逆变器单元和变频器中的电流测量

摘要

本发明提供了一种测量逆变器电流的方法和布置，其中逆变器连接到直流中间电路并由直流中间电路供电，直流中间电路的正和负轨(Udc+，Udc－)之间连接有两个或更多并联电容器支路(C1，C2；Ca，Cb)，且电容器支路的电容是已知的。该方法包括以下步骤：测量并联电容器支路之一的电流(IC1，Icb)；并根据测得的电流来确定逆变器电流的量值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量逆变器单元的电流的方法，更具体地说，涉及在连接到供电直流电压电路的逆变器中进行的电流测量。

背景技术

逆变器或逆变器单元是用于从直流电压源产生变频电压的设备。逆变器的一个典型应用是在变频器中，在变频器中，整流器单元将来自供电网络的交流电压整流为直流电压给中间电压电路。中间电压电路或直流母线由正和负端子或轨(rail)以及连接在这些端子之间的电容器组组成。直流母线进一步连接到逆变器单元以便将直流母线的直流电压转换为交变输出电压。逆变器的交变输出电压通常用于驱动负载如电动机。

逆变器的主电路由连接在正和负中间电压之间的多个串联连接的半导体开关组成，且这些开关之间的点限定相输出端。通过并联地使用开关的这些串联连接中的三个，形成三相输出。每个输出相电压可被选择为中间电路的正轨或负轨的电压。

存在许多不同的方案来控制输出开关以便以希望的方式控制负载。这些控制方案或方法通常基于某个被测量的量(如逆变器电流)的反馈。电流的测量还被用于保护的目的，比如用于过电流或短路保护。

通常直接从相输出端测量逆变器电流以用于控制目的。然而，在三相系统中，这至少需要两次测量。可通过测量输出相相对于中间电路的负轨的电压来进行过电流保护。如果被控制为导通的半导体开关(如IGBT)的电压不足够小，则可以设想该IGBT的电流很高以致于该部件不处于饱和。这只有在IGBT的电流远大于额定电流的两倍时才会发生。因此，可以设想逆变器的输出端处于短路。该电压测量给出下开关(即，连接到负轨的开关)上的电压。上开关上的电压通过将直流链路电压减去测量结果来获得。

逆变器电流还可通过在正轨或负轨中测量在中间电路中流动的直流电流来确定。只需要一次测量。直流电流测量所涉及的一个问题是要测量的电流可能非常高。测量通常通过使用旁路电阻器并通过测量该电阻器上的因电流导致的电压降来进行。此外，在高功率下，中间电路被设计为具有低阻抗。当向中间电路轨添加旁路电阻器时，中间电路轨必须由与旁路电阻器相连的两部分制成。该电阻器的添加以不希望的方式增大了阻抗量。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种方法和一种实施该方法的布置以便解决上述问题。本发明的各目的是通过一种测量逆变器电流的方法和布置来实现的。还公开了本发明的多个优选实施例。

本发明基于如下思想：在中间电压源中使用至少两个并联电容器并测量电容器支路之一中的电流。由于电容器的电容是已知的，所以该测得的电流可直接用于指示过电流情况，或者可根据测得的值计算输出相电流的实际值。

利用本发明的方法和布置，可使用简单的小尺寸部件测量相电流并且检测过电流情况。此外，中间电压电路的轨无需任何修改，从而能够保持低电感设计。

附图说明

下面，参照附图通过优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：

图1、图2和图3示出了关于短路保护的本发明的多个实施例；并且

图4和图5示出了关于相电流测量的本发明的实施例。

具体实施方式

图1示出了与配备有本发明的布置的直流电路相连的逆变器。在图1中，包括六个电容器的电容器组C2连接在中间电压电路的正轨Udc+和负轨Udc-之间。此外，串联连接的IGBT开关的三个并联连接形成实际逆变器电路1。已经知道，IGBT开关在逆变器中用来形成输出电压U、V、W。

图1还示出了与电容器组C2并联连接的单独的电容器C1。该并联支路还包括与电容器C1串联的旁路电阻器R1。当电流流向或流自中间电路的电容器时，该电流被这样划分：电容器组C2的电流(IC2)与电容器C1的电流(IC1)之比等于它们的电容之比，即IC2/IC1＝C2/C1。因此，当测得电容器C1的电流时，可确定流向或流自中间电压电路的电容器组的电流。

