CN106464148A - 用于监视功率转换器中dc链路电容的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的主题是一种用于监视功率转换器中DC链路电容的方法，其在电子设备的状况监视中是有用的。所述发明方法包括以下步骤：测量相a、b、c的电流和DC链路的电压；确定对于每一个相a、b、c的整流器的整流器开关状态以及逆变器的逆变器开关状态；当对于每一个相a、b、c的所述逆变器的逆变器开关状态的值具有相等值时生成触发信号并确定对于所述触发信号的触发时间持续期；确定在所述触发时间持续期对于每一个相a、b、c的所述整流器的整流器开关状态和相a、b、c的演算电流以及在所述触发时间持续期所述DC链路的电压；重构在所述触发时间持续期的DC链路电流；演算在所述触发时间持续期对于所述DC链路电压的指标ERS（等效串联电阻）；演算总DC链路电容C并将它与初始DC链路电容进行比较。当所述初始DC链路电容大于由用户给定的阈值时则并且触发警报。
Description
技术领域
本发明的主题是一种用于监视功率转换器中DC链路电容的方法，其在电子设备的状况监视中是有用的。
背景技术
转换器应用中的许多被认作为对于工厂生产过程（plant production process）是关键的。在现代功率转换器中给出增强的功能性是在世界范围市场中获得竞争优势的方式。对客户的价值之一来自于关键设备的低成本状况监视以及来自于最佳的维护成本。DC链路是功率转换器电路的元件之一。尽管设计者在设计DC链路时花费了很多的精力，但DC链路的崩溃以及失效仍然会发生。不幸的是，这意味着整个转换器必须以紧急模式被关闭以便被修复。当前，DC链路的监视正成为来自客户侧，以及来自转换器制造商的期望特征之一。
对功率转换器的更高效率以及可靠性的日益增大的需求，迫使用于改善它们性能的新方法的引进。方式中的一种是对于转换器的元件提供详细的状况监视特征，确保整体装置状态的跟踪。保证DC链路电容级别的恰当监视是对于转换器状态确定的解决方案之一。电容器恶化经常通过ESR中的增大以及有效电容中的减小来显现。ESR增大的较早检测允许防止性的减轻动作—即，调度关闭和修复。此外，它对直到失效可能发生前的预期操作时间的评估也是有帮助的。防止超过指定级别的ESR值的增长提供了维护被转换功率的质量，并保护转换器免于DC链路失效。
从专利US 2010/0295554 A1已知，有一种用于在使用的地方监视诸如频率转换器的功率电子器具（appliance）的DC电压中间（intermediate）电路的电容器布置的状况的系统与方法，在该方法中按照时间的函数的电容器布置上的放电电压被测量，且在该方法中中间电路采用预定DC电压被预充电、预充电从中间电路被移除、中间电路的电压通过在规律间隔进行取样来被测量、按照时间的函数的电压降在中间电路的测量电压的基础上被确定、电容或在它中的相对改变在电压降的基础上被确定、被确定的电容的值或在它中的相对改变的值在电压降的基础上与预定限制值进行比较、且在用测量来确定的值达到预定限制值或接近于它的时候，必要的状况监视规程被执行。该方法的劣势是对执行放电曲线的初始测量以及每次在启动转换器前执行测量的需要，因而它不能连续地被在线使用。
从专利US6381158B1已知，有一种用于监视三级逆变器中DC链路电容的方法与系统，其中信号被注入到逆变器驱动（drive）的中性点调节器中，且对那个注入信号的响应被监视为该逆变器驱动的电容的指示。该方法的劣势是用于额外装置（其负责信号注入）的额外无源元件的需要。
发明内容
本发明提供依据权利要求1的、用于监视功率转换器中DC链路的一种诊断方法。
