CN101814841B - 一种逆变器及其与交流电压源同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使逆变器与交流电压源同步。一种使逆变器与交流电压源同步的方法以及一种逆变器。该方法包括：测量流过逆变器的二极管的由交流电压源生成的电流；根据所测量的电流确定与交流电压源相关的相位角和角速度，使得逆变器和交流电压源之间能够同步；以及根据所获得的相位角和角速度开始逆变器的调制。

Description

一种逆变器及其与交流电压源同步的方法

技术领域

本发明涉及交流电压源的检测特性，更具体地，涉及使逆变器与交流电压源同步。 

背景技术

变频器是通常用于控制旋转电机的电气设备。为了控制，变频器必须与该机器同步，以使变频器了解机器的电特性。这些电特性包括受控机器的旋转方向和旋转速度。 

在变频器中，控制负载的部分是逆变器。逆变器包括输出开关，通过该输出开关将期望的电压切换到负载。续流二极管反并联连接至每个输出开关，以允许电流在带载相的流动。 

变频器还包括将AC输入电压转换为DC电压的输入桥，输出开关根据DC电压形成到负载的交流电压。二极管桥是最常见的输入桥的结构。一些变频器配备有将电能转回到供电网络的可能性。这些线转换器基本类似于具有有源开关部件和与所述有源部件反并联连接的二极管的逆变器。如控制负载的逆变器，线控制器也必须与旋转电压源(即，供电网络)同步。 

在一些情况下，逆变器与旋转电压源不同步。这可能是在线转换器连接至供电网络或者在网络在供电网络故障之后返回的情况。类似地，当控制旋转电机的逆变器失去同步或者连接至旋转电机时，逆变器必须在其可以启动开关调制之前获得旋转负载的电特性的知识。如果旋转负载是永磁同步电机，则如果机器的旋转速度高到足以产生大于供干线电压的电压，那么负载作为发电机并经由逆变器桥的二极管向变频器的中间电路提供电能。 

可通过已知方法实现与旋转电压源的同步，该已知方法包括零电流控制和短路脉冲方法。在零电流控制中，零电流被设置为逆变器的电流控制器的目标。一旦在逆变器和旋转负载之间没有电流流动，逆变器的电压就 对应于负载的电压，并获得同步。关于零电流控制的问题在于电流控制器应该相当快以避免在开始该方法时的大电流脉冲。当该方法仅基于少数试验脉冲时，短路脉冲方法不是很精确。 

当旋转速度更高以及由此使运动电压更高时，上述问题更加严重。更高电压还意味着电流改变得更快。特别地，当由机器生成的运动电压与变频器的DC总线的电压处于相同电平时，一旦机器处于削弱磁场区域中，则短路脉冲测试被干扰。由于DC总线电压的低电平，在逆变器停止调制时，零电压期间生成的电流矢量不会快速减弱。 

发明内容

本发明的目的在于提供方法和用于实现该方法的装置，以解决上述问题。本发明的目的通过由独立权利要求论述其特征的方法和装置来实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。 

当逆变器连接至诸如永磁同步电机或供电网络的交流电压源并且逆变器不进行调制时，逆变器仍然通过与可控开关并联配置的二极管引出小电流。逆变器需要用于外围电路操作的小电流和能量。尽管由这些电路得到的能量较小，但电流具有可测量幅值，其被用作根据本发明同步的基础。 

本发明的优点是用于确定旋转特性而获得的可靠性。此外，在开始逆变器的调制之前，快速确定旋转状态。因此，当开始调制时，知道交流电压源的定向，并且不存在与过流相关的风险。 

附图说明

以下，将通过参照附图的优选实施例更详细地描述本发明，其中： 

图1示出了连接至交流电压源的逆变器的基本结构；以及 

图2示出了根据本发明估计的经测量的二极管电流和单位矢量。 

具体实施方式

图1示出了连接至永磁同步电机1的逆变器桥。逆变器桥包括可控开关部件2、3、4、5、6、7，能够使正和负母线的电压连接至机器1。图1示出了并联二极管8、9、10、11、12、13，还已知为续流二极管，其与 可控开关部件反并联连接。 

当永磁电机1自由旋转时，例如通过其负载驱动，该机器生成电压并用作发电机。所生成电压的幅值取决于机器的旋转速度，因此机器旋转得越快，所生成电压的幅值越大。 

一旦所生成电压的相间幅值超过中间电压电路的电压，即，正和负母线之间的电势差，电流就可通过与开关并联配置的二极管从机器流向中间电压电路。 

例如，当变频器的整流器还没有连接至供电网络或者当机器是将电压提供给中间电压源的发电机并且逆变器不调制时，中间电压电路可以完全没有电压。在一些情况下，永久磁铁机器还可以旋转而不控制在消弱磁场区域中(即，逆变器不调制)。在该区域中，机器在其额定速度以上旋转，并提供超过中间电压电路的额定电压的幅度的电压。因此，即使中间电压电路被完全充电，如果机器的旋转速度足够高，则由永磁电机生成的电压也可以超过该电压。 

