CN114696641A - 一种逆变器最大输出电流限制电路及方法 - Google Patents

一种逆变器最大输出电流限制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子电路技术领域,公开了一种逆变器最大输出电流限制电路及方法,利用DSP内部的比较器,或者外部设置硬件比较电路,将电流的最大值信息,转换成电平信号或者软件的标志位信号。根据电流最大值是否触发预警的信号,在每个控制周期内改变电流指令限值,而非直接关闭开关管。如果检测到的电流最大值超过比较阈值,则减小电流指令限值,并将信号手动复位。如果检测到的电流信号没有超过比较阈值,则开始等待时间的计时。如果累计等待一段时间,都没有检测到电流信号小于比较阈值,则增大电流的指令限值。本发明的方法,能自动调整电流限值,使得其不超过设定的最大值。

Description

一种逆变器最大输出电流限制电路及方法
技术领域
本发明属于电子电路技术领域,尤其涉及一种逆变器最大输出电流限制电路及方法。
背景技术
逆变器是一种可以将直流能量转变成交流能量的设备。逆变器的最大输出电流,即交流电流会受到直流母线电压、交流电压和开关管的运行状态的影响。在直流母线电压较高,交流电网存在畸变时,很容易出现过大的瞬时电流。逆变器的电流过大时,会导致发热严重,超过开关管承受能力时还会损坏开关管。因此在逆变器的运行过程中需要有限电流的措施。在数字控制的逆变器中,一般的电流限制方法是通过软件的控制限制电流的有效值或者基波电流的幅值。此外,还会设计一个最大电流的硬件保护功能,当电流瞬时值触发保护时,立刻关闭开关管,起到一个类似限流的功能。
目前的这种限电流方法有很多局限性。首先硬件保护功能虽然可以防止电流过大,保护机器的安全,但是一旦触发会导致机器短时间内停止运行,严重影响客户使用体验。尤其是如果电网畸变,直流母线电压过高等导致瞬时过流的因素没有改变时,逆变器还会反复触发硬件保护,增大机器损坏的风险。因此,硬件保护一般是作为最后的保护底线,不希望在正常运行中被多次触发的。
其次,常规的软件控制的限流一般是限电流的有效值,这也有很多局限。之所以通常限制电流的有效值,是因为数字控制一般是间隔一个控制周期进行一次采样,无法采集到电流的全部实时信息,一般只能获取电流的有效值。在逆变器实际运行时,相同的有效值下的电流,在不同的直流母线电压和电网电压下,电流的纹波相差会很大。这就导致限制有效值无法限制电流的最大值。在电网畸变时,可能电流的有效值不大,但是某些时刻的电流的瞬时值会突增。而且现在的逆变器很多使用了粉芯电感,流过这种电感的电流越大,电感的感值越小。感值越小,意味着电流的变化会越快,最后会加剧电流的突增。高频的尖峰电流会导致机器发热加剧,会产生刺耳的噪声。
发明内容
本发明目的在于提供一种逆变器最大输出电流限制电路及方法,以解决上述的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明的一种逆变器最大输出电流限制电路及方法的具体技术方案如下:
一种逆变器最大输出电流限制电路,包括:逆变器电路、采样电路S1和控制芯片S3,所述逆变器电路连接采样电路S1,所述采样电路S1连接控制芯片S3;所述采样电路S1包括电压采样电路和电流采样电路,所述采样电路S1获取电压和电流信息传给控制芯片S3,所述控制芯片S3包括比较电路,比较电路用来获取电流的最大值是否超过设定的比较值的信息,所述控制芯片S3内烧录编写的软件程式,所述控制芯片S3根据采样信号进行逻辑与运算处理,最后输出驱动信号控制逆变器电路的开关管。
进一步的,所述比较电路为控制芯片S3内部的比较器S31。
进一步的,所述比较电路为控制芯片S3外部的硬件比较电路S2,所述采样电路S1连接硬件比较电路S2,所述硬件比较电路S2连接控制芯片S3。
本发明还公开了一种逆变器最大输出电流限制方法,包括如下步骤:
步骤1:利用比较电路将逆变器电流的最大值信息,转换成电平信号或者软件的标志位信号;
步骤2:根据电流最大值是否触发预警的信号,在每个控制周期内改变电流指令限值,而非直接关闭开关管;
步骤2.1:如果电流最大值超过比较阈值,则减小电流指令限值,并将信号手动复位;
