке, меньшем номинального, и при токе, меньшем номинального, регенеративные силовые элементы выдают, по существу, номинальный ток при эксплуатации нагрузки при номинальном потоке и токе, меньшем номинального, и регенеративные силовые элементы и нерегенеративные силовые элементы выдают, по существу, номинальный ток при эксплуатации нагрузки при номинальном потоке и полном токе.

Описание изобретения к патенту

Ссылки на родственные заявки

Данная заявка притязает на приоритет и включает посредством ссылки в полном объеме находящуюся на рассмотрении предварительную патентную заявку США № 60/682,781 под названием "VFD with limited regeneration capability", поданную 19 мая 2005г.

Предпосылки изобретения

В последние годы особое внимание уделяется применению схем частотно-регулируемого привода (VFD), работающего на промежуточном напряжении. За последнее десятилетие было разработано несколько новых методов. Например, в схеме, содержащей последовательно соединенные инверторы, описанной в патенте США № 5625545, выданном Хэммонду (Hammond), раскрытие которого включено сюда посредством ссылки в полном объеме, инвертор или силовой элемент 110 включает в себя трехфазный выпрямитель 112, выполненный по схеме диодного моста, один или несколько конденсаторов 114 постоянного тока и инвертор 116, выполненный по схеме Н-моста. Выпрямитель 112 преобразует входное напряжение 118 переменного тока в, по существу, постоянное напряжение постоянного тока, которое поддерживается конденсаторами 114, подключенными к выходу выпрямителя 112. Выходной каскад инвертора 110 включает в себя инвертор 116, выполненный по схеме Н-моста, который включает в себя два полюса - левый полюс и правый полюс, каждый из которых имеет два устройства. Инвертор 110 преобразует напряжение постоянного тока на конденсаторах 114 постоянного тока в выходное напряжение 120 переменного тока с использованием полупроводниковых устройств широтно-импульсной модуляции (ШИМ), входящих в состав инвертора 116, выполненного по схеме Н-моста.

Схема, включающая в себя силовые элементы, например 110 на фиг. 1, при подключении к нагрузке, например двигателю, может подавать мощность от входного источника на двигатель при работе в двигательном режиме. Однако при необходимости снизить обороты двигателя инвертор должен принимать мощность от двигателя. Этот режим работы, когда инвертор должен принимать мощность, называется режимом регенерации. Выпрямители 112, выполненные по схеме диодного моста, в каждом силовом элементе не позволяют переносить мощность обратно к источнику. Таким образом, мощность, принимаемая схемой, строго ограничена потерями в инверторе и конденсаторах на каждом силовом элементе и обычно составляет в пределах от около 0,2% до около 0,5% номинальной мощности.

Представленное здесь раскрытие описывает попытки решения одной или нескольких из вышеописанных проблем.

Сущность изобретения

Согласно варианту осуществления, схема торможения включает в себя конфигурацию силовых элементов, электрически соединенных для приема мощности от источника и подачи мощности на нагрузку. Схема включает в себя первый ряд регенеративных силовых элементов, второй ряд нерегенеративных силовых элементов и схему управления. Выходные напряжения регенеративных силовых элементов и нерегенеративных силовых элементов можно поддерживать, по меньшей мере, по существу, равными их номинальным значениям при эксплуатации нагрузки при потоке, меньшем номинального, и при токе, меньшем номинального. Схема управления может, по меньшей мере, по существу, использовать предельно допустимый ток регенеративных силовых элементов при эксплуатации нагрузки при номинальном потоке и токе, меньшем номинального. Схема управления может, по меньшей мере, по существу, использовать предельно допустимый ток регенеративных силовых элементов и нерегенеративных силовых элементов при эксплуатации нагрузки при номинальном потоке и полном токе. В ходе торможения падение напряжения может иметь место на всех элементах.

В некоторых вариантах осуществления, каждый регенеративный силовой элемент может включать в себя инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и активный входной каскад, содержащий совокупность транзисторов, электрически соединенных по схеме трехфазного моста. В альтернативном варианте осуществления, каждый регенеративный силовой элемент может включать в себя инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, трехфазный выпрямитель, выполненный по схеме диодного моста, электрически подключенный между клеммами, и комбинацию последовательно соединенных транзистора и резистора, которая электрически подключена между клеммами. В другом варианте осуществления, инверторный мост может содержать, например, инвертор, выполненный по схеме Н-моста с четырьмя транзисторами, или инвертор, выполненный по схеме Н-моста с восемью транзисторами, на основе соединения с заземленной нейтралью.

