CN100575963C - 用于在变换器中确定电流过零的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用至少两个变换器支路工作的变换器，其中电流交替地流经至少一个第一电流变换器支路和至少一个第二电流变换器支路。根据本发明，在变换器中，电流过零的时刻通过这种方式来确定，即电流通过用于确定电流过零时刻的设备来测量，在该设备中将所测量的电流值与电流阈值进行比较，并借助于电流值在电流过零之前达到电流阈值的时刻，通过该设备计算从达到电流阈值至达到电流过零之间的预计时间间隔Δt。

Description

用于在变换器中确定电流过零的方法

技术领域

本发明涉及功率电子学领域。其涉及在具有至少两个变换器支路以及具有用于确定电流过零的时刻的设备的变换器中确定电流过零的时刻的方法、执行该方法的设备以及变换器，其中所述电流交替地流经至少一个第一变换器支路和至少一个第二变换器支路。

背景技术

电流控制的变换器用来将输入电流变换成具有一个或多个相位的交流电。变换器包括电流I(t)可以流经的两个变换器支路。每个变换器支路可以通过电流阀被切换到导通状态或截止状态。在其中电流或者是全正或者是全负的电流半波期间，第一变换器支路中的第一电流阀被切换到导通状态。当电流改变其符号时，第一电流阀被切换到截止状态，且第二变换器支路中的第二阀现在被切换到导通状态，其在第一电流阀处于导通状态期间曾处于截止状态。但是，如果从一个变换器支路到另一个变换器支路的转换不是正好发生在电流改变其符号的时间，则出现两个变换器支路在其中均携带电流的重叠区域，或者出现其中没有电流流经任何变换器支路的区域。但是，该重叠区域或者没有电流流经任何变换器支路的区域导致能量的严重损失和瞬时现象。

为了确定电流阀要被切换的时间，已经开发了包括电流测量的复杂方法。在S.

Ovaska S.J.，J.写的文章(”adaptive signalprocessing system for accurate zero-crossing detection of cycloconverterphase currents”；IEEJ 1997-PPC Nagoka，p.467-472)中描述了这样的方法。在该方法中，低频预滤器被用来从电流信号中过滤不希望的低频成份，且重新构造电流信号的正弦曲线，据其可以随后预知电流过零的时间。

但是，该方法复杂且代价高。电流偏移和电流测量中的误差降低了确定电流过零的时间的可靠性和精确性。

US 6,535,402描述了一种用于确定变换器中针对死区时间(deadtime)补偿的电流过零的方法，其中恒定的额外电流被加到电流上，从该总电流确定电流过零。额外电流的添加引起了正半波和负半波时段的不对称。两个半波时段的差别被用于从所测量的电流过零到所推测的正确的时刻的纠正。

发明内容

本发明的目的是建立一种在开始时提及的类型的方法和设备，其允许精确而更简单地预测变换器中电流过零的时刻。

根据本发明的目的通过一种在具有至少两个变换器支路以及具有用于确定电流过零的时刻的设备的变换器中用于确定电流过零的方法来解决，其中：电流借助于所述设备测量，根据所测量的正半波和/或负半波中的电流值确定所述电流的最大振幅I_max，在所述设备中，将所述的所测量的电流值与电流阈值I_set进行比较，且借助于所述电流在所述电流过零之前达到所述电流阈值I_set的时刻，以及半波的所述电流的最大振幅I_max的值，通过所述设备，确定从达到所述电流阈值I_set至达到所述电流过零的预计时间间隔Δt，其中所述电流具有正弦分布，并且从达到所述电流阈值I_set至达到所述电流过零的所述预计时间间隔Δt是根据所述电流阈值的数值|I_set|、所述电流的最大振幅I_max以及电流的频率ω，通过等式 $\mathrm{\Δt}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}*\frac{\left|I_{\mathrm{set}}\right|}{I_{\max }}$ 确定的，其中所述电流阈值I_set在负半波由负电流阈值I_set，n代替，而在正半波由正电流阈值I_set，p代替。