本发明相对于先前描述的现有方法是有优势的，因为它允许在功率转换器内部使用更少测量装置来监视DC链路，即只有DC链路电压测量装置被使用。此外，在依据本发明的该方法中，演算过程被简化，且因而不要求显著的演算功率。还通过使用与逆变器开关信号的同步，通过降低算法复杂度在软件中的进一步简化以及通过降低元件的数量在硬件中的进一步简化被实现，因此本发明方法允许在监视DC链路电容期间节省时间。
附图说明
图1是功率转换器等效系统的图，
图2是依照本发明的、对于用于监视DC链路的方法所执行的操作的图，
图3是基础DC链路电路的电方案，
图4是在用于指示连续触发信号STRIG的时间段期间测量的参数的绘图，
图5是在用于呈现DC链路电流重构原则的时间段期间测量的电流的绘图。
具体实施方式
功率转换器系统包括具有整流单元（rectifying unit）2、DC链路单元3、逆变器单元4的功率转换器电路1，且功率转换器电路1与转换器控制单元5和DC链路监视单元6相连接。转换器控制单元5和DC链路监视单元6可被组合在单个单元（其没有被呈现在图中）中。功率转换器电路1、控制单元5以及DC链路监视单元6通过三相功率供给线路a、b、c被供给功率。整流单元2具有至少两个固态开关2a、2b、2c，形成对于每一个相a、b、c的逆变器开关分支（leg），以用于将AC输入电压转换成DC输出电压。整流单元2的固态开关是可能的已知种类之一—例如，二极管、晶体管、晶闸管等。DC链路单元3包括至少一个DC链路电路7和DC链路电压测量装置8。DC链路电路7包括呈现在图3中的电容器以及串联电阻ESR的等效体。逆变器单元4具有至少两个固态开关3a、3b、3c，形成对于每一个相a、b、c的整流开关分支，以用于将DC输入电压转换成AC输出电压。逆变单元4的固态开关能够是可能的已知种类之一—例如，晶体管、晶闸管等。转换器控制单元5是计算机装置，其具有数据采集模块9，数据采集模块9用于接收并处理输入信号，诸如：由安装在功率供给线路a、b、c上的传感器10测量的电流Ia、Ib、Ic，以及连接到电路7的DC链路单元3的电压UDC。转换器控制单元5还装备有输出模块11，其用于生成对于整流单元2的固态开关2a、2b、2c和对于逆变单元3的固态开关3a、3b、3c的开关信号。转换器控制电路5也装备有警报生成模块12，用于比较初始电容Cint和总电容C，并且用于如果某个状况被满足则生成警报。DC链路监视单元6是计算机装置，其具有处理单元13，处理单元13用于接收并处理输入信号，诸如：电流Ia、Ib、Ic，和DC链路单元3的电压UDC，以及来自开关2a、2b、2c、3a、3b、3c的信号。DC链路监视单元6装备有演算模块14，用于演算ESR（等效串联电阻）的指标以及用于DC链路单元3的总电容C的演算。
本发明方法依据图2中呈现的以下步骤20-28来实现。
步骤20
检查是否有由用户提供的Cinit值。
通过DC链路电压测量装置8测量DC链路电压UDC，以及通过传感器10测量三相功率供给线路a、b、c的电流Ia、Ib、Ic。
步骤21
在转换器控制单元5中演算整流器单元2的整流器开关信号SaREC、SbREC、ScREC以及逆变器单元3的逆变器开关信号SaINV、SbINV、ScINV，该演算使用了对于此类演算的已知控制方法，诸如，场定向控制方法、标量控制方法、直接扭矩（direct torque）控制方法，并将所演算的数据发送到整流器单元2、逆变器单元3以及DC链路监视单元6。该演算在转换器控制单元5中被实现。所述开关信号能够采用以下的值，其依据以下公式：
步骤22
通过比较每一个单独的开关信号与所有其余的开关信号来生成触发信号STRIG，且当SaINV==SbINV==ScINV时则该触发信号STRIG具有等于1的值。
确定对于触发信号STRIG的触发时间持续期t，以及将时间t中的测量电流Ia、Ib、Ic指示为Ia（t）、Ib（t）、Ic（t），其中触发时间持续期t被定义为在触发信号STRIG的开始Ton和停止Toff之间的时间，其中k-n是触发时间持续期t的连续编号，其被呈现在图4中且依据以下公式被描述：
