專利名稱：逆變器單元和變頻器中的電流測量的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量逆變器單元的電流的方法，更具體地i兌，涉及在 連接到供電直流電壓電路的逆變器中進行的電流測量。
背景技術：
逆變器或逆變器單元是用于從直流電壓源產生變頻電壓的設備。逆變 器的一個典型應用是在變頻器中，在變頻器中，整流器單元將來自供電網 絡的交流電壓整流為直流電壓給中間電壓電路。中間電壓電路或直流母線 由正和負端子或軌(rail)以及連接在這些端子之間的電容器組組成。直 流母線進一步連接到逆變器單元以便將直流母線的直流電壓轉換為交變 輸出電壓。逆變器的交變輸出電壓通常用于驅動負載如電動機。
逆變器的主電路由連接在正和負中間電壓之間的多個串聯連接的半 導體開關組成，且這些開關之間的點限定相輸出端。通過并聯地使用開關 的這些串聯連接中的三個，形成三相輸出。每個輸出相電壓可被選擇為中 間電路的正軌或負軌的電壓。
存在許多不同的方案來控制輸出開關以便以希望的方式控制負栽。這 些控制方案或方法通常基于某個被測量的量(如逆變器電流)的反饋。電 流的測量還被用于保護的目的，比如用于過電流或短路保護。
通常直接從相輸出端測量逆變器電流以用于控制目的。然而，在三相 系統中，這至少需要兩次測量。可通過測量輸出相相對于中間電路的負軌 的電壓來進行過電流保護。如果被控制為導通的半導體開關(如IGBT) 的電壓不足夠小，則可以設想該IGBT的電流很高以致于該部件不處于飽 和。這只有在IGBT的電流遠大于額定電流的兩倍時才會發生。因此，可 以設想逆變器的輸出端處于短路。該電壓測量給出下開關(即，連接到負 軌的開關)上的電壓。上開關上的電壓通過將直流鏈路電壓減去測量結果 來獲得。
逆變器電流還可通過在正軌或負軌中測量在中間電路中流動的直流
5電流來確定。只需要一次測量。直流電流測量所涉及的一個問^A要測量 的電流可能非常高。測量通常通過使用旁路電阻器并通過測量該電阻器上 的因電流導致的電壓降來進行。此外，在高功率下，中間電路被設計為具
有低阻抗。當向中間電aMi添加旁路電阻器時，中間電i2g4i必須由與旁路 電阻器相連的兩部分制成.該電阻器的添加以不希望的方式增大了阻抗 量。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種方法和一種實施該方法的布置以便解 決上述問題。本發明的各目的是通過一種測量逆變器電流的方法和布置來 實現的。還公開了本發明的多個優選實施例。
本發明基于如下思想在中間電壓源中4吏用至少兩個并聯電容器并測 量電容器支漆之一中的電流。由于電容器的電容是已知的，所以該測得的 電流可直接用于指示過電流情況，或者可根據測得的值計算輸出相電流的 實際值。
利用本發明的方法和布置，可使用簡單的小尺寸部件測量相電流并且 檢測過電流情況。此外，中間電壓電路的軌無需任何修改，從而能夠保持 低電感設計。


下面，參照附圖通過優選實施例更詳細地描述本發明，在附圖中 圖l、圖2和圖3示出了關于短路保護的本發明的多個實施例；并且 圖4和圖5示出了關于相電流測量的本發明的實施例。
具體實施例方式
圖1示出了與配備有本發明的布置的直流電路相連的逆變器。在圖1 中，包括六個電容器的電容器組C2連接在中間電壓電路的正軌Udc +和 負軌Udc-之間。此外，串聯連接的IGBT開關的三個并聯連接形成實際 逆變器電路l。已經知道，IGBT開關在逆變器中用來形成輸出電壓U、
V、 w。圖1還示出了與電容器組C2并聯連接的單獨的電容器Cl。該并聯 支游^還包括與電容器C1串聯的旁路電阻器R1。當電流流向或流自中間 電路的電容器時，該電流被這樣劃分電容器組C2的電流(IC2)與電 容器Cl的電流(IC1)之比等于它們的電客之比，即IC2/IC1 -C2/C1, 因此，當測得電容器C1的電流時，可確定流向或流自中間電壓電路的電 容器組的電流。
