並行功率逆變器電機驅動系統的製作方法
2023-06-07 12:05:16 2
專利名稱：並行功率逆變器電機驅動系統的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及功率轉換設備的領域並且更具體地涉及逆變器及其控制。
背景技術：
大量的功率轉換電路的形態和類型是已知的並且正在使用。許多這些電路依賴於用於將直流(DC)功率轉換為頻率受控交流(AC)功率的逆變器拓撲。在許多拓撲中提供整流器或其他轉換器以接收典型地從電網輸入AC功率，並且將AC功率轉換為施加到DC總線的DC功率，其用於向逆變器電路饋電。這些拓撲用在多種應用中，諸如用於控制電機的速度和操作特性。利用逆變器拓撲的電機驅動器常常使用通過單個DC總線彼此耦合的單個轉換器和單個逆變器。傳統的逆變器由成對提供的固態開關形成並且在導通和不導通狀態之間交替地切換以提供典型地具有受控頻率的期望的輸出波形。這些拓撲足以用於許多較小的應用，並且可以根據驅動電機的額定功率、安裝尺寸、電壓和其他規格而在尺寸上變化。然而， 對於較大的電機，這些驅動器的部件成比例地變大並且變昂貴。於是有吸引力的是使用可替選的拓撲，其中並行地提供多個逆變器，它們的輸出連結以向負載提供公共AC輸出。這些並行逆變器應用造成了獨特的困難。例如，由於逆變器的輸出基本上彼此短接，因此需要各種磁結構以防止由於逆變器中的功率電子開關的不匹配的開關定時而建立環流。例如，如果第一逆變器中的開關以未充分與並行逆變器的開關同步的方式開關，則由於開關的導通狀態，可能允許輸出功率重新進入一個或其他的逆變器。而且，由於這些逆變器部件的開關頻率非常高，因此在沒有現有技術中使用的類型的磁結構的情況下，將需要高精度以防止這種環流。仍必須提出充分精確的開關拓撲。
發明內容
本發明提供了設計用於響應於這些需要的用於驅動逆變器開關的技術。根據本技術的一個方面，一種電機驅動系統包括多個驅動模塊，每個驅動模塊包括用於將輸入AC功率轉換為DC功率的轉換器和用於將DC功率轉換為頻率受控AC功率的耦合到轉換器的逆變器，以及共享線路側總線，其耦合到驅動模塊的轉換器，用於提供輸入AC功率。共享負載側總線耦合到逆變器，用於將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出。公共控制器耦合到所有逆變器並且被配置為向逆變器提供信號以允許每個逆變器彼此分離地和並行地生成用於各個逆變器的功率電子開關的柵極驅動信號。根據本發明的另一方面，一種電機驅動系統包括多個驅動模塊，每個驅動模塊包括用於將輸入AC功率轉換為DC功率的轉換器和用於將DC功率轉換為頻率受控AC功率的耦合到轉換器的逆變器。公共控制器耦合到所有逆變器並且被配置為向逆變器提供信號以允許每個逆變器彼此分離地和並行地生成用於各個逆變器的功率電子開關的柵極驅動信號。共享線路側總線耦合到驅動模塊的轉換器，用於提供輸入AC功率，並且共享負載側總線耦合到逆變器，用於將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量。每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從公共控制器接收信號並且基於接收信號生成關於柵極驅動信號的定時。根據本發明的另一方面，一種電機驅動系統包括多個驅動模塊，每個驅動模塊包括用於將輸入AC功率轉換為DC功率的轉換器和用於將DC功率轉換為頻率受控AC功率的耦合到轉換器的逆變器，以及公共控制器，其耦合到所有逆變器並且被配置為向逆變器提供信號以允許每個逆變器彼此分離地和並行地生成用於各個逆變器的功率電子開關的柵極驅動信號。共享線路側總線耦合到驅動模塊的轉換器，用於提供輸入AC功率，並且共享負載側總線耦合到逆變器，用於將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量。每個逆變器經由各個光纜耦合到公共控制電路並且包括功率層處理電路，其在操作期間經由各個光纜從公共控制器接收信號並且基於接收信號生成關於柵極驅動信號的定時，任何兩個逆變器的柵極驅動信號的定時彼此之間相差不超過 40ns。