步骤23
确定在触发时间t来自转换器控制单元5的整流单元2的开关信号SaREC、SbREC、ScREC为SaREC(t)、SbREC(t)、ScREC（t），以及确定在触发时间t的DC链路电压Udc和三相功率供给线路a、b、c的电流Ia、Ib、Ic为Udc（t）、Ia（t）、Ib（t）、Ic（t）。
步骤24
通过将在触发时间t的相电流Ia（t）、Ib（t）、Ic（t）乘以在触发时间t的对应整流开关信号SaREC(t)、SbREC(t)、ScREC（t），并对所有结果进行求和来重构DC链路电流，其被呈现在图5中且依据以下公式被描述：
其中：
Ia（t）是在触发时间t，对于相a的测量电流，
Ib（t）是在触发时间t，对于相b的测量电流，
Ic（t）是在触发时间t，对于相c的测量电流，
SaREC(t)是在触发时间t，对于相a的整流单元的开关信号的值，
SbREC(t)是在触发时间t，对于相b的整流单元的开关信号的值，
ScREC(t)是在触发时间t，对于相c的整流单元的开关信号的值。
步骤25
在监视单元6中演算等效串联电阻（ESR）的指标，其要求DC链路电压UDC测量电压和使用等式3获得的IDC电流以及由用户提供的初始DC链路电容，该演算依据以下公式：
其中：
UDC（t）是在触发时间t测量的DC链路电压，
Cinit是存储在转换器控制单元5中的初始DC链路电容，
IDC（t）是在触发时间t演算的DC链路电流，
Ton是触发信号STRIG的开始时间，
Toff是触发信号STRIG的停止时间。
步骤26
演算总DC链路电容C（以百分比），其要求用到使用等式3获得的IDC电流、使用等式4获得的ESR指标、以及测量的DC链路电压，该演算依据以下公式：
其中：
IDC（t）是演算的被重构DC链路电流，
UDC（t）是测量的DC链路电压，
ESR（t）是演算的等效串联电阻。
步骤27
在警报生成模块12中比较初始电容Cinit与演算的总电容C，这是依据以下公式：
其中，的值是依赖于转换器的标称功率、由用户给定的阈值，例如对于1MW功率的转化器，的值优选是0.7。
步骤28
如果阈值被超过则生成警报，并从警报生成模块12发送命令到输出模块11，其中整流单元2的整流开关信号SaREC、SbREC、ScREC和逆变器单元4的逆变器开关信号SaINV、SbINV、ScINV被设置为0，这些信号自动地关闭转换器电路1。在所有其它的情境中，步骤22-27被重复。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于监视功率转换器中DC链路电容的方法，包括以下步骤：
测量相a、b、c的电流，
测量DC链路单元3的电压并设置所述DC链路的初始电容Cint，其中所述DC链路的所述初始电容由用户给定，
确定对于每一个相a、b、c的整流器的整流器开关状态和逆变器的逆变器开关状态，其中所述开关状态具有等于0或1的值，
当对于每一个相a、b、c的所述逆变器的逆变器开关状态的值具有相等值时生成触发信号STRIG，并确定对于所生成的触发信号的触发时间持续期t，
确定在所述触发时间持续期t对于每一个相a、b、c的所述整流器单元2的整流器开关状态和相a、b、c的演算电流，以及在所述触发时间持续期t所述DC链路的电压，
使用以下公式来重构在所述触发时间持续期t的DC链路电流IDC（t）：
其中：
Ia（t）是在所述触发时间持续期t对于相a的测量电流，
Ib（t）是在所述触发时间持续期t对于相b的测量电流，
Ic（t）是在所述触发时间持续期t对于相c的测量电流，
SaREC（t）是在所述触发时间持续期t对于相a的整流单元的开关信号的值，
SbREC（t）是在所述触发时间持续期t对于相b的整流单元的开关信号的值，
ScREC（t）是在所述触发时间持续期t对于相c的整流单元的开关信号的值，