短路電流的源是中間源的電容器組。在高功率逆變器中，電容器組的 電容頗高；如果出現短路，則電容快速放電，從而提供高短路電流。由于 電容分流，各電容器如上所述那樣放電；且通過測量更小電容的電流，可 確定電容器組的總電流。如果如圖1中所示那樣布置單獨的電容器以用于 電流測量，則該電容器的電容應該被選擇為顯著小于電容器組的電容。利 用這一選擇，更容易實現電流測量并且可使用更廉價的測量設備。
在圖1中，旁路電阻器Rl和運算放大器OP1被用于進行一個電容 器支路的電流測量。流過電阻器Rl的電流引起電阻器Rl上的電壓降。 電壓降的大小利用運算放大器、通過將電阻器R1的電壓引導至運算放大 器的一個輸入端來確定。運算放大器的另一個輸入端是參考電壓Uref, 其以中間電壓電路的負軌Udc -為參考標準。當電阻器Rl上的電壓降超 過參考電壓Uref時，中間電壓源的各電容器中的電流超過設定的極限。 選擇此極限來代表過電流，因此，電阻Rl和參考電壓Uref被設計為使 得當逆變器的電流上升并且過電流情況出現時，運算放大器改變其狀態以 指示過電流。無需任何電壓測量或與輸出開關的同步，就快速獲得了過電 流信息.該信息被進一步饋送給控制電路以便減速驅動逆變器。
在圖1中，逆變器的控制端處于中間電壓電路的負軌的電位，并且因 此比較器OP1的參考電壓Uref以負軌為參考標準。
在逆變器的控制端處于地電位的情況下，可如圖2中所示那樣差動地 測量測量電阻器Rl上的電壓降。在圖2中，光耦合器OC1跨接在電阻 器R1上；如果電阻器R1上的電壓降高于預定的極限，則光耦合器OCl 的輸出端改變其狀態.因此，如圖1的例子中那樣設計電阻器R1。在干 擾的意義上，圖2的電路還可能優于圖1的電路；因此，即使過電流信號 無需接到另一電位，圖2的電M是可使用的。
在圖2的電路中，測量電阻器R1應該衫L設計為使得當在最大可允許 電流范圍內工作時，光耦合器的LED的電流應該使得光耦合器的輸出端 輸出零。當出現短路時，LED的電流必須也足夠高，以在輸出端給出過電流值已祐爽過的清楚指示。
圖3示出了用于測量中間電路電容器的一個并聯支路的電流的另一 個實施例。在本發明的該實施例中，在中間電路中未布置額外的測量電容 器或電阻器。在該實施例中，在電容器組C2的C1支5M^—中測量電流。 在圖3的例子中，并聯支路的數量是三個，如果并聯支路的電容是同樣的， 則一個支路的電流是總電容器組電流的三分之一。在圖3的例子中，在其 中測量電流的支路由兩個串聯連接的電容器組成。雖然沒有額外的顯著更 小的電容器連接到中間電路，但是該電流是總電流的三分之一并因此更容 易效'J量。在此情形下，優選地由隔直流的(galvanically separating)電流 互感器31進行測量，電流互感器31進一步連接到電路32,電路32確定 電流是否超過最大可允許極限，并進一步產生信號給控制系統。
電流互感器31例如是Rogowski線團，其可牢固地安裝在電容器組 中并且在工作上是快速的。如同其它測量變量一樣，電流互感器及其電路 也必須被設計為僅當電流超過設定的極限時才生成過電流信號。電路32 包括例如耦合到該互感器的次級的電阻器以及用于將該電阻器上的電壓 降與設定的極限值相比較的裝置。與圖1和圖2中類似，電路32也輸出 過電流信息給控制電路。互感器適合于測量電容器組的電流，因為電容器 電流不具有可能使互感器飽和的直流分量。
下面是設計圖l和圖2的電容器C1與旁路電阻器R1的串聯連接的 例子。假定逆變器是具有400 V額定電壓的110kW逆變器。逆變器的標 稱電流大約是200 A并且過電流極限大約是700 A。這意味著需要400 A 的IGBT開關。短路電流極限被選擇為4 x 400 A - 1600 A.電容器組C2 的電^L選擇為5700 jiF。
通過將測量電容器Cl的電容選擇為100 nF，流過它的短路電流的峰 值是100 nF/ 5700 jiF x 1600 A = 28 mA。進一步將比較器的比較電壓選擇 為- 1 V。于是旁路電阻器Rl所需的電阻因此是1 V / 28 mA - 36 Q.