В некоторых вариантах осуществления, каждый нерегенеративный силовой элемент может включать в себя инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и трехфазный мостовой выпрямитель, электрически подключенный между клеммами. Этот инверторный мост также может содержать, например, инвертор, выполненный по схеме Н-моста с четырьмя транзисторами, или инвертор, выполненный по схеме Н-моста с восемью транзисторами, на основе соединения с заземленной нейтралью. В некоторых вариантах осуществления, регенеративные силовые элементы и нерегенеративные силовые элементы установлены в корпусе с возможностью удаления и замены.

В альтернативном варианте осуществления, электрическое устройство включает в себя совокупность однофазных силовых элементов, электрически соединенных для приема мощности от источника и подачи мощности на нагрузку. Однофазные силовые элементы включают в себя первый ряд регенеративных силовых элементов и второй ряд нерегенеративных силовых элементов. Каждый нерегенеративный силовой элемент может включать в себя инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и трехфазный мостовой выпрямитель, электрически подключенный между клеммами. Нерегенеративные силовые элементы могут выдавать реактивную мощность, когда совокупность элементов используется для торможения двигателя.

В альтернативном варианте осуществления, электрическое устройство включает в себя первый ряд, который включает в себя, по меньшей мере, три однофазных нерегенеративных силовых элемента, второй ряд, который включает в себя, по меньшей мере, три однофазных регенеративных силовых элемента, и схему управления. Каждый нерегенеративный силовой элемент включает в себя инверторный мост, конденсаторную батарею, электрически подключенную между клеммами инверторного моста, и трехфазный мостовой выпрямитель, электрически подключенный между клеммами. Когда устройство используется для торможения двигателя, трехфазный силовой элемент не требуется, и нерегенеративные силовые элементы выдают реактивную мощность.

Краткое описание чертежей

Аспекты, признаки, выгоды и преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания и прилагаемых чертежей, в которых:

фиг. 1 - силовой элемент согласно уровню техники;

фиг. 2 - схема, содержащая совокупность силовых элементов, подключенных к нагрузке;

фиг. 3A и 3B - блок-схема иллюстративных регенеративных силовых элементов;

фиг. 4 - схема конфигурации регенеративных силовых элементов и нерегенеративных силовых элементов;

фиг. 5A и 5B - иллюстративные вольт-амперные характеристики для двигательного режима, режима регенерации и режима максимального торможения в различных вариантах осуществления;

фиг. 6 - иллюстративная вольт-амперная характеристика схемы в диапазоне оборотов двигателя, превышающих обороты, при которых двигатель может работать на номинальном потоке;

фиг. 7 - иллюстративная вольт-амперная характеристика схемы в диапазоне оборотов двигателя, которые меньше оборотов, при которых двигатель может работать на номинальном потоке, но больше оборотов, при которых двигатель может работать на номинальном токе;

фиг. 8 - блок-схема иллюстративной схемы управления;

фиг. 9A-9D - результаты моделирования частотно-регулируемого привода при различных оборотах двигателя.

Подробное описание

Прежде чем приступить к описанию настоящих способов, систем и материалов, следует отметить, что раскрытие не ограничивается конкретными описанными способами, системами и материалами, поскольку они могут варьироваться. Следует также понимать, что терминология, используемая в описании, служит исключительно цели описания конкретных версий или вариантов осуществления и не призвана ограничивать объем изобретения. Например, использование термина в этом описании и в прилагаемой формуле изобретения в единственном числе не исключает наличия нескольких упомянутых объектов, если из контекста явно не следует обратное. Если не указано обратное, все используемые здесь технические и научные термины следует понимать в том смысле, в котором их обычно понимают специалисты в данной области техники. Кроме того, ниже приведены определения следующих понятий:

конденсаторная батарея - один или несколько конденсаторов;

содержащий - включающий в себя, но без ограничения;

схема управления - первое электрическое устройство, которое предписывает второму электрическому устройству изменить состояние второго электрического устройства;

электрически соединенный или электрически подключенный - соединенный таким образом, чтобы иметь возможность переносить электрическую энергию;