當參照附圖閱讀下面的詳細描述時，將更好地理解本發明的這些和其他特徵、方面和優點，在附圖通篇中相同的附圖標記表示相同的部件，其中圖1是根據本公開的某些方面的電機驅動系統的示圖；圖2是圖示多個並行電機驅動器中使用的功率層接口電路的圖1的系統的一部分的進一步的示圖；圖3是根據本發明的方面的用於在控制電路和功率電路之間通信的某些功能電路和數據交換設備的示圖；圖4是逆變器的一相中的功率電子開關的示意圖；圖5是控制電路和功率層電路之間的數據互換的示圖；圖6是圖示根據本技術的方面的各個逆變器的功率電路中的柵極驅動信號的重建的時序圖；圖7是遵循圖6中圖示的信號時序的功率電路中的時鐘恢復的曲線圖；圖8是圖示用於協調並行驅動器中的功率電路的操作的示例性邏輯的框圖；圖9是其中提供時鐘信號導體用於傳送時鐘信號的可替選的實施例的示圖；圖10是多驅動器系統中的若干個並行驅動部分的示例性物理示圖；圖11是關於並行操作的三個這種驅動部分的電流失衡測量結果的曲線圖；圖12是同一布置中的接通柵極驅動同步測量結果的曲線圖；以及圖13是斷開柵極同步測量結果的曲線圖。
具體實施例方式圖1呈現了根據本公開的方面的驅動系統10。該驅動系統被配置為耦合到如附圖標記12指示的諸如電網的AC電源，並且向電機14或者任何其他適當的負載遞送經調理的功率。系統10包括多個單獨的驅動器，它們彼此並行耦合以向負載提供功率。在圖1中圖示的示例中，例如，第一驅動器16被圖示為耦合到第二驅動器18和另一驅動器20，該另一驅動器20可以是第三、第四、第五或者任何適當的末端編號的驅動器。當前考慮的實施例可以容納高達5個並行驅動器，儘管可以同一方式配置更少或更多的並行驅動器。應當注意，這裡描述的技術的某些方面可以與單個驅動器一起使用。然而，其他方面特別良好地適用於多個並行驅動器。如下文更全面地描述的，控制器22耦合到每個驅動器的電路並且被配置為控制電路的操作。在當前考慮的實施例中，控制器可以容納在一個驅動器中或者分立的殼體中。 提供適當的線纜(例如，光纖線纜)以在控制器和各個驅動器的電路之間傳遞控制和反饋信號。控制器將協調驅動器的操作以確保共享功率供應並且驅動器的操作充分地同步以向電機提供期望的功率輸出。在圖1中圖示的實施例中，可以在電機驅動器的上遊提供功率濾波電路M。該電路可以在線路側總線26的上遊提供，或者相似的電路可以在每個驅動器中的總線下遊提供。該電路可以包括設計和應用中通常傳統的電感器、電容器、斷路器、熔絲等。功率總線沈在各個驅動器之間分送三相AC功率。在該總線的下遊，每個驅動器包括轉換器電路觀，其將三相AC功率轉換為施加到DC總線30的DC功率。轉換器電路觀可以是無源的或有源的。就是說，在當前考慮的實施例中，非柵極驅動電路單獨地用於限定全波整流器，其將輸入AC功率轉換為施加到總線的DC功率。在其他實施例中，轉換器電路觀可以是有源的或柵極驅動的，包括在導通和不導通狀態之間切換以控制施加到總線的 DC功率的特性的受控功率電子開關。繼續每個驅動器的部件的描述，可以提供總線濾波電路34，其調理沿DC總線30傳送的DC功率。該濾波電路可以包括例如，電容器、電感器(例如，扼流器)、制動電阻器等。 在一些實施例中，可以在DC總線上提供公共器件，其可以通過由附圖標記32圖示的鏈路彼此華禹合。每個驅動器進一步包括逆變器電路36。如本領域的技術人員將認識到的，該電路將典型地包括成組的功率電子開關，諸如絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)和二極體，其被布置為允許將來自總線的DC功率轉換為頻率受控AC輸出波形。逆變器因此創建了三相頻率受控輸出，每相沿輸出總線38短接或組合。組合的功率可以施加到輸出濾波電路40，其可以包括耦合各相之間的輸出功率的磁部件。該電路也可以沿負載側總線38提供。控制器將典型地包括控制電路42，其被配置為通過適當地向逆變器電路(並且在適當的情況中，向變換器電路)發信號以控制這些電路中的功率電子開關來實現各種控制方案。控制電路42可以例如包括任何適當的處理器，諸如微處理器、現場可編程門陣列 (FPGA)、存儲器電路、支持電源等。在電機驅動應用中，控制電路可以被配置為實現各種期望的控制方案，諸如用於速度調節、轉矩控制、矢量控制、啟動方案等。在圖1中圖示的實施例中，各種功能電路板44連結到控制電路並且可以被設置用於特定的功能。例如，通過使用該電路可以實現範圍廣泛的選項，包括上文提到的控制方案、以及各種通信選項、安全選項等。控制器將典型地允許連接到操作者接口，其可以位於控制器本地和/或遠離控制器。在當前考慮的實施例中，例如，操作者接口 46可以在物理上位於控制器上但是可移除用於手持接駁。接口電路(例如，可攜式計算機)也可以諸如經由網際網路線纜或者其他網絡協議(包括標準工業控制協議)永久地或臨時地耦合到控制器。最後，控制器可以耦合到如附圖標記48指示的各種遠程監控和控制電路。該電路可以包括監控站、控制站、控制室、遠程編程站等。應當注意，該電路還可以包括其他驅動器，使得系統10的操作可以在期望的情況中與其他設備的操作協調。