CN107294411B - 逆变器 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及逆变器，且更具体涉及一种能够通过当功率在由于主电源中的故障而在逆变器中发生故障之后被供应时确定是否要重启它而被稳定重启的逆变器。该逆变器包括：第一重启电压参考发生器，其被配置为接收从电机输出的三相电流和逆变器的频率以及电机的额定电流以输出第一重启电压和第一重启相位角；第二重启电压参考发生器，其被配置为接收从逆变器输出的逆变器输出电压以输出第二重启电压和第二重启相位角；以及开关单元，其被配置为接收第一重启电压、第一重启相位角、第二重启电压和第二重启相位角以根据重启标志输出重启电压和相位角。该逆变器基于处于自由旋转的电机的电压来确定是否重启逆变器，使得能够防止逆变器或电机中的故障。

Description

逆变器
技术领域
本公开内容涉及逆变器，并且更具体地涉及一种能够通过当功率在逆变器中已经发生故障之后被供应时确定是否要重启它而被稳定地重启的逆变器。
背景技术
中压逆变器使用具有600V或更高的线间电压RMS值的输入功率并且具有几百kW到几十MW的额定功率容量。逆变器通常被用于诸如风扇、泵、压缩机、等等的应用中。
作为逆变器的电路，通常使用生成三级或更多级的输出电压的多级逆变器。例如，级联H桥(CHB)逆变器是已知的。
级联H桥逆变器包括单位功率单元，其输出被串联连接并且具有的优点在于dv/dt很低并且由于各种输出电压，总谐波失真(THD)良好。另外，容易维护。
另外，逆变器输出电压的幅值和级的数量基于级联H桥逆变器的功率单元的数量来确定。功率单元中的每个使用隔离的输入电压。
图1是用于示出相关技术中的级联H桥逆变器的示意图。
参考图1，级联H桥逆变器100包括主电源102、相移变压器104、多个功率单元106、电机108以及电压感测设备。级联H桥逆变器包括两级的单位功率单元。单位功率单元160的数量可以取决于系统要求而变化。
主电源102表示具有600V或更高的线间电压RMS值的三相电压。
相移变压器104与主电源102隔离并如由单位功率单元106所需转换电压的相位和幅值。另外，相移变压器104通过移相来改进在主电源105中流动的输入电流的总谐波失真(THD)。
功率单元106可以使用来自相移变压器104的输出电压作为它们自己的输入功率。
电机108接收来自逆变器100的输出电压。输出电压与来自不同相中的功率单元的输出的总和合成。电机108可以包括感应电机或同步机器作为中压三相电机。
电压感测设备112测量来自处于正常驱动状态中的逆变器100的输出电压。所测量的输出电压被用于同步旁路和输出功率计算。另外，其用于在主电源中存在故障时重启电机108。
逆变器100的a相输出电压等于来自串联连接的第一功率单元106a1和第二功率单元106a2的输出电压的总和。逆变器100的b相输出电压等于来自第三功率单元106b1和第四功率单元106b2的输出电压的总和。逆变器100的c相输出电压等于来自第五功率单元106c1和第六功率单元106c2的输出电压的总和。逆变器100的输出电压的相位电压具有相同的幅值但是具有120度的相位差。
由逆变器100驱动的电机108具有大容量并且因此具有大惯性。因此，在主电源中存在故障或发生断电之后，其花费很长的小时来等待直到感应电机的转子停止以进行稳定地重启。
为了克服这个问题，已经提出了如下方法：在感应电机正在旋转时在没有任何控制算法的情况下控制感应电机的速度和扭矩。然而，根据该方法，可能产生浪涌电流，使得逆变器100或电机108可能发生故障。
另外，当逆变器在负载下被重启时，基于感应电机的残留电压来确定是否要重启它。残留电压越大，重启可用的电压越大，并且因此在重启中需要的电流的幅值可以被大大减小。
然而，残留电压越小，重启可用的电压越少，并且因此在生成扭矩中需要的电流的幅值被增大。因此，其不利地影响电机系统当残留电压很小时重启，并且因此其在已经停止驱动之后稳定地启动它。
发明内容
本公开内容的一方面是要提供一种能够通过当功率在由于主电源中的故障而在逆变器中已经发生故障之后被供应时确定是否要重启它而被稳定地重启的逆变器。
本公开内容的另一方面是要提供一种基于处于自由旋转的电机的电压来确定是否要重启逆变器以防止逆变器或电机中的故障的逆变器。
本公开内容的另一方面是要提供一种基于电机的感应电动势来确定是否要重启它以在没有浪涌电流的情况下重启在重启区中的电机的逆变器。
本公开内容的目标不限于上述目标，并且其他目标和优点可以由本领域技术人员从下面的描述中认识到。另外，将容易认识到，本公开内容的目标和优点可以由在随附权利要求和其组合中记载的装置来实践。