инвертор, выполненный по схеме Н-моста - схема для управления перетоком мощности между схемами переменного тока и постоянного тока, имеющая четыре транзистора и четыре диода. Согласно фиг. 1, инвертор 116, выполненный по схеме Н-моста, в общем случае, включает в себя первое плечо фазы и второе плечо фазы, электрически соединенные параллельно. Каждое плечо включает в себя две комбинации транзистор/диод. В каждой комбинации диод электрически подключен между базой и эмиттером транзистора;

инвертор - устройство, преобразующее мощность постоянного тока в мощность переменного тока или мощность переменного тока в мощность постоянного тока;

промежуточное напряжение - номинальное напряжение свыше 690 вольт (В) и менее 69 киловольт (кВ). В некоторых вариантах осуществления, промежуточное напряжение может представлять собой напряжение от около 1000 В до около 69 кВ;

соединение с заземленной нейтралью - применительно к инвертору, выполненному по схеме Н-моста с восемью транзисторами, конфигурация из восьми транзисторов, включающая в себя первое плечо фазы и второе плечо фазы, электрически подключенные параллельно клеммам постоянного тока. Каждое плечо включает в себя четыре транзистора. Средняя точка верхней пары транзисторов и средняя точка нижней пары транзисторов каждого плеча фазы электрически соединены через диоды, образуя нейтраль;

нерегенеративный силовой элемент - силовой элемент, не имеющий возможности поглощать регенеративную мощность;

силовой элемент - электрическое устройство, имеющее вход трехфазного переменного тока и выход однофазного переменного тока;

ряд - конфигурация силовых элементов, установленных на каждой фазе трехфазной энергетической системы;

номинальные обороты - количество оборотов, совершаемых валом двигателя за период времени, например оборотов в минуту (RPM), при работе на его номинальном крутящем моменте;

регенеративный силовой элемент - силовой элемент, который имеет возможность поглощать регенеративную мощность;

по существу - по большей части или в большой степени;

трехфазный мостовой выпрямитель - устройство, включающее в себя конфигурацию полупроводниковых устройств, например диодов, которое преобразует трехфазный переменный ток в постоянный ток.

В различных вариантах осуществления, в схеме с множественными уровнями мощности используются однофазные инверторы на основе последовательно соединенных регенеративного элемента и нерегенеративного элемента для обеспечения ограниченной тормозящей способности. На фиг. 2 показан иллюстративный вариант осуществления схемы, имеющей такие инверторы. Согласно фиг. 2, трансформатор 210 выдает трехфазную мощность промежуточного напряжения на нагрузку 230, например трехфазный асинхронный двигатель, через матрицу однофазных инверторов (также именуемых силовыми элементами). В матрице не требуется трехфазный инвертор. Трансформатор 210 включает в себя первичные обмотки 212, которые возбуждают несколько вторичных обмоток 214-225. Хотя первичная обмотка 212 показана в конфигурации звезды, возможна также конфигурация треугольника. Кроме того, хотя вторичные обмотки 214-225 показаны в конфигурации треугольника, возможна также конфигурация звезды вторичных обмоток или можно использовать комбинацию обмоток в обеих конфигурациях. Кроме того, количество вторичных обмоток, показанное на фиг. 2, является всего лишь иллюстративным, и возможны другие количества вторичных обмоток. Схему можно использовать для применений промежуточного напряжения или, в некоторых вариантах осуществления, других применений.

Между трансформатором 210 и нагрузкой 230 может быть подключено любое количество рядов силовых элементов. Под "рядом" понимают трехфазный набор или группу силовых элементов, установленных на каждой из трех фаз энергетической системы. Согласно фиг. 2, ряд 250 включает в себя силовые элементы 251-253, ряд 260 включает в себя силовые элементы 261-263, ряд 270 включает в себя силовые элементы 271-273, и ряд 280 включает в себя силовые элементы 281-283. Может существовать меньше четырех рядов или больше четырех рядов. Система центрального управления 295 подает командные сигналы на блоки локального управления в каждом элементе посредством оптоволоконного или иного проводного или беспроводного средства связи 290.

