CN101248359B - 损耗功率的测量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定电子开关的损耗功率的方法。依据所述方法，检测物理量的瞬时值，从第一存储器中查询与瞬时值相关的数值，以预定的方式同时处理这两个数值，以及输出处理的结果。

Description

损耗功率的测量
技术领域
本发明涉及一种用于确定电子开关的损耗功率的方法和设备。本发明此外还涉及一种逆变器以及一种用于控制逆变器的方法和一种风力发电设备。
背景技术
已知下列文件作为现有技术：US 2004/0196678 A1、US2004/0125523 A1、US 5,841,262 A、US 2004/0085117 A1、DE 101 41125 A1、DE 103 19 354 A1、DE 35 26 836 A1、DE 39 05 701 A1、EP0 397 514 A2、WO 02/080343 A1、WO 2004/012326 A1、WO 03/065567A1、WO 02/07315 A1。
现在逆变器经常使用称作为IGBT形式的开关，以便从直流电产生交流电，其中这种逆变器的结构本身公知。这些开关的开关损耗完全不可避免，所述开关损耗可以借助于公知的公式计算。在这里需要指出的是，与IGBT相关的自振荡二极管应当同时包括在概念“开关”内。
因此在设计逆变器时，能够确定工作参数并将工作参数作为计算的依据使用。为了使计算与事实相一致，在逆变器工作期间必须保持这些参数。
实际上，逆变器通常在监测开关温度的情况下进行控制。这种控制基于如下事实，即开关由于损耗而温度增加并因此温度增加是这种损耗的度量。如果现在确定监测温度超过预定的极限值，那么切断逆变器以避免损坏。此外，基于半导线构成的这种开关对热过载反应灵敏。这种开关的热负荷越高，其热老化就相应地越快并因此其必须被更早地更换。
如果这种逆变器在风力发电设备上使用，那么切断逆变器的后果是也必须切断风力发电设备。
为了能够测量损耗功率，例如需要在接通IGBT的情况下测量集电极-发射极电压。该电压是在下单数位范围内的数值并必须尽可能精确地被检测，以便在非常高的电流(几百安培)时得到足够精确的结果。但在断开状态下全部中间电路的电压(几百伏)仍存在于这些接线端上。
发明内容
因此本发明的目的在于，能够确定开关中实际出现的损耗功率。
本发明提供一种用于确定电子开关的损耗功率的方法，所述电子开关具有与IGBT并联的自振荡二极管，所述方法包括以下步骤：检测通过电子开关的电流的瞬时值，基于存储在存储器内的IGBT的数据表的数据读出与所测量的电流相关的IGBT的集电极-发射极电压，将所测量的电流与读出的集电极-发射极电压值相乘，以确定电子开关的瞬时损耗功率，输出所确定的损耗功率，以及其中确定的损耗功率包括IGBT的开关损耗和流动损耗以及自振荡二极管的流动损耗。
本发明还提供一种用于确定电子开关的损耗功率的设备，所述电子开关具有与IGBT并联的自振荡二极管，所述设备包括：用于检测通过所述电子开关的电流的数据输入端，存储电子开关的与IGBT的电流和集电极-发射极电压值相关的数据表的数据的第一存储器，用于将所测量的电流与所读出的集电极-发射极电压值相乘以便确定电子开关的瞬时损耗功率的处理单元，以及用于输出所确定的损耗功率的输出单元，其中所述损耗功率包括IGBT的开关损耗和流动损耗以及自振荡二极管的流动损耗。
本发明还提供一种用于控制根据公差带方法工作的逆变器的方法，其中，在上述方法输出表示超过损耗功率极限值的信号时，增加公差带宽。
本发明还提供一种逆变器，包括：多个电子开关，每个电子开关具有与IGBT并联的自振荡二极管；用于测量通过所述多个电子开关之一的电流的测量传感器；用于基于电子开关的数据表储存所述电子开关的电流与相应的IGBT的集电极-发射极电压之间相关值的存储器，用于将所测量的电流与存储器中的相关IGBT的集电极-发射极电压值相乘的处理单元，用于输出所确定的损耗功率的输出单元，其中所述损耗功率包括IGBT的开关损耗和流动损耗以及自振荡二极管的流动损耗。
本发明还提供一种风力发电设备，包括至少一个上述逆变器，其中通过表示已超过预定极限值的信号，降低由风力发电设备产生的功率。
本发明还提供一种用于控制包括上述逆变器的风力发电设备的方法，其中，通过表示已超过预定极限值的信号，降低由风力发电设备产生的功率。