根据本公开内容的一个方面，一种输出用于驱动电机的电压的逆变器包括：第一重启电压参考发生器，其被配置为接收从电机输出的三相电流和逆变器的频率以及电机的额定电流以输出第一重启电压和第一重启相位角；第二重启电压参考发生器，其被配置为接收从逆变器输出的逆变器输出电压以输出第二重启电压和第二重启相位角；以及开关单元，其被配置为接收第一重启电压、第一重启相位角、第二重启电压和第二重启相位角以根据重启标志来输出重启电压和相位角。
逆变器的频率可以在其中重启逆变器的重启区的开始点处被测量。
由电机生成的最大负载扭矩和重启区中的负载扭矩可以被计算。
最大负载扭矩可以通过将第二重启电压、电机的最大额定电流和功率因子相乘并将其除以重启速度来计算。
负载扭矩可以通过将逆变器输出电压的幅值、电机的扭矩分量电流的幅值和从第二重启电压参考发生器输出的重启速度相除来计算。
将最大负载扭矩可以与负载扭矩进行比较，并且重启模式标志可以基于比较的结果来设置。
如果最大负载扭矩大于负载扭矩，则重启模式标志可以被设置为1，并且开关单元可以将第二重启电压和第二相位角输出到逆变器，
如果最大负载扭矩小于负载扭矩，则重启模式标志可以被设置为0，并且开关单元可以将第一重启电压和第一相位角输出到逆变器。
第一重启电压参考发生器可以包括：第一电压发生器，其被配置为接收逆变器的输出频率以生成第一重启电压；以及第一相位角发生器，其被配置为接收电机的额定电流和从电机输出的三相电流以生成第一重启相位角。
第一相位角发生器可以包括：第一加法器，其被配置为将电机的额定电流与从电机输出的三相电流相加以将其输出；放大器，其被配置为取决于预定增益来调节从第一加法器输出的结果以将其输出；以及第一积分器，其被配置为对从放大器输出的结果求积分以将其输出为第一重启相位角。
第二重启电压参考发生器可以包括：电压感测单元，其被配置为感测从逆变器输出的电压；电压测量单元，其被配置为接收由电压感测单元感测的电压以输出在固定参考系上的d轴电压和q轴电压；电压和相位检测器，其被配置为接收d轴电压和q轴电压以输出重启电压、重启相位角和重启速度；以及重启电压发生器，其被配置为接收重启电压、重启相位角和重启速度以输出第二重启电压和第二重启相位角。
根据本公开内容的示例性实施例，逆变器在逆变器的主电源中存在故障时确定是否要重启逆变器，使得逆变器被稳定地重启。
另外，根据本公开内容的另一示例性实施例，逆变器基于处于自由旋转的电机的电压来确定是否要重启逆变器，使得防止逆变器或电机中的故障。
另外，根据本公开内容的另一示例性实施例，逆变器基于电机的感应电动势来确定是否要重启逆变器，使得能够在没有浪涌电流的情况下重启在重启区段中的电机。
附图说明
图1是用于示出相关技术中的级联H桥逆变器的示意图；
图2是根据本公开内容的示例性实施例的逆变器的框图；
图3是根据本公开内容的示例性实施例的第一重启电压参考发生器的框图；
图4是根据本公开内容的示例性实施例的第二重启电压参考发生器的框图；
图5是根据本公开内容的示例性实施例的重启电压参考发生器的框图；
图6是示出了根据本公开内容的示例性实施例的中压逆变器的操作的时序图；以及
图7是用于示出根据本公开内容的示例性实施例的处于重启区中的中压逆变器的操作的流程图。
具体实施方式
以上目标、特征和优点将从参考附图的详细描述中变得显而易见。以使得本领域技术人员能够容易地实践本公开内容的技术构思的充分的细节来描述实施例。公知的功能或配置的详细公开内容可以被省略以便不会不必要地使本公开内容的目标模糊不清。在下文中，将参考附图详细描述本公开内容的各实施例。在附图中，类似的附图标记指代类似的元件。
图2是根据本公开内容的示例性实施例的逆变器的框图。
参考图2，根据本公开内容的示例性实施例的逆变器包括第一重启电压参考发生器210、第二重启电压参考发生器220、开关单元230、中压逆变器240和电机250。
第一重启电压参考发生器210可以在由于中压逆变器240的主电源中的故障而发生故障之后操作。
另外，第一重启电压参考发生器210接收中压逆变器240的频率ωref、电机的额定电流Iabcs_max以及从电机250输出的三相电流ias、ibs、ics并且输出第一重启电压Vref_fly1和第一重启相位角θref_fly1。中压逆变器240的频率ωref是在重启驱动区的开始点处测量的。第一重启电压Vref_fly1可以为DC电压。
第二重启电压参考发生器220可以在由于中压逆变器240的主电源中的故障而发生故障之后操作。