Как отмечено выше, силовые элементы, отвечающие уровню техники, например, показанные на фиг. 1, не допускают сколько-нибудь значительной величины регенерации. Для достижения нужной тормозящей способности согласно описанным здесь вариантам осуществления, используются альтернативные силовые элементы. На фиг. 3A и 3B показаны два варианта осуществления силовых элементов, которые не допускают регенерации. Согласно фиг. 3A, силовой элемент 300 включает в себя активный входной каскад 310, который служит трехфазным мостом, поскольку он принимает мощность от специализированных трехфазных вторичных обмоток трансформатора через вход 342. Элемент 300 также включает в себя совокупность устройств регулировки тока, например транзисторов или тиристоров 312-317, например, биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), коммутированных тиристоров со встроенным затвором или других устройств, которые в целом называются здесь транзисторами входного каскада. Хотя на фиг. 3A показано шесть транзисторов, образующих мост - в этом примере, три пары транзисторов, каждая из которых подключена параллельно между клеммами постоянного тока, можно использовать другие количества транзисторов. Этими транзисторами можно управлять посредством локальной и дистанционной системы управления (292 и 295, соответственно, показанной на фиг. 2) для переноса энергии в любом направлении, что позволяет приводить в действие двигатель или регенерировать до полной емкости (т.е. примерно или полностью 100%). Для обеспечения такой работы с помощью транзисторов входного каскада можно использовать любой подходящий метод. Остаток силового элемента 300 включает в себя один или несколько конденсаторов 320 и инвертор, выполненный по схеме Н-моста 330, каждый из которых подключен к выходу или клеммам постоянного тока активного входного каскада 310, для подачи мощности переменного тока на выход 344. Вместо четырехтранзисторного H-моста 330, показанного на фиг. 3A, можно использовать другие инверторные мосты. Например, можно использовать H-мост, содержащий восемь транзисторов на основе соединения с заземленной нейтралью.

В альтернативном варианте осуществления, на фиг. 3B показан силовой элемент 350, который включает в себя элементы выпрямителя 360, конденсаторы 375 и инверторный мост, например инвертор 380, выполненный по схеме Н-моста, подключенный параллельно между входом 392 и выходом 394. Трехфазный выпрямитель 360, выполненный по схеме диодного моста, принимает мощность от специализированных трехфазных вторичных обмоток трансформатора через вход 392. Кроме того, схема торможения 370 включает в себя транзистор 374 (именуемый здесь тормозным транзистором) и резистор 372, электрически соединенные последовательно друг с другом и параллельно конденсаторам 375 постоянного тока и выходу постоянного тока выпрямителя 360. Тормозным транзистором 374 управляет локальный контроллер, и, в двигательном режиме, тормозной транзистор 374 получает команду "запереться" и не участвует в переносе энергии со входа 392 переменного тока на выход 394 переменного тока. Однако, в режиме регенерации, тормозной транзистор 375 может получать команды отпираться и запираться для выделения энергии двигателя на резисторе 372 и, таким образом, поддержания напряжения постоянного тока на конденсаторах 375 равным заранее определенному значению.

Силовой элемент, который может принимать мощность от двигателя, называется здесь регенеративным элементом (RC), и силовой элемент, который не допускает сколько-нибудь значительной величины регенерации (например, показанный на фиг. 1 и описанный выше), называется нерегенеративным элементом (NRC). Хотя на фиг. 3A и 3B показаны два примера RC, в описанных здесь вариантах осуществления можно использовать и другие элементы RC.

Так, согласно фиг. 2, ряды 250 и 270 могут содержать регенеративные элементы, и ряды 260 и 280 могут содержать нерегенеративные элементы, или наоборот. Заметим, что количество элементов на фазу, показанное на фиг. 2, является иллюстративным, и в различных вариантах осуществления можно использовать больше или меньше четырех рядов. Например, может существовать два ряда, четыре ряда, восемь рядов или иные количества рядов. Фактически, количество используемых регенеративных силовых элементов можно выбирать на основании нужной степени обеспечиваемого торможения. Кроме того, силовые элементы можно устанавливать в корпусе с возможностью удаления, благодаря чему для различных применений можно использовать единый корпусной блок, в котором регенеративные элементы заменяются нерегенеративными элементами, или, наоборот, в зависимости от нужного применения, например торможения или регенерации.