依据本发明该目的通过一种用于确定电子开关损耗功率的方法得以实现，其特征在于，检测物理量的瞬时值，从第一存储器查询与瞬时值相关的数值，以预定的方式同时处理两个数值并输出处理的结果。
在此方面本发明基于这种认识，即在数据表中公开的开关已知的数据中可以获得与通过测量确定的测量值相关的数值。在本示例中，在已知通过开关的电流时，可以从数据表中确定例如集电极-发射极电压(Vce)。流动的电流与该集电极-发射极电压相乘得出通过开关流动的瞬时电流的损耗功率。此外还有接通和断开开关时的开关损耗。
为了可以确定不但开关的损耗功率，而且全部逆变器的损耗功率，在本发明的改进方案中，检测多个开关的物理量并从存储器中读出相应多个的相关数值。
特别优选储存处理的测量值和中间结果。由此以后也可以例如为了统计计算等存取这些数值。
为了实施该方法，提供一种用于确定电子开关的损耗功率的设备，其特征在于：用于检测电子开关的至少一个物理量瞬时值的数据输入端，存储与物理量相关数据的第一存储器，用于以预定的方式同时处理物理量和从该存储器调用数值的处理单元，以及用于输出处理结果的装置。
依据本发明的这种解决方案的优点是，可以检测开关的实际损耗功率。这一点不仅取决于流动电流而且取决于开关的特征值。确切地说，例如像环境温度这种环境影响也具有重要作用。因此通过依据本发明的设备可以在所要求的时间点上检测实际损耗功率。因此可以比利用现有技术中公开的计算机预测更精确地确定开关的实际负荷。
在一种优选的改进方案中，该设备包括用于检测多个开关物理量瞬时值的多个输入端。按照这种方式，利用该设备可以检测例如整个逆变器的损耗功率。
为了能够在较长时间上的算出损耗功率的变化，特别优选的是设有用于储存测量值和中间结果的第二存储器。但该存储器在结构上可与第一存储器结合。
因为电子开关具有用于其工作的预定极限值，超过该极限值它们则不能工作，所以该设备的特征优选在于用于将处理结果与预定的极限值进行比较且在达到或超过极限值时输出信号的装置。在此方面，该设备可以有利地构成为独立的设备，其在需要时可以按照简单方式运输到每个的使用地点。或者，该设备也可与逆变器或者风力发电设备的控制装置一体化。
除了输出可以用于例如通知这种设备的操作者或者操作机构的信号外，该信号特别优选还可以输出到逆变器或者风力发电设备的控制装置以便以预定的方式影响控制装置。
在根据公差带方法工作的逆变器的情况下，这种影响有利地提供了在设备输出表示超过极限值的信号时增加公差带宽。也就是说，如果开关的损耗功率过高，可以加大公差带宽。因此开关频率和与之相关的接通或断开损耗降低，并且因此开关(包括自振荡二极管)的整体损耗功率降低。
特别优选的是，风力发电设备装备有至少一个这种逆变器。在此方面，一种用于控制风力发电设备的方法，其特征在于，通过表示超过预定极限值的信号，降低由风力发电设备产生的功率。因此减少通过逆变器处理的功率并相应也减少开关上的损耗功率。
在此方面，依据本发明的设备连接在风力发电设备的控制装置上，以便能够直接影响风力发电设备的控制而不必通过逆变器来影响风力发电设备的控制。
附图说明
下面借助于附图对本发明进行详细说明。其中：
图1示出依据本发明的设备简图；
图2示出该设备在风力发电设备上使用的示例；
图3示出本发明在风力发电设备上的第二应用示例；
图4示出依据本发明方法的简图；
图5示出用于逆变器相位的开关电桥简图；以及
图6示出依据本发明方法的视图。
具体实施方式
在图1所示的依据本发明的设备简图中，附图标记10表示导线，其连接在开关12(例如IGBT)上并输出所产生的交流电。开关由控制装置14控制。在导线10中所测量的电流利用测量传感器16检测并输送到处理单元18。该处理单元18从控制装置14收到作为触发结果的控制信息，以便可以精确确定各个开关瞬间。根据通过测量传感器16确定的导线10中的电流，从表20中调用集电极-发射极电压的相应电压值并从这些数值中可以确定开关12的实际损耗功率。该结果例如可以在显示器22上显示。当然，这些数值也可以存入(附图中未示出的)存储器内。该存储器然后可以收集数据，所述数据为了计值目的例如通过(同样未示出的)接口传输到计算机。