步骤2.2:如果电流最大值没有超过比较阈值,则开始等待时间的计时;如果累计等待一段时间,都没有检测到电流最大值超过比较阈值,则增大电流指令限值。
进一步地,电流的比较阈值大于正常运行时的最大电流值,小于硬件保护电流的触发值。
进一步地,所述步骤2.1:如果电流最大值超过比较阈值,减小1%-3%电流指令限值。
进一步地,步骤2.2:累计等待一段时间,都没有检测到电流最大值超过比较阈值,则增大1%-3%电流指令限值,所述等待时间为0-1s。
进一步地,设置电流的比较阈值A,当电流最大值超过A,就减小当前的电流指令限值Iref,每次减小n%当前电流指令限值,即A1=n%*Iref,减小之后的电流指令限值变成Iref1=(1–n%*N)Iref,N从零开始每控制周期加1,直到最大电流小于比较阈值A,Iref1最小变成0;如果当前控制周期,电流最大值小于比较阈值A,则开始计数;如果计数大于A2,则开始恢复电流指令限值,并将计数清零;电流指令限值恢复m%Iref,则输出电流变成Iref1=(1–n%*N+m%*M)Iref,每当计数达到A2,则M加1,Iref1最大变成Iref。
进一步地,所述A2越大,恢复所需时间越长,A2越小,则电流可能会频繁地在A附近上下变化。
进一步地,所述A2为0-1s,n为1-3,m为1-3。
本发明的一种逆变器最大输出电流限制电路及方法具有以下优点:
1.本发明相比硬件保护电路,电流最大值达到比较阈值时,不是直接关闭开关管,而是通过降低输出电流指令限值来减小最大电流。这样,逆变器的输出更加平缓,控制环路更加稳定;
2.相比常规的软件限流,可以自动动态的调整输出电流的指令,使得最大电流始终不超过设定的最大值。可以避免电网畸变时,畸变点电流尖峰造成噪音,或者畸变点电流尖峰反复触发硬件保护;
3.能够自动调节输出能力,最大化逆变器的输出。电流的最大值近似为电流的基波叠加上电流的纹波。本发明所提出的方法,能自动调整电流指令限值,使得其不超过设定的最大值。
附图说明
图1为数字控制的采样过程示意图;
图2为电流的成分分解结构示意图;
图3为市电电压变化前后电流纹波的变化示意图;
图4为本发明与常规方法的区别示意图;
图5为本发明的逆变器最大输出电流限制电路原理图;
图6为电感感值随电流变化曲线图;
图7为本发明的逆变器最大输出电流限制方法流程图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能,下面结合附图,对本发明一种逆变器最大输出电流限制电路及方法做进一步详细的描述。
如图1所示,为数字控制采样的示意图。控制器每隔固定的时间完成一次采样、运算以及控制输出。控制输出就是下一个周期内,开关管需要开启的时间,相应的开关管会完成一次开启和关闭。一般情况下,开关管开启时,电流上升,关闭时电流下降,会形成图2中锯齿状的波形。数字控制中,采样点是离散分布的,一般会将采样点放置到开关管开启一半的时间,也即电流上升过程的中点,这个点的电流接近一个控制周期内电流的平均值。正因为采样只采集电流上升过程的中点,导致控制器丢失了电流的最大值信息,因此常规的软件限流方法很难去限制电流的最大值。
如图2所示,实际电流可以主要分解成电流基波和开关次的高频纹波。软件可以控制电流的基波,而不能控制开关次的高频纹波。开关次的高频纹波主要受电感感值,直流母线电压和市电电压影响。电感感值越小,直流母线电压越高,市电电压越低,则纹波越大。如图3所示,仅将市电电压变小,可以看到电感电流变粗,即纹波增大了。
如图4所示,常规的软件限流只控制基波电流的大小,当纹波变大或则电网畸变时,电流的最大值就有可能达到硬件保护值。硬件保护会封锁驱动,当再次开启驱动时,如果软件仍然按照原本的大小控制基波电流,会再次触发硬件保护。频繁的触发硬件保护,会降低可靠性,产生噪声。
如图5所示,本发明的一种逆变器最大输出电流限制电路包括:逆变器电路、采样电路S1和控制芯片S3,逆变器电路连接采样电路S1,采样电路S1连接控制芯片S3。采样电路S1包括电压采样电路和电流采样电路,采样电路S1获取电流电压信息传给控制芯片S3,控制芯片S3包括内部比较器S31,内部比较器S31用来获取电流的最大值是否超过设定的比较值的信息。对于没有内部比较器的控制芯片,可以在外部构建一个硬件比较电路S2,采样电路S1连接硬件比较电路S2,硬件比较电路S2连接控制芯片S3。控制芯片S3内烧录编写的软件程式,控制芯片S3根据采样信号进行逻辑与运算处理,最后输出驱动信号控制逆变器电路的开关管。
