CN110320396B - 逆变器峰值电流检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逆变器峰值电流检测装置。本发明的一实施例的装置包括：逆变器部，将直流链路电压转换为交流电压，且配置有与三相桥臂分别串联连接的两个开关元件；分流电阻器，与所述逆变器部的各个下部桥臂的开关元件串联连接；电流检测部，检测从所述分流电阻器检测出的输出电流；以及加法器，将从所述电流检测部输入的输出电流相加，从而输出所述逆变器部的输出电流的瞬时最大输出电流即峰值电流。

Description

逆变器峰值电流检测装置
技术领域
本发明涉及逆变器峰值电流检测装置，更加具体而言，涉及一种为了从过电流保护逆变器而检测瞬时最大输出电流即峰值电流的逆变器峰值电流检测装置。
背景技术
通常，逆变器是将直流(DC)转换为交流(AC)的逆变换装置，在工业中使用的逆变器被定义为从商用电源接收电力并自主改变电压和频率后供应到电动机，由此将电动机速度控制为高效率地利用的一系列装置。这种逆变器由变压变频(variable voltagevariable frequency，VVVF)方法控制，可以根据脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)输出来改变输入到电动机的电压和频率。
另外，电动机的滑差频率被定义为在逆变器生成的旋转磁场与电动机的旋转速度的差，当电动机的滑差频率大大增加时，产生过电流，由此，发生逆变器或电动机的烧损。为了防止所述烧损，当产生过电流时，逆变器抑制过电流或产生跳闸以保护逆变器和电动机。
另外，当进行为了从过电流保护逆变器的过电流保护操作时，检测逆变器的输出电流中的峰值(以下，称为峰值电流)。
在现有技术中，根据逆变器的输出电流的状态，可能产生不易检测峰值电流的区间。因此，产生即使超过过电流电平，也不能抑制过电流的情况，由此存在因过电流而烧损逆变器内部元件的问题，并且，可能存在因过热而产生跳闸的问题。
发明内容
本发明要解决的技术课题在于，提供一种逆变器峰值电流检测装置，其在使用分流电阻器检测逆变器输出电流的逆变器系统中，能够在逆变器的供电模式的整个区间检测峰值电流。
为了解决如上所述的技术课题，本发明的一实施例的峰值电流检测装置可以包括：逆变器部，将直流链路电压转换为交流电压，且配置有与三相桥臂分别串联连接的两个开关元件；分流电阻器，与所述逆变器部的各个下部桥臂的开关元件串联连接；电流检测部，检测从所述分流电阻器检测出的输出电流；以及加法器，将从所述电流检测部输入的输出电流相加，从而输出所述逆变器部的输出电流的瞬时最大输出电流即峰值电流。
在本发明的一实施例中，所述加法器可以包括运算放大器。
在本发明的一实施例中，从所述电流检测部输入的输出电流可以输入到所述运算放大器的反相端子，并且，从所述电流检测部输入的输出电流还可以输入到所述运算放大器的正相端子。
在本发明的一实施例中，在所述三相的桥臂中的第一相和第二相的下部桥臂的开关元件上形成电流路径的区间，所述电流检测部检测所述第一相和第二相的电流，所述加法器将所述第一相和第二相的电流相加并将第三相的电流作为峰值电流来输出。
在本发明的一实施例中，在所述三相的桥臂中的第一相的下部桥臂的开关元件上形成电流路径的区间，所述电流检测部检测所述第一相的电流，所述加法器将所述第一相的电流作为峰值电流来输出。
本发明的一实施例的峰值电流检测装置还可以包括用于向所述加法器提供偏置电压的偏置调节部。
如上所述的本发明能够在逆变器的供电模式的整个期间检测瞬时峰值电流，因此，具有能够稳定地执行过电流抑制操作的效果。
附图说明
图1是通常的逆变器的结构图。
图2是用于说明利用分流电阻器来检测逆变器输出电流的方法的示例图。
图3是空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)控制时根据开关状态的逆变器输出电流的状态图。