依照以下公式演算在所述触发时间持续期t对于所述DC链路电压的指标ERS（等效串联电阻）：
其中：
UDC（t）是在所述触发时间持续期t测量的DC链路电压，
Cinit是由用户给定的初始DC链路电容，并被存储在转换器控制单元中，
IDC（t）是在所述触发时间持续期t，DC链路的重构电流，
Ton是所述触发信号STRIG的开始时间，
Toff是所述触发信号STRIG的停止时间，
依照以下公式来演算总DC链路电容C：
其中：
IDC（t）是在所述触发时间持续期t的演算DC链路电流，
UDC（t）是在所述触发时间持续期t的测量DC链路电压，
ESR（t）是在所述触发时间持续期t的演算等效串联电阻指标，
比较总DC链路电容C的值与所述初始DC链路电容Cint，以及在所述初始DC链路电容Cint大于由用户给定的阈值时触发警报。
2.一种用于监视功率转换器中DC链路电容的系统，包括功率转换器电路（1），所述功率转换器电路（1）带有与转换器控制单元（5）和与DC监视单元（6）以及与用于测量所述系统的电参数的部件相连接的整流单元（2）、DC链路单元（3）、逆变器单元（4），特征在于所述系统进一步包括：
用于设置所述DC链路的初始电容Cint的部件，其中所述DC链路的所述初始电容在计算机装置中由用户给定，
在所述计算机装置中对于每一个相a、b、c实现的用于确定所述逆变器单元（4）的逆变器开关状态的部件和用于确定所述整流器单元（2）的整流器开关状态的部件，
在所述转换器控制单元（5）中实现的用于比较逆变器开关状态的值并用于在对于每一个相a、b、c的所述逆变器单元（4）的逆变器开关状态的值具有相等值时生成触发信号STRIG的部件，
在所述转换器控制单元（5）中实现的用于确定触发时间持续期t的部件，
用于确定在所述触发时间持续期t对于每一个相a、b、c的所述整流器单元（2）的整流器开关状态和相a、b、c的演算电流，以及在所述触发时间持续期t所述DC链路单元（3）的电压的部件，
用于重构在所述触发时间持续期t的DC链路电流的部件，
用于演算在所述触发时间持续期t对于所述DC链路单元（3）电压的指标ERS（等效串联电阻）的部件，以及用于演算总DC链路单元（3）电容C的部件，
用于比较总DC链路单元（3）电容C的值与所述初始DC链路电容Cint的部件，
用于在所述初始DC链路电容Cint大于由用户给定的阈值时触发警报的部件。
3.依据权利要求2的系统，特征在于所述转换器电路1包括分别连接到所述整流单元（2）和逆变器单元4的开关分支的固态开关（2a、2b、2c）和（3a、3b、3c）。
4.依据权利要求3的系统，特征在于所述固态开关（2a、2b、2c）和（3a、3b、3c）具有二极管或晶体管或晶闸管的形式。
5.一种用于监视功率转换器系统中DC链路电容的计算机程序，所述计算机程序可加载在具有DC监视装置（6）的形式的计算机装置的数据处理单元（13）中并在所述数据处理单元（13）上可运行，且所述计算机程序在由所述计算机装置的所述数据处理单元（13）运行时执行依据权利要求1的所述方法。
Claims (8)
1.一种用于监视功率转换器中DC链路电容的方法，包括以下步骤：
测量相a、b、c的电流，
测量DC链路单元3的电压并设置所述DC链路单元3的初始电容Cint，其中所述DC链路单元3的所述初始电容由用户给定，
确定对于每一个相a、b、c的整流器单元2的整流器开关状态和逆变器单元4的逆变器开关状态，其中所述开关状态具有等于0或1的值，
当对于每一个相a、b、c的所述逆变器单元4的逆变器开关状态的值具有相等值时生成触发信号STRIG，并确定对于所生成的触发信号的触发时间持续期t，
确定在所述触发时间持续期t对于每一个相a、b、c的所述整流器单元2的整流器开关状态和演算DC电流，以及测量在所述触发时间持续期t所述DC链路单元3的电压，
重构在所述触发时间持续期t的DC链路电流，
