CN105075045B - 变频驱动过电压保护 - Google Patents

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Abstract

公开了用于变频电机驱动的过电压保护装置、系统和方法。在示例性实施例中，提供了包括整流器、与整流器电耦合的DC总线以及与DC总线电耦合的逆变器的变频电机驱动系统。提供了与整流器电耦合且被配置成基于故障条件而中断到系统的电源供应的保护器件。提供了控制器且其被配置成接收指示DC总线的电压的信息，处理接收到的信息以对变频电机驱动的至少一个部件的条件进行建模，并且如果建模条件满足故障准则，则控制保护器件以中断到变频电机驱动的电源供应。

Description

变频驱动过电压保护
背景技术
变频电机驱动提供许多潜在的优点，包括用于增强效率、控制和性能的机会。其还提出许多设计挑战，包括需要针对可导致灾难性失效的过电压条件而保护功率电子电路和部件。已经进行了各种尝试以解决这些顾虑，包括在电源供应与驱动前端之间提供线路电抗器、熔丝和/或断路器、在驱动中使用金属氧化物变阻器、缓冲电路和/或超大DC总线电容器以及使用基于晶体管的开关或基于有源晶体管的电压钳位或电路。虽然这些方法提供了一些益处，但是它们均存在限制和缺点。这些缺点对于诸如用于如冷却器系统之类的加热、通风、空调或制冷（HVACR）系统的压缩机驱动之类的高负载驱动应用而言可能是特别关心的。对于在本文中公开的独特且创造性的变频驱动过电压保护、装置、方法仍存在显著的需要。
公开
出于清楚、简明且精确地描述本发明的示例性实施例、完成和使用该示例性实施例的方式和过程以及为了使得能够实现该示例性实施例的实施、完成和使用，现在将对某些示例性实施例进行参考，包括附图中所示的那些，并且将使用具体语言来对其进行描述。应认识到的是，并不因而产生对本发明的范围的限制，并且本发明包括且保护本发明相关领域的技术人员将想到的示例性实施例的此类变更、修改以及进一步的应用。
发明内容
公开了变频驱动过电压保护的独特装置、方法和系统。在示例性实施例中，提供了包括整流器、与整流器电耦合的DC总线、与DC总线电耦合的逆变器的变频电机驱动系统。提供了与整流器电耦合且被配置成基于故障条件而中断供应至系统的功率的保护器件。提供了一种控制器且其被配置成接收指示DC总线的电压的信息、处理接收到的信息以对变频电机驱动的至少一个部件的条件进行建模，并且如果建模条件满足故障准则，则控制保护器件中断到变频电机驱动的电源供应。根据以下描述和附图，更多实施例、形式、目标、特征、优点、方面以及益处将变得显而易见。
附图说明
图1是示例性HVACR系统的示意图。
图2是示例性变频电机驱动系统的示意图。
图3是图示出示例性诊断和控制过程的流程图。
图4是图示出示例性并联跳闸函数的特性的图表。
图5是图示出与附加驱动特性曲线组合的示例性并联跳闸函数的特性的图表。
具体实施方式
参考图1，图示出示例性HVACR系统100，其包括包含压缩机110、冷凝器120和蒸发器130的制冷剂回路。制冷剂在闭合回路中通过系统100从压缩机110流动至冷凝器120至蒸发器130并返回压缩机110。各种实施例还可包括附加的制冷剂回路元件，包括例如用于控制制冷剂流动的阀、制冷剂过滤器、节热器、油分离器和/或冷却部件以及各系统部件中间的流动路径。
压缩机110由驱动单元150驱动，包括由变频驱动155驱动的永磁电机170。在所示实施例中，变频驱动155被配置成输出三相PWM驱动信号，并且电机170是表面磁体永磁电机。还可设想其它类型和配置的变速驱动或变频驱动以及诸如内部磁体永磁电机和感应电机之类的其它类型电机的使用。
冷凝器120被配置成从接收自压缩机110的被压缩的制冷剂传递热量。在所示实施例中，冷凝器120是水冷式冷凝器，其在进口121处接收冷却水，将热量从制冷剂传递至冷却水，并在出口122处输出冷却水。还可设想，可利用其它类型的冷凝器，例如气冷式冷凝器或蒸发式冷凝器。还应认识到的是，除非另外限制，本文对水的引用包括包含附加成分的水溶液。