当逆变器不调制时，即有源开关部件没有被控制时，逆变器从中间电压电路获取少量的能量。当所生成电压的幅度向二极管施加正向偏压时，这些辅助电路所需的能量通过二极管8、9、10、11、12、13馈送。例如，需要能量的辅助电路是驱动受控开关所需的辅助电源。 

根据本发明，流过逆变器的二极管的、由交流电压源生成的电流被测量。在图1中，通过被配置以测量在机器的相位中流动的电流的电流传感器14、15、16来执行测量。这些传感器被正常操作以测量逆变器桥的电流。尽管在图1中示出了三个传感器，但由于系统中的电流通过相同的二极管桥返回到电压源，所以可以仅使用两个传感器来测量二极管电流。 

根据本发明的方法，与交流电压源有关的相位角和角速度根据所测量的电流来确定。所确定的与交流电压源有关的相位角和角速度使得在逆变器和交流电压源之间的同步能够实现。例如，相位角和角速度可以是交流电压源的电压特性或基于所测量二极管电流确定的磁通量的特性。 

被测量的二极管电流具有低幅值，并且他们包含许多谐波。图2示出了以x和y分量形式的被测量的二极管电流21。二极管电流被示出为标幺值并且乘以10。二极管电流的幅值与机器的旋转速度成反比，并且与辅助能量的需求直接成比例。 

根据本发明的优选实施例，使用锁相环来估计具有二极管电流基波的方向的单位矢量。该单位矢量以正交的x和y分量被定义为： 

e_i1＝e_i1x+je_i1y                      (1) 

被测量的二极管电流矢量的瞬时相位角为： 

${\mathrm{\θ}}_i=\arctan \left(\frac{i_{\mathrm{sy}}}{i_{\mathrm{sx}}}\right)---\left(2\right)$

其中，i_sy和i_sx是被测量的二极管电流矢量的y和x分量。二极管电流矢量方向上的瞬时单位矢量为： 

e_i＝e_ix+je_iy＝cos(θ_i)+jsin(θ_i)     (3) 

对于锁相环，误差变量 

被定义为所定义的单位矢量的相位角θ_i1和所测量的二极管电流矢量的相位角θ_i之间的差： 

$\widetilde{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\θ}}_{i1}-{\mathrm{\θ}}_i\≈\sin ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{i1}-{\mathrm{\θ}}_i)={\hat{e}}_{i1}\×e_i={\hat{e}}_{i1x}{e}_{\mathrm{iy}}-{\hat{e}}_{i1y}{e}_{\mathrm{ix}}---\left(4\right)$

根据(1)的单位矢量可以通过在每个计算步骤将矢量转动角度 

来计算： 

$=e_{i1}(T-1)(\cos \left(\mathrm{\Δt}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{i1}\right)+j\sin \left(\mathrm{\Δt}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{i1}\right))---\left(5\right)$

其中，当(4)的误差变量被控制为零时，根据P1控制器(6)的输出来获得针对单位矢量的角频率估计 

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_{i1}=k_p\widetilde{\mathrm{\θ}}+k_i\∫\widetilde{\mathrm{\θ}}\mathrm{dt}---\left(6\right)$

其中，常数k_i和k_p是控制器的增益。 

在等式(5)中，通过转动在时刻T-1处计算的先前单位矢量，在时刻T计算单位矢量的估计方向，并且Δt是两个连续计算之间的时间差。可直接根据等式(5)的单位矢量确定二极管电流的相位角。 

因此，上述过程形成被控制为二级管电流的基波方向的单位矢量。确定单位矢量的相位角和角频率。这两个值对应于二极管电流的相位角和角频率。 

通过上述过程，确定二极管电流矢量的瞬时方向。一些逆变器控制原则基于机器的磁通量，由此逆变器和机器之间的同步需要关于磁通量的信息。由于由逆变器或变频器的辅助电路引出的电流接近有效电流，即，电流具有电压方向，所以永磁电机的磁通量导致电流旋转90度。因此，可以确定机器的磁通量的方向和旋转速度。图2示出了通过上述方法计算的脉冲二极管电流21和单位矢量22。以x和y分量示出单位矢量22。 

当交流电压源是供电网络时，也可以应用上述过程。在这种情况下，逆变器通常被称为线逆变器。当认为图1的结构为线逆变器时，机器1被交流主电压来替代，而其他结构是相同的。可以利用干线的电压来进行同步，其具有与二极管电流相同的定向。 

