一种变频器中对功率单元控制的方法和装置

摘要

本发明公开了一种变频器中对功率单元控制的方法和装置，本发明的方法包括：获取变频器中各相出现故障的功率单元数量，按照所述故障的功率单元数量、变频器的电平数目运算出变频器可输出的最大合成电压矢量值，并在预定的角度坐标系下确定相应的电压矢量的集合；对输出的合成电压矢量按最大合成电压矢量进行限幅，按所述合成的电压矢量值或限幅后的电压矢量值在矢量的集合中选择出相应的电压矢量，对选择出的电压矢量获得所对应开关状态的顺序序列，从开关状态序列中选择出中间值、或顺序选择与中间值最接近的开关状态，按照选择出的开关状态控制所述变频器中所有功率单元。本发明公开了一种变频器中对功率单元控制的装置。

说明书

技术领域

本发明涉及变频控制技术领域，特别是指一种变频器中对功率单元控制的方法和装置。

背景技术

随着工业控制技术的发展，高压变频器，尤其是串联H桥结构的高压变频器获得了越来越广泛的应用。

以串联H桥结构的高压变频器为例，功率主电路共包括三相，每相都由相同的功率单元组成，各功率单元的输出电压串联连接，并组成该相电压的输出。这些功率单元在实际运行中可能出现故障。当个别功率单元或大量功率单元出现故障时，目前普遍都直接控制变频器停止工作，往往会对生产造成比较大的影响问题。

发明内容

有鉴于此，本发明在于提供一种变频器中对功率单元控制的方法和装置，以解决上述当功率单元出现故障后，变频器停止工作的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种变频器中对功率单元控制的方法，包括：

获取变频器中各相出现故障的功率单元数量，按照所述故障的功率单元数量、变频器的电平数目运算出变频器可输出的最大合成电压矢量值，并在预定的角度坐标系下确定相应的电压矢量的集合；对输出的合成电压矢量按最大合成电压矢量进行限幅，按所述合成的电压矢量值或限幅后的电压矢量值在矢量的集合中选择出相应的电压矢量，对选择出的电压矢量获得所对应开关状态的顺序序列，从开关状态序列中选择出中间值、或顺序选择与中间值最接近的开关状态，按照选择出的开关状态控制所述变频器中所有功率单元。

优选的，从开关状态序列中选择出中间值或顺序选择与中间值最接近的开关状态的过程中还包括：

判断选择出的开关状态每相输出电平的绝对值是否小于或等于相应相的未出现故障的功率单元的数量，如果小于或等于，则选择该开关状态。

优选的，所述预定的角度为60度、90度、或120度。

本发明还提供一种变频器中对功率单元控制的装置，包括：

检测单元，用于检测变频器中各相出现故障的功率单元数量；

运算单元，用于按照所述检测单元检测出的数量、变频器的电平数目运算出变频器可输出的最大合成电压矢量值，并在预定的角度坐标系下确定相应的电压矢量的集合；

选择单元，用于对所输出的合成电压矢量按最大合成电压矢量进行限幅，按限幅后的电压矢量值在矢量的集合中选择出相应的电压矢量；

映射单元，用于对所述选择单元选择出的电压矢量获得所对应开关状态的顺序序列，从开关状态序列中选择出中间值、或顺序选择与中间值最接近的开关状态；

控制单元，用于通过所述映射单元选择出的开关状态控制所述变频器中各功率单元。

优选的，所述选择单元还连接判断单元，用于判断选择出的开关状态每相输出电平的绝对值是否小于或等于相应相的未出现故障的功率单元的数量，如果小于或等于，则选择单元选择该开关状态。

本发明的方法和装置，可在变频器的功率单元出现故障后，最大限度控制变频器输出对称且幅值较高的三相电压，并避免输出电压不对称导致驱动电机时，电机中产生较大的不对称电流引起的电机发热，可有效提高电机寿命和生产效率；且控制步骤简单，容易在各种处理芯片中实现。

附图说明

图1是7电平串联H桥多电平高压变频器的拓扑结构图；

图2是每个功率单元的结构图；

图3是实施例的流程图；

图4是高压变频器的电压空间矢量图；

图5是功率单元出现故障后的电压空间矢量图；

图6是出现故障功率单元后的输出A、B相电压波形图；

图7是出现故障功率单元后的输出B、C相电压波形图；

图8是出现故障功率单元后的输出线电压波形图；

图9是装置实施例的结构图。

具体实施方式

为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。

下面给出本发明方法的实施例，在该实施例中，以下以7电平串联H桥多电平高压变频器为例进行说明。图1为7电平串联H桥多电平高压变频器(以下简称7电平高压变频器)的拓扑结构图，为了简化说明，只给出了逆变器部分且其输入为直流电源。其中，A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3皆为功率单元；图2为每个功率单元逆变部分的四个功率器件(例如，IGBT)和用来进行旁路的双向可控硅。该实施例的流程图可参见图3，包括：