蒸发器130被配置成从冷凝器120接收制冷剂，使接收的制冷剂膨胀以降低其温度，并将热量从冷却介质传递至制冷剂。在所示实施例中，蒸发器130被配置为水冷却器，其接收提供到进口131的水，将热量从水传递至制冷剂，并在出口132处输出被冷却的水。设想可使用许多特定类型的蒸发器和冷却器系统，其中包括干膨胀式蒸发器、满液式蒸发器、裸管蒸发器、板表面蒸发器以及翅片式蒸发器。
HVACR系统100还包括控制器160，其向变频驱动155输出控制信号，以控制电机170和压缩机110的操作。控制器160还接收关于驱动单元150的操作的信息。在示例性实施例中，控制器160接收关于电机电流、电机端子电压和/或电机的其它操作特性的信息以及DC总线电压信息，如下文进一步所述。应认识到的是，可使用硬件、软件、固件及其各种组合来实现本文所述的控制、控制例程和控制模块，并且其可利用存储在一个或多个非瞬时计算机可读介质中的可执行指令。还应理解的是，控制器160能够以各种形式被提供且可包括许多硬件和软件模块及部件。
参考图2，图示出用于示例性变速电机驱动系统200的电路图。系统200被连接到电源210，诸如公用电网或向保护器件220提供AC功率的备用发电机。保护器件220可以是并联跳闸断路器、接触器或其它类型的器件，其被配置成基于接收的控制信号将电源210从下行线路部件电断开。保护器件220通常向线路滤波器230提供三相电功率，但是可被控制以在接收到命令或控制信号时中断电源供应。保护器件220具有当被提供跳闸信号或命令时在指定时间段内将供电电压从组件断开的能力, 优选地在一个封闭的功率循环（blindpower circle）内。选择包括变速驱动组件的部件（包括下面更详细地描述的整流器、电容器、MOV以及逆变器）以便用被施加裕度的正常供应电压来维持正常操作，并且控制保护器件220以使操作局限在该裕度内。
线路滤波器230包括电抗器，其被配置成提供谐波阻尼，以缓解可能由从驱动部件到电源210的谐波反馈引起的损耗。线路滤波器230输出三相AC功率到整流器290，其将AC功率转换成DC功率，并且向DC链路285提供DC功率。在所示实施例中，整流器290被配置为6脉冲二极管电桥，然而，应理解的是可利用12脉冲、18脉冲、24脉冲或30脉冲整流器连同相移变压器，其为12脉冲、18脉冲、24脉冲或30脉冲操作提供适当的相移输入，并且可利用其它类型的整流器或AC/DC转换器，诸如包括有源部件的那些。
DC链路285包括金属氧化物变阻器（MOV）286和电容器287。MOV 286被配置成对DC总线电压进行钳位，并且通过取决于失效点将由提高的电压产生的电流远离其它系统部件进行分流来提供针对过度瞬态电压的保护。在其它实施例中，在DC链路285中可包括不同的部件，其也用于限制电压，例如快速瞬态器件、半导体器件、基于二极管的钳位装置或其它类型的电压钳位装置。电容器287被配置成使整流器280的输出平滑化，并缓解来自逆变器开关的谐波反馈。在所示实施例中，电容器287是与电解电容器相比具有相对低的电容的薄膜电容器。其它实施例可利用具有较高电容的电容器，诸如电解电容器。DC链路285的输出端被耦合到逆变器290的输入端。
逆变器290包括被连接到DC链路285的正线和负线的开关。在所示实施例中，逆变器290的开关被配置为基于IGBT和二极管的开关，但是也可利用其它类型的功率电子开关部件，诸如功率MOSFET或其它电开关器件。控制逆变器290向电机270的端子271、272和273输出脉宽调制（PWM）电压信号。
电机270包括定子、转子以及转子与定子之间的间隙。电机端子271、272和273被连接到在定子271中提供的绕组。在示例性实施例中，电机是包括在转子的表面上或内部提供的多个永久磁体的永磁电机。