Для получения способности к полной регенерации для схемы, например, показанной на фиг. 2, RC можно использовать во всей схеме силовых элементов. Однако, во многих применениях, необходимая тормозящая способность составляет весьма небольшую долю номинальной емкости нагрузки, например, от примерно 10% до примерно 20% для применения в судовых двигателях и больших вентиляторах. Использование RC во всей схеме делает решение более дорогим, чем это необходимо. Однако мы показали иллюстративную конфигурацию последовательно соединенных инверторов, которая обеспечивает ограниченную, но не полную тормозящую способность.

Согласно фиг. 4, конфигурацию последовательно соединенных инверторов можно использовать для соединения RC и NRC в одной и той же схеме. Первый ряд 410 включает в себя три однофазных NRC 411, 412 и 413 (по одному элементу на каждую фазу в трехфазной схеме), а второй ряд 420 включает в себя три однофазных RC 421, 422 и 423 (также по одному на каждую фазу). В этом варианте осуществления, трехфазные силовые элементы не требуются. Каждый элемент принимает мощность от специализированных вторичных обмоток входного трансформатора (210 на фиг. 2). Для каждой фазы первая выходная клемма каждого элемента RC электрически соединена с выходной клеммой противоположной полярности для соответствующего элемента NRC фазы. Вторая выходная клемма каждого элемента RC электрически соединена с выходной линией. Остальные выходные клеммы всех трех элементов RC в ряду электрически соединены между собой с образованием нейтральной точки 440 звезды. Согласно фиг. 2, в схеме могут присутствовать дополнительные ряды, например всего четыре ряда, всего шесть рядов, всего восемь рядов или более. Выбор того или иного количества рядов RC может определяться желаемым уровнем требуемой регенерации.

В некоторых вариантах осуществления, схема может включать в себя обводную особенность, которая позволяет схеме продолжать работать в случае отказа одного или нескольких из силовых элементов. Например, согласно патенту США 5,986,909, и, в частности фиг. 1B и сопроводительному тексту, которые включены сюда посредством ссылки, обвод может создавать короткое замыкание между выходными линиями силового элемента в случае отказа элемента, благодаря чему ток может течь через обвод, а не силовой элемент.

В двигательном режиме, ряды RC и ряды NRC могут выдавать мощность, по существу, равной величины на нагрузку. Однако, в режиме регенерации, выпрямители, выполненные по схеме диодного моста, в NRC препятствуют перетоку мощности в сеть, но транзисторы входного каскада (AFE) в RC получают команду принимать энергию торможения посредством перетока мощности от нагрузки (например, двигателя) на входной источник. Управлять транзисторами входного каскада можно таким же или аналогичным образом, как в известных схемах управления, например, регулируя напряжение постоянного тока на каждом RC. Однако для управления выходом H-мостов могут потребоваться другие методы. Например, на фиг. 4A показаны иллюстративные векторы напряжения и тока в двигательном режиме, а фиг. 4B показаны иллюстративные векторы напряжения и тока в режиме регенерации. В двигательном режиме, согласно фиг. 4A, векторы выходного напряжения элемента 1 (RC) и элемента 2 (NRC) сонаправлены напряжению двигателя. Каждый силовой элемент выдает на нагрузку мощность равной или, по существу, равной величины. Согласно фиг. 4B, в режиме регенерации, напряжением элемента 2 (NRC) управляют так, чтобы оно было сдвинуто по фазе на /2 относительно тока привода. Это препятствует поглощению элементом 2 действительной (активной) мощности. Однако выход элемента 1 (RC) должен создавать разность между напряжением двигателя и выходом элемента 2. Это ограничивает величину доступного напряжения, которое может генерировать привод, и потребует работы на пониженном потоке при высоких оборотах в режиме регенерации. При совместном использовании NRC и RC, согласно фиг. 4, максимальный тормозящий крутящий момент получается, когда напряжения NRC и RC также сдвинуты по фазе на /2 относительно друг друга, как показано на фиг. 5C. Хотя отмечено, что сдвиг фаз на /2 (90 градусов) желателен для поддержания нулевого перетока мощности в элементы NRC, в практической реализации этот угол можно сделать меньшим 90 градусов, чтобы гарантировать отсутствие либо перетока мощности в элементы NRC, либо перетока мощности из элементов NRC.

