CN117154768A - 三相平衡控制装置、变频器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相平衡控制装置、变频器及控制方法，其中，该装置包括换相模块，其输入端连接电源的三相输出线路，其输出端连接至用电端的三相输入线路，且通过所述换相模块可将所述电源的每一相输出线路切换导通至用电端的每一相输入线路；电压检测模块，与所述电源的三相输出线路相连，用于采集三相电压；控制模块，分别与所述换相模块和所述电压检测模块连接，用于根据所述三相电压判定处于三相不平衡状态时，控制所述换相模块开启换相模式，在所述换相模式下，所述电源的每一相输出线路在所述用电端的三相输入线路之间周期性的切换导通，以解决现有技术中输入三相不平衡的情况时，需要进行停机，影响用户对用电设备的正常使用的问题。

Description

三相平衡控制装置、变频器及控制方法

技术领域

本发明涉及三相控制技术领域，特别是一种三相平衡控制装置、变频器及控制方法。

背景技术

输入三相不平衡一般由于输入电源不平衡或者三相负载不平衡等外界条件因素导致，若长期运行可能会使得用电设备中运行电流最大的一路出现故障。目前，通用整流方案多采用成本较低、可靠性差的二极管不可控整流拓扑，对于输入三相不平衡无处理能力。还有一些方案是在产品程序里增加停机功能，但这样会影响用户对用电设备的正常使用，破坏用户体验。

针对上述相关技术中，对于输入三相不平衡的情况，需要进行停机，影响用户对用电设备的正常使用的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种三相平衡控制装置、变频器及控制方法，以解决现有技术中输入三相不平衡的情况时，需要进行停机，影响用户对用电设备的正常使用的问题。

为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种三相平衡控制装置，包括：

换相模块，其输入端连接电源的三相输出线路，其输出端连接至用电端的三相输入线路，且通过所述换相模块可将所述电源的每一相输出线路切换导通至用电端的每一相输入线路；

电压检测模块，与所述电源的三相输出线路相连，用于采集三相电压；

控制模块，分别与所述换相模块和所述电压检测模块连接，用于根据所述三相电压判定处于三相不平衡状态时，控制所述换相模块开启换相模式，在所述换相模式下，所述电源的每一相输出线路在所述用电端的三相输入线路之间周期性的切换导通。

可选的，所述换相模块包括：三个结构相同的切换单元，每个所述切换单元皆包括三条并联的切换线路，每条所述切换线路上皆设有开关元件；三条切换线路的输入端连接所述电源的一相输出线路；三条切换线路的输出端分别连接所述用电端的三相输入线路。

可选的，所述切换单元还包括用于采集所述切换单元温度信号的感温装置；所述感温装置还与所述控制单元连接。

可选的，所述开关元件为IGBT，所述IGBT的集电极连接所述电源的一相输出线路，发射极连接至所述用电端的一相输入线路，栅极连接至所述控制模块。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种变频器，包括用电端以及上述的三相平衡控制装置；所述用电端包括三相输入线路；所述三相平衡控制装置中的换相模块的输出端连接至所述用电端的三相输入线路。

可选的，所述用电端的每一相输入线路皆包括两个正接的整流二极管，所述换相模块的输出端连接在两个所述整流二极管之间。

可选的，所述用电端还包括逆变模块，以及，与所述三相输入线路连接的直流接触器和直流储能电容；所述直流接触器并联有放电电阻，所述直流储能电容并联有充电电阻；所述逆变模块的正极输入端和负极输入端分别连接在所述直流储能电容的输入端和输出端。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种三相平衡控制方法，用于控制上述的三相平衡控制装置，所述方法包括：