該協調在自動設置中是特別有用的，其中以協調的方式執行大量的操作。因此，控制電路42可以與自動控制器、分立的計算機等實現的邏輯協調地形成其控制。圖2圖示了上述各個驅動器中可以包括的某些部件。例如，控制電路42被圖示為耦合到功率層接口電路50。該電路將設置在每個驅動器中並且將在驅動器中獨立地但是在控制電路的控制下協調地操作。功率層接口電路可以包括一定範圍的電路，諸如專用處理器、存儲器等。在當前考慮的實施例中，功率層接口電路50包括FPGA，其實現用於執行各個驅動器中的功率電子開關的控制的編程。功率層接口電路因此與如附圖標記52指示的功率層通信，其自身包括成組的功率電子器件，諸如IGBT和二極體。這些開關通常由附圖標記M圖示。在典型的布置中，開關可以設置在單個支持部上或多個支持部上。例如，在當前考慮的實施例中，對於每相功率提供分立的支持部，多個IGBT和二極體設置在每個支持部上。這些器件自身可以以任何適當的方式構造，諸如直接接合銅堆疊、引線框封裝等。通常，在如附圖標記56指示的電路中提供一種或數種類型的反饋。這種反饋可以包括例如， 輸出電壓、輸出電流、溫度等。可以在系統各處提供其他反饋信號，諸如以允許控制電路監控輸入功率、輸出功率、DC總線功率等的電氣參數。控制電路的結構和操作可以基本上與Campbell等人在2008年11月17日提交的題為"Motor Controller with Deterministic Synchronous Interrupt having Multiple Serial Interface Backplane」的美國公布專利申請第20100123422號中描述的內容相似， 其通過引用併入本公開。圖3圖示了其中各個驅動器的某些功能部件可以耦合以提供系統中的驅動器的協調操作的示例性方式。如圖3中所示，控制電路42通過光學接口的媒介耦合到逆變器電路36。如上文指示的，控制電路將包括任何適當的處理電路，諸如圖3中圖示的實施例中的 FPGA 58。該FPGA可以包括其自身的存儲器或者可以提供分立的存儲器(未示出)。亦如上文提到的，FPGA 58可以與如附圖標記60指示的各種功能板合作地執行各種功能。FPGA 通過光纖接口 62與各種逆變器通信，光纖接口 62與相配的光纖接口 64通信。該接口將信號分送到各個驅動器的系列光纖接口 66。這些部件依次地在每個逆變器的功率級與光纖接口 68通信。該功率級的電路將典型地包括另外的FPGA 70，其可以設置在功率電路接口 72的公共的支持部(例如，電路板)上。該支持部(其在當前上下文中可以被稱為功率層接口)用於從控制電路接收信號，將信號報告回控制電路，生成用於功率電子開關的驅動信號等。電路還可以執行某些測試功能，諸如在期望時驗證一個或多個驅動器可以被禁用。 功率電路接口 72可以將控制信號轉換為用於驅動如附圖標記74通常指示的功率電路的驅動信號。功率電路74將包括如上文描述的功率電子開關。應當注意，在某些實施例中，控制電路和功率層電路之間的信號傳送可以在光纖以外的導體上執行。例如，可以利用傳統的銅或其他導體。在這些情況中，結合圖3討論的光纖接口可以被省略，並且控制電路直接耦合到功率層電路。當前上下文中的功率層電路的特定功能包括基於由控制電路42提供的信號生成柵極驅動信號。就是說，不同於直接從控制電路42提供柵極驅動信號，這裡描述的電路允許將某些數據提供給每個驅動器的功率層，並且基於針對功率層電路中的FPGA運行的時
7鍾，可以在每個功率層中並行地生成或計算定時信號。定時信號用於生成典型地如圖4中圖示的那樣布置的功率電子器件的柵極驅動信號。就是說，每個逆變器的每相將包括如附圖標記76指示的成組的開關，特別是高邊開關78和低邊開關80。這些功率開關跨越DC總線30耦合併且輸出82耦合在高邊開關和低邊開關之間。開關在導通和不導通狀態之間的協調開關允許在輸出線路82上生成受控輸出波形。實際上，許多這樣的開關可以設置在公共支持部上並且彼此耦合以提供期望的功率容量。圖5是考慮用於建立功率層處的功率電子器件的柵極驅動信號的、並行驅動器的拓撲和驅動器之間的通信的圖示。特別地，控制電路FPGA 58將沿第一、傳送(TX)光纖提供某種數據並且經由第二、並行接收(RX)光纖接收數據。由附圖標記84、86和88指示的相似的光纖對被設置用於每個逆變器。對於每個逆變器，光纖對並行地傳送數據並且接收數據，使得每個逆變器中的功率層接口電路，並且特別地與該電路關聯的處理器可以重新計算來自控制電路FPGA的時鐘或定時信息而不需要向逆變器傳送時鐘數據。在當前考慮的實施例中，這些光纖對的長度90基本上相等以減少由於控制電路和功率層電路之間的信號傳播引起的差別性能。