CN117154654A - 防止电网和电机中的过电流的电流保护 - Google Patents

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Abstract

设备可包括向外部部件提供输出N相交流电的逆变器。当N等于二时，N相的一相可包括上部门极和下部门极。所述设备还可以包括电流检测器，所述电流检测器被配置成检测所述输出交流电的相电流量值。所述设备还可以包括联接到电流检测器和逆变器的控制器。所述控制器可以生成用于控制逆变器的门极的门极命令。所述控制器还可以确定电流阈值的值小于外部部件的切断电流阈值。所述控制器可以响应于检测到所述相电流量值大于所述电流阈值而提供关闭所述逆变器的对应相的上部门极的保护命令。

Description

防止电网和电机中的过电流的电流保护
技术领域
本公开涉及过电流检测系统，并且更具体地涉及用于避免导致设备的切断状况的过电流情况的系统和方法。
背景技术
微网是发电、电能储存和电力负载的局部化分组。控制器可以用于控制提供给微网的电流，以防止通过过电流状况损坏逆变器部件。某些状况，例如某些模态转换、过载和系统故障，可能导致电流比控制器可以控制到所需水平的速度更快地上升，因此，控制器可以关断对微网的电流输出以防止对逆变器部件的损坏。类似的系统也可以用于控制电流如何提供给电机和发电机。然而，关断微网、电机等对于运营商来说可能是昂贵的。因此，在过电流上升到需要完全系统关断的水平之前，一般需要防止过电流情况。
美国专利申请2022/0115974论述了向电机提供电流、检测电机电流并在检测到电流超过过电流保护阈值时关断电机的驱动设备。
发明内容
在根据本公开的实例中，设备可包括逆变器，所述逆变器被配置成向外部部件提供输出N相交流电，所述N相的一相包括上部门极和下部门极。所述设备还可以包括电流检测器，所述电流检测器被配置成对于每一相检测所述输出N相交流电的相电流的量值。所述设备还可以包括控制器，所述控制器联接到所述电流检测器和所述逆变器且被配置成生成用于控制所述逆变器的门极的门极命令。所述控制器可以被配置成确定电流阈值的值小于所述外部部件的切断电流阈值。所述控制器还可以被配置成响应于检测到所述相电流的量值大于所述电流阈值，提供关闭所述逆变器的对应相的上部门极的保护命令。
在另一实例中，用于电力输送的系统可包括电力装置，所述电力装置包括电网、微网或电机中的至少一个；以及设备，所述设备联接到所述电力装置并且被配置成控制提供到所述电力装置的电流。
在另一实例中，用于控制电力输送系统中的电流的方法可包括检测逆变器的输出交流电的相电流量值。所述方法还可以包括响应于检测到所述相电流量值大于阈值而提供保护命令以关闭所述逆变器的对应相的上部门极。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似部件的不同实例。附图通过实例而非限制的方式大体上示出了本文献中讨论的各种实施例。
图1示出根据本公开的用于防止过电流状况的系统的框图。
图2示出根据本公开的关断阈值和最大电流阈值。
图3示出根据本公开的系统内的保护信号相对于其它信号。
图4示出根据本公开的用于防止过电流状况的逆变器的示意图。
图5示出根据本公开的作业机械的侧视图。
图6示出根据本公开的用于防止过电流状况的过程的流程图。
具体实施方式
图1示出根据本公开的用于防止过电流状况的系统10的框图。如图1所示，系统管理外部部件12的电力传输。在一些实施例中，外部部件12包括网(例如，电网或微网)。在一些实施例中，外部部件12可包括电机或发电机。在一些实施例中，外部部件12可包括车辆(例如作业机械100(图3))的电机。系统10包括设备14。设备14可包括逆变器22，所述逆变器被配置成将输出N相交流电20提供到外部部件12。参考图4更详细地描述了N相和逆变器电路系统。
在外部部件12包括网的实施例中，外部部件12可包括负载和电源(未描绘)两者。电源可包括太阳能板、风力涡轮机、柴油或燃气发电机组、燃料电池和/或公用事业电网。
设备14可以经由N相总线20联接到网12。在实例中，总线20是三相总线，但实施例不限于此。设备14可包括DC-AC双向逆变器22和负载控制器24，所述负载控制器具有用于外部部件12的传感器连接26。在实例中，外部部件12包括三相网或三相电机，但实施例不限于三相。传感器连接26可以包括一个或多个电流检测器，所述一个或多个电流检测器被配置成检测输出交流电的相电流量值。