此外，根据本发明的目的通过一种用于确定电流过零的时刻的设备来解决，其中：所述用于确定所述电流过零的时刻的设备包括：在变换器支路的输入端测量所述电流的装置，用于将所测量的电流值与电流阈值进行比较的装置，以及借助于所述电流在电流过零之前达到所述电流阈值的时间和半波的所述电流的最大振幅的值I_max、用于确定从达到所述电流阈值至达到所述电流过零的预计时间间隔Δt的装置，其中所述电流具有正弦分布，并且从达到所述电流阈值I_set至达到所述电流过零的所述预计时间间隔Δt是根据所述电流阈值的数值|I_set|、所述电流的最大振幅I_max以及电流的频率ω，通过等式 $\mathrm{\Δt}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}*\frac{\left|I_{\mathrm{set}}\right|}{I_{\max }}$ 确定的，其中所述电流阈值I_set在负半波由负电流阈值I_set，n代替，而在正半波由正电流阈值I_set，p代替。

根据本发明的目的还通过一种变换器来解决，该变换器至少包括两个变换器支路，其中电流交替地流经第一变换器支路和第二变换器支路，所述变换器包括上述用于确定电流过零的时刻的设备。

利用根据本发明的方法，变换器中的电流通过用于确定电流过零的时刻的设备被测量，在该设备中，将所测量的电流值和电流阈值进行比较，并借助于电流值在电流过零之前达到电流阈值的时刻，通过该设备，确定从达到电流阈值至达到电流过零之间的时间间隔Δt。由于仅仅需要确定一个测量值，且只需要简单的计算，所以可以容易地实现该方法。

在电流的正弦或近似正弦曲线情况下，电流可以被分成两个半波，其中每个半波包括其中电流或者是连续大于零或者是连续小于零的时段。根据正半波中所测量的电流或者负半波中所测量的电流，确定半波电流的最大振幅I_max，且电流的最大振幅被用来确定电流过零的时刻。通过确定半波电流的最大振幅，提高了该方法的精确性。

当在电流过零之前达到电流阈值时，可以根据电流阈值的数值|I_set|、电流的最大振幅I_max以及电流的频率ω，通过等式 $\mathrm{\Δt}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}*\frac{\left|I_{\mathrm{set}}\right|}{I_{\max }},$ 从而确定从达到电流阈值I_set至达到电流过零的预计时间间隔Δt，其中电流阈值I_set在负半波由负电流阈值I_set，n代替，而在正半波由正电流阈值I_set，p代替。该实施例的优点是电流过零的确定需要仅仅几个容易确定的测量值，且通过简单的等式，确定电流过零的时刻，因此很快。

另外的有利的变形方案和实施例根据独立权利要求是显而易见的。

附图说明

下面通过附图中所示的优选示例性实施例，说明根据本发明的方法和本发明的目的。该图示出了变换器中关于时间的电流的曲线，以及第一变换器支路中的第一电流阀的切换特性。

具体实施方式

在下面的例子中，描述了具有两个变换器支路的变换器，但是本发明也适用于具有至少两个变换器支路的单相或多相变换器。

该图示出了第一变换器支路中关于时间的电流曲线，以及第一电流阀的切换特性。变换器中的电流是通过用于确定变换器的电流过零时刻的设备来测量的。由曲线1示出，从负半波开始，负半波的电流的最大振幅I_max根据所测量的变换器(为了清晰的原因，图中未示出)的电流值确定。该确定借助常用的计算方法来进行。在经过电流的最大振幅之后并且在电流过零之前，当达到负电流阈值I_set，n2时，从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔Δt被确定。在正半波中，电流的最大振幅I_max是确定的，且在经过电流的最大振幅之后并且在电流过零之前，当达到正电流阈值I_set，p3时，从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔Δt被确定。

瞬时电流I(t)由电流的最大振幅I_max、频率ω和时间t，根据以下等式得到：

I(t)＝I_max sin(ωt)

在(ωt)的值小的情况下，可以有|sin(ωt)|≈ωt。这简化了用于瞬时电流的等式，且针对一个数值的电流值|I(t)|，可以确定从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔Δt：

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}*\frac{\left|I\left(t\right)\right|}{I_{\max }}$

当达到电流过零之前的给定的电流阈值I_set时，可以借助上述等式以及电流阈值的数值|I_set|如下确定从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔Δt：

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}*\frac{\left|I_{\mathrm{set}}\right|}{I_{\max }},$

其中电流阈值I_set在负半波中由I_set，n代替，而在正半波中由I_set，p代替。

曲线1示出，因为确定了从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔Δt，当达到给定的电流阈值时，以时间间隔Δt的时延触发两个变换器支路之间的切换。由于清晰的原因，在图中只示出了第一变换器支路的状态。在负半波中，第一变换器支路处于导通状态11，而第二变换器支路处于截止状态。在达到给定的负电流阈值I_set，n之后，经过时间间隔Δt，第一变换器支路被切换到截止状态12，而第二变换器支路被切换到导通状态。在正半波中，在达到给定的正电流阈值I_set，p之后，经过时间间隔Δt，第一变换器支路重新被切换到导通状态11，而第二变换器支路被切换到截止状态。

针对负半波的电流阈值I_set，n和针对正半波的电流阈值I_set，p可以以工作的函数给出。如果电流受噪声影响，则可以有利地选择大的值，使得可以明显地将电流值和噪声区分开。另一方面，电流值应该这样小，使得由近似|sin(ωt)|≈ωt产生的误差保持小。

在每个半波中，电流的最大振幅可以被重新确定，但是也可能仅针对每两个或最多每两个半波重新确定电流的最大振幅。如果在半波内确定最大振幅，且该值被用于确定到直接紧随的或隔一个的电流过零的时间间隔，则可以获得特别精确的结果。如果电流的最大振幅仅被用于确定到更后的电流过零的时间间隔，或者如果最大振幅没有针对每个半波而被重新确定，那么可以特别快速地执行该方法。

如果负电流阈值的数值|I_set，n|等于正电流阈值的数值|I_set，p|，则该方法同样变得特别简单。于是，可以根据频率ω和电流阈值的乘积确定常数，且在每个半波中，只有该常数与半波中电流的最大振幅的商需要计算，以确定从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔Δt。

在变换器中，根据本发明的用于确定电流过零的方法可以通过包括用于测量电流的装置以及数据处理系统的设备实现，其中该数据处理系统用于比较电流阈值并用于确定从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔。借助该方法，电流通过所述设备进行测量，在数据处理系统中，将所测量的电流值与电流阈值I_set进行比较，并借助于电流在电流过零之前达到电流阈值的时刻，通过数据处理系统确定从达到电流阈值至达到电流过零之间的预计时间间隔Δt。

用于确定电流过零的计算机程序可以被加载到数据处理系统中，并在数据处理系统中被执行。当计算机程序被执行时，它将所测量的电流值与电流阈值I_set进行比较，并借助于电流在电流过零之前达到电流阈值的时刻，确定从达到电流阈值至达到电流过零之间的预计时间间隔Δt。

在另一个版本的方法中，变换器中的电流过零是通过一种包括用于测量电流的装置以及电路的设备实现，其中该电路用于比较电流阈值并用于确定从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔。

在变换器中，阀可以被安装在每个变换器支路之前，通过该阀，变换器支路可以被切换到截止状态或导通状态。如果这样的阀从切换被触发的时刻开始，延时地进行相应的变换器支路的切换，那么直到切换的时延可以这样考虑，即选择这样大的电流阈值，使得从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔Δt大于或等于直至切换的时延。在确定从达到电流阈值至达到电流过零的预计时间间隔Δt时，可以这样地考虑时延，使得相应的阀在电流过零之前的、与时延相对应的时刻被切换，并且该阀在电流过零时截止或导通。

上述的用于操作变换器的方法可以被应用于这样的变换器：其中要求有连续的通过电流，且其中该通过电流不应因为主动进行的操作如阀的切换而被中断。

本发明的进一步的应用出现在电流控制的变换器中。在电流控制的变换器中，被馈送到变换器中的电流的表现类似电流源，并且在变换器(如电源)的输出端提供独立于输出电压的电流量。