如本領域的技術人員將認識到的，由於逆變器的輸出基本上短接，因此每個逆變器的功率層之間的開關和開關定時的差異可能引起通常要避免的環流。圖5中圖示的並且下文更詳細地描述的布置允許維持逆變器之間的開關定時中的嚴密的容差，諸如約20至 40ns。在當前考慮的實施例中，從控制板FPGA發送到每個逆變器的功率層的數據包括控制狀態，載波增量，死時間值，以及U、V和W(輸出)相比較值。由每個功率層提供回控制板 FPGA的數據包括總線電壓，溫度，故障狀態，以及U、V和W相電流。如下文所述，基於提供給每個功率層的信息，可以並行地生成固有地同步的柵極驅動信號而沒有傳送時鐘信號的開銷。就是說，根據其自身的振蕩器和時鐘操作的每個功率層的FPGA可以準確地生成或重新計算各個逆變器的開關與其他逆變器的開關同步的柵極驅動信號的定時。如參照圖6和 7更詳細描述的，在當前考慮的實施例中電路通過傳輸用於同步的數據工作，該數據嵌入在沿傳送光纖提供的數據中。該數據允許功率層處的時鐘數據恢復。而且，從控制電路發送方便時鐘數據恢復的載波波形信號。最後，結合恢復時鐘數據允許柵極驅動信號的同步，由每個功率層執行相位比較。在操作中，控制電路向每個逆變器的功率層電路發送信號，其允許功率層電路計算或重新計算用於改變每個逆變器中的固態開關的導通狀態的定時。在當前考慮的實施例中，這些計算基於參照恢復時鐘步長和三角波形累加器的載波波形的重構。為了允許計算或重新計算定時，控制電路發送允許載波三角波形的重構的三角增量信號。其還發送用於三個輸出相U、v和W中的每個的比較值。還發送死時間或延遲信號以允許避免將每個逆變器橋臂的高邊和低邊開關同時置於導通狀態(例如，圖3)。圖6呈現了關於每個逆變器橋臂的圖3中圖示類型的高邊和低邊開關的示例性時序圖。應當注意，這種開關是針對並行逆變器的相同橋臂執行的，並且儘管存在相移，針對逆變器的其他橋臂執行相似的開關。還應當注意，不同於可以在控制電路級執行用於生成柵極驅動定時的相似處理的現有的拓撲，下文描述的處理在功率層處執行。計算自身的某些方面可以基本上與在1999年6月四日授予Kerkman等人的題為「Apparatus for Reducing the Effects of Turn on Delay Errors in Motor Control，，的美國專利第5，917，721 號；在 1999年 11 月 23 日授予Kerkman等人的題為「Apparatus for Controlling Reflected Voltage on Motor Supply Lines」 的美國專利第 5，990，658 號；在 2010 年 6 月 15 日授予 Tallam 等人的題為"Systems and Methods for Common-mode Voltage Reduction in AC Drives」的美國專利第7，738，洸7號；以及在2008年3月11日授予 Kerkman等人的題為「System and Method for Adjustabl e Carrier Waveform Generator，， 的美國專利第 , 342，380號中描述的內容相似，所有這些專利通過引用併入本公開。如圖6中所示，基於從控制電路接收到的信息在每個功率層接口電路中重新計算三角載波92。三角載波波形的改變速率或斜率取決于波形的步長增量和恢復的時鐘信號。 在下文中參照圖7討論載波信號的重新計算。在圖6中三角載波波形與由附圖標記94指示的相位計數線交叉。該相位計數線允許改變固態開關的佔空周期，使其升高或降低以改變其與載波的交點。相位計數94的豎直位置的移位由從控制電路傳送到功率層接口電路的相比較值提供。交點導致如圖6中的附圖標記96指示的相位比較器輸出的計算。在圖 6中，開關對中的上固態開關的時序在圖的上部分中圖示，而開關對中的下固態開關的時序在圖的下部分中指示。應當注意，對於上開關和下開關兩者，比較器輸出96通常相同但是反相。相位計數線和載波的交點在時間102和104處產生了這些比較器輸出中的每個中的上升沿98和下降沿100，上和下開關中的上升和下降彼此相反。而且，在圖6中圖示的實施例中，結合相位比較器輸出考慮死時間或延遲以產生分別由附圖標記106和108指示的上開關驅動定時和下開關驅動定時。就是說，控制電路向功率層電路傳送死時間或延遲信號，其使上和下開關的OFF(斷開)或不導通時段延長並且ON(接通)或導通時段減少，從而避免將這兩個開關同時置於導通狀態，即導致電流「直通」的條件。