具体的,本发明的一种逆变器最大输出电流限制方法,包括如下步骤:
步骤1:利用控制芯片S3内部的比较器S31,或者外部硬件比较电路S2,将逆变器电流的最大值信息,转换成电平信号或者软件的标志位信号。比较信号的电平决定了容许的电流最大值,电流的比较阈值要设计成大于正常运行时的最大电流值,小于硬件保护电流的触发值。
步骤2:根据电流最大值是否触发预警的信号,在每个控制周期内改变电流指令限值,而非直接关闭开关管。
步骤2.1:如果信号是置位的(电流最大值超过比较阈值),则减小1%-3%电流指令限值,例如减小1%最大电流,并将信号手动复位。
步骤2.2:如果信号是清零的(电流最大值没有超过比较阈值),则开始等待时间的计时。如果累计等待一段时间,等待时间可以为0-1s,例如0.5s,都没有信号是置位的,则增大1%-3%电流指令限值,例如增大1%。
实施例:
以三相逆变器为例,电流纹波的最大值的近似计算公式如下:
Figure BDA0003598286280000061
式中,Vg为电网相电压幅值,Vbus为直流母线电压,T为控制周期,L为电感。根据该公式,只变化Vbus,在Vg=311V
Figure BDA0003598286280000062
Vbus在900V的纹波约为650V的纹波的1.8倍。在额定工作点(例如直流母线650V,交流230V),一般电流纹波设计成20%~40%,也即意味着在母线电压升高后,电流纹波可能会增大到40%~80%。另外考虑电感的感值也可能随着电流的增大而减小,电流纹波会进一步增大。电感感值和电流的曲线特性主要受磁芯材料影响。逆变器中常见的铁粉芯磁芯就是典型的会随电流增大而缓慢下降,如图6所示。而一般情况下,电流硬件保护值是额定电流幅值Iref的两倍左右。总之,随着直流母线电压升高,逆变器满功率工作时,电流纹波会增大,导致电流的最大值会接近硬件过流保护点。因此需要对电流的最大值做限制。
例如一个逆变器,额定工作电流有效值15A,设计纹波20%的最大值电流,额定点工作电流的最大值约25A
Figure BDA0003598286280000063
参考图6的电感曲线后,电压很高后,电流的最大值可能会变成40A,假定保护点为
Figure BDA0003598286280000071
即42A。这对逆变器的运行来说是非常不合适的,此外交流电网也可能会出现畸变,导致某些点电流异常升高。这些情况下就需要将最大电流降低。
如图7所示,为本发明的逆变器最大输出电路限制方法的流程图。例如设置电流的比较阈值A为35A,那么只要电流最大值超过35A,就减小当前的电流指令限值Iref。例如每次减小1%当前电流指令限值,即A1=0.01*Iref,减小之后的电流指令限值变成Iref1=(1–0.01*N)Iref,N从零开始每控制周期加1,直到最大电流小于比较阈值A,Iref1最小变成0。如果当前控制周期,电流最大值小于比较阈值A,则开始计数。如果计数大于A2,则开始恢复电流指令限值,并将计数清零。A2越大,恢复所需时间越长,A2越小,则电流可能会频繁地在比较阈值A附近上下变化。例如本实施例选取A2为0.5s,电流指令限值恢复2%Iref,即A3=0.02Iref。则输出电流指令限值变成Iref1=(1–0.01*N+0.02*M)Iref,每当计数达到A2,则M加1,Iref1最大变成Iref。
1.本发明相比硬件保护电路,电流最大值达到比较阈值时,不是直接关闭开关管,而是通过降低输出电流的指令来减小最大电流。这样,逆变器的输出更加平缓,控制环路更加稳定。
2.相比常规的软件限流,可以自动动态的调整输出电流的指令,使得最大电流始终不超过设定的最大值。可以避免电网畸变时,畸变点电流尖峰造成噪音,或者畸变点电流尖峰反复触发硬件保护。