图4示出了根据逆变器开关状态的开关元件的操作。
图5是各个SVPWM扇区的开关元件的操作图。
图6是分流电阻器电流检测方法中的逆变器过电流保护系统的结构图。
图7是图6的峰值电流检测部的详细结构图。
图8A至图8E是用于说明从图6的各个结构输出的波形的图。
图9是示出根据逆变器操作模式的输出电流路径的图。
图10是用于概略说明本发明的一实施例的逆变器过电流保护系统的结构图。
图11是图10的峰值电流检测装置的电路结构图。
图12A和图12B是示出在SVPWM扇区1中的电流路径的一示例图。
图13是用于说明根据本发明的一实施例执行过电流保护的一示例图。
具体实施方式
为了充分理解本发明的结构和效果，将参考附图描述本发明的优选实施例。然而，本发明不限于下面描述的实施例，而是可以以各种形式实施，并且可以进行各种改变。然而，本实施例的描述旨在提供本发明的完整公开，并且向本发明所属领域的技术人员充分公开本发明的范围。在附图中，为了便于说明，构成要素的尺寸被放大，并且构成要素的比例可以被夸大或减小。
术语“第一”、“第二”等可以用于描述各种构成要素，但是这些构成要素不应受限于上述术语。上述术语仅可用于区分一个构成要素与另一个构成要素。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，“第一构成要素”可以被命名为“第二构成要素”，并且类似地，“第二构成要素”也可以被命名为“第一构成要素”。此外，除非上下文另有明确规定，否则单数的表达包括多个表示。除非另外定义，否则本发明的实施例中使用的术语可以被解释为本领域技术人员公知的。
通用的逆变器的电流检测主要利用电流互感器(current transformer，CT)或分流电阻器。利用CT的电流检测方法可以使逆变器控制部(未图示)和逆变器部13绝缘而进行电流检测，无需额外的绝缘电路。然而，存在非线性区域，并且，与使用分流电阻器的电流检测方法相比，成本相对更高。
利用分流电阻器的电流检测方法可以在宽的线性区域进行电流检测，并且，可以以低成本实现电流检测电路，因此，主要用于要求价格竞争力的紧凑型逆变器。然而，利用分流电阻器的电流检测方法根据开关状态需要额外的电流检测控制，因此，与CT方法相比，需要相对复杂的电流检测电路和控制。
本发明在利用分流电阻器的电流检测方法中检测供电模式的整个期间的最大电流，由此，能够稳定地执行电流抑制操作。
以下，参照图1至图9，对通常的逆变器系统的输出电流检测方法进行说明，参照图10至图13，对本发明的一实施例的逆变器峰值电流检测装置进行说明。
图1是通常的逆变器的结构图。
通常，逆变器1接收从电源部2施加的三相的交流电源，之后，整流部11对其进行整流，并且，平滑部12对整流部11整流后的直流电压进行平滑并存储。逆变器部13根据脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)控制信号将存储在作为平滑部12的直流链路电容器的直流电压输出为具有预定电压和频率的交流电压，并将此交流电压提供给电动机3。逆变器部13由三相的桥臂构成，并且，对各个桥臂串联连接两个开关元件而构成。
为了从过电流保护逆变器，需要检测过电流，并且，为了检测如上所述的过电流，通过在逆变器1的输出A处配置电流互感器(current transformer，CT)来检测逆变器输出电流，或者，配置分别与逆变器部13的下部桥臂B的开关元件串联连接的分流电阻器(shuntresistor)并通过该分流电阻器来检测逆变器部13的输出电流，由此，检测过电流。此时，主要检测输出电流的峰值(峰值电流)来执行过电流保护操作。
图2是用于说明利用分流电阻器来检测逆变器输出电流的方法的示例图。
利用分流电阻器的电流检测方法是通过分别在逆变器1的逆变器部13的各个桥臂的下部开关元件(例如，绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor，IGBT)的发射极配置分流电阻器20来检测流过分流电阻器20的电流。