具有標稱功率的逆變器中的電容器組的電流大約是0.7 x 200 A - 140 A。測量電容器Cl的電流大約是100 nF / 5700 x 140 A - 2.5 mA并且 旁路電阻器中的功率損耗是(2.5 mA) 2 x 36 Q = 0.23 mW。
從該例子可以看出，與與測量電容器并聯的各電容器的電i!^目比，測 量支路的電流是最小的。而且，電阻器中的功率損耗是最小的，且電阻器 可被選擇為具有小的物理尺寸。因此，在過電流保護中不必考慮提供給測
8量電容器的實際電流，或者在中間電路的總電容中無需考慮測量電容器的 電容。
本發明還可用于測量逆變器的相電流。這參照圖4和圖5來解釋，圖 4和圖5示出了在電壓中間電路中具有電容器組的三相逆變器的示意性表 示。圖4和圖5以將正或負輔助電壓連接到負載(M)的倒換(turn-over) 開關示意性地示出了輸出開關。
在圖4中，示意性地示出了在中間直流鏈路中具有電容器組(Ca， Cb)的三相逆變器。圖4代表這一瞬間其中逆變器輸出相之一 (相u) 連接到正直流母線，而其它兩個輸出相連接到負直流母線。圖4中示出了 該電路的各支路中的電流。L是輸入側電流，其可i人為是恒定的(因輸入 側電感所致，圖中未示出)。假定例如通過結合圖1、圖2或圖3描述的 方式來測量電流Ieb。各支t間的電容分流確保了被測量的電流只是總 電容器組電流Ic的一部分。從圖4可以看出，電容器組總電流Ic可寫作
Ic-I廣l2 (1)
并且電容器Cb的電流可寫作
Icb = IcCb/ (Ca + Cb) (2)
由于I,Iu，我們得到
Icb= (I廣Iu) Cb/ (Ca + Cb) (3)
現在,假定相u被切換到負直流母線。圖5中示出了由此發生的情況。 由于l2-Iu-0，上式(3)可重寫為
IcLCb/ (Ca + Cb) (4)
取切換前(等式3 )和切換后(等式4)測得的電容器Cb的電流Icb之差， 我們得到
AICb = - IuCb / ( Ca + Cb) ( 5 )
因此，在本例子中，相u在切換瞬間的輸出電流可被確定為
Iu- -AIcb (Ca + Cb) /Cb (6)
容易看出，在將任何一個開關切換到另一位置之前，無論三個逆變器 開關的八個可能狀態中的哪一個在使用中，電容器組電流的改變都等于切 換相中的輸出相電流的實際值。因此，通過確定電容器組電流的改變，可 確定相電流。通過測量電容器組中的并聯支路之一中的電流， 一旦知道各電容值，就可計算出總電流。
如上所述，可通過幾種手段實現實際電流測量。 一個特別合適的手段 是《吏用電流互感器，因為電容器電流不包含直流分量。應當注意，由于電 容分流，電流Icb僅體現實際輸出電流的一小部分。因此，測量i殳備無需 針對整個電流而設計。