另外，第二重启电压参考发生器220接收从中压逆变器240输出的逆变器输出电压Vm并且输出第二重启电压Vref_fly和第二重启相位角θref_fly。
开关单元230根据重启模式标志flying_start_mode_flag来操作。另外，开关单元230接收第一重启电压参考发生器210的第一重启电压Vref_fly1和第一重启相位角θref_fly1以及第二重启电压参考发生器220的第二重启电压Vref_fly和第二重启相位角θref_fly。
如果重启模式标志flying_start_mode_flag为零，则开关单元230将第一重启电压参考发生器210的第一重启电压Vref_fly1和第一重启相位角θref_fly1施加到中压逆变器240。
另一方面，如果重启模式标志flying_start_mode_flag为一，则开关单元230将第二重启电压参考发生器220的第二重启电压Vref_fly和第二重启相位角θref_fly施加到中压逆变器240。当重启标志flying_start_flag为一时，其指示在主电源中存在故障或发生断电。
中压逆变器240接收从开关单元230输出的逆变器电压Vref_inv和相位角θref_inv以输出电机电压Vm。由此生成的电机电压Vm被施加到电机250。电机电压Vm可以是AC电压。
电机250通过接收从中压逆变器240输出的电机电压Vm来操作。电机电压Vm可以采用脉宽调制(PWM)的形式。
在下文中，下面将参考图3详细描述第一重启电压参考发生器。
图3是根据本公开内容的示例性实施例的第一重启电压参考发生器的框图。
参考图3，根据本公开内容的示例性实施例的第一重启电压参考发生器210包括第一电压发生器210和第一相位角发生器320。
第一电压发生器310接收中压逆变器240的输出频率ωref以生成第一重启电压Vref_fly1。
第一相位角发生器320包括第一加法器322、放大器324和第一积分器326。
第一加法器322接收电机的额定电流Iabcs_max和从电机250输出的三相电流ias、ibs和ics以输出经由第一加法器322的加法运算的结果。放大器324接收从第一加法器322输出的加法运算的结果并取决于预定增益对其进行调节以输出经调节的结果。第一积分器326接收从放大器324输出的结果并对其进行积分运算以将其输出为第一重启相位角θref_fly1。
在下文中，下面将参考图4详细描述第二重启电压参考发生器。
图4是根据本公开内容的示例性实施例的第二重启电压参考发生器的框图。
参考图4，根据本公开内容的示例性实施例的第二重启电压参考发生器220包括电压感测单元222、电压测量单元224、电压和相位检测单元226和重启电压生成单元228。
电压感测单元222测量从处于正常驱动状态中的中压逆变器240输出的电压。从中压逆变器240输出的电压Vm是用于重启电机250的信息并且被用于同步旁路和输出功率计算。另外，当在主电源存在故障或发生断电时，电压Vm被用于重启电机250。
为了估计电机250的输入电压的幅值和相位，电压测量单元224接收由电压感测单元222测量的逆变器输出电压Vm以输出在固定参考系上的d轴电压Vd和q轴电压Vq。在这么做时，电压测量单元224执行参考系变换以由此将所测量的三相逆变器输出电压Vmeans转换成d轴电压Vd和q轴电压Vq。电压测量单元224可以包括电压感测单元或电阻器等。
电压和相位检测单元226接收从电压测量单元224输出的d轴电压Vd和q轴电压Vq以输出重启电压Vmag、重启相位角θest和重启速度ωest。重启电压Vmag可以通过对d轴电压Vd和q轴电压Vq求平方以将它们相加并获得和的平方根来计算。另外，重启相位角θest和重启速度ωest可以通过使用锁相环(PLL)来实现。
重启电压生成单元228接收从电压和相位检测单元226输出的重启电压Vmag、重启相位角θest和重启ωest以输出第二重启电压Vref_fly和第二重启相位角θref_fly。
在下文中，下面将参考图5详细描述重启电压发生器。
图5是根据本公开内容的示例性实施例的重启电压参考发生器的框图。
参考图5，根据本公开内容的示例性实施例的重启电压生成单元228包括第二电压发生器340和第二相位角发生器360。
第二电压发生器340包括由用户输入的电压的斜率342以及第二加法器344。电压的斜率342可以是常数值。第二电压发生器340将由用户输入的电压的斜率342与从电压和相位检测器266输出的重启电压经由第二加法器344进行相加以将其输出为第二重启电压Vref_fly。第二重启电压Vref_fly可以被表示如下：
Vref_fly＝Vmag+a·t (1)
