CN101686006B - 在三相电源中保护功率因数校正的设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种在三相电源中保护功率因数校正的设备及其控制方法。如果由于制造商的错误在施加到电抗器和开关元件的电源输入端出现任何误连接(或未连接)，则施加到开关元件的电流成为异常电流，从而无法控制PFC。在PFC控制期间，设备在共电位端的电流传感器检测从开关元件产生的电流波形，并确定是否存在异常电流引起的误连接。如果确认存在误连接，则设备将电流图案与误连接模式相比较，并根据搜索的误连接模式改变施加到开关元件的PFC控制输出，从而可正常实施PFC控制。

Description

在三相电源中保护功率因数校正的设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种在三相电源中保护功率因数校正(PFC)的设备(以下称为三相PFC保护设备)及其控制方法，更为详细地讲，涉及一种用于保护和控制由三相逆变器的异常或错误电流引起的PFC的设备。

背景技术

一般来讲，逆变器是一种将直流电压转换为三相交流电压(U、V、W)的电源转换器(也称为功率转换器)。由于高能效和便于输出控制，逆变器通常使用于控制使用在各种电子产品(如，洗衣机、冰箱、空调、微波炉及电梯)中的电动机。

将商用AC电源整流为DC电压并平滑该整流的DC电压的整流电路连接到上述的逆变器，从而向逆变器提供平滑到预定电平的DC电压。该整流电路的功率因数非常低，即，约0.5-0.6。由于输入电压(即，AC电源的电压)与输入电流(即，AC电源的电流)的相差，所以功率因数减小，从而产生了无功功率引起的功耗的损失。

为了解决上述的问题，现有技术实施使用开关控制方案校正功率因数以防止输入电压与输入电流之间出现相差的功率因数校正(PFC)操作。该开关控制方案检测输入电压的过零点，在该检测点接通开关元件，在预定时间段过去后断开开关元件，并保持开关元件的断开状态直到下一个输入电压的过零点到来。

具体地讲，如果用于功率因数校正(PFC)的开关控制方案应用于使用向功耗大的电子产品供电的三相电源(如，R相、S相、T相)的三相逆变器，并且由于制造商的错误致使在施加到电抗器和开关元件的电源输入端出现误连接(或未连接)，则施加到开关元件的电流变为异常电流(如，低电流或过电流)，从而不可执行PFC控制。结果，出现谐波和功率因数的问题，并出现过热的电路。虽然由于不良的电抗条件或误连接导致PFC不受控制，但该错误状况不被显示，从而不可避免地在不稳定的状态下操作现有系统。

发明内容

因此，本发明的一方面提供了一种三相功率因数校正(PFC)保护设备及其控制方法，该设备基于用于PFC操作的开关控制方案控制三相逆变器在共电位端检测施加到开关元件的电流信号的波形，以确定是否存在误连接，当确定存在误连接时比较电流信号的图案，并根据确定的误连接模式改变开关元件的PFC控制信号，从而使PFC控制正常地操作。

在下面的描述中将部分地阐明本发明的另外方面和/或优点，通过描述部分地会变得清楚，或者通过实施本发明可以了解。

通过提供一种在三相电源上操作的三相功率因数校正(PFC)保护装置来实现本发明的前述和/或其它方面，该PFC装置包括：整流器，对三相电源进行整流；开关元件，执行(PFC)开关操作以校正整流器的功率因数；电流检测器，检测从开关元件产生的电流波形；和控制器，根据检测的电流波形确定是否存在开关元件与电源之间的误连接，如果确定存在误连接，则搜索与电源的电流图案相应的误连接模式，并根据搜索改变施加到开关元件的信号。

开关元件可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关，并且多个开关元件连接到整流器输出端的各相，从而所述开关元件开关控制各相的输出信号以允许各相的输出信号具有相同的电流相位与电压相位。

电流检测器可连接到开关元件的输出共电位端，从而所述电流检测器在PFC期间检测载入到共电位端的异常电流。

异常电流可以是载入到共电位端的电流值具有比参考值高的峰值的过电流。

如果出现异常电流，则所述控制器可确定存在误连接。

所述设备还可包括：存储单元，存储三相电源的连接引起的电流图案；和控制器，将检测的电流图案与存储在存储单元内的电流图案进行比较，搜索三相误连接模式，并根据搜索的误连接模式改变施加到开关元件的PFC控制信号。