系统200还包括控制电路240，其包括基于微处理器的数字信号处理器（DSP）241和栅极驱动模块242以及提供内部和外部通信能力的其它部件。DSP 241被配置成接收指示期望系统操作的控制命令，处理接收命令以向驱动模块240提供开关控制信号，其进而向逆变器290的开关元件输出控制信号。在所示实施例中，开关控制信号是IGBT栅极控制电压，其被中间升压单元升压至最终控制电压。然而，设想可取决于逆变器290的配置而利用多种不同配置。
DSP 241从系统200的许多其它部件接收信息。在一个方面中，DSP 241被配置成接收指示DC总线285的电压的信息。可利用此接收信息来提供用于包括保护器件220的多种其它部件的控制功能性。在示例性实施例中，DSP 241被配置成实现并联跳闸函数，其触发保护器件220以提供开路条件以避免灾难性系统失效。在某些形式中，保护器件220是并联跳闸断路器，然而，应理解的是，可利用接触器、固体开关或被配置成使电路断开或开路的其它器件。因此，虽然根据并联跳闸断路器描述的某些实施例，但应理解的是，本描述也适用于其它保护器件，除非另外指明。
在瞬态或异常/全功率供应条件下，可以向系统200施加超过正常值和典型供应容限（supply tolerance）的电压。在示例性成本/性能优化系统中，所使用的许多部件不能容忍这些过电压持续到检测到所述电压并由于过电流条件而导致保护器件跳闸所经历的时间段。这些部件的成功操作和保护可通过部件技术、值和电压额定值的选择来实现，使得组件容忍在期望正常容限带之上的操作输入电压并符合如下：限制阻抗容忍由电力供应中的故障/失效引起的非典型电压偏移直到检测值且持续到使得保护器件跳闸的充分时间。可实现在本文中公开的技术以通过将操作限制于其设计额定值内并完全避免破坏性过电流条件来提供驱动部件的主动保护。
在某些实施例中，用DSP 241来实现并联跳闸函数，并且优选地配置成激励在电源供应与变频驱动之间提供的断路器的并联跳闸继电器以防止驱动的灾难性失效。在示例性实施例中，并联跳闸函数被设计成感测DC总线电压且检测失效机制并在可能时防止失效。并联跳闸函数优选地被配置成在失效促使断路器经由其过电流保护功能而跳闸之前中断到驱动的功率。
举例来说，包括上文结合图2所述的特征的示例性变频驱动系统的分析识别示例性并联跳闸函数必须虑及的若干准则，包括MOV能量吸收曲线、DC总线过电压以及保护器件响应时间和感测电路的实际极限。在本示例中，将MOV识别为对过电压失效最敏感的系统部件，并且利用MOV连接曲线和能量吸收曲线来确定失效准则。然而，应认识到的是，在其它实施例中，可利用具有不同最小传导曲线的不同部件或器件作为对失效模式进行建模的基础。在某些实施例中，最小传导曲线可以是共同地多个部件或器件（例如，并联或串联的多个MOV、与其它保护器件并联以扩展其最小传导曲线的MOV或保护器件的其它组合）的特性的函数。
DC总线过电压在启动时发生，并且当总线MOV刚好遵循最大传导曲线时最坏。诸如激励线圈的延迟时间和总线电压感测电路的量值极限之类的实际极限在可实现的保护功能之前约束左上电压时间边界。基于这些考虑，可将示例性并联跳闸函数定义为相对于时间的六阶差分电压累加器，例如，如由等式1描述的：
在等式1中，VDC是DC总线电压，STminV是可以在理论上触发并联跳闸的最小电压，STmaxV是在其之上应总是触发并联跳闸的阈值，STtime是当DC总线电压等于STmaxV时要触发并联跳闸所花费的时间，并且t是时间。为了简单起见，可将项 视为恒定STK，并且可进行代入以根据等式2提供并联跳闸函数：
应认识到的是，在多种实施方式中可提供根据等式1或2的并联跳闸函数。
在某些实施例中，可通过向累加器添加泄放常数来更详细地对MOV的行为进行建模。举例来说，如果MOV具有2.5W的最大功耗和2325J的最大能量吸收，并且进行最大功耗是恒速的保守性假设，则可以基于这些参数对MOV的行为进行建模。如果MOV在2325J下接收到相对强的浪涌，则其将花费2325J/2.5 W或930秒以进行平复。可以提供虑及此行为的并联跳闸函数。在四个时间常数下，函数将衰减至其原始值的0.67%，因此取930/4给出232.5的第二时间常数。在12Khz下，2.325秒乘以1200样本/秒为2790000个样本。因此，向并联跳闸函数添加2790000/2790001或0.99999964的乘法器常数将允许其在用以模拟MOV泄放的近似所需时间常数下进行泄放。