设备14将电流输出到外部部件12。通常，在某些模态转换、过载状况或故障状况期间，电流上升得更快。控制器24联接到电流检测器(例如，传感器26)和逆变器，并且被配置成生成用于控制逆变器(例如，逆变器22)的门极的门极命令。控制器24可以不在所有负载状况、故障状况、模态转换等下在优选或期望的时间量内将输出电流控制到期望的水平。此状况可导致关断以保护外部部件12的部件。关断成本高昂，在关断后使外部部件12重新上线可能耗时。
根据一些实施例的设备14通过在由于过电流，电流越过阈值超过正常命令值但处于用于关断系统的阈值内时，限制电流输出到外部部件12来解决这些问题和其它问题。这些阈值在图2中示出。
图2示出根据本公开的关断阈值和最大电流阈值。输出电流200示为正弦波。虽然示出了正弦波，但实施例不限于此，并且输出电流的表示可采用其它形状。如果输出电流超过正关断电流阈值202，或相反，如果电流的负值下降低于负关断电流阈值204，则根据实施例的设备14可以控制逆变器22停止向外部部件12提供电流(例如，关断)。例如，如本文稍后所述，设备14中的门极可以被控制以强加将向下驱动电流200的较低电压。正电流阈值206可以设置为在正关断电流阈值202的某一范围内的值。类似的负电流阈值208可以设置为在负关断电流阈值204的某一范围内的值。此范围可基于系统的带宽、系统的响应时间、在错误状况或其它状况下可预期电流上升的速度。
图3示出根据本公开的系统内的保护信号300相对于其它信号。保护信号300用于基于如本文中所描述的检测到的电流中断逆变器22的门极的控制。保护信号300可以由控制器24(图1)提供，作为固件解决方案、软件解决方案(例如，作为现场可编程门阵列(FPGA)解决方案)或硬件解决方案的一部分。因此，控制器24可包括处理电路系统、存储器等。响应于相电流与最大电流阈值之间的比较，打开(例如，“启用”或“激活”)保护信号。由于存在多相，因此存在多个保护信号，一个相一个保护信号。当受保护门极命令与原始门极命令匹配且电流低于最大电流阈值时，保护信号被禁用(优先级低于启用)。
如图3所示，可以使用正弦三角切换方法，其中相对快的(高频)载波302和较慢的参考波304(其可以为正弦波)用于生成脉冲宽度调制(PWM)信号306，该信号表示载波302与参考波304的比较。PWM信号306可以类似于信号308的方式视为理想原始命令，但为了说明目的单独提供和绘制PWM信号306。类似于信号308，虽然信号308被单独提供。在各方面，载波302可以比参考波304快得多(例如，快至少10倍至20倍)，但为了清楚起见，图3中示出较慢的载波302。载波302可以以标称频率运行，并且参考波304可以与系统频率或设备14频率同步。虽然描述了正弦三角波实施和开关策略，但实施例不限于此，且可包括空间矢量PWM或其它实施和开关策略。PWM信号306可以为高(并且在参考波304低于载波302时相反地为低)。实施例和根据实施例的系统生成PWM信号306的方式是独立的。
当电流低于最大阈值且原始开关命令308(根据一些实施例，在被解决方案拦截之前的开关命令)与由解决方案施加的开关命令(例如，保护信号300)匹配时，解决方案可以停用(例如，保护信号300关闭或变低)。曲线312表示应用于两级逆变器的上部门极的最终命令，并且表示保护信号300和原始开关命令308的组合，使得当保护信号300为高时，曲线312为低。否则，当保护信号300为低时，曲线312应与曲线308匹配。在将最终命令应用于下部门极的情况下，曲线312将与图3中所示的曲线312相反。时间段310表示在短时间段内不允许“接通”上部门极以确保在保护激活时不插入脉冲的时间。一般来说，下部门极状态总是与上部门极状态相反。关于图3和信号312，正最大电流阈值激活与负最大电流阈值激活之间的不同在于当正最大电流保护激活时，最终命令保持为低(这使得对于两级逆变器，上部门极断开，下部门极接通)，当负最大电流命令激活时，最终命令保持为高(这使得上部门极接通，下部门极断开)。
对于两级解决方案，有两个可能的输出电压：+Vdc和-Vdc。保护可以应用-Vdc来使正电流情况向下驱动电流，并且可以应用+Vdc来使负电流情况将电流驱动为零。对于三级解决方案，有三种可能的输出电压：+Vdc、0V和-Vdc。当正保护激活时，用于三级解决方案的保护停止/防止系统应用+Vdc，这将导致系统转换到应用0V，并且允许系统在原始命令尝试应用-Vdc时应用-Vdc。对于负保护，当负保护激活时，保护停止/防止系统应用-Vdc，这将导致系统转换到应用0V，并且如果原始命令尝试应用+Vdc允许其应用+Vdc。在三(或更大)电平逆变器的情况下，当最大电流保护激活时拓扑允许在选择应用所需电压电平以保护系统时有更大的灵活性。例如，如果正最大电流激活，则控制器24可以选择将电压降低到零、较少正电压或最大负电压的状态(由针对特定相位启用的门极的组合定义的)从而允许最大电流阈值、在期望范围内驱动电流的速度以及通过应用此保护引起的其它副作用之间的折衷。将电压改变较大量值需要电压的附加阶梯以按适当次序施加电压，并且将使得在保护激活时屏蔽额外可能的电压状态。