步骤11：在预定的角度坐标系下，通过变频器的电平数量、所述角度获得相应的电压矢量分布的集合；

该预定的角度坐标系可以采用60度、90度或120度等，但以60度计算最为方便；对于7电平高压变频器的电压矢量分布的集合如图4所示。图中每个交点都为一个可以输出的电压矢量。假设每个功率单元的直流电压为单位值1，则每个单元在正常工作时能够输出的电压包括+1、0、-1。在故障时，由于采用双向可控硅或其他器件对故障单元进行旁路，则其输出仅为0。分析可知，对于7电平高压变频器，每相能够输出的最大电压为3，即每个功率单元的输出都为+1；能够输出的最小电压为-3，即每个功率单元的输出都为-1。

通过在60度坐标系中可以计算出每个电压空间矢量，

其中，V_α和V_β为合成电压矢量在60度坐标系中的坐标值；V和θ分别是的幅值和角度。可以用(α，β)表示每个电压矢量，其中α可为1、2、...、2m，β也可为1、2、...、2m。其中，m为(n-1)/2，而n为多电平变频器每相的电平数目，。

步骤12：获取变频器中各相出现故障的功率单元数量，按照所述故障的功率单元数量、变频器的电平数目运算出变频器可输出的最大合成电压矢量值；

在该实施例中，令W_a、W_b和W_c分别为变频器输出A、B、C三相中故障单元的数目。

令F_max＝max(W_a+W_c，W_b+W_c，W_a+W_b)，其中max()为取最大值函数，例如max(3，2，5)＝5。通过如下式子可以计算出最大可以实现输出的合成电压矢量幅值V_max如下：

例如，在7电平高压变频器中，当A相2个单元故障，B相1个单元故障，C相无单元故障时，即W_a＝2，W_b＝1，W_c＝0，则可以计算出$V_{\max }=(7-1-3)\sqrt{3}/2=1.5\sqrt{3}.$如图5所示，电压空间矢量周围加圆圈的表示因为功率单元出现故障而不能够使用的电压矢量；其余的表示正常可以使用的电压矢量。

电压矢量在功率单元出现故障后是否可以使用，可以通过多种方法进行判断。一种比较简单的方法是，查看该电压矢量所对应的所有开关状态，如果有开关状态能够使用(即三相输出电压都可正常输出)，则其可用；否则，如果所有开关状态都不能够输出，则该电压矢量将不能够继续使用。例如，在图5中，a轴上最远端的电压矢量在60度坐标系中为(6，0)，根据前面开关状态的计算公式，可以知道其对应仅有一个开关状态[3，-3，-3]。因为A相故障了2个单元，可以知道其无法输出3电压。

步骤11和步骤12的先后顺序可互换，并不影响该方法的实现。

步骤13：对输出的合成电压矢量按最大合成电压矢量进行限幅，按所述合成的电压矢量值或限幅后的电压矢量值在矢量的集合中选择出相应的电压矢量；

根据V_max的计算结果，当需要输出的合成电压矢量小于V_max时，所有输出都可实现。否则，需要对输出以V_max值进行限幅。限幅后所有电压矢量都可实现。只有这样，才能保证变频器输出三相线电压的波形为对称波形。

为了输出合成电压矢量，应选择其终端点所在位置最临近的三个电压矢量，如果其终端点与某个电压矢量位置重合时，则仅选择该电压矢量即可。如图5所示，以合成电压矢量V1为例，应选择其终端点所在位置相邻的三个电压矢量X、Y、Z。

步骤14：对选择出的各电压矢量获得所对应开关状态的顺序序列，

对于每个给定的电压矢量(α，β)，其开关状态数目为n-(α+β)，所有开关状态分别为

[V_a，V_b，V_c]

[α+β-m，β-m，-m]

[α+β-m+1，β-m+1，-m+1]

[α+β-m+2，β-m+2，-m+2]

..............

[m，m-α，m-α-β]

例如，对于电压矢量(0，2)，其开关状态为[-1，-1，-3]、[0，0，-2]、[1，1，-1]、[2，2，0]和[3，3，1]。所有开关状态可按照第一个数值从小到大的升序、或从大到小的降序排列。上述给出的为按升序排列。

步骤15：从开关状态序列中选择出中间值、或顺序选择与中间值最接近的开关状态；

每个矢量点可对应多个开关状态，按照步骤14获得的开关序列为升序排列或降序排列，在对变频器控制时，需要选择出一个开关状态，并按照该开关状态对功率单元进行控制。在开关状态序列中，对于每个电压矢量(α，β)，当α+β为奇数时，序列中的开关状态个数为奇数个，得到序列

[α+β-m，β-m，-m]

[α+β-m+1，β-m+1，-m+1]

...........