图2的视图与图1的视图基本上相应。此外该附图示出了风力发电设备24的吊舱的视图，其中设有的控制装置26。因此取决于处理单元18的计算结果，不仅可以在显示器22上显示计算结果，而且还可以同时或者替代地影响风力发电设备24的控制装置26，以便例如可以按照这种方式对超过极限值作出反应。相应地可以使风力发电设备降低所产生的功率。在节距可调节的风力发电设备情况下，这可以以公知的方式通过改变转子叶片的迎角进行。
图3与图2相比补充了测量传感器和控制装置。该附图示出多个导线100、101、102，利用测量传感器161、162、163检测在导线中流过的电流。为了使附图更清楚没有示出附加的开关。导线169表示，作为检测物理量的示例，这里当然还可有多个测量传感器连接于处理单元18。
根据导线的数量，也设有相应的控制装置141、142、143。导线从每个控制装置通向处理单元18，从而可以为向导线100、101、102中一个供电的每个开关发出触发脉冲。如上所述，相对于每个所检测的电流值从表20中调用开关的集电极-发射极电压的相应数值并从中确定瞬时损耗功率。结果然后可以重新输出到显示器22或风力发电设备24的控制装置26。当然，也可以将相应的信号输出到如移动电话、远距离监测中心等其他装置，以便触发相应的通知。
图4示出依据本发明方法的流程图。在开始之后首先确定开关的测量值。基于该测量值在下个步骤中从表中读出相关的数据值并且此后对两个数值进行处理，在这种情况下相乘，以确定开关的瞬时损耗功率。此后可以检查所确定的数值是否处于预定的限度内。如果否，可以输出信号。作为可替代地或者补充，当然也可以进行显示。然后可以重复测量或者也可以不测量。在此方面可以对同一开关或者对其他开关进行重复。
图5示意性示出两个开关12a和12b的设置，利用其可以产生用于一个相位的电流。自振荡二极管12c和12d也属于开关。处于两个开关12a与12b之间中心的是相位的分支并且导线10与图1至3中所示导线10相应。通过测量传感器16检测该导线10上流动的电流并被送到处理单元18。
控制单元14控制开关12a和12b。该控制单元同时向处理单元18输出相应的触发信号。这些触发信号可以包含于开关12a和12b的控制时钟中。
处理单元18从表20中读出与电流值相关的集电极-发射极电压的数值并将结果输出到输出端19。这种输出例如可以是显示、输向监测装置的信号和/或影响逆变器或风力发电设备的信号。
为了理解下面的说明，有益的是设想开关12a和自振荡二极管12c或开关12b和自振荡二极管12d的分别共同作用。这一点在图5左侧部分对开关12a以及自振荡二极管12c示例性示出。所示为三个重叠的开关图形。左边采用矩形标注的下部开关图形是由控制装置14为IGBT12a输出的开关脉冲。在此方面，下降沿接通IGBT并且上升沿断开IGBT并接通自振荡二极管。在控制装置的脉冲开始时处于高电平期间，相应地断开IGBT并接通自振荡二极管。那里相应地存在流动损耗。在时间点t1控制信号具有下降沿。IGBT接通且二极管断开。相应地开关上现在出现流动损耗，这一点正如在视图中间所看到的那样。出于完整性的原因，应该指出，在二极管断开的状态下由于二极管上的泄漏电流也出现相应的泄漏损耗。
在时间点t2时钟信号具有上升沿。相应地IGBT 12a断开且自振荡二极管12c接通。在时间点t3时钟信号下降，IGBT 12a接通且二极管断开。这样继续示出直到时间点t8。
图6示出这里再一次作为方波脉冲示出的时钟脉冲与导线10上的电流之间的相互联系。在时间点ta时钟信号具有下降沿。相应地开关接通并且电流开始在公差带内上升，直至开关在时间点tb断开。开关12a的这种断开导致开关12b接通并且电流重新下降直至达到下限值。然后通过下降沿开关12a重新接通。当然，开关12b然后断开并且电流重新上升。这些开关过程持续进行，从而整体上产生正弦形的电流分布。
因为开关时间点取决于达到相应的公差值，所以不存在固定的示意图。确切地说，这些开关时间点同样从达到各自的极限值中得出。
开关接通期间，每隔25μs(该数值为示例，其也可以或长或短)测量导线上的电流并从表中调用集电极-发射极电压的相应数值。因此可以精确确定瞬时电流流动的损耗。
总共需要区分IGBT上三种类型的损耗。接通瞬间出现接通损耗。对这种损耗进行检测。断开瞬间同样出现断开损耗，对其也进行检测。晶体管接通期间出现流动损耗。这种损耗也进行检测并可以将所有这些数值累计，以便因此得出IGBT的损耗。
与通过IGBT流动的电流交替地，产生通过二极管的流动电流。这里在断开二极管的情况下，同样导致流动损耗以及泄漏损耗。这些数值也进行检测、累计并与为IGBT获取的数值全部汇总成开关损耗。