其中，Vmag表示从电压和相位检测单元226输出的重启电压，并且a表示由用户输入的电压的斜率。
第二相位角发生器360包括第二积分器362和第三加法器364。第二积分器362接收从电压和相位检测单元226输出的重启速度ωest并对重启速度ωest求积分以将其输出。第三加法器364将从第二积分器342输出的积分值与从电压和相位检测单元226输出的重启相位角θest进行相加以将其输出为第二重启相位角θref_fly。第二重启相位角θref_fly可以被表示如下：
θref_fly＝θest+∫ωest dt (2)
其中，θest表示重启相位角，并且ωest表示从电压和相位检测单元226输出的重启速度。
图6是示出了根据本公开内容的示例性实施例的中压逆变器的操作的时序图。图7是用于示出根据本公开内容的示例性实施例的处于重启区中的中压逆变器的操作的流程图。
参考图6，在根据本公开内容的示例性实施例的中压逆变器240中，重启标志flying_start_flag在其中输入电压和输出电压两者都被正常驱动的正常驱动区中被设置为零。重启标志flying_start_flag是指示其中的操作用于重启中压逆变器的区和从故障的时间到正常驱动的区的变量。
输入功率(a)指示中压逆变器240的主电源的幅值，并且逆变器输出电压(c)指示中压逆变器240的输出电压Vm的幅值。因此，当在主电源中存在故障时，中压逆变器240出于安全目的而停止输出。
另外，中压逆变器的主电源故障区中的主电源的幅值(a)在额定电压范围以下操作，并且在该区中测量的电机的输入级电压(d)是电机的感应电动势。电机的输入级电压(d)的所测量的幅值和电机的速度(f)取决于电机的负载和时间常数而减小，并且没有形成针对电流(e)的路径。重启标志flying_start_flag被设置为1。
在中压逆变器240的重启区中，已经由于主电源(a)中的故障而被中断的中压逆变器被重启。
在根据本公开内容的另一示例性实施例的中压逆变器中，主电源故障区与额定电压相关联。更具体地，中压逆变器可以将主电源故障区设置为低于额定电压的电压范围。例如，主电源故障区可以被设置为低于600V的线间电压RMS值的电压范围。
参考图7，为了重启中压逆变器240，电机的最大负载扭矩Tlimit可以取决于电机的感应电动势的幅值而生成并且在重启区中计算负载扭矩Tload(步骤S11)。最大负载扭矩Tlimit可以被表示如下：
公式3根据功率公式来计算电扭矩。其表示可以在残留电压下重启的最大扭矩。如可以从公式3看到，Irate在相同扭矩Tlimit下随着重启电压Vmag减小而增大。
Vmag表示从电压和相位检测单元226输出的重启电压，Irate表示电机的最大额定电流，并且PF表示功率因子。Irate可以增大中压逆变器和电机的容差内的电流的幅值。
负载扭矩Tload可以被表示如下：
公式4表示逆变器输出扭矩，计算在中压逆变器240的故障区之前的扭矩Tload，将其与公式3中的故障区中的最大负载扭矩Tlimit进行比较，并且取决于比较结果而执行不同的重启算法。
Vqse表示同步参考系上的q轴电压并且表示来自中压逆变器240的输出电压的幅值。Iqse表示扭矩分量电流的幅值，并且ωest表示从电压和相位检测单元226输出的重启速度。重启速度对应于转子速度并且表示由电压和相位检测单元226估计的感应电动势的频率。
随后，将所计算的最大负载扭矩Tlimit和负载扭矩Tload与彼此进行比较(步骤S12)。比较的结果对应于重启模式标志flying_start_mode_flag的变量。
如果最大负载扭矩Tlimit大于负载扭矩Tload，则重启模式标志flying_start_mode_flag被设置为1，使得运行基于感应电动势的重启算法。响应于重启模式标志flying_start_mode_flag，开关单元230将在第二重启电压参考发生器220中生成的第二重启电压Vref_fly和第二重启相位角θref_fly施加到中压逆变器240。中压逆变器240被重启为第二重启电压Vref_fly，并且第二重启相位角θref_fly被施加到其(步骤S13)。
另一方面，如果最大负载扭矩Tlimit小于负载扭矩Tload，则感应电动势是不足够的。因此，重启模式标志flying_start_mode_flag被设置为零，电机被中断以便防止中压逆变器240或电机被损坏，或者运行另一重启算法。响应于重启模式标志flying_start_mode_flag，开关单元230将在第一重启电压参考发生器210中生成的第一重启电压Vref_fly1和第一重启相位角θref_fly1施加到中压逆变器240。中压逆变器240被重启为第一重启电压Vref_fly1，并且第一重启相位角θref_fly1被施加到其(步骤S14)。