Подход, согласно которому оба набора элементов (NRC и RC) генерируют напряжения в ходе всего процесса торможения, позволяет осуществлять непрерывное торможение во всем диапазоне оборотов. В отличие от методов, отвечающих уровню техники, описанные здесь методы позволяют создавать регенеративный крутящий момент прежде, чем обороты двигателя упадут ниже предельного напряжения RC. Выходные напряжения элементов, по существу, используются (с нормальными системными потерями) для подачи мощности на двигатель, когда двигатель работает на номинальных или близких к ним оборотах. Когда напряжение двигателя снижается (как при торможении), NRC и RC также участвуют в процессе, при этом NRC выдают реактивную мощность в ходе торможения, и ток течет через RC в противоположном направлении. Таким образом, в отличие от уровня техники, все элементы могут участвовать в процессе торможения.

В целях следующего описания, следующие символы определены в относительных единицах следующим образом.

Предельное напряжение RC, V_RC=x в относительных единицах

Предельное напряжение NRC, V_NRC=(1-x) в относительных единицах

Полное предельно допустимое напряжение привода = 1,0 в относительных единицах

Ток холостого хода двигателя = I_NL

Обороты, ниже которых двигатель может работать на номинальном потоке = w _V

Обороты, ниже которых двигатель может работать на номинальном токе = w_I

Предельный тормозящий крутящий момент = T_B

Крутящий ток = I_qs

Намагничивающий ток = I _ds

Обороты двигателя = w

Напряжение двигателя = V_motor

Чтобы понять принцип действия иллюстративной схемы возбуждения с ограниченной тормозящей способностью, можно считать, что весь рабочий диапазон оборотов включает в себя три диапазона оборотов, как описано ниже. В каждом диапазоне оборотов, существует отдельное ограничение на достижимый тормозящий крутящий момент. Это ограничение зависит от относительного предельного напряжения RC и NRC и намагничивающего тока двигателя. Хотя нижеприведенное описание относится к асинхронному двигателю, аналогичные результаты можно получить для синхронного двигателя за счет работы на пониженном напряжении на стороне статора. Хотя ниже описано, что полное предельно допустимое напряжение привода имеет единичное значение 1,0, это значение может отличаться от 1,0, пока x меньше этого значения.

Диапазон оборотов # 1: w_V w 1,0

В этом диапазоне оборотов, привод не может оперировать двигателем при номинальном потоке, ввиду необходимости работы NRC элемента со сдвигом фазы /2 относительно тока двигателя. Таким образом, двигатель работает при пониженном потоке и пониженном токе. Согласно фиг. 6, максимальное выходное напряжение задается в виде

Для повышения или достижения максимального возможного крутящего момента в этом диапазоне оборотов двигатель можно эксплуатировать при максимальном напряжении или вблизи него. Поэтому напряжения на элементах фиксируются V_RC =x и V_NRC=(1-x). Когда обороты подают ниже номинальных оборотов, поток двигателя постепенно увеличивается, пока не достигнет номинального значения при w=w_V. Таким образом, в относительных единицах, w_V=V_max. Согласно фиг. 6, крутящий ток получаем в виде

При номинальных оборотах (минимальный) предельный тормозящий крутящий момент можно выразить следующим уравнением:

где предполагается, что при малых нагрузках и пониженном потоке I_d I_NLV_max.

Диапазон оборотов # 2: w_I w w_V

В этом диапазоне оборотов, двигатель работает при номинальном потоке, но пониженном токе, и RC обеспечивает номинальный выход. Таким образом, согласно фиг. 7

где w выражает обороты и напряжение двигателя в относительных единицах,

и

С ростом оборотов I_q увеличивается и достигает номинального крутящего тока. Когда w=w_I (где w_I=x/PF_номинальный), на двигатель подается номинальный ток и можно получить номинальный тормозящий крутящий момент.

Диапазон оборотов #3: 0 w w_I

В этом диапазоне оборотов, двигатель работает при номинальном потоке и номинальном токе. Напряжения на NRC и RC линейно снижаются с оборотами, как показано ниже, поэтому ток двигателя поддерживается на номинальном значении:

Вышеприведенные уравнения демонстрируют иллюстративные методы управления работой RC и NRC в режиме регенерации. На фиг.8 показана блок-схема иллюстративной системы управления 800 для реализации таких уравнений в типичном контроллере возбуждения двигателя. На этой фигуре, "генератор опорного потока" 805, "выделение напряжения ограниченной регенерации" 810 и "предел регенерации" 815 помогают обеспечить управление ограниченной регенерацией. Согласно этой фигуре, иллюстративная схема включает в себя, по меньшей мере, два входа, необходимый поток _DMD 801 и опорные обороты w_ref 802. Генератор 805 опорного потока вычисляет опорный поток с использованием максимального напряжения, заданного вышеприведенным уравнением (1), и частоты статора, w_s 804, и обеспечивает опорный поток, _ref 803, в качестве выходного сигнала. Генератор 805 опорного потока также гарантирует, что опорный поток всегда меньше или равен необходимому потоку, _DMD 801. Регулятор 820 потока компенсирует разность между опорным потоком, _ref 803, и потоком обратной связи, _DS 809, где _DS 809 - установленное фактическое значение потока, определяемое измеренным напряжением двигателя и частотой статора. Регулятор 820 потока выдает опорный намагничивающий ток двигателя, I_{ds ref} 821.

Опорные обороты, w_ref 802, сравниваются с оборотами двигателя, w 850, в регуляторе 855 оборотов, который выдает опорный крутящий ток двигателя I_{qs ref} 858 в качестве выходного сигнала. Когда двигатель получает команду замедления, блок 815 предела регенерации решает вышеприведенные уравнения (2) и (5) и обеспечивает ограничение на опорный крутящий ток.

Схема, показанная на фиг. 8, включает в себя два регулятора 860 и 862 тока, который регулирует намагничивающий ток и крутящий ток. Они выдают опорные напряжения, V_{ds ref} 863 и V_{qs ref} 861. Блок 810 выделения напряжения ограниченной регенерации делит опорные напряжения двигателя, V_{ds ref} 863 и V _{qs ref} 861, на опорные напряжения для RC и NRC. На блоке 810 выделения напряжения ограниченной регенерации величины напряжения для RC и NRC можно сначала найти с использованием x, V_motor и w_s из уравнений вышеприведенных (4), (6) и (7). Затем, составляющие команд напряжения по осям d и q для NRC и RC (V_qdsNRC 868 и V_qdsRC 869) идентифицируются с использованием I_{ds ref} и I_{qs ref}. Наконец, составляющие по осям d и q для VRC и VNRC преобразуются в 3-фазные напряжения на обмотке статора и используются в качестве опорных напряжений для генерации команд напряжения ШИМ для управления инверторами.

На фиг. 9A-9D показаны иллюстративные результаты моделирования, демонстрирующие работу в режиме регенерации для конфигурации привода, например, показанной на фиг. 4 при x=0,5 (т.е. равном количестве RC и NRC). Следует заметить, что равное количество RC и NRC не является обязательным требованием описанных здесь вариантов осуществления. Приводу можно подавать команды на переход в режим регенерации при t=5 секунд, снижая опорные обороты w_ref.

На фиг. 9A и 9B представлены иллюстративные обороты двигателя (фиг. 9A) и выходное напряжение (фиг. 9B) привода, имеющего комбинацию рядов RC и NRC. На каждой фигуре интервал времени от 0 до 5 секунд соответствует двигательному режиму, а остальные интервалы времени соответствуют разным диапазонам оборотов при торможении. В отличие от уровня техники, согласно фиг. 9A-9B, в ходе торможения имеет место падение напряжения на нерегенеративных силовых элементах. Фактически, такое напряжение присутствует в течение всего периода торможения.

Согласно фиг. 9B, в диапазоне оборотов #1, выходное напряжение привода поддерживается равным значению, указанному уравнением (1), тогда как выходные напряжения RC и NRC удерживаются на соответствующих номинальных значениях (т.е. 100%). В диапазоне оборотов #2, напряжение NRC снижено, тогда как напряжение RC поддерживается равным его номинальному напряжению, заданному уравнением (4). Как только обороты двигателя входят в диапазон оборотов #3, напряжение на RC и NRC линейно снижается по мере замедления двигателя в соответствии с уравнениями (6) и (7).