在圖6中由附圖標記110指示的該延遲導致提供如下時段的計算定時，在該時段中各開關處於導通和不導通狀態以產生施加到固態開關的柵極的脈衝寬度調製信號。就是說，如圖6中所示，時段112表示其中上開關導通的時段，而附圖標記114表示其中下固態開關不導通的時段。可以注意，死時間允許在下開關移至導通狀態之前將上開關置於不導通狀態。這樣附圖標記116表示其中上固態開關處於不導通狀態的時段，而附圖標記118 表示其中下固態開關處於導通狀態的時段。這裡再次地，死時間允許避免這兩個開關同時導通。這些定時信號隨後被施加到柵極以按傳統的方式控制固態開關的通電。然而，應當注意，如果死時間不改變，則用於該參數的值可以不常發送或者在電路初始化時發送，並且不需要由控制電路重複發送。而且，如果死時間是固定的，則一些實施例可以簡單地將死時間值存儲在功率層電路中。圖7呈現了用於通過在功率層接口電路中使用累加器來重新計算三角波形的示例性技術。圖7的示示了對應於圖6的載波92的載波計數器120。計數器波形被圖示為由累加器值122和恢復時鐘時間124限定。時鐘時間被分為時間增量1 並且隨後基於累加的時間步長1 計算載波計數器。將該載波計數器的三角增量從控制電路傳送到每個逆變器的功率層電路。應當注意，從控制電路傳送到每個逆變器的功率層電路的信號足以重新計算載波和定時信號，因此允許每個逆變器獨立地和並行地、高保真地重新計算定時信號。在當前考慮的實施例中，例如，逆變器的定時之間的偏差不超過約40ns，並且在某些實施例中可以不超過約20ns。可以定期地將同步脈衝從控制電路發送到功率層接口電路以重新建立時鐘之間的同步性。就是說，在功率層接口電路的處理器的振蕩器未以相同的速率操作的情況下， 通過使用同步脈衝可以定期地(例如，每隔250ys)校正任何變化。然而，在功率層電路處重新計算定時信號的能力實現了逆變器的並行，同時顯著地減少了環流。圖8呈現了用於執行這些操作的示例性邏輯。通常由圖8中的附圖標記130指示的邏輯開始於如步驟132指示的在控制電路中生成參考數據。該參考數據將典型地包括定時或者可用於計算定時的數據，在本實施例中，該數據包括載波三角波形增量，U、V和W相比較值以及死時間或延遲值。如步驟134處指示的，隨後將這些值並行地傳送到各逆變器， 並且特別地傳送到功率層接口電路。如步驟136處指示的，基於功率層接口電路的時鐘間隔和三角增量，在如圖7中指示的逆變器中恢復時鐘定時。在步驟138處，隨後在功率層接口電路中重構定時信號並且生成具有調製信號的脈衝用於驅動每個逆變器的固態開關。在步驟140處，可以將信號從每個逆變器發送回控制電路。如上文提及的，在當前考慮的實施例中，該信息可以包括U、V和W相電流、總線電壓、溫度、故障狀態等。如上文提及的，前面的處理允許公共三相輸出中的具有公共控制電路的並行耦合的逆變器的開關的準確同步。波形或者用於重新計算波形的數據由控制電路FPGA生成並且通過功率層FPGA中的相同的波形進行鏡像。該定時信號的重新計算便於控制任務中斷生成，簡化控制電路和功率層電路之間的信息傳送，並且在需要的情況下允許驅動器與驅動器的同步(例如，經由ΙΕΕΕ-1588)。這種驅動器與驅動器的同步可以如Campbell等人在 2008 年 11 月 17 日提交的題為"Motor Drive Synchronization System and Method，，的美國公布專利申請第20100123425號中公開的那樣執行，其通過引用併入本公開。在某些實施例中，還考慮在控制電路和每個功率層接口之間提供另外的光學導體，可以在該光學導體上傳送時鐘信號。圖9圖示了該類型的系統。如上文討論的，每個逆變器36可以經由包括一對光纖的並行的串行線纜耦合到控制電路。可以提供第三光纖 144，在該第三光纖144上將時鐘信號從控制電路提供給每個功率層接口。該時鐘信號的提供可以通過如圖7中圖示的三角波形的重新計算來避免對時鐘恢復的需要。因此，定時信號的重新計算可以基於所傳送的時鐘信號同步地執行。儘管在並行逆變器的背景下描述了前面的技術，但是應當注意，當控制單個逆變器的開關時可以使用相同的技術。就是說，控制電路可以適於生成定時信號或者可以從其得到定時信號的數據。數據可以被發送到單個逆變器的功率層接口，其如上文討論的那樣重構用於改變單個逆變器的固態開關的狀態的定時信號。在某些背景下，這可以允許簡化產品設計、生產線、逆變器的模塊化功率層、這種電路的編程的模塊性等。還應當注意，儘管這裡公開了用於驅動逆變器的固態開關的定時信號的計算或重新計算的特定技術，但是也可以使用其他技術。就是說，控制電路可以將信息傳送到功率層電路，該信息允許通過其他算法在功率層電路處建立開關定時。圖10呈現了具有上述類型的系統的多個、並行驅動器布置的示例性實施例。