控制器可在存储单元中存储通过误连接模式改变的PFC控制信号，并控制PFC控制连续正常操作。

通过提供一种三相功率因数校正(PFC)保护控制方法来实现本发明的前述和/或其它方面，该方法包括：对三相电源进行整流；对开关元件执行(PFC)开关控制以校正整流的电源的功率因数；检测从开关元件产生的电流波形；和根据检测的电流波形确定是否存在开关元件与电源之间的误连接，如果确定存在误连接，则搜索与电流图案相应的电源的误连接模式，并根据搜索改变施加到开关元件的PFC控制输出信号。

检测电流波形的步骤包括：在PFC控制期间，检测载入到开关元件的共电位端的异常电流；和当出现异常电流时，确定存在误连接。

所述方法还包括：存储三相电源的误连接引起的电流图案；和如果出现误连接，则改变PFC控制输出，将检测的电流图案与存储的电流图案相比较，搜索三相误连接模式，并根据搜索的误连接模式改变施加到开关元件的PFC控制信号。

所述方法还包括：存储通过误连接图案改变的PFC控制信号；和控制PFC控制连续正常地执行。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1是示出根据本发明的实施例的用于三相逆变器的功率因数校正(PFC)保护设备的电路图；

图2是示出根据本发明的实施例的用于三相逆变器的PFC保护控制方法的流程图；

图3是示出在R-S-T连接引起的正常连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图；

图4是示出在R-T-S连接引起的S-T误连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图；

图5是示出在S-R-T连接引起的R-S误连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图；

图6是示出在T-S-R连接引起的R-T误连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图；

图7是示出在S-T-R连接引起的三线误连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图；

图8是示出在T-R-S连接引起的三线误连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

图1是示出根据本发明的实施例的用于三相逆变器的功率因数校正(PFC)保护设备的电路图。

参考图1，三相逆变器的PFC保护设备包括整流器20、开关单元30、第一电流检测器40、控制器50和存储单元55。整流器20对三相电源10(即，R、S、T相AC电源)的各相进行整流。开关单元30连接到整流器20的输出端，并执行PFC开关操作以不产生整流器20的输出信号的电压与电流信号之间的相差。第一电流检测器40连接到开关单元30的共电位端，从而检测通过PFC操作产生的电流信号。控制器50根据第一电流检测器40的电流波形确定是否存在误连接，在存在误连接的情况下改变PFC控制输出，并控制PFC正常操作。存储单元55存储通过三相电源10的连接引起的电流图案。

在三相电源10中，具有相同振幅和频率的三个正弦电流在相互具有120°相差的三相(即，R、S和T相)中流动，并且在三相(R、S、T)的各中心点聚集的N相接地，从而三相四线配线方案通常被使用于三相电源10。

开关单元30可包括分别连接到与整流器20的输出端连接的R、S和T相的三个IGBT开关31、32和33。

改善整流器20的功率因数的电抗器11、12和13位于三相电源10与整流器20之间，从而电抗器11、12和13分别连接到R、S和T相。过零检测器60不仅连接到电抗器11、12和13的输入端中的一相(如，T相)，还连接到N相，从而过零检测器60检测输入相电压的过零点并向控制器50输出检测到的过零点。

因此，控制器50在通过过零检测器60检测的相电压的过零点接通开关元件31、32和33，在预定时间过去后，控制器50使用脉宽调制(PWM)控制方法断开开关元件31、32和33，保持开关元件31、32和33的断开状态直到下一个相电压的过零点到达，以这种方式，控制器50执行能够校正功率因数的PFC操作，以防止在相电压和相电流之间出现相位差。

在这种情况下，为了确定在施加到电抗器11-13和开关元件31-33的电源输入端(表示为“A”)是否存在由于制造商或生产商的错误引起的误连接(或未连接)，控制器50基于第一电流检测器40的电流波形确定是否出现从开关元件31-33产生的异常电流。如果由于异常电流而确定存在误连接，则控制器50将电流图案与存储在存储单元55中的另一电流图案相比较，搜索三相误连接的任何模式(如，R-S误连接、S-T误连接、R-T误连接、S-T-R误连接和T-R-S误连接)，并根据搜索到的误连接模式改变施加到开关元件31-33的PFC控制输出，从而允许正常实施PFC操作。