如以上所描述的，根据本公开内容的示例性实施例，逆变器重启设备在逆变器的主电源中存在故障时确定是否要重启逆变器，使得稳定地重启逆变器。
另外，根据本公开内容的示例性实施例，逆变器重启设备基于处于自由旋转的电机的电压来确定是否要重启逆变器，使得可以防止逆变器或电机中的故障。
另外，根据本公开内容的示例性实施例，逆变器重启设备基于电机的感应电动势来确定是否要重启逆变器，使得能够在没有浪涌电流的情况下重启在重启区中的电机。
以上描述的本公开内容可以由本发明涉及的领域的技术人员在不脱离本公开内容的范围和精神的情况下以各种方式替代、更改和修改。因此，本公开内容不限于上述示例性实施例和附图。

Claims (9)

1.一种输出用于驱动电机的电压的逆变器，所述逆变器包括：
第一重启电压参考发生器，其被配置为接收从所述电机输出的三相电流和所述逆变器的频率以及所述电机的额定电流以输出第一重启电压和第一重启相位角；
第二重启电压参考发生器，其被配置为接收从所述逆变器输出的逆变器输出电压以输出第二重启电压和第二重启相位角；以及
开关单元，其被配置为接收所述第一重启电压、所述第一重启相位角、所述第二重启电压和所述第二重启相位角，根据所述电机生成的最大负载扭矩和重启区中的负载扭矩的比较结果，输出所述第一重启电压和所述第一重启相位角或者输出所述第二重启电压和所述第二重启相位角。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述逆变器的频率在重启所述逆变器的所述重启区的开始点处被测量。
3.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述最大负载扭矩通过以下数学式来计算，
其中，Tlimit是所述最大负载扭矩，Vmag是所述第二重启电压，Irate是所述电机的最大额定电流，PF是功率因子，ωest是所述第二重启电压参考发生器输出的重启速度。
4.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述负载扭矩通过以下数学式来计算，
其中，Tload是所述负载扭矩，Vqse是同步参考系上的q轴电压并且表示来自中压逆变器的输出电压的幅值，Iqse是扭矩分量电流的幅值，ωest是所述第二重启电压参考发生器输出的重启速度。
5.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述比较结果对应于重启模式标志的变量，
如果所述最大负载扭矩大于所述负载扭矩，则将所述重启模式标志设置为1，
如果所述最大负载扭矩小于所述负载扭矩，则将所述重启模式标志设置为0。
6.根据权利要求1所述的逆变器，其中，如果所述最大负载扭矩大于所述负载扭矩，则所述开关单元将所述第二重启电压和所述第二重启相位角输出到所述逆变器，
其中，如果所述最大负载扭矩小于所述负载扭矩，则所述开关单元将所述第一重启电压和所述第一重启相位角输出到所述逆变器。
7.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述第一重启电压参考发生器包括：
第一电压发生器，其被配置为接收所述逆变器的输出频率以生成所述第一重启电压；以及
第一相位角发生器，其被配置为接收所述电机的额定电流和从所述电机输出的三相电流以生成所述第一重启相位角。
8.根据权利要求7所述的逆变器，其中，所述第一相位角发生器包括：
第一加法器，其被配置为将所述电机的额定电流与从所述电机输出的三相电流相加以将其输出；
放大器，其被配置为取决于预定增益来调节从所述第一加法器输出的结果以将其输出；以及
第一积分器，其被配置为对从所述放大器输出的结果求积分以将其输出为所述第一重启相位角。
9.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述第二重启电压参考发生器包括：
电压感测单元，其被配置为感测从所述逆变器输出的电压；
电压测量单元，其被配置为接收由所述电压感测单元感测的所述电压以输出在固定参考系上的d轴电压和q轴电压；
电压和相位检测器，其被配置为接收所述d轴电压和所述q轴电压以输出重启电压、重启相位角和重启速度；以及
重启电压发生器，其被配置为接收所述电压和相位检测器输出的重启电压、重启相位角和重启速度以输出所述第二重启电压和所述第二重启相位角。
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