参考图3，图示出根据示例性并联跳闸控制过程300的流程图。过程300是上文所述技术的示例性实施方式，其对一个或多个驱动部件的物理系统进行建模，并被配置成在即将发生失效的情况下先行地将变频驱动从电源断开。通过这样做，可以使驱动免于可能需要替换整个驱动的灾难性失效。
在过程300中，操作者310接收可校准量STmaxV 301、STminV 302以及STtime 303作为输入。操作者310还接收电压样本VDC(k) 304。可校准量301、302和303可以是存储在控制器的计算机可读存储器中的预定值，其被可执行例程实现过程300访问和利用。可凭经验来确定可校准量301、302和303的值，并且其可取决于在变频驱动中利用的特定部件和被应用该过程的驱动的尺寸而改变。
可校准STmaxV 301充当阈值。可使用大于值STmaxV的任何电压来激活并联跳闸。另外，可校准STmaxV 301与并联跳闸时间变量STtime303相结合地设定并联跳闸曲线的“拐点”，例如，如结合图4所示和所述。可校准STminV 302是可以在理论上触发并联跳闸的最小电压。由于并联跳闸是幂函数，所以其将由于渐进而花费无穷大的时间达到此最小值，然而，仍然有利地利用该变量。可校准STtime303是当电压等于并联跳闸最大电压时触发并联跳闸函数要花费的时间，所述并联跳闸最大电压等于或大于并联跳闸最大电压STmaxV301。变量304 VDC(k)是可使用电压感测电路来感测、测量或确定的样本DC总线电压。
操作者310处理其接收到的输入以根据等式3来确定累积并联跳闸值：
其中，k是样本数，STaccum是给定样本数下的累积并联跳闸值，VDC是给定样本数下的DC链路的电压，MINV是在该处应发生电源供应中断的最小电压，并且Ts是时间。其它实施例可根据等式4与泄放常数Kb相结合地利用上述项来确定累积并联跳闸值：
。
过程300从操作310继续前进至操作者320。操作者320确定累积并联跳闸值STaccum(k)是否大于并联跳闸常数STK。如果STaccum(k)不大于STK，则过程300返回到操作310。如果STaccum(k)大于STK，则过程300继续前进至操作330，其通过发送并联跳闸命令而激活并联跳闸。应认识到的是，可与多种器件相结合地利用并联跳闸命令，所述多种器件包括但不限于并联跳闸断路器、接触器、固态开关或可以响应于信号或命令而提供开路的其它器件。
参考图4，图示出纵轴上的DC总线电压对比以秒为单位的横轴上的对数时间的图表。图4的图表图示出示例性并联跳闸函数的特性。将电压410定义为并联跳闸最大电压。将电压420定义为并联跳闸最小电压。并且并联跳闸时间遍及持续时间430。
参考图5，图示出DC电压对比以秒为单位的对数时间的图表。图5图示出定义用于MOV失效的最大和最小时间-电压曲线的最大传导曲线501和最小传导曲线502。MOV针对这些时间-电压传导曲线具有一些统计变化。最大传导曲线501表示统计上限，在其之上，统计样本组中的所有MOV将在稳态条件下失效。最小传导曲线502表示统计下限，在其以下，将没有样本组中的MOV在稳态条件下失效。曲线501和502之间的区域包含用于样本集合中的MOV的所有失效点。取决于期望的水平或可靠性，并联跳闸函数可设法相对于在曲线501和502之间且包括这两者的任何曲线的近似、遵循或保持某个裕度。在某些示例性实施方式中，并联跳闸函数将设法遵循曲线502。并联跳闸函数505被示为此类函数的一个示例，其一般地设法跟踪曲线502，但是其允许与之有某个偏差作为折衷以使计算复杂性最小化。应认识到的是，还可以利用其它并联跳闸函数曲线，其遵循与所示示例不同的路径。