在圖 10的實現方案中，提供了多個模塊化電氣殼體，其彼此連結以形成包括若干個並行驅動器 16、18和20的公共驅動器。通常由附圖標記146指示的殼體均具有門148，其可以打開以接入各個並行驅動器的內部部件。如上文提到的，這些殼體中的一個可以容器控制器22，其如上文所述通過光纖耦合到該同一驅動器和其他並行驅動器。在每個驅動器中，在逆變器 152上方容納轉換器150。殼體中的這些電路的特定布置可以改變，但是已發現圖示實施例允許便利地組合地或分立地移除各個電路用於服務、更換等。轉換器耦合到每個殼體(未示出)中的線路側總線，用於從線路拉出功率以轉換為DC功率，該DC功率由DC總線導體 (未示出)傳送到各個逆變器。相似地，每個逆變器耦合到各個殼體中的公共負載側總線， 其向負載提供輸出功率。除了圖10中圖示的殼體，可以提供分立的殼體用於配線連接、通信連接等。每個部分的基部處的吹風機1 允許冷卻空氣在電路的散熱器或者其他冷卻部件上流通。該冷卻空氣可以由每個驅動器部分的頂部處的通風孔156排出。已經發現，如圖11、12和13中所示，在每個驅動器的功率層並行地生成柵極驅動信號允許高度的同步性。特別地，圖11是如上文所述操作的三個並行驅動器的輸出電流的電流跡線158。通過沿豎直軸160的電流幅值以及沿水平軸162的時間以圖形方式圖示了該電流跡線。如可以從圖中看出的，在輸出電流之間測量的極小的電流失衡疊加到這些電流，導致了極小的環流。圖12呈現了如通常由附圖標記164指示的開關接通門控同步測量結果。在該圖中，通過沿豎直軸166的幅值和沿水平軸168的時間表示柵極信號。圖示了三個柵極驅動信號170、172、174，其示出了驅動器之間的接通定時中的優秀的同步性。相似地，圖13呈現了如通常由附圖標記176指示的關於斷開的開關門控同步測量結果。這裡再次地，如軸178 相對時間180指示的，豎直地圖示柵極驅動信號。三個斷開信號182、184和186被再次圖示為具有定時的高度同步性。而且，可以注意，前面的技術有效地建立了可以被稱為「主/從」系統的系統以及用於生成功率層電路使用的柵極驅動信號的方法。就是說，控制電路生成三角載波並且確定U、V和W相柵極定時。重新計算該定時所需的數據被發送到功率層電路。不論使用單個功率層(用於單個逆變器)還是多個功率層(例如，在所描述的並行布置中)，情況都是這樣。當使用多個並行功率層時，相同的數據被同時並行地發送到所有功率層。隨後各功率層用作從設備，基於相同的信息重新計算定時。同步脈衝的使用允許功率層保持與控制電路同步並且保持彼此同步(同步脈衝有效地重新設置每個功率層中的計數器)。隨後將時鐘增量寫入到功率層中的波形生成器，並且通過每個同步脈衝處的中斷來鎖存數據。本發明公開了以下技術方案，包括但不限於方案1. 一種電機驅動系統包括多個驅動模塊，每個驅動模塊包括用於將輸入交流AC功率轉換為直流DC功率的轉換器和用於將DC功率轉換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉換器的逆變器；共享線路側總線，耦合到所述驅動模塊的所述轉換器，用於提供輸入AC功率；共享負載側總線，耦合到所述逆變器，用於將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出；以及公共控制器，耦合到所有逆變器並且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地以及並行地生成用於各個逆變器的功率電子開關的柵極驅動信號。方案2.根據方案1所述的系統，其中每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從所述公共控制器接收信號並且基於接收信號生成關於所述柵極驅動信號的定時。方案3.根據方案2所述的系統，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關於輸出功率的三相的所述功率電子開關的佔空周期的信號。