演算在所述触发时间持续期t对于所述DC链路单元3电压的指标ERS（等效串联电阻），
演算总DC链路单元3电容C，
比较总DC链路单元3电容C的值与所述初始DC链路单元3电容Cint，以及在所述初始DC链路电容Cint大于由用户给定的阈值时触发警报。
2.依据权利要求1的方法，特征在于所述指标ERS依照以下公式被演算：
其中：
UDC（t）是在所述触发时间持续期t测量的DC链路电压，
Cinit是由用户给定的初始DC链路电容，并被存储在转换器控制单元中，
IDC（t）是在所述触发时间持续期t，DC链路的重构电流，
Ton是所述触发信号STRIG的开始时间，
Toff是所述触发信号STRIG的停止时间。
3.依据权利要求1的方法，特征在于DC链路重构电流IDC（t）依据以下公式被演算：
其中：
Ia（t）是在所述触发时间持续期t对于相a的测量电流，
Ib（t）是在所述触发时间持续期t对于相b的测量电流，
Ic（t）是在所述触发时间持续期t对于相c的测量电流，
SaREC（t）是在所述触发时间持续期t对于相a的整流单元的开关信号的值，
SbREC（t）是在所述触发时间持续期t对于相b的整流单元的开关信号的值，
ScREC（t）是在所述触发时间持续期t对于相c的整流单元的开关信号的值。
4.依据先前权利要求中的任一项的方法，特征在于所述总DC链路电容依据以下公式被演算：
其中：
IDC（t）是在所述触发时间持续期t的演算DC链路电流，
UDC（t）是在所述触发时间持续期t的测量DC链路电压，
ESR（t）是在所述触发时间持续期t的演算等效串联电阻指标。
5.一种用于实现依据权利要求1-4的用于监视功率转换器中DC链路电容的所述方法的系统，包括功率转换器电路（1），所述功率转换器电路（1）带有与转换器控制单元（5）和与DC监视单元（6）以及与用于测量所述系统的电参数的部件相连接的整流单元（2）、DC链路单元（3）、逆变器单元（4），特征在于所述系统进一步包括：
用于设置所述DC链路的初始电容Cint的部件，其中所述DC链路的所述初始电容在计算机装置中由用户给定，
在所述计算机装置中对于每一个相a、b、c实现的用于确定所述逆变器单元4的逆变器开关状态的部件和用于确定所述整流器单元2的整流器开关状态的部件，
在所述转换器控制单元5中实现的用于比较逆变器开关状态的值并用于在对于每一个相a、b、c的所述逆变器单元4的逆变器开关状态的值具有相等值时生成触发信号STRIG的部件，
在所述转换器控制单元5中实现的用于确定触发时间持续期t的部件，
用于确定在所述触发时间持续期t对于每一个相a、b、c的所述整流器单元2的整流器开关状态和演算DC电流，以及测量在所述触发时间持续期t所述DC链路单元3的电压的部件，
用于重构在所述触发时间持续期t的DC链路电流的部件，
用于演算在所述触发时间持续期t对于DC链路电压的指标ERS（等效串联电阻）的部件，以及用于演算总DC链路电容C的部件，
用于比较总DC链路电容C的值与所述初始DC链路电容Cint的部件，
用于在所述初始DC链路电容Cint大于由用户给定的阈值时触发警报的部件。
6.依据权利要求5的系统，特征在于所述转换器电路1包括分别连接到所述整流单元（2）和逆变器单元4的开关分支的固态开关（2a、2b、2c）和（3a、3b、3c）。
7.依据权利要求6的系统，特征在于所述固态开关（2a、2b、2c）和（3a、3b、3c）具有二极管或晶体管或晶闸管的形式。
8.一种用于监视功率转换器系统中DC链路电容的计算机程序，所述计算机程序可加载在具有DC监视装置（6）的形式的计算机装置的数据处理单元（13）中并在所述数据处理单元（13）上可运行，且所述计算机程序在由所述计算机装置的所述数据处理单元（13）运行时执行依据权利要求1-4的所述方法。
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