存储单元55存储三相电源10的正常连接引起的电流图案(即，T相电流和IGBT电流)，还存储通过误连接引起的其它电流图案(即，T向电流与IGBT电流)。

根据本发明实施例的三相逆变器的功率因数校正(PFC)保护设备包括直流链电压产生器70、逆变器80和第二电流检测器90。直流链电压产生器70连接到整流器20的输出端，从而产生具有改善的功率因数的直流链电压。逆变器80连接到直流链电压产生器70，将产生的直流链电压转换为三相AC电压，并向电动机81传送三相AC电压。第二电流检测器90检测向电动机81提供的负载电流(即，相电流)的幅值，并向模数(AD)转换器传送检测的负载电流幅值。

因此，根据通过第二电流检测器90检测的负载电流的幅值，控制器用于控制控制开关元件31、32和33的PWM信号的占空比。

在下文中详细描述上述三相功率因数校正(PFC)保护设备及其控制方法。

参考图1，如果三相电源10被施加到PFC设备，则用作R、S和T相交流电源信号的三相电源10被施加到电抗器11、12和13，并且R、S、T相交流电源信号中的每个信号被施加到整流器20，从而R、S、T相交流电源信号通过整流器20被整流。

通过整流器20整流的电压被施加到直流链电压产生器70，从而直流链电压产生器70产生驱动电动机81需要的直流链电压。通过逆变器80向电动机81提供从直流链电压产生器70产生的直流链电压。

这样，当通过三相逆变器80向电动机81提供直流链电压时，由于施加到电抗器11、12和13的相电压与相电流之间的相差，可能会降低功率因数。

因此，为了解决上述的问题，根据本发明实施例的功率因数校正(PFC)保护设备允许连接到电抗器11、12和13的任何输入端(如，T相)以及N相的过零检测器60检测相电压的相位过零的过零点，从而过零检测器60向控制器50输出检测的过零点。控制器50在通过过零检测器60检测的上述过零点命令第二电流检测器90检测负载电流的幅值，并基于检测的负载电流幅值计算脉宽(即，占空比)，从而控制器基于计算的脉宽使用PWM控制方法接通开关元件31、32和33。

如果接通开关元件31、32和33，则施加到电抗器11、12和13的相电流线性增大。如果通过控制器50的PWM控制断开开关元件31、32和33，则施加到电抗器11、12和13的相电流线性减小。

这样，如果通过控制器50的PWM控制重复开关元件31、32和33的接通和断开操作，则施加到电抗器11、12和13的相电流跟踪相电压的相位，同时以实施这种PFC控制操作的方式改善功率因数。

但是，在上述PFC控制操作期间，如果由于制造商的误连接在施加到电抗器11、12和13和开关元件31-33的电源输入端(表示为“A”)出现误连接，则在施加到开关元件31-33的电流信号中出现异常电流(如，过电流)，从而自动地改变PFC控制输出并且需要PFC保护控制以在误连接下正常执行PFC控制。下面参考图2详细描述其过程。

图2是示出根据本发明实施例的用于三相逆变器的PFC保护控制方法的流程图。

参考图2，为了执行PFC控制操作，在操作100，控制器50使用PWM控制按占空比接通开关元件31、32和33，根据第二电流检测器90在通过过零检测器60检测的T相电压的过零点(ZCP)检测的负载电流幅值计算所述占空比。

为了在PFC控制操作期间检测电源输入端(表示为“A”)的误连接引起的任何异常电流(如，过电流)，在操作102中，连接到开关元件31-33的共电位端的第一电流检测器40检测共电位端的电流(即，IGBT电流)，并向控制器50输出检测的电流。

因此，在操作104中，控制器50检查通过第一电流检测器40检测的共电位端的电流波形，并确定是否存在异常电流。异常电流可表示PFC控制中在共电位端流动的电流具有比参考值高的峰值。换言之，异常电流可被认为是过电流。所以，如果产生电流峰值，则可确认存在误连接引起的异常电流。

因此，如果在操作104已出现异常电流引起的误连接，则控制器50将电流图案与存储在存储单元44中的电流图案相比较，从而在操作106控制器搜索三相误连接模式(S-T误连接、R-S误连接、R-T误连接和三线误连接)。

图3是示出在R-S-T连接引起的正常连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图。图4是示出在R-T-S连接引起的S-T误连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图。图5是示出在S-R-T连接引起的R-S误连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图。图6是示出在T-S-R连接引起的R-T误连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图。图7是示出在S-T-R连接引起的三线误连接情的况下在共电位端检测的电流信号的波形图。图8是示出在T-R-S连接引起的三线误连接的情况下在共电位端检测的电流信号的波形图。