采集三相电压；

根据所述三相电压判定是否处于三相不平衡状态，若是，则开启换相模式，在所述换相模式下，所述电源的每一相输出线路在用电端的三相输入线路之间周期性的切换导通。

可选的，所述根据所述三相电压判定是否处于三相不平衡状态，包括：

若三相电压的偏差率大于或等于偏差率阈值，则判定处于三相不平衡状态。

可选的，若所述换相模块包括三个切换单元，每个切换单元连接电源的一相输出线路，则所述方法还包括：

采集三个切换单元的温度值；

若三个切换单元的温度值偏差大于或等于偏差阈值，则控制降低温度最高的切换单元的占空比，使该切换单元按照降低后的占空比工作。

可选的，若所述换相模块包括三个切换单元，每个切换单元连接电源的一相输出线路，则所述方法还包括：

采集三个切换单元的温度值；

若三个切换单元中任一个切换单元的温度值大于或等于第一温度阈值，则控制降低负载工作功率，直至温度值降低至所述第一温度阈值以下。

可选的，若三个切换单元中任一个切换单元的温度值大于或等于第二温度阈值，则控制停机，所述第二温度阈值大于所述第一温度阈值。

本发明提供的一种三相平衡控制装置、变频器及控制方法，通过在电源的三相输出线路和用电端的三相输入线路之间设置一个换相模块，当根据三相电压判定处于三相不平衡的状态时，通过换相模块，控制电源的三相输出线路的每一相，在受电端的三相输入线路之间，按照周期来回切换，这样，即便存在三相输入不平衡的问题，最终用电端每一路上的输出电流整体上也是相同的，从而解决了三相输入不平衡的问题，并且，在实现三相平衡的同时，不需要停机，可避免影响用户对用电设备的正常使用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种三相平衡控制装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种变频器的结构示意图；

图3为本发明另一个实施例提供的一种变频器的结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供一种三相平衡控制方法的流程示意图；

图5是本发明另一个实施例提供一种三相平衡控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

相关技术中，输入三相不平衡一般指由于输入电源不平衡或者三相负载不平衡等外界条件因素导致的输入侧电压或者电流不平衡。由于整流装置一般为三相完全一样的硬件构成，在输入三相不平衡条件下可能导致流过不同路的电流不相同，从而导致发热不均匀，长期运行可使某一路先出现故障。目前，通用变频器采用不可控整流拓扑，对三相不平衡无处理能力，而解决三相不平衡的通常方案是在产品程序里增加停机功能，但这会严重影响用户体验。因此，目前，尚没有一种有效的解决方案，在实现三相平衡的同时，不需要停机，可避免影响用户对用电设备的正常使用。

基于上述问题，本发明提出一种三相平衡控制装置，以解决相关技术中的技术问题。下面进行详细介绍。

结合图1-2，本发明实施例提供的一种三相平衡控制装置，包括换相模块11、电压检测模块13和控制模块15。其中：

换相模块11的输入端连接电源的三相输出线路，换相模块11的输出端连接至用电端17的三相输入线路，并且，通过换相模块11可将电源的每一相输出线路切换导通至用电端17的每一相输入线路。

例如，对于电源的第一相输出线路，换相模块11可将其切换至用电端17的第一相输入电路、第二相输入电路和第三相输入电路。同理，对于电源的第二相输出线路和第三相输出线路，换相模块11也可将两者皆切换至用电端17的第一相输入电路、第二相输入电路和第三相输入电路。当然，应当理解的是，电源的三相输出电路中，不能存在两路或两路以上接入到用电端17同一相输入线路的情形，即电源的每一相线路与用电端17的每一相线路为一一对接关系。

电压检测模块13与电源的三相输出线路相连，用于采集三相电压，即分别获取电源的三相输出线路上的三个电压信号。控制模块15分别与换相模块11和电压检测模块13连接，一方面接收来自电压检测模块13检测到的三相电压值，另一方面可根据三相电压值执行对换相模块11执行控制策略。例如，在图1中，电压检测模块13采集电源的第一相电压L1、第二相电压L2、第三相电压L3。

具体而言，控制模块15对换相模块11的控制策略包括：当根据三相电压判定处于三相不平衡状态时，控制换相模块11开启换相模式，在所述换相模式下，电源的每一相输出线路在用电端17的三相输入线路之间周期性的切换导通。这样，即便存在三相输入不平衡的问题，最终用电端每一路上的输出电流整体上也是相同的，从而解决了三相输入不平衡的问题，并且，在实现三相平衡的同时，不需要停机，可避免影响用户对用电设备的正常使用。

例如，在初始状态下，电源的第一相输出线路导通至用电端17的第一相输入线路，电源的第二相输出线路导通至用电端17的第二相输入线路，电源的第三相输出线路导通至用电端17的第三相输入线路。则在下一个预设的周期，控制换相模块11对上述线路的对接模式进行切换，使得，电源的第一相输出线路导通至用电端17的第二相输入线路，电源的第二相输出线路导通至用电端17的第三相输入线路，电源的第三相输出线路导通至用电端17的第一相输入线路。再到下一个预设周期时，再次控制换相模块11对上述线路的对接模式进行切换，使得，电源的第一相输出线路导通至用电端17的第三相输入线路，电源的第二相输出线路导通至用电端17的第一相输入线路，电源的第三相输出线路导通至用电端17的第二相输入线路。这样，对于电源的每一相输出线路，其电流均周期性输出在用电端17的三相输入线路上，因此从长期运行来看，用电端17的每一相输入线路上流过的电流大体上都是相同的。避免出现某一路因输入不平衡的问题提前损坏，进而防止整个变频器的损坏。