3.能够自动调节输出能力,最大化逆变器的输出。电流的最大值近似为电流的基波叠加上电流的纹波。根据电路的特性,直流母线电压越高,市电电压越低,电流的纹波越大。粉芯电感的感值随着电流的增大会衰减,进一步会增大电流的纹波。为了避免电流最大值超出设计,就需要在纹波过大时,适当的减小基波电流。常规的软件限电流方法采用固定的有效值限制,无法解决此问题。如果是根据直流母线电压和交流电压改变限值,又无法顾及电感本身的感值衰减特性。采用保守的电流限值,则会降低逆变器的输出能力。而本发明所提方法,能自动调整电流限值,使得其不超过设定的最大值,可以解决这个问题。
可以理解,本发明是通过一些实施例进行描述的,本领域技术人员知悉的,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外,在本发明的教导下,可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此,本发明不受此处所公开的具体实施例的限制,所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种逆变器最大输出电流限制电路,包括:逆变器电路、采样电路S1和控制芯片S3,所述逆变器电路连接采样电路S1,所述采样电路S1连接控制芯片S3;其特征在于,所述采样电路S1包括电压采样电路和电流采样电路,所述采样电路S1获取电压和电流信息传给控制芯片S3,所述控制芯片S3包括比较电路,比较电路用来获取电流的最大值是否超过设定的比较阈值的信息,所述控制芯片S3内烧录编写的软件程式,所述控制芯片S3根据采样信号进行逻辑与运算处理,最后输出驱动信号控制逆变器电路的开关管。
2.根据权利要求1所述的逆变器最大输出电流限制电路,其特征在于,所述比较电路为控制芯片S3内部的比较器S31。
3.根据权利要求1所述的逆变器最大输出电流限制电路,其特征在于,所述比较电路为控制芯片S3外部的硬件比较电路S2,所述采样电路S1连接硬件比较电路S2,所述硬件比较电路S2连接控制芯片S3。
4.一种利用如权利要求1-3任一项所述的逆变器最大输出电流限制电路进行逆变器最大输出电流限制的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:利用比较电路将逆变器电流的最大值信息,转换成电平信号或者软件的标志位信号;
步骤2:根据电流最大值是否触发预警的信号,在每个控制周期内改变电流指令限值,而非直接关闭开关管;
步骤2.1:如果电流最大值超过比较阈值,则减小电流指令限值,并将信号手动复位;
步骤2.2:如果电流最大值没有超过比较阈值,则开始等待时间的计时;如果累计等待一段时间,都没有检测到电流最大值超过比较阈值,则增大电流指令限值。
5.根据权利要求4所述的逆变器最大输出电流限制方法,其特征在于,电流的比较阈值大于正常运行时的最大电流值,小于硬件保护电流的触发值。
6.根据权利要求4所述的逆变器最大输出电流限制方法,其特征在于,所述步骤2.1:如果电流最大值超过比较阈值,,即电流最大值超限,减小1%-3%电流指令限值。
7.根据权利要求4所述的逆变器最大输出电流限制方法,其特征在于,所述步骤2.2:累计等待一段时间,都没有检测到电流最大值超过比较阈值,则增大1%-3%电流指令限值,所述等待时间为0-1s。
8.根据权利要求4所述的逆变器最大输出电流限制方法,其特征在于,设置电流的比较阈值A,当电流最大值超过A,就减小当前的电流指令限值Iref,每次减小n%当前电流指令限值,即A1= n%*Iref,减小之后的电流指令限值变成Iref1 = (1–n%*N)Iref,N从零开始每控制周期加1,直到最大电流小于比较阈值A,Iref1最小变成0;如果当前控制周期,电流最大值没有超过比较阈值A,则开始计数;如果计数大于A2,则开始恢复电流指令限值,并将计数清零;电流指令限值恢复m%Iref,则输出电流变成Iref1 = (1–n%*N + m%*M)Iref,每当计数达到A2,则M加1,Iref1最大变成Iref。
9.根据权利要求8所述的逆变器最大输出电流限制方法,其特征在于,所述A2越大,恢复所需时间越长,A2越小,则电流可能会频繁地在A附近上下变化。
10.根据权利要求8所述的逆变器最大输出电流限制方法,其特征在于,所述A2为0-1s,n为1-3,m为1-3。
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