$[\frac{\alpha +\beta }{2}-1,\frac{\beta -\alpha }{2}-1,\frac{-\alpha -\beta }{2}-1]$

$[\frac{\alpha +\beta }{2},\frac{\beta -\alpha }{2},\frac{-\alpha -\beta }{2}]$

$[\frac{\alpha +\beta }{2}+1,\frac{\beta -\alpha }{2}+1,\frac{-\alpha -\beta }{2}+1]$

...........

[m-1，m-α-1，m-α-β-1]

[m，m-α，m-α-β]

优先选择序列中中间值的开关状态，即$[\frac{\alpha +\beta }{2},\frac{\beta -\alpha }{2},\frac{-\alpha -\beta }{2}],$如果不可用，可顺序选择与中间值的相邻值所对应的开关状态，即$[\frac{\alpha +\beta }{2}-1,\frac{\beta -\alpha }{2}-1,\frac{-\alpha -\beta }{2}-1],$或$[\frac{\alpha +\beta }{2}+1,\frac{\beta -\alpha }{2}+1,\frac{-\alpha -\beta }{2}+1],$并以此类推，直到选择到第一个可用的开关状态；

当α+β为偶数时，序列中的开关状态个数为偶数个，得到序列

[α+β-m，β-m，-m]

[α+β-m+1，β-m+1，-m+1]

...........

$[\frac{\alpha +\beta -1}{2},\frac{\beta -\alpha -1}{2},\frac{-\alpha -\beta -1}{2}]$

$[\frac{\alpha +\beta +1}{2},\frac{\beta -\alpha +1}{2},\frac{-\alpha -\beta +1}{2}]$

...........

[m-1，m-α-1，m-α-β-1]

[m，m-α，m-α-β]

序列中存在两个中间开关状态$[\frac{\alpha +\beta -1}{2},\frac{\beta -\alpha -1}{2},\frac{-\alpha -\beta -1}{2}]$和$[\frac{\alpha +\beta +1}{2},\frac{\beta -\alpha +1}{2},\frac{-\alpha -\beta +1}{2}],$可任意选择其中一个开关状态，如果皆不可用，可从中间值往外进行选择，例如选择$[\frac{\alpha +\beta -3}{2},\frac{\beta -\alpha -3}{2},\frac{-\alpha -\beta -3}{2}]$或$[\frac{\alpha +\beta +3}{2},\frac{\beta -\alpha +3}{2},\frac{-\alpha -\beta +3}{2}],$依次类推，直到选择了第一个可用的开关状态，其为与中间值最接近的可用开关状态。

步骤16：按照选择出的开关状态控制所述变频器中功率单元。

在步骤15的过程中，由于选择出的开关状态可能会影响电机运行，还可对选择出的开关状态进行判断，判断选择出的开关状态每相输出电平的绝对值是否小于或等于相应相的未出现故障的功率单元的数量，如果小于或等于，则选择该开关状态。

如果A相一个单元出现故障时，其他两相所有单元都正常工作时，理论上，当开关周期足够快时，三相输出电压的示意图如图6、图7、图8所示。其中，u_a、u_b、u_c分别为A、B、C三相输出相电压；u_ab、u_bc为输出AB、BC之间的线电压。可以看出，经过开关状态调整，相电压波形发生了变化，但输出线电压的波形仍然对称的纯正弦波。

实现本发明的方法可以采用多种装置实现，下面给出优选的装置实施例并详细说明。

参见图9，包括：

检测单元，用于检测变频器中各相出现故障的功率单元数量；

运算单元，用于按照所述检测单元检测出的数量、变频器的电平数目运算出变频器可输出的最大合成电压矢量值，并在预定的角度坐标系下确定相应的电压矢量的集合；

选择单元，用于对所输出的合成电压矢量按最大合成电压矢量进行限幅，按限幅后的电压矢量值在矢量的集合中选择出相应的电压矢量；

映射单元，用于对所述选择单元选择出的电压矢量获得所对应开关状态的顺序序列，从开关状态序列中选择出中间值、或顺序选择与中间值最接近的开关状态；

控制单元，用于通过所述映射单元选择出的开关状态控制所述变频器中各功率单元。

所述选择单元还连接判断单元，用于判断选择出的开关状态每相输出电平的绝对值是否小于或等于相应相的未出现故障的功率单元的数量，如果小于或等于，则选择单元选择该开关状态。

该实施例中的装置可应用在各种类型的变频器中，并实现上述方法中的各个步骤，在此不重复赘述。本发明的方法和装置，可在变频器的功率单元出现故障后，最大限度控制变频器输出对称且幅值较高的三相电压，并避免电压信号不对称导致驱动电机时，电机中产生较大的不对称电流引起的电机发热，可有效提高电机寿命和生产效率；且控制步骤简单，容易在各种处理芯片中实现。

对于本发明各个实施例中所阐述的方法和装置，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。