图5进一步图示出表示断路器或接触器的最小响应时间的并联跳闸断路器时间503以及表示最大DC总线感测输入电平的DC总线最大感测电压506。时间503和电压506有效地定义能够预期并联跳闸函数在其内操作的区域，因为其定义关于系统部件操作的极限。这些参数在设定并联跳闸函数的值以提供虑及断路器响应时间中的延迟的裕度时有用。例如，并联跳闸函数505是直到时间503的恒定值，而不是尝试跟踪曲线502。这提供了某个裕度，以适应系统部件延迟。图5还图示出480V预充电最大传导曲线504，其表示用于启动瞬态过程的理论最坏情况。曲线504表示用于启动瞬态条件的最坏情况情形。曲线504在定义误跳闸边界时有用。遵循曲线504以上的路径的并联跳闸函数将避免启动事件时的不必要的误跳闸。
应理解的是，上文详细地概括和描述并在附图中示出的示例性实施例是说明性而非限制性或约束性的。仅示出并描述了当前优选实施例，并且将保护落在本发明范围内的所有变更和修改。应认识到的是，在某些实例中可将下面所述实施例和形式组合，并且其在其它实例中可不包括彼此。同样地，应认识到的是，可将下面描述的实施例和形式与在本文中别的地方公开的其它方面和特征组合或者可不这样。应理解的是，上述实施例的各种特征和方面可能不是必须的，并且还保护没有所述特征和方面的实施例。在阅读权利要求时，意图是，当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”之类的词语时，并不意图使权利要求局限于仅一个项目，除非在权利要求中特别进行相反地说明。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，项目可能包括一部分和/或整个项目，除非特别相反地说明。

Claims (22)

1.一种用于变频电机驱动器的过电压保护的方法，包括：
操作变频电机驱动器，所述变频电机驱动器包括与AC电源电耦合的AC/DC转换器、与所述AC/DC转换器电耦合的DC链路、以及与所述DC链路电耦合的DC/AC转换器；
在基于微处理器的控制器处接收指示所述DC链路的电压的信息；
处理所接收的信息，以对所述变频电机驱动器的至少一个功率电子部件的条件进行建模；以及
如果建模条件满足保护准则，则将所述AC/DC转换器从所述AC电源断开，所述保护准则包括根据时间而变化的并联跳闸电压阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个功率电子部件包括被电耦合到所述DC链路的正和负电轨的变阻器。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述处理对所述变阻器的热容量和功耗进行建模。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理利用包括六阶电压差分的函数。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述处理包括根据以下等式来计算累积值
其中，k是样本数，ACCUM是给定样本数下的累积值，VDC是给定样本数下的所述DC链路的电压，MINV是在应发生电源供应中断之处的最小电压，并且Ts是采样时间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述保护准则包括确定ACCUM的值是否大于预定值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述断开包括向电耦合在所述AC电源与所述AC/DC转换器之间的并联跳闸断路器提供控制信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述AC/DC转换器包括6脉冲二极管电桥，并且所述DC/AC转换器包括三相基于IGBT的开关电路。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述AC/DC转换器包括整流器，并且所述DC/AC转换器包括逆变器。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述处理包括根据以下等式来计算累积值：