然而，根据逆变器部13的开关元件的开关状态，不连续地检测输出电流，由此，需要进行考虑开关元件的开关状态的峰值电流检测。
图3是空间矢量脉冲宽度调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)控制时根据开关状态的逆变器输出电流的状态图，图4是示出了根据逆变器开关状态的开关元件的操作。在图4中，示出了对根据图3的开关状态的各相开关元件的操作的定义。
图5是各个SVPWM扇区的开关元件的操作图，在SVPWM控制中，开关元件的操作被区分为由T0区间组成的零矢量(zero vector)区间和由T1和T2组成的有效矢量(activevector)区间。
图6是分流电阻器电流检测方法中的逆变器过电流保护系统的结构图，图7是图6的峰值电流检测部的详细结构图，图8是用于说明从图6的各个结构输出的波形的图，图9是示出根据逆变器操作模式的输出电流路径的图。
逆变器操作模式可以被区分为逆变器输出电流增加的供电模式(powering mode)和逆变器输出电流进行消耗的续流模式(free wheelingmode)。供电模式在SVPWM有效矢量区间发生，续流模式在SVPWM零矢量区间发生。
参照图6，用于通用逆变器的过电流保护的逆变器保护系统由电流检测部30、峰值电流检测部40以及过电流保护部50构成。所述电流检测部30检测从分流电阻器20输出的电流，所述峰值电流检测部40检测瞬时最大输出电流，所述过电流保护部50用于执行过电流保护。
电流检测部30对从分流电阻器20输出的电流进行检测，并且，向检测出的电流附加偏置并对附加了偏置后的电流进行对准和放大。峰值电流检测部40对作为瞬时最大输出电流的峰值电流进行检测。之后，过电流保护部50根据检测出的瞬时峰值电流，执行暂时中断逆变器部13的开关元件的PWM输入的过电流抑制(over-current suppression，OCS)操作或发生逆变器跳闸的过电流跳闸(over-current trip，OCT)操作。
在图8中，图8A是逆变器部13的输出相电流，图8B是利用分流电阻器20的检测电流，图8C是电流检测部30的输出信号，图8D是峰值电流检测部40的输出信号，图8E是过电流保护部50的输出信号。
在利用分流电阻器的电流检测方法中，仅可以在电流向逆变器部13的下部桥臂的开关元件导通的区间检测电流。由此，如图8所示，逆变器的输出电流被不连续地检测。
在分流电阻器20检测出的电流由电流检测部30附加偏置并放大，从而输入到峰值电流检测部40。参照图7，峰值电流检测部40的整流部41输出整流电流的波形，并且，负信号由反相放大器42反相为正信号并输出(图8D)。
过电流保护部50对输入信号电平进行比较并根据输入的瞬时峰值电流电平产生OCS或OCT。
如图9所示，逆变器部13的输出电流根据逆变器的开关操作被区分为从作为平滑部12的直流链路电容器向逆变器部13传递能量而增加输出电流的供电模式和消耗电动机3的能量的续流模式。
续流模式被分为第一模式和第二模式，在所述第一模式中，施加SVPWM零矢量而消耗逆变器部13和电动机3之间的能量，在所述第二模式中，当进行OCS操作时，切断所有开关元件而消耗电动机3和作为平滑部12的直流链路电容器之间的能量。
供电模式在从SVPWM施加有效矢量的区间发生。当施加SVPWM有效矢量时输出电流增加。在过载情况下，输出电流持续增加，当产生过电流保护电平以上的输出电流时，执行过电流保护操作。然而，在续流模式中，作为消耗在供电模式产生的电流的区间，输出电流不增加。
在利用这种现有的分流电阻器的电流检测方法中，峰值电流检测部40根据逆变器部13的开关元件的开关状态来限制峰值电流检测。