这些开关损耗例如可以在电网频率的一个周期或者也可以在其他预定的时间例如一秒钟确定，以便然后可以确定一个周期的开关损耗或者例如可以更简单地换算成一秒钟的开关损耗。
但在这种情况下，不仅可以考虑一个相位的开关(参照图5)。确切地说，也可以同时检测三个相位的开关以及例如升压变流器上或者中间电路削波器上的开关。

Claims (16)

1.一种用于控制风力发电设备的方法，其中确定电子开关在接通或断开时的损耗功率，所述电子开关具有与IGBT并联的自振荡二极管，所述方法包括以下步骤：
检测通过电子开关的电流的瞬时值，
基于存储在存储器内的IGBT的数据表的数据读出与所测量的电流相关的IGBT的集电极-发射极电压值，
通过将所测量的电流与读出的集电极-发射极电压值相乘，确定电子开关的瞬时损耗功率，
输出所确定的损耗功率，以及
其中确定的损耗功率包括IGBT的开关损耗和流动损耗以及自振荡二极管的流动损耗。
2.如权利要求1所述的方法，其中，检测多个电子开关的电流并从存储器中读出与所测量的电流相关的相应多个电压。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在所确定的损耗功率超过预定极限值时输出信号。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，当所确定的损耗功率超过预定极限值时，降低由风力发电设备产生的功率。
5.如权利要求3所述的方法，用于控制根据公差带方法工作的逆变器，
其中，在输出表示所确定的损耗功率超过损耗功率极限值的信号时，增加公差带宽。
6.一种用于在风力发电设备中确定电子开关在接通和断开时的损耗功率的设备，所述电子开关具有与IGBT并联的自振荡二极管，所述设备包括：
用于检测通过所述电子开关的电流的数据输入端，
存储电子开关的与IGBT的电流和集电极-发射极电压值相关的数据表的数据的第一存储器，
用于将所测量的电流与所读出的集电极-发射极电压值相乘以便确定电子开关的瞬时损耗功率的处理单元，以及
用于输出所确定的损耗功率的输出单元，
其中所述损耗功率包括IGBT的开关损耗和流动损耗以及自振荡二极管的流动损耗。
7.如权利要求6所述的设备，其中，检测多个电子开关的电流，并且从所述存储器读出与所测量的电流相关的集电极-发射极电压。
8.如权利要求6或7所述的设备，还包括用于储存处理操作的测量值和中间结果的第二存储器，所述处理操作用于处理流过电子开关的电流的瞬时值和读出的集电极-发射极电压值。
9.如权利要求6或7所述的设备，还包括用于将所确定的损耗功率与损耗功率的预定极限值进行比较并且在达到或超过极限值时输出信号的装置。
10.如权利要求6或7所述的设备，所述设备构造成与风力发电设备的逆变器的控制装置一体化。
11.如权利要求6或7所述的设备，还包括向逆变器或者风力发电设备的控制装置输出信号以便以预定的方式影响所述控制装置。
12.如权利要求6或7所述的设备，其中为了确定所述电子开关的瞬时损耗功率，还包括用于检测所述电子开关的环境温度的数据输入端。
13.如权利要求6或7所述的设备，其中为了确定所述电子开关的瞬时损耗功率，还检测所述电子开关的控制时钟。
14.一种用于风力发电设备的逆变器，包括：
多个能转换为接通状态和断开状态的电子开关，每个电子开关具有与IGBT并联的自振荡二极管；
用于测量通过所述多个电子开关之一的电流的测量传感器；
用于基于电子开关的数据表储存所述电子开关的电流与相应的IGBT的集电极-发射极电压之间相关值的存储器，
用于将所测量的电流与存储器(20)中的相关IGBT的集电极-发射极电压值相乘的处理单元，
用于输出所确定的损耗功率的输出单元，
其中所述损耗功率包括IGBT的开关损耗和流动损耗以及自振荡二极管的流动损耗。
15.一种风力发电设备，包括至少一个如权利要求14所述的逆变器，其中通过表示所确定的损耗功率已超过预定极限值的信号，降低由风力发电设备产生的功率。
16.一种用于控制包括如权利要求15所述的逆变器的风力发电设备的方法，其中，通过表示所确定的损耗功率已超过预定极限值的信号，降低由风力发电设备产生的功率。
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