短路电流的源是中间源的电容器组。在高功率逆变器中，电容器组的电容颇高；如果出现短路，则电容快速放电，从而提供高短路电流。由于电容分流，各电容器如上所述那样放电；且通过测量更小电容的电流，可确定电容器组的总电流。如果如图1中所示那样布置单独的电容器以用于电流测量，则该电容器的电容应该被选择为显著小于电容器组的电容。利用这一选择，更容易实现电流测量并且可使用更廉价的测量设备。

在图1中，旁路电阻器R1和运算放大器OP1被用于进行一个电容器支路的电流测量。流过电阻器R1的电流引起电阻器R1上的电压降。电压降的大小利用运算放大器、通过将电阻器R1的电压引导至运算放大器的一个输入端来确定。运算放大器的另一个输入端是参考电压Uref，其以中间电压电路的负轨Udc-为参考标准。当电阻器R1上的电压降超过参考电压Uref时，中间电压源的各电容器中的电流超过设定的极限。选择此极限来代表过电流。因此，电阻R1和参考电压Uref被设计为使得当逆变器的电流上升并且过电流情况出现时，运算放大器改变其状态以指示过电流。无需任何电压测量或与输出开关的同步，就快速获得了过电流信息。该信息被进一步馈送给控制电路以便减速驱动逆变器。

在图1中，逆变器的控制端处于中间电压电路的负轨的电位，并且因此比较器OP1的参考电压Uref以负轨为参考标准。

在逆变器的控制端处于地电位的情况下，可如图2中所示那样差动地测量测量电阻器R1上的电压降。在图2中，光耦合器OC1跨接在电阻器R1上；如果电阻器R1上的电压降高于预定的极限，则光耦合器OC1的输出端改变其状态。因此，如图1的例子中那样设计电阻器R1。在干扰的意义上，图2的电路还可能优于图1的电路；因此，即使过电流信号无需接到另一电位，图2的电路也是可使用的。

在图2的电路中，测量电阻器R1应该被设计为使得当在最大可允许电流范围内工作时，光耦合器的LED的电流应该使得光耦合器的输出端输出零。当出现短路时，LED的电流必须也足够高，以在输出端给出过电流值已被超过的清楚指示。

图3示出了用于测量中间电路电容器的一个并联支路的电流的另一个实施例。在本发明的该实施例中，在中间电路中未布置额外的测量电容器或电阻器。在该实施例中，在电容器组C2的C1支路之一中测量电流。在图3的例子中，并联支路的数量是三个，如果并联支路的电容是同样的，则一个支路的电流是总电容器组电流的三分之一。在图3的例子中，在其中测量电流的支路由两个串联连接的电容器组成。虽然没有额外的显著更小的电容器连接到中间电路，但是该电流是总电流的三分之一并因此更容易测量。在此情形下，优选地由隔直流的(galvanically separating)电流互感器31进行测量，电流互感器31进一步连接到电路32，电路32确定电流是否超过最大可允许极限，并进一步产生信号给控制系统。

电流互感器31例如是Rogowski线圈，其可牢固地安装在电容器组中并且在工作上是快速的。如同其它测量变量一样，电流互感器及其电路也必须被设计为仅当电流超过设定的极限时才生成过电流信号。电路32包括例如耦合到该互感器的次级的电阻器以及用于将该电阻器上的电压降与设定的极限值相比较的装置。与图1和图2中类似，电路32也输出过电流信息给控制电路。互感器适合于测量电容器组的电流，因为电容器电流不具有可能使互感器饱和的直流分量。

下面是设计图1和图2的电容器C1与旁路电阻器R1的串联连接的例子。假定逆变器是具有400V额定电压的110kW逆变器。逆变器的标称电流大约是200A并且过电流极限大约是700A。这意味着需要400A的IGBT开关。短路电流极限被选择为4×400A＝1600A。电容器组C2的电容被选择为5700μF。

通过将测量电容器C1的电容选择为100nF，流过它的短路电流的峰值是100nF/5700μF×1600A＝28mA。进一步将比较器的比较电压选择为-1V。于是旁路电阻器R1所需的电阻因此是1V/28mA＝36Ω。

具有标称功率的逆变器中的电容器组的电流大约是0.7×200A＝140A。测量电容器C1的电流大约是100nF/5700μF×140A＝2.5mA并且旁路电阻器中的功率损耗是(2.5mA)²×36Ω＝0.23mW。