即，参照图5，在一个PWM周期中，SVPWM由两个零矢量区间和两个有效矢量区间组成，所述两个零矢量区间由T0构成，所述两个有效矢量区间由T1和T2构成。T1区间是向逆变器部13的两相的下部开关元件形成输出电流路径的区间，T2区间是向逆变器部13的一相的下部开关元件形成输出电流路径的区间。此时，由于T2区间通过一个下部的开关元件施加所有瞬时峰值电流，容易检测瞬时峰值电流，但在T1区间，由于瞬时峰值电流被划分并施加到两个下部开关元件，检测出的瞬时峰值电流减少为1/2，因此，存在不易检测瞬时峰值电流的问题。
由此，在供电模式的一部分区间产生过电流的情况下，过电流不被抑制，从而产生输出电流超过过电流电平的问题。当产生设定值以上的过电流时，通过过电流在开关元件增加了热应力，从而，存在还可以产生开关元件烧损或在过热情况下产生跳闸的问题。
为了解决如上所述的问题，本发明提供一种逆变器峰值电流检测装置，其能够在供电模式的整个期间检测瞬时峰值电流，由此，当产生过电流时，可以提供适当的过电流保护操作。
图10是用于概略说明本发明的一实施例的逆变器过电流保护系统的结构图，图11是图10的峰值电流检测装置的电路结构图。
如图所示，本发明的一实施例的逆变器过电流保护系统可以包括：用于检测逆变器1的输出电流的电流检测部30；用于从逆变器输出电流检测逆变器峰值电流的峰值电流检测装置100；以及根据峰值电流执行保护逆变器1的操作的过电流保护部50。并且，峰值电流检测装置100可以包括偏置调节部110和放大加法器120。
在本发明的一实施例中，电流检测部30可以对逆变器1的逆变器部13的三相输出电流中的一相或两相的输出电流进行检测，并将检测出的输出电流提供给峰值电流检测装置100。如前所述，逆变器输出电流可以通过分流电阻器20提供给电流检测部30。
电流检测部30可以对流过与逆变器1的逆变器部13的下部桥臂的开关元件连接的分流电阻器20的输出电流进行检测。
放大加法器120可以将从电流检测部30输入的逆变器部13的一相或两相的下部桥臂的开关元件的输出电流相加并输出。
偏置调节部110可以利用偏置调节电阻R1、R2来调节放大加法器120的偏置电压的电平。偏置电压可以被定义为用于去除在作为模拟电路的放大加法器120产生的DC电压的电压，并且，偏置调节部110可以将去除DC电压的偏置电压提供给放大加法器120。此时，偏置电压可以利用偏置调节电阻R1和R2来调节。
参照图11，放大加法器120可以由运算放大器(OP AMP)121构成，在本发明的一实施例中，三相的逆变器输出电流可以输入到运算放大器121的反相端子。然而，本发明的一实施例并不限于图11的电路结构，可以是能够将三相逆变器输出电流相加的多种电路结构。例如，还可以构成使三相逆变器的输入电流输入到运算放大器(OP AMP)的正相端子的电路。
在SVPWM有效矢量区间，可以在逆变器部13的一相或两相的下部桥臂开关元件上形成电流路径。
在一相的下部桥臂开关元件上形成电流路径的SVPWM T2区间，可以在一相的下部桥臂开关元件上形成逆变器峰值电流的路径。
并且，在两相的下部桥臂开关元件上形成电流路径的T1区间，可以在一相的上部桥臂开关元件上形成逆变器峰值电流的路径，并且，根据基尔霍夫法则(KCL，Kirchhoff’sCurrent Law)，逆变器峰值电流等于流过下部桥臂开关元件的电流之和。
在由本发明的一实施例的放大加法器120构成的峰值电流检测装置100中，通过在有效矢量区间输入一相或两相的逆变器输出电流来检测瞬时峰值电流，由此，可以在一相的下部桥臂开关元件上形成电流路径的区间(T2区间)和在两相的下部桥臂开关元件上形成电流路径的区间(T1区间)的所有区间、即供电模式的整个期间检测瞬时峰值电流。
图12是示出在SVPWM扇区1的电流路径的一示例图，图12A表示在逆变器部13的两相的下部桥臂开关元件上形成电流路径的T1区间，图12B表示在逆变器部13的一相的下部桥臂开关元件上形成电流路径的T2区间。
参照图12B，在W相下部桥臂开关元件上形成电流路径的T2区间，电流检测部30检测W相电流，不检测U相和V相电流。此时，逆变器瞬时峰值电流在W相上形成。