如图3所示，在正常连接的情况下，第一电流检测器40检测的共电位端的电流波形等于或小于峰值，并且PFC开关操作在过零点开始。

但是，如图4至8所示，在误连接情况下，通过第一电流检测器40检测的共电位端的电流波形等于或大于峰值，并且PFC开关操作不在过零点开始。在这种情况下，不实施PFC控制，产生功率因数和谐波的问题，还产生电路过热，从而不可避免地在不稳定状态下实施PFC控制。

因此，在操作108，控制器50根据搜索的误连接模式改变施加到开关元件31-33的PFC控制信号，从而控制器可正常执行PFC控制。

比如，如图4所示，在R-T-S连接引起的S-T误连接的情况下，控制器50根据S-T误连接模式改变与S相相应的第二开关元件32和与T相相应的第三开关元件33的PFC控制输出引脚，从而无需替换电路控制器就可正常执行PFC操作。

再如，如图5所示，在S-R-T连接引起的R-S误连接的情况下，控制器50根据R-S误连接模式改变与R相相应的第一开关元件31和与S相相应的第二开关元件32的PFC控制输出引脚，从而无需替换电路控制器就可正常执行PFC操作。

此外，根据如图6至8所示的任何误连接模式，控制器50改变第一至第三开关元件31-33的PFC控制输出引脚，从而控制器可不考虑误连接而允许正常执行PFC操作。

此外，控制器50在存储单元55中存储通过误连接模式改变的PFC控制输出。虽然出现通过异常电流引起的误连接，但控制器50连续改变PFC控制输出以稳定地执行PFC控制操作。

虽然已表示和描述了实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对实施例进行修改。

Claims (12)

1.一种在三相电源中操作的三相功率因数校正保护装置，该功率因数校正装置包括：

整流器，对三相电源进行整流；

开关元件，执行功率因数校正开关操作以校正整流器的功率因数；

电流检测器，检测从开关元件产生的电流的图案；和

控制器，根据检测的电流图案确定是否存在开关元件与电源之间的误连接，如果确定存在误连接，则搜索与检测到的电流的图案相应的误连接模式，并根据搜索改变施加到开关元件的信号。

2.如权利要求1所述的装置，其中，整流器包括多个输出端，开关元件包括绝缘栅双极型晶体管开关，多个开关元件连接到整流器的输出端的各相，从而开关元件开关控制各相的输出信号以允许各相的输出信号具有相同的电流相位与电压相位。

3.如权利要求1所述的装置，其中，开关元件包括输出共电位端，电流检测器连接到开关元件的输出共电位端，从而在功率因数校正期间电流检测器检测载入到共电位端的异常电流。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述异常电流是载入到共电位端的电流值具有比参考值高的峰值的过电流。

5.如权利要求4所述的装置，其中，如果出现所述异常电流，则控制器确定存在误连接。

6.如权利要求1所述的装置，还包括：

存储单元，存储根据三相电源的连接而从开关元件产生的电流图案；和

控制器，将检测的电流图案与存储的电流图案相比较，搜索三相误连接模式，并根据搜索的误连接模式改变施加到开关元件的功率因数校正控制信号。

7.如权利要求6所述的装置，其中，控制器在存储单元中存储通过误连接模式改变的功率因数校正控制信号，并控制功率因数校正控制以连续正常地操作。

8.一种三相功率因数校正保护控制方法，所述方法包括：

对三相电源进行整流；

对开关元件执行功率因数校正开关控制以校正整流的电源的功率因数；

检测从开关元件产生的电流的图案；和

根据检测的电流波形确定是否存在开关元件与电源之间的误连接，如果确定存在误连接，则搜索与电流图案相应的电源的误连接模式，并根据搜索改变施加到开关元件的功率因数校正控制输出信号。

9.如权利要求8所述的方法，其中，检测电流的图案的步骤包括：

检测在功率因数校正控制期间载入到开关元件的共电位端的异常电流，并且当出现异常电流时，确定存在误连接。

10.如权利要求9所述的方法，其中，异常电流是载入到共电位端的电流值具有比参考值高的峰值的过电流。

11.如权利要求8所述的方法，还包括：

存储三相电源的误连接引起的电流图案，

所述改变功率因数校正控制输出的步骤包括：

如果出现误连接，则将检测的电流图案与存储的电流图案相比较，搜索三相误连接模式，并根据搜索的误连接模式改变施加到开关元件的功率因数校正控制信号。

12.如权利要求11所述的方法，还包括：

存储通过误连接模式改变的功率因数校正控制信号，并控制功率因数校正控制连续正常地操作。

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