在另外其它方面，控制器22可以在正保护激活时迫使系统应用-Vdc，并且不允许应用+Vdc或0(并且负保护激活时相反)，尽管这可能产生更不期望的影响。可以实现“死区时间”，使得上部开关和下部开关两者在过渡时段内关断(例如，在开关中的一个或另一个开关“断开”且另一个开关“接通”之前)。另外，根据实施例的保护可以覆盖其它类型的保护，但可以被完整的系统关断覆盖。这可以防止电池(例如，DC电压)与接地之间的直接短路。在实施例中，关断保护具有较高优先级以防止损坏系统部件。
匹配的命令状态防止开关状态发生任何额外改变，这种改变可违反为热保护开关而设置的装置切换频率限制。此外，代替提供启用和禁用保护的单一限制或阈值，可以实施滞带，如本文稍后进一步详细描述。
因此，在一些实施例中，逐个脉冲电流限制将单相的门极命令强制到将迫使一相中的电流在相电流量值越过阈值时减小量值的状态。在一些实例中，所使用的阈值可以存储在由控制器24访问的存储器中，例如存储在寄存器中。可存储多于一个阈值；例如，一个阈值可用于正电流，另一个阈值用于负电流。如果相电流是大正电流，则相的上部门极将关断，从而引起下部门极接通，这可迫使电流的量值减小。对于大负电流是相反情况。
设备14还可以包括控制器24内的模拟-数字转换器(ADC)27。由ADC 27测量的相电流可能不由控制器24滤波以便加速实施例的响应时间。然而，在其它实例中，可以在需要某些滤波的情况下提供单独的滤波系数。控制器24还被配置成将上部门极维持在断开状态，直到相电流量值低于电流阈值。如果一相触发，则该相必须保持在其当前状态中，直到电流的量值低于阈值且原始命令匹配命令的当前状态(由保护强制的状态)以防止发生额外切换。此特征触发的每次出现都按相计数，并提供于设备14的寄存器或其它存储器中。这些寄存器可以包括一种类型的读取寄存器。这是为了让更高级的控制器以较慢的循环速率运行，从而知道这种情况正在发生，以及以什么速率发生以允许其可能做出额外决定。
图4示出根据本公开的用于防止过电流状况的逆变器36的示意图。逆变器36使用几对开关晶体管50、52、54，其中开关晶体管50、52、54一起通过可以常规方式包括LC电路和变压器(图4中未示出)的各种拓扑驱动几个潜在负载(例如，网、电机、发电机)。开关晶体管50中的每一个可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其通常用于高电压和高电流功率应用中。变压器56可包括Δ-Y变压器，但实施例不限于此。
如本文中前面提到的，外部部件12可包括电机或发电机。在一些实例中，电机可以是例如作业机械100的高功率电机。图5示出了其中可以实施过电流设备14的示例作业机械100。虽然图5示出了作为作业机械的挖掘机，但是任何其它类型的车辆还可包括过电流设备14，并且实施例不限于在挖掘机上使用。
参考图5，作业机械100可包括上部结构102、下部结构104和作业元件106。上部结构102可以包括主体108和操作员室110。操作员室110安装在主体108上。操作员室110可以包括从机器操作员接收可以指示作业机械100的期望操纵的输入的装置。具体地说，操作员室110可包括一个或多个操作员接口装置。操作员接口装置的实例包括但不限于操纵杆、行进控制杆和/或踏板(其都没有示出，但在行业中是众所周知的)。
下部结构104可包括一对履带112(例如，运输装置)，以在道路上驱动作业机械100。一对履带112可以由静液传动或由电动行驶电机驱动，所述静液传动或电动行驶电机又由例如内燃发动机(未示出)的原动机提供动力。过电流保护设备14可以通过限制到作业机械100的发电机或电机的电流(图5中未示出)来帮助防止由作业机械100的操作产生的过电流状况。例如，设备14的每个输出可以连接到作业机械100的电机的引线。
作业元件106包括动臂114、斗杆(例如，“杆”)116和作业工具118。作业工具118可包括例如铲斗。动臂114可以在枢轴点120处安装在主体108上。动臂114借助于动臂液压缸122进行竖直枢转。动臂液压缸122的第一端124可以联接到主体108。动臂液压缸122的第二端126可以联接到动臂114。动臂114可以联接到杆116。
杆116通过延伸或缩回斗杆液压缸128而相对于动臂114移动。斗杆液压缸128的第一端130联接到动臂114。斗杆液压缸128的第二端132联接到杆116。杆116可以进一步联接到作业工具118。