На фиг. 9C показаны иллюстративные составляющие тока двигателя в режиме регенерации. В диапазоне оборотов #1, намагничивающий ток (I_DS) снижается в соответствии с максимальным напряжением двигателя, заданным уравнением (1). Затем, крутящий ток (I_qs) также снижается, поэтому ток двигателя остается сдвинутым по фазе на /2 относительно выходного напряжения NRC, как показано на фиг. 6. На протяжении диапазона оборотов #1, намагничивающий ток и крутящий ток одинаково увеличиваются в отношении, чтобы поток двигателя достиг своего номинального значения (т.е. приблизительно 100%), с одновременным поддержанием коэффициента мощности и сохранением сдвига фаз /2 между током двигателя и выходным напряжением элементов NRC. В диапазоне оборотов #2, существует больше места для размещения большего крутящего тока, поскольку напряжение NRC снижается, что следует из фиг. 7. Как отмечено выше, диапазон оборотов #3 начинается в момент, когда полный ток двигателя достигает своего номинального значения.

На фиг. 9D показана активная мощность, выдаваемая приводом, элементами RC и элементами NRC. Активная мощность из NRC остается, по существу, нулевой на протяжении замедления двигателя. В этом примере, вся активная мощность (или полная мощность) двигателя поглощается RC, и это показывает, что описанные здесь методы позволяют успешно отводить всю мощность, полученную от двигателя, в RC в режиме регенерации. Кроме того, мощность, генерируемая в двигателе, регулируется так, чтобы она была меньше номинальной мощности RC.

Как отмечено выше, могут существовать другие количества RC и NRC, чем в вышеописанном примере. При изменении соотношения между RC и NRC значение тормозящего крутящего момента на полных оборотах также может изменяться согласно уравнению (3). Это отражено в нижеприведенной таблице, где указан тормозящий крутящий момент для разных комбинаций элементов исходя из того, что ток холостого хода двигателя I_NL равен 25%.

Отношение RC к NRC, x	Тормозящий крутящий момент на полных оборотах
0,25	5,4%
0,333	6,9%
0,40	8,7%
0,50	12,5%
0,60	19,5%
0,667	27,8%

Как отмечено выше, когда каждый силовой элемент снабжен обводящей особенностью, схема может работать при отказе одного или нескольких силовых элементов. При таком условии вышеприведенные уравнения по-прежнему применимы, но с небольшими изменениями, которые мы здесь опишем. При обводе одного или нескольких силовых элементов полное предельно допустимое напряжение RC и NRC может меняться на y и z, соответственно, так что t=y+z. Та же процедура, которая описана выше уравнениями (1)-(7), может выполняться с использованием t, y, z вместо 1.0, x, и 1-x для определения действия управления при меньшем количестве силовых элементов в схеме.

Специалисты в данной области техники могут предложить другие варианты осуществления, ознакомившись с вышеприведенным подробным описанием и чертежами некоторых иллюстративных вариантов осуществления. Следует понимать, что возможны многочисленные вариации, модификации и дополнительные варианты осуществления, и, соответственно, все подобные вариации, модификации и варианты осуществления должны отвечать сущности и объему этой заявки. Например, вне зависимости от содержания любой части этой заявки (например, заголовка, области техники, уровня техники, сущности, реферата, чертежей и т.д.), если явно не указано обратное, например, посредством прямого определения, нет необходимости во включении в формулу изобретения (или в формулу любой заявки, притязающей на приоритет) никакой конкретной описанной или проиллюстрированной характеристики, функции, действия или элемента, никакой конкретной последовательности действий и никакого конкретного соотношения между элементами. Кроме того, любое действие может повторяться, и действие может осуществляться множественными сущностями, и/или любой элемент может дублироваться. Кроме того, можно исключить любое действие или элемент, можно изменить последовательность действий и/или можно изменить соотношение между элементами. Соответственно, описания и чертежи следует рассматривать в порядке иллюстрации, но не ограничения. Кроме того, что касается описанных здесь количеств или диапазонов, если явно не указано обратное, эти количества или диапазоны являются приблизительными. Что касается описанных здесь диапазонов, если явно не указано обратное, эти диапазоны включают в себя все значения и все поддиапазоны. Любая информация в любом материале (например, патенте США, патентной заявке США, книге, статье и т.д.), который включен сюда посредством ссылки, включается посредством ссылки только в той степени, в какой не существует противоречий между такой информацией и другими приведенными здесь утверждениями и чертежами. В случае подобного противоречия, включая противоречие, которое может сделать недействительным какой-либо пункт формулы изобретения или притязание на ее приоритет, всякая такая противоречивая информация в таком материале, включенном посредством ссылки, специально не включается сюда посредством ссылки.