一個額外的優點歸因于使用同一電路來測量所有三個輸出相電流這
一事實；測量中的任何偏差或增益誤差都均等地影響所有測量，尤其偏差 可被完全補償，且測量增益誤差不引起實際相電流的不對稱，而這無法通 過使用多個單獨的輸出電流測量設備來實現。
測得的相電流可按普通的方式例如用于控制的目的。在每個逆變器輸 出開關狀態改變之間的瞬間，對一個電容器支路的電流進行測量或釆樣。 因此，每當輸出開關改變其狀態時，取得電流樣本。可從控制切換的電路 向采樣電路通知狀態改變。足夠的是，在切換瞬間之間對電流釆樣一次并 使用采樣得到的值兩次(即，用作從中減去前一個值的新值，然后用作從 更加新的值中減去的舊值)。
圖l、圖2和圖3示出了測量電容器電流的一些可能性以及用于比較
測得的電流以用于過電流保護目的的電路。顯然，所獲得的用于比較的電 壓值還可用于計算輸出電流。已經知道，由電流引起的電阻器上的電壓降
與該電流直接成比例。測得的電壓^L饋送給微處理器或可執行簡單計算操 作的類似裝置。當測量電阻器的歐姆值已知時，電壓值被轉換為電流值。 將獲得的電流值存儲在寄存器中，并根據等式(6)進行計算來獲得相電 流值。可容易地將計算出的相電流值分配給正確的輸出相，因為在控制系 統中已知改變其狀態的開關.
顯然，還可使得這里概述的原理適合于除了三相逆變器以外的其它切 換拓樸，
上面，關于短路或過電流保護并且關于輸出相電流測量描述了本發 明。在涉及短路保護的實施例中，不計算電流的實際值。然而，可以如關 于相電流那樣計算電流的量值。由于目的是保護，所以工作應該盡可能快 速，并且省略了電流量值的計算。
上述逆變器可以是可連接到直流源的獨立逆變器，也可以被變頻器所 包括。
本領域的技術人員應明白，可按各種方式實現本發明的概念。本發明及其實施例不局限于上述例子，而是可以在權利要求的范圍內變化。
權利要求
1.一種測量逆變器電流的方法，其中所述逆變器連接到直流中間電路并由所述直流中間電路供電，所述直流中間電路的正和負軌(Udc+，Udc-)之間連接有兩個或更多并聯電容器支路(C1，C2；Ca，Cb)，且所述電容器支路的電容是已知的，該方法的特征在于測量所述并聯電容器支路之一的電流(IC1，Icb)，以及根據測得的所述電流來確定所述逆變器電流的量值。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述確定步驟包括以 下步驟將測得的所述電流(IC1)與設定的電流極卩M目比較，以及 基于所述比較來確定所述逆變器的輸出端是否已出現過電流情況。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述電流被測量為電阻電壓降，并且比fel:通過將所述電壓降與設定 的電壓極PM目比較來進行的.