该方法还可以应用于直接变换器(direct converter)，其中给定频率的交流电被直接变换成另一频率的交流电，而在此期间不将交流电变换成直流电。

Claims (8)

1.一种在具有至少两个变换器支路以及具有用于确定电流过零的时刻的设备的变换器中确定电流过零的方法，其中所述电流交替地流经至少一个第一变换器支路和至少一个第二变换器支路，其特征在于：所述电流借助于所述设备测量，根据所测量的正半波和/或负半波中的电流值确定所述电流的最大振幅I_max，在所述设备中，将所测量的电流值与电流阈值I_set进行比较，且借助于所述电流在经过电流的最大振幅之后并且在所述电流过零之前达到所述电流阈值I_set的时刻，以及半波的所述电流的最大振幅I_max的值，通过所述设备，确定从达到所述电流阈值I_set至达到所述电流过零的预计时间间隔Δt，其中所述电流具有正弦分布，并且从达到所述电流阈值I_set至达到所述电流过零的所述预计时间间隔Δt是根据所述电流阈值的数值|I_set|、所述电流的最大振幅I_max以及电流的频率ω，通过等式 $\mathrm{\Δt}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}*\frac{\left|I_{\mathrm{set}}\right|}{I_{\max }}$ 确定的，其中所述电流阈值I_set在负半波由负电流阈值I_set，n代替，而在正半波由正电流阈值I_set，p代替。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从达到所述电流阈值I_set至达到所述电流过零的所述预计时间间隔Δt与所述电流的最大振幅I_max是在同一半波内确定的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述负电流阈值的数值|I_set，n|与所述正电流阈值的数值|I_set，p|大小相等。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在至少一个变换器支路中，从达到所述电流阈值至达到所述电流过零的所述预计时间间隔Δt到期之后，分别切换电流阀，其分别将变换器支路在导通状态和截止状态之间切换。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在至少一个变换器支路中，从达到所述电流阈值至达到所述电流过零的所述预计时间间隔Δt到期之后，分别切换电流阀，其分别将变换器支路在导通状态和截止状态之间切换。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，只有在时延之后，所述至少一个变换器支路中的至少一个电流阀在切换操作之后，才截止或传导相应的变换器支路，且所述电流阈值I_set是如此大，以致从达到所述电流阈值至达到所述电流过零的所述预计时间间隔Δt大于或等于到所述截止或传导的时延，且在确定从达到所述电流阈值至达到所述电流过零的所述预计时间间隔Δt时，这样地考虑所述时延，使得所述阀在电流过零之前的、与所述时延对应的时刻被切换，且所述阀在所述电流过零时截止或传导。

7.一种用于确定电流过零的时刻的设备，其特征在于，所述用于确定电流过零的时刻的设备包括：在变换器支路的输入端测量所述电流的装置，用于将所测量的电流值与电流阈值进行比较的装置，以及用于借助于所述电流在经过电流的最大振幅之后并且在电流过零之前达到所述电流阈值的时间和半波的所述电流的最大振幅的值I_max、确定从达到所述电流阈值至达到所述电流过零的预计时间间隔Δt的装置，其中所述电流具有正弦分布，并且从达到所述电流阈值I_set至达到所述电流过零的所述预计时间间隔Δt是根据所述电流阈值的数值|I_set|、所述电流的最大振幅I_max以及电流的频率ω，通过等式 $\mathrm{\Δt}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}*\frac{\left|I_{\mathrm{set}}\right|}{I_{\max }}$ 确定的，其中所述电流阈值I_set在负半波由负电流阈值I_set，n代替，而在正半波由正电流阈值I_set，p代替。

8.一种变换器，至少包括两个变换器支路，其中电流交替地流经第一变换器支路和第二变换器支路，其特征在于，所述变换器包括根据权利要求7所述的用于确定电流过零的时刻的设备。

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