方案4.根據方案3所述的系統，其中來自所述公共控制電路的信號包括三角載波波形增量、死時間以及輸出相比較值。方案5.根據方案1所述的系統，其中所述控制電路經由並行的光纜耦合到所述逆變器。方案6.根據方案5所述的系統，其中所述光纜具有基本上相同的長度。方案7.根據方案5所述的系統，其中所述光纜均包括僅2個並行的光纖。方案8.根據方案7所述的系統，其中所述光纖中的一個專用於從所述公共控制電路到各個逆變器的數據傳送，以及所述光纖中的另一個專用於從各個逆變器到所述公共控制電路的數據傳送。方案9.根據方案5所述的系統，其中所述光纜均僅包括3個並行的光纖。方案10.根據方案9所述的系統，其中所述光纖中的第一個專用於從所述公共控制電路到各個逆變器的數據傳送，所述光纖中的第二個專用於從各個逆變器到所述公共控制電路的數據傳送，以及所述光纖中的第三個專用於從所述公共控制電路向各個逆變器提供時鐘信號。方案11.根據方案1所述的系統，其中直接經由所述共享負載側總線將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量。方案12. —種電機驅動系統包括多個驅動模塊，每個驅動模塊包括用於將輸入交流AC功率轉換為直流DC功率的轉換器和用於將DC功率轉換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉換器的逆變器；公共控制器，耦合到所有逆變器並且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地和並行地生成用於各個逆變器的功率電子開關的柵極驅動信號；共享線路側總線，耦合到所述驅動模塊的所述轉換器，用於提供輸入AC功率；以及共享負載側總線，耦合到所述逆變器，用於將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量；其中每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從所述公共控制器接收信號並且基於接收信號生成關於所述柵極驅動信號的定時。方案13.根據方案12所述的系統，其中所述控制電路經由具有基本上相同長度的並行的光纜耦合到所述逆變器。方案14.根據方案13所述的系統，其中所述光纜均包括僅2個並行的光纖，所述光纖中的一個專用於從所述公共控制電路到各個逆變器的數據傳送，以及所述光纖中的另一個專用於從各個逆變器到所述公共控制電路的數據傳送。方案15.根據方案12所述的系統，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關於輸出功率的三相的所述功率電子開關的佔空周期的信號。方案16.根據方案15所述的系統，其中來自所述公共控制電路的信號包括三角載波波形增量、死時間以及輸出相比較值。方案17. —種電機驅動系統包括多個驅動模塊，每個驅動模塊包括用於將輸入交流AC功率轉換為直流DC功率的轉換器和用於將DC功率轉換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉換器的逆變器；公共控制器，其耦合到所有逆變器並且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地和並行地生成用於各個逆變器的功率電子開關的柵極驅動信號；共享線路側總線，耦合到所述驅動模塊的所述轉換器，用於提供輸入AC功率；共享負載側總線，耦合到所述逆變器，用於將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量；其中每個逆變器經由各個光纜耦合到所述公共控制電路，並且包括功率層處理電路，其在操作期間經由各個光纜從所述公共控制器接收信號並且基於接收信號生成關於所述柵極驅動信號的定時，任何兩個逆變器的柵極驅動信號的定時彼此之間相差不超過 40ns ο方案18.根據方案17所述的系統，其中所述光纜均包括僅2個並行的光纖，所述光纖中的一個專用於從所述公共控制電路到各個逆變器的數據傳送，以及所述光纖中的另一個專用於從各個逆變器到所述公共控制電路的數據傳送。方案19.根據方案17所述的系統，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關於輸出功率的三相的所述功率電子開關的佔空周期的信號。方案20.根據方案19所述的系統，其中來自所述公共控制電路的信號包括三角載波波形增量、死時間以及輸出相比較值。儘管這裡圖示和描述了本發明的某些特徵，但是本領域的技術人員將想到許多修改和改變。因此，應當理解，所附權利要求旨在涵蓋落在本發明的真實精神內的所有這樣的修改和改變。
權利要求
1.一種電機驅動系統包括多個驅動模塊，每個驅動模塊包括用於將輸入交流AC功率轉換為直流DC功率的轉換器和用於將DC功率轉換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉換器的逆變器； 共享線路側總線，耦合到所述驅動模塊的所述轉換器，用於提供輸入AC功率； 共享負載側總線，耦合到所述逆變器，用於將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出；以及公共控制器，耦合到所有逆變器並且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地以及並行地生成用於各個逆變器的功率電子開關的柵極驅動信號。