可选的，换相模块11包括三个结构相同的切换单元，每个切换单元连接电源的一相输出线路。其中，每个切换单元皆包括三条并联的切换线路，每条切换线路上皆设有开关元件，用于控制该条切换线路的导通与断开。三条切换线路的输入端连接电源的一相输出线路；三条切换线路的输出端分别连接用电端17的三相输入线路，从而将切换单元所连接的电源的一相输出线路切换导通至用电端17的任一相输入线路上。各个切换单元对其中一相电源的输出线路独立控制，因此若出现某个切换单元损坏的情况，可以单独更换，避免更换整个换相模块11。

可选的，切换单元还包括用于采集切换单元温度信号的感温装置；感温装置还与控制单元连接，从而将温度信号传输给控制单元，以便控制单元根据温度信号执行相关的控制策略。

可选的，开关元件为IGBT，IGBT的集电极连接电源的一相输出线路，发射极连接至用电端17的一相输入线路，栅极连接至所述控制模块15。以IGBT为例，其通常包括有感温电阻，可以用于作为上文实施例介绍的感温装置，采集IGBT的温度信号。IGBT连同其感温电阻封装在一个外壳中，作为上述的切换单元使用。本实施例中，可以通过定制模块IGBT规格满足全频段、全电压范围运行需求。定制规格可以包括额定电压、额定电流、重复峰值电流、极限运行频率、开通关断速度及延时等参数。

以图3所示为例，包括换相阵列X1、受电电路X2以及DSP芯片X3，其中，电源的第一相输出线路连接第一切换单元U1，第一切换单元U1包括三条并联的线路，每条线路上分别设置第一开关元件Q1，第二开关元件Q2、第三开关元件Q3。从第一切换单元U1设置的感温装置可以采集第一温度信号T1。第一开关元件Q1，第二开关元件Q2、第三开关元件Q3均为IGBT，其栅极，即控制端子分别连接作为控制模块15的DSP，由DSP分别向其发送脉宽调制信号，即PWM1、PWM2、PWM3。

电源的第二相输出线路连接第二切换单元U2，第二切换单元U2包括三条并联的线路，每条线路上分别设置第四开关元件Q4，第五开关元件Q5、第六开关元件Q6。从第二切换单元U2设置的感温装置可以采集第二温度信号T2。第四开关元件Q4，第五开关元件Q5、第六开关元件Q6均为IGBT，其栅极，即控制端子分别连接DSP，由DSP分别向其发送脉宽调制信号，即PWM4、PWM5、PWM6。

电源的第三相输出线路连接第三切换单元U3，第三切换单元U3包括三条并联的线路，每条线路上分别设置第七开关元件Q7，第八开关元件Q8、第九开关元件Q9。从第三切换单元U3设置的感温装置可以采集第三温度信号T3。第七开关元件Q7，第八开关元件Q8、第九开关元件Q9均为IGBT，其栅极，即控制端子分别连接DSP，由DSP分别向其发送脉宽调制信号，即PWM7、PWM8、PWM9。

此外，三个PIM模组，即第一切换单元U1、第二切换单元U2和第三切换单元U3上还可输入第一使能信号OE1、第二使能信号OE2以及第三使能信号OE3，三个使能信号正常工作状态置1。

当检测到处于三相不平衡状态时，可控制进入高频换相模式，高频换相模式为DSP发出9通道PWM波，并在当前周期保持PWM1、PWM5、PWM9，下一周期保持PWM2、PWM6、PWM7，再下一周期保持PWM3、PWM4、PWM8，再下一周期回归PWM1、PWM5、PWM9输出信号，以此顺序循环往复，频率可设置为5K，通过高频换相模式可使得流入用电端17整流二极管的三相电流有效值在工频范畴下等值，有效延长了整流装置的使用寿命。

本发明实施例还提供了一种变频器，结合图2，包括用电端17以及上述的三相平衡控制装置；用电端17包括三相输入线路；三相平衡控制装置中的换相模块11的输出端连接至用电端17的三相输入线路。