用于根据所测量的二极管电流获得相位角和角速度的另一种可能是使用对所测量的电流的傅里叶分析。例如，通过使用对图2所示二极管电流21的FFT(快速傅里叶变换)算法，获得基波的频率、幅度和相位角。所获得的频率和相位角是确定交流电压的频率和相位角以及进一步确定磁通量的频率和相位角所需要的。 

本发明的方法可以在逆变器或变频器中实现。这些装置包括数据处理能力，因此适合于执行该方法所需的步骤。所测量的电流被馈送至控制系统或者具有处理能力的类似系统。只要根据本发明确定交流电压电源的定向，控制系统就可以初始化逆变器以利用正确的开关组合开始调制。 

例如，根据任何一个实施例的本发明可以通过设置有适当软件的计算机或对应数字信号处理设备来实现。优选地，这种计算机或数字信号处理 设备至少包括工作存储器(RAM)，其为算术运算提供存储区域；以及诸如通用数字信号处理器的中央处理单元(CPU)。CPU可包括一组寄存器、算术逻辑单元和控制单元。控制单元被从RAM传送至CPU的程序指令序列所控制。控制单元可包含用于基础操作的许多微指令。微指令的实现可根据CPU设计而改变。程序指令可通过编程语言来编码，该编程语言可以为诸如C、Java等的高级编程语言，或者诸如机器语言或汇编程序的低级编程语言。计算机还可以具有操作系统，其可以向利用程序指令写入的计算机程序提供系统服务。优选地，实现本发明的计算机、逆变器或其他装置进一步包括：适当的输入装置，用于接收例如测量值和/或控制数据，由此该输入装置例如能够监控电流和电压量；以及输出装置，用于输出例如故障警报和/或例如用于控制逆变器的开关的控制数据。还可以将特定集成电路或电路和/或离散部件和设备用于实现根据任一实施例的功能。 

本发明可以在诸如逆变器、变频器或类似设备的现有系统元件中实现。目前的逆变器设备通常包括可以在根据本发明实施例的功能中利用的处理器和存储器。因此，例如，在现有逆变器中用于实现本发明实施例所需的所有修改和配置可以作为软件程序来执行，其可以作为增加或更新的软件程序实现。如果通过软件实现本发明的功能性，则这种软件可以作为包括计算程序代码的计算机程序产品来提供，当在计算机上运行时，该计算机程序代码使计算机或对应配置执行上述根据本发明的功能性。这种计算机程序代码可以存储或通常嵌入在诸如适当存储器的计算机可读介质中，例如，该计算机程序代码可从其中加载到执行程序代码的单元或多个单元的闪存或盘存储器。此外，例如，实现本发明的这种计算机程序代码可以经由适当的数据网络加载到执行计算机程序代码的单元或多个单元，并且可以替换或更新可能存在的程序代码。 

本领域的技术人员应该理解，作为技术进步，本发明的概念可以以各种方式实现。本发明及其实施例不限于上述实例，而是可以在权利要求的范围内进行改变。 

Claims (5)

1.一种使逆变器与交流电压源同步的方法，其特征在于，所述方法包括：

测量所述逆变器不进行调制时流过所述逆变器的二极管的、由所述交流电压源生成的电流；

根据所测量的电流确定与所述交流电压源相关的相位角和角速度，使得所述逆变器和所述交流电压源之间能够同步；以及

根据所获得的、由所测量的电流确定的相位角和角速度开始所述逆变器的调制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

确定单位矢量，所述单位矢量与所述测量的流过所述二极管的电流的基波同步旋转，

根据所确定的单位矢量确定与所述交流电压源相关的所述相位角和所述角速度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定与所述交流电压源相关的所述相位角和所述角速度的步骤包括：

定义单位矢量e_i1，

将误差变量 

定义为单位矢量的相位角θ_i1与所述测量的流过所述二极管的电流的相位角θ_i之间的差，

将所述误差变量 

控制为零，以获得所述单位矢量的角速度估计 ，

以所述角速度估计 

旋转所述单位矢量，

根据所述单位矢量e_i1的角度确定流过所述二极管的电流的相位角，以及

根据所述单位矢量e_i1的角速度确定流过所述二极管的电流的角速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述相位角和所述角速度的步骤包括：对所述测量的流过所述二极管的电流使用傅里叶分析。 

5.一种逆变器，其特征在于，所述逆变器包括：

用于测量所述逆变器不进行调制时流过所述逆变器的二极管的、由交流电压源生成的电流的装置，

根据所测量的电流确定与所述交流电压源相关的相位角和角速度使得所述逆变器和所述交流电压源之间能够同步的装置，以及

根据所获得的、由所测量的电流确定的相位角和角速度开始所述逆变器的调制的装置。