峰值电流检测装置100可以接收W相电流并对峰值电流进行检测，并且，W相瞬时峰值电流可以输入到过电流保护部50。
参照图12A，在V相和W相下部桥臂开关元件上形成电流路径的T1区间，电流检测部30检测V相和W相电流，在上部桥臂开关元件上形成电流路径的U相上，不检测电流。此时，逆变器瞬时峰值电流在U相上形成。通过电流检测部30检测出的V相和W相电流输入到本发明的一实施例的峰值电流检测装置100，可以由放大加法器120相加并输出作为逆变器瞬时峰值电流的U相电流，并且，该U相瞬时峰值电流可以输入到过电流保护部50。
在SVPWM扇区2至扇区6也可以利用相同方法来检测逆变器瞬时峰值电流。
从峰值电流检测装置100接收到峰值电流的过电流保护部50可以根据检测出的瞬时峰值电流，执行暂时中断逆变器部13的开关元件的PWM输入的OCS操作或发生逆变器跳闸的OCT操作。
即，根据本发明的一实施例的峰值电流检测装置，能够在所有有效矢量区间检测逆变器瞬时峰值电流，由此，可以在逆变器供电模式的整个期间稳定地执行过电流保护操作。
在下表中，比较了基于现有的图7的整流电路方法的峰值电流检测和本发明的一实施例的峰值电流检测。
【表1】
Figure BDA0002008755120000091
如上所述，在基于现有的整流电路的方法中，产生在T1区间不能检测峰值电流的情况，但是，根据本发明的一实施例，可以在供电模式的整个期间准确地检测峰值电流，因此，可以从过电流安全地保护逆变器1。
图13是用于说明根据本发明的一实施例执行过电流保护的一示例图。
在图13中，13A表示逆变器输出电流，13B表示过电流抑制(OCS)电平，13C表示瞬时峰值电流信号，13D表示OCS操作信号，13E表示执行过电流保护操作的结果。
根据本发明的一实施例，可以根据设定的OCS电平准确地执行过电流保护操作，并且，能够在逆变器供电模式的整个期间检测瞬时峰值电流，因此，可以稳定地执行过电流抑制操作。
然而，在本发明的一实施例中，虽然举例说明了检测逆变器输出电流，并且，放大加法器仅对峰值电流进行检测，但是，本发明并不限于此，可以通过放大加法器将逆变器输出电流相加，由此，还可以检测接地故障或逆变器输出电流的缺相。
应理解，以上所说明的根据本发明的实施例仅仅是示例性的，本领域技术人员可以由此实施各种变形和等同范围内的实施例。因此，本发明真正的技术保护范围应由权利要求书确定。

Claims (1)

1.一种峰值电流检测装置，检测逆变器部的输出电流的瞬时最大输出电流即峰值电流，所述逆变器部将直流链路电压转换为交流电压且包括与三相桥臂的各个桥臂串联连接的两个开关元件，其中，
所述峰值电流检测装置包括：
分流电阻器，与所述逆变器部的各个下部桥臂的开关元件串联连接；
电流检测部，根据从所述分流电阻器输出的信号来检测输出电流；
加法器，将从所述电流检测部输入的输出电流相加，从而输出所述逆变器部的输出电流的瞬时最大输出电流；以及
偏置调节部，由一个以上的偏置调节电阻构成，向所述加法器提供用于调节所述加法器的偏置电压的电平的偏置电压，
所述加法器由运算放大器构成，
在所述加法器的反相端子中输入由所述电流检测部检测出的输出电流，
在所述加法器的正相端子中输入从所述偏置调节部输出的偏置电压，
两个所述开关元件通过空间矢量脉冲宽度调制方式而被控制；
所述开关元件的动作区间被划分为施加零矢量的零矢量区间和施加有效矢量的有效矢量区间；
在所述三相的桥臂中的第一相和第二相的下部桥臂的开关元件上形成电流路径的有效矢量区间，所述电流检测部检测所述第一相和第二相的电流，所述加法器将所述第一相和第二相的电流相加的值作为峰值电流来输出；
在所述三相的桥臂中的第一相的下部桥臂的开关元件上形成电流路径的有效矢量区间，所述电流检测部检测所述第一相的电流，所述加法器将所述第一相的电流作为峰值电流来输出。
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