用电端17的每一相输入线路皆包括两个正接的整流二极管，换相模块11的输出端连接在两个所述整流二极管之间。如图3所示，用电端17的第一相输入线路中包括串接的第一整流二极管D1和第二整流二极管D2。相应的，用电端17的第二相输入线路中包括串接的第三整流二极管D3和第四整流二极管D4。用电端17的第三相输入线路中包括串接的第五整流二极管D5和第六整流二极管D6。

进一步地，用电端17还包括逆变模块，以及，与三相输入线路连接的直流接触器QF1和直流储能电容C1；直流接触器QF1并联有放电电阻R1，直流储能电容C1并联有充电电阻R2；逆变模块的正极输入端和负极输入端分别连接在直流储能电容C1的输入端和输出端。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种三相平衡控制方法，用于控制上述的三相平衡控制装置，结合图4，所述方法包括：

步骤S101，采集三相电压；

步骤S103，根据所述三相电压判定是否处于三相不平衡状态，若是，则开启换相模式，在所述换相模式下，所述电源的每一相输出线路在用电端的三相输入线路之间周期性的切换导通。

其中，电源的每一相输出线路在用电端17的三相输入线路之间周期性的切换导通的示例，可参考上文实施例中的相关描述，在此不再赘述。

可选的，所述根据所述三相电压判定是否处于三相不平衡状态，包括：

若三相电压的偏差率大于或等于偏差率阈值，则判定处于三相不平衡状态。例如，若第一相电压L1、第二相电压L2、第三相电压L3的偏差率在合理范围内，则暂不触发进入高频换相模式，保持正常工作状态，若第一相电压L1、第二相电压L2、第三相电压L3的偏差率超出标准量，则可以切换上文实施例介绍的高频换相模式，在此不再赘述。

可选的，若所述换相模块11包括三个切换单元，则所述方法还包括：

步骤S105，采集三个切换单元的温度值；如如第一温度信号T1，第二温度信号T2，第三温度信号T3。

步骤S107，若三个切换单元的温度值偏差大于或等于偏差阈值，则控制降低温度最高的切换单元的占空比，使该切换单元按照降低后的占空比工作。

如此，可以将温度较高的切换单元维持在较低占空比工作，以便降低其工作温度，使得各个切换单元的工作温度保持平衡，防止某一切换单元先出现损坏。

本实施例将此模式称为跳频模式，在跳频模式下，作为一个示例，可以通过DSP中的算法计算出来某一占空比，计算原则为使得占空比相对于温度偏差未超过偏差阈值时的占空比降低，即遵循温度越高，应该使得占空比越低的规则。然后，通过使能信号使得温度最高的切换单元按照该降低后的占空比工作，同时，如此前已开启换相模式，则继续维持，例如，DSP维持前文实施例介绍的高频换相模式，且仍按照5K频率持续发出PWM波。

可选的，方法还包括步骤S109，若三个切换单元中任一个切换单元的温度值大于或等于第一温度阈值，则控制降低负载工作功率，直至温度值降低至所述第一温度阈值以下。

本实施例中，该第一温度阈值也可称为限频值，达到限频值，则触发限频模式，限制负载工作功率，待温度信号降低至安全范围再退出限频模式。

可选的，方法还包括步骤S111，若三个切换单元中任一个切换单元的温度值大于或等于第二温度阈值，则控制停机，所述第二温度阈值大于所述第一温度阈值。本实施例中，第二温度阈值为停机值，达到后则触发停机模式，卸载负载，停止机组工作，待工作人员排除故障或异常情况，手动重新上电。

步骤S109和步骤S111分别在温度较高和极高的情况下，分别通过相应的控制策略降低切换单元的工作温度，避免出现损坏的同时，还可以根据实际温度情况灵活调整切换单元的工作模式。

图5示出了另一个实施例中的三相平衡控制方法，同样基于上述的三相平衡控制装置实现，其中，在启动上电后，维持Q1、Q5、Q9开通。

接着，判断母线电容，即判断直流储能电容C1是否充至额定电压，若否，则继续维持Q1、Q5、Q9开通，若是，则判断第一相电压L1、第二相电压L2、第三相电压L3的偏差率是否在合理范围内，若是，则继续维持Q1、Q5、Q9开通。若否，则触发高频换相模式。