作业工具118通过延伸或缩回作业工具液压缸134而相对于杆116移动。作业工具液压缸134经由铲斗连杆组件136移动作业工具118。作业工具液压缸134的第一端138可以联接到杆116。作业工具液压缸134的第二端140联接到铲斗连杆组件136。在实施例中，铲斗连杆组件136可被称为作业工具连杆组件且可用于联接任何类型的作业工具。
许多不同的作业工具118可以附接到作业机器100，并且可以由机器操作员控制。作业工具118可以包括用于执行特定任务的任何装置，例如刮板、叉装置、铲斗、犁、切割装置、抓握装置和/或本领域已知的任何其它任务执行装置。
可以提供用于电控制作业机械100的各个方面，包括防止过电流状况的控制器150。例如，控制器150可以在作业机器100的操作期间从作业机器100的各种部件发送和接收信号。控制器150可以包括可存取的机载存储器或远程位置的存储器。例如，作业机械器100及其控制器150可以使用连接152无线地通信连接到远程设备154，远程设备可包括存储器156。
工业适用性
一般来说，设备14可以被构造并装备成检测提供到外部部件12的电流的水平。当电流越过阈值时，可使用保护信号控制设备的门极以减小输出到外部部件12的电流的量值。在禁用保护信号并允许再次向外部部件提供电流之前，可以维持该保护信号一段时间。
图6示出根据本公开的用于过电流保护的过程600的流程图。过程600可以由设备14的部件(图1)执行，但实施例不限于此。
过程600从操作602开始，检测逆变器的输出交流电的相电流量值。过程600继续操作604，响应于检测到相电流量值大于电流阈值，提供保护命令以关闭逆变器的对应相的上部门极。
通过执行如本文中所描述的保护，可以在需要系统关断以保护部件之前调节过电流状况。因此，电网运营商可以避免成本高昂的关断和从关断恢复浪费的时间。
上面的详细描述意图是说明性的，而不是限制性的。因此，本公开的范围应参考所附权利要求以及这样的权利要求所赋予的等效物的完整范围来确定。

Claims (10)

1.一种设备，包括：
逆变器，所述逆变器被配置成向外部部件提供输出N相交流电，所述N相的一相包括上部门极和下部门极；
电流检测器，所述电流检测器被配置成对于每一相检测所述输出N相交流电的相电流的量值；以及
控制器，所述控制器联接到所述电流检测器和所述逆变器并且被配置成生成用于控制所述逆变器的门极的门极命令，所述控制器还被配置成：
确定电流阈值的值小于所述外部部件的切断电流阈值；以及
响应于检测到所述相电流的量值大于所述电流阈值，提供关闭所述逆变器的对应相的上部门极的保护命令。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器还包括模拟-数字转换器(ADC)，并且其中所述相电流由所述ADC测量并且由所述控制器滤波。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器还包括模拟-数字转换器(ADC)，并且其中所述相电流由所述ADC测量并且不由所述控制器滤波。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器还被配置成将所述上部门极保持在断开状态，直到所述相电流量值低于所述电流阈值。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述控制器还被配置成将所述上部门极保持在断开状态，直到所述保护命令和所述门极命令处于相同状态。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器被配置成响应于检测到所述相电流为负且所述相电流的值小于所述电流阈值，提供关闭所述对应相的下部门极的命令。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器被配置成响应于检测到所述相电流为正且所述相电流的值大于所述电流阈值，提供关闭所述对应相的上部门极的命令。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器被配置成响应于检测到所述相电流量值大于切断阈值而提供关闭所述输出交流电的命令。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述输出N相交流电包括三相交流电。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述外部部件包括电网。
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