4. 根據權利要求2或3所述的方法，其特征在于在其中測量所述 電流的電容器支路具有比其它支路的電容小的電容。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述測量所述并聯支 i^Ml—的電流的步驟包括以下步驟在所述逆變器的輸出開關的切換瞬間之前和之后測量所述并聯支路 之一的電流以便獲得第一和第二電流值，且逆變器電流的確定包括以下步驟通過從所述笫 一 電流值減去所述第二電流值來計算測得的所述電流 的改變，以及根據已知的所述電容值和測得的所述電流的改變來計算輸出相電流。
6. 根據權利要求5所述的方法，其特征在于該方法還包括確定所 i^目電流的輸出相的步驟，其中所^目是改變其狀態的相。
7. 根據權利要求5或6所述的方法，其特征在于在每個切換瞬間 之間連續地對所述電流采樣，且每個樣本被用于獲得兩個連續的相電流 值。
8. —種用于測量逆變器電流的布置，其中所述逆變器連接到直流中 間電路并由所述直流中間電iMt電，所述直流中間電路的正和負軌(Udc + , Udc-)之間連接有兩個或更多并聯電容器支路(C1， C2; Ca， Cb)， 且所述電容器支路的電容是已知的，該布置的特征在于包括用于測量所述并聯電容器支路之一的電流的裝置(Rl, OP1; Rl， OC; 31， 32)，以及用于根據測得的所述電流來確定所述逆變器電流的量值的裝置。
9. 根據權利要求8所述的布置，其特征在于所述用于測量所述電 流的裝置包括適合于將測得的所述電流與設定的電流極lflbt目比較以便獲得過電流信息的比較裝置.
10. 根據權利要求9所述的布置，其特征在于所述用于測量所述電 流的裝置包括與所述電容器(Cl)串聯布置的電阻元件(Rl)，且電流值(IC1)被測量為電阻電壓降，且所述比較裝置(OP1; OC1; 32)適合 于將所述電阻元件上的電壓降與設定的電壓值相比較。
11. 根據權利要求9所述的布置，其特征在于所述用于測量所述電 流的裝置包括電流互感器(31)，且所述電流值被測量為所述互感器的次 級上的電阻電壓降，且所述比較裝置(32)適合于將所述電阻元件上的電 壓降與設定的電壓值相比較。
12. 根據權利要求9或11所述的布置，其特征在于在其中測量所 述電流的電容器支路具有比其它支路的電容小的電容。
13. 根據權利要求8所述的布置，其特征在于所述用于測量所述電 流的裝置適合于在所述逆變器的輸出開關的切換瞬間之前和之后測量所 述并聯支5ML—的電流以便獲得第 一和第二電流值，用于確定所述逆變器電流的裝置適合于通過從所述第 一 電流值減去 所述第二電流值來計算測得的所述電流的改變，以根據已知的所述電容值 和測得的所述電流的改變來計算輸出相電流。
14. 根據權利要求13所述的布置，其特征在于所述用于確定所述 逆變器電流的裝置還適合于確定所i^目電流的輸出相，其中所^目是改變 其狀態的相。
15. 根據權利要求13或14所述的布置，其特征在于在每個切換瞬 間之間連續地對所述電流采樣，且每個樣#用于獲得兩個連續的相電流值。
16. 根據權利要求13至15中任一項所述的布置，其特征在于所述用于測量所述電流的裝置包括與所述電容器串聯布置的電阻元件，且所述電流值被測量為電阻電壓降，且所述比較裝置適合于將所述電阻元件上的電壓降與設定的電壓值相比較。
17. 根據權利要求13至15中任一項所述的布置，其特征在于所述用于測量所述電流的裝置包括電流互感器，且所述電流值被測量為所述互感器的次級上的電阻電壓降。
18. —種變頻器，其包括根據權利要求8至17中任一項所述的布置。
全文摘要
本發明提供了一種測量逆變器電流的方法和布置，其中逆變器連接到直流中間電路并由直流中間電路供電，直流中間電路的正和負軌(Udc+，Udc-)之間連接有兩個或更多并聯電容器支路(C1，C2；C_a，C_b)，且電容器支路的電容是已知的。該方法包括以下步驟測量并聯電容器支路之一的電流(IC1，I_cb)；并根據測得的電流來確定逆變器電流的量值。
文檔編號G01R19/00GK101685109SQ200910171360
公開日2010年3月31日 申請日期2009年8月27日 優先權日2008年9月23日
發明者奧拉·韋利-馬蒂·萊佩寧, 尤西·索爾蒂, 馬蒂·萊蒂寧 申請人:Abb公司