其中，k是样本数，ACCUM是给定样本数下的累积值，VDC是给定样本数下的所述DC链路的电压，MINV是在应发生电源供应中断之处的最小电压，Ts是采样时间，并且Kb是泄放常数。
11.一种用于变频电机驱动器的过电压保护的系统，包括：
变频电机驱动器，包括整流器、与所述整流器电耦合的DC总线、以及与所述DC总线电耦合的逆变器；
保护器件，与所述整流器电耦合并被配置成基于接收的触发信号而中断到所述变频电机驱动器的电源供应；
控制器，被配置成接收指示所述DC总线的电压的信息，处理接收的信息以对所述变频电机驱动器的至少一个部件的条件进行建模，并且如果建模条件满足故障准则，则向所述保护器件提供触发信号以中断到所述变频电机驱动器的电源供应，使用量值随时间变化的并联跳闸电压阈值来确定所述故障准则。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述至少一个部件包括金属氧化物变阻器。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器被配置成确定六阶差分电压，并与所述保护器件的控制相结合地利用所确定的差分。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器被配置成根据以下等式来确定累积值
其中，k是样本数，ACCUM是给定样本数下的累积值，VDC是给定样本数下的所述DC链路的电压，MINV是在应发生电源供应中断之处的最小电压，并且Ts是采样时间。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制器被配置成确定ACCUM的值是否大于故障阈值，并且基于满足或超过所述故障阈值而向所述保护器件提供所述触发信号。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器被配置成根据以下等式来确定累积值：
其中，k是样本数，ACCUM是给定样本数下的累积值，VDC是给定样本数下的所述DC链路的电压，MINV是在应发生电源供应中断之处的最小电压，Ts是采样时间，并且K是常数。
17.一种用于变频电机驱动器的过电压保护的装置，包括：
非瞬时计算机可读介质，配置有可由计算机执行以下操作的指令：
基于采样的DC链路电压信息来确定变频驱动系统的至少一个部件的模型状态，所述变频驱动系统包括AC/DC转换器、电耦合在所述AC/DC转换器与所述AC电源之间的保护器件、以及与所述AC/DC转换器电耦合的DC链路；以及
基于所确定的模型状态和量值依时间而变化的并联跳闸电压阈值，控制所述保护器件以将所述AC/DC转换器从所述AC电源断开。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述模型状态是累积差分电压值，并且所述至少一个部件包括变阻器。
19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述模型状态是根据以下等式所确定的累积值：
其中，k是样本数，ACCUM是给定样本数下的累积值，VDC是给定样本数下的所述DC链路的电压，MINV是在应发生电源供应中断之处的最小电压，并且Ts是时间。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，将所述累积值与阈值相比较，并利用所述比较来控制所述保护器件。
21.根据权利要求17所述的装置，其中，所述模型状态是六阶累积差分电压值。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，根据以下等式来确定所述模型状态：
其中，k是样本数，ACCUM是给定样本数下的累积值，VDC是给定样本数下的所述DC链路的电压，MINV是在应发生电源供应中断之处的最小电压，Ts是采样时间，并且Kb是虑及变阻器的特性的常数。
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