2.根據權利要求1所述的系統，其中每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從所述公共控制器接收信號並且基於接收信號生成關於所述柵極驅動信號的定時。
3.根據權利要求2所述的系統，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關於輸出功率的三相的所述功率電子開關的佔空周期的信號。
4.根據權利要求1所述的系統，其中直接經由所述共享負載側總線將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量。
5.一種電機驅動系統包括多個驅動模塊，每個驅動模塊包括用於將輸入交流AC功率轉換為直流DC功率的轉換器和用於將DC功率轉換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉換器的逆變器；公共控制器，耦合到所有逆變器並且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地和並行地生成用於各個逆變器的功率電子開關的柵極驅動信號；共享線路側總線，耦合到所述驅動模塊的所述轉換器，用於提供輸入AC功率；以及共享負載側總線，耦合到所述逆變器，用於將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量；其中每個逆變器包括功率層處理電路，其在操作期間從所述公共控制器接收信號並且基於接收信號生成關於所述柵極驅動信號的定時。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述控制電路經由具有基本上相同長度的並行的光纜耦合到所述逆變器。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述光纜均包括僅2個並行的光纖，所述光纖中的一個專用於從所述公共控制電路到各個逆變器的數據傳送，以及所述光纖中的另一個專用於從各個逆變器到所述公共控制電路的數據傳送。
8.一種電機驅動系統包括多個驅動模塊，每個驅動模塊包括用於將輸入交流AC功率轉換為直流DC功率的轉換器和用於將DC功率轉換為頻率受控AC功率的、耦合到所述轉換器的逆變器；公共控制器，其耦合到所有逆變器並且被配置為向所述逆變器提供信號，以允許每個逆變器彼此分離地和並行地生成用於各個逆變器的功率電子開關的柵極驅動信號； 共享線路側總線，耦合到所述驅動模塊的所述轉換器，用於提供輸入AC功率； 共享負載側總線，耦合到所述逆變器，用於將來自所有驅動模塊的頻率受控AC功率組合為公共AC輸出而不會在它們之間插入電感分量；其中每個逆變器經由各個光纜耦合到所述公共控制電路，並且包括功率層處理電路，其在操作期間經由各個光纜從所述公共控制器接收信號並且基於接收信號生成關於所述柵極驅動信號的定時，任何兩個逆變器的柵極驅動信號的定時彼此之間相差不超過40ns。
9.根據權利要求8所述的系統，其中所述光纜均包括僅2個並行的光纖，所述光纖中的一個專用於從所述公共控制電路到各個逆變器的數據傳送，以及所述光纖中的另一個專用於從各個逆變器到所述公共控制電路的數據傳送。
10.根據權利要求8所述的系統，其中每個逆變器的所述功率層處理電路從所述公共控制電路接收足以計算載波波形以及關於輸出功率的三相的所述功率電子開關的佔空周期的信號。
全文摘要
多個逆變器電機驅動器並行地互連以向電機提供公共輸出。公共控制電路經由光纜耦合到所有並行驅動器並且向每個逆變器的功率層電路提供信號，用於在功率層處生成關於各個逆變器功率電子開關的柵極驅動信號的定時。得到的定時呈現了高度的同步性，使得在並行驅動器的輸出中出現極小的失衡，導致非常低的環流。
文檔編號H02P27/06GK102340280SQ201110213048
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月18日 優先權日2010年7月16日
發明者蘭加拉詹·M·塔拉姆, 拉塞爾·J·克爾克曼, 理察·H·拉多舍維奇, 阿蘭·J·坎貝爾 申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司