即，正常工作状态下IGBT开通Q1、Q5、Q9，在机组刚上电阶段直流接触器保持断开状态，客户用电设备充电，直到额定电压直流接触器吸合，机组进入正常运行状态，逆变模块开始工作。进一步判断是否需要触发高频换相模式。

然后，无论是维持Q1、Q5、Q9开通还是进入高频换相模式，均继续检测第一温度信号T1，第二温度信号T2，第三温度信号T3的偏差是否在允许范围内，若是，维持原工作状态，若否，进入跳频模式。

最后，判断是否收到停机信号，若否，则继续维持Q1、Q5、Q9开通，若是，则停机。

上文实施例中的，高频换相模式、跳频模式、停机条件等，均可参考上文实施例的介绍，在此不再赘述。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (12)

1.三相平衡控制装置，其特征在于，包括：

换相模块，其输入端连接电源的三相输出线路，其输出端连接至用电端的三相输入线路，且通过所述换相模块可将所述电源的每一相输出线路切换导通至用电端的每一相输入线路；

电压检测模块，与所述电源的三相输出线路相连，用于采集三相电压；

控制模块，分别与所述换相模块和所述电压检测模块连接，用于根据所述三相电压判定处于三相不平衡状态时，控制所述换相模块开启换相模式，在所述换相模式下，所述电源的每一相输出线路在所述用电端的三相输入线路之间周期性的切换导通。

2.根据权利要求1所述的三相平衡控制装置，其特征在于，所述换相模块包括：三个结构相同的切换单元，每个所述切换单元皆包括三条并联的切换线路，每条所述切换线路上皆设有开关元件；三条切换线路的输入端连接所述电源的一相输出线路；三条切换线路的输出端分别连接所述用电端的三相输入线路。

3.根据权利要求2所述的三相平衡控制装置，其特征在于，所述切换单元还包括用于采集所述切换单元温度信号的感温装置；所述感温装置还与所述控制单元连接。

4.根据权利要求2或3所述的三相平衡控制装置，其特征在于，所述开关元件为IGBT，所述IGBT的集电极连接所述电源的一相输出线路，发射极连接至所述用电端的一相输入线路，栅极连接至所述控制模块。

5.一种变频器，其特征在于，包括用电端以及权利要求1-4任一所述的三相平衡控制装置；所述用电端包括三相输入线路；所述三相平衡控制装置中的换相模块的输出端连接至所述用电端的三相输入线路。

6.根据权利要求5所述的变频器，其特征在于，所述用电端的每一相输入线路皆包括两个正接的整流二极管，所述换相模块的输出端连接在两个所述整流二极管之间。

7.根据权利要求5所述的变频器，其特征在于，所述用电端还包括逆变模块，以及，与所述三相输入线路连接的直流接触器和直流储能电容；所述直流接触器并联有放电电阻，所述直流储能电容并联有充电电阻；所述逆变模块的正极输入端和负极输入端分别连接在所述直流储能电容的输入端和输出端。

8.一种三相平衡控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1-4任一所述的三相平衡控制装置，所述方法包括：

采集三相电压；

根据所述三相电压判定是否处于三相不平衡状态，若是，则开启换相模式，在所述换相模式下，所述电源的每一相输出线路在用电端的三相输入线路之间周期性的切换导通。

9.根据权利要求8所述的三相平衡控制方法，其特征在于，所述根据所述三相电压判定是否处于三相不平衡状态，包括：

若三相电压的偏差率大于或等于偏差率阈值，则判定处于三相不平衡状态。

10.根据权利要求8所述的三相平衡控制方法，其特征在于，若所述换相模块包括三个切换单元，每个切换单元连接电源的一相输出线路，则所述方法还包括：

采集三个切换单元的温度值；

若三个切换单元的温度值偏差大于或等于偏差阈值，则控制降低温度最高的切换单元的占空比，使该切换单元按照降低后的占空比工作。

11.根据权利要求8所述的三相平衡控制方法，其特征在于，若所述换相模块包括三个切换单元，每个切换单元连接电源的一相输出线路，则所述方法还包括：

采集三个切换单元的温度值；

若三个切换单元中任一个切换单元的温度值大于或等于第一温度阈值，则控制降低负载工作功率，直至温度值降低至所述第一温度阈值以下。

12.根据权利要求11所述的三相平衡控制方法，其特征在于，若三个切换单元中任一个切换单元的温度值大于或等于第二温度阈值，则控制停机，所述第二温度阈值大于所述第一温度阈值。