从该例子可以看出，与与测量电容器并联的各电容器的电流相比，测量支路的电流是最小的。而且，电阻器中的功率损耗是最小的，且电阻器可被选择为具有小的物理尺寸。因此，在过电流保护中不必考虑提供给测量电容器的实际电流，或者在中间电路的总电容中无需考虑测量电容器的电容。

本发明还可用于测量逆变器的相电流。这参照图4和图5来解释，图4和图5示出了在电压中间电路中具有电容器组的三相逆变器的示意性表示。图4和图5以将正或负辅助电压连接到负载(M)的倒换(turn-over)开关示意性地示出了输出开关。

在图4中，示意性地示出了在中间直流链路中具有电容器组(Ca，Cb)的三相逆变器。图4代表这一瞬间：其中逆变器输出相之一(相u)连接到正直流母线，而其它两个输出相连接到负直流母线。图4中示出了该电路的各支路中的电流。I₁是输入侧电流，其可认为是恒定的(因输入侧电感所致，图中未示出)。假定例如通过结合图1、图2或图3描述的方式来测量电流I_cb。各支路之间的电容分流确保了被测量的电流只是总电容器组电流I_c的一部分。从图4可以看出，电容器组总电流I_c可写作：

I_c＝I₁-I₂                                   (1)

并且电容器C_b的电流可写作：

I_cb＝I_cC_b/(C_a+C_b)                           (2)

由于I₂＝I_u，我们得到

I_cb＝(I₁-I_u)C_b/(C_a+C_b)                      (3)

现在，假定相u被切换到负直流母线。图5中示出了由此发生的情况。由于I₂＝I_u＝0，上式(3)可重写为：

I_cb＝I₁C_b/(C_a+C_b)                           (4)

取切换前(等式3)和切换后(等式4)测得的电容器C_b的电流I_cb之差，我们得到：

ΔI_cb＝-I_uC_b/(C_a+C_b)                        (5)

因此，在本例子中，相u在切换瞬间的输出电流可被确定为：

I_u＝-ΔI_cb(C_a+C_b)/C_b                        (6)

容易看出，在将任何一个开关切换到另一位置之前，无论三个逆变器开关的八个可能状态中的哪一个在使用中，电容器组电流的改变都等于切换相中的输出相电流的实际值。因此，通过确定电容器组电流的改变，可确定相电流。通过测量电容器组中的并联支路之一中的电流，一旦知道各电容值，就可计算出总电流。

如上所述，可通过几种手段实现实际电流测量。一个特别合适的手段是使用电流互感器，因为电容器电流不包含直流分量。应当注意，由于电容分流，电流I_cb仅体现实际输出电流的一小部分。因此，测量设备无需针对整个电流而设计。

一个额外的优点归因于使用同一电路来测量所有三个输出相电流这一事实；测量中的任何偏差或增益误差都均等地影响所有测量，尤其偏差可被完全补偿，且测量增益误差不引起实际相电流的不对称，而这无法通过使用多个单独的输出电流测量设备来实现。

测得的相电流可按普通的方式例如用于控制的目的。在每个逆变器输出开关状态改变之间的瞬间，对一个电容器支路的电流进行测量或采样。因此，每当输出开关改变其状态时，取得电流样本。可从控制切换的电路向采样电路通知状态改变。足够的是，在切换瞬间之间对电流采样一次并使用采样得到的值两次(即，用作从中减去前一个值的新值，然后用作从更加新的值中减去的旧值)。

图1、图2和图3示出了测量电容器电流的一些可能性以及用于比较测得的电流以用于过电流保护目的的电路。显然，所获得的用于比较的电压值还可用于计算输出电流。已经知道，由电流引起的电阻器上的电压降与该电流直接成比例。测得的电压被馈送给微处理器或可执行简单计算操作的类似装置。当测量电阻器的欧姆值已知时，电压值被转换为电流值。将获得的电流值存储在寄存器中，并根据等式(6)进行计算来获得相电流值。可容易地将计算出的相电流值分配给正确的输出相，因为在控制系统中已知改变其状态的开关。

显然，还可使得这里概述的原理适合于除了三相逆变器以外的其它切换拓扑。

上面，关于短路或过电流保护并且关于输出相电流测量描述了本发明。在涉及短路保护的实施例中，不计算电流的实际值。然而，可以如关于相电流那样计算电流的量值。由于目的是保护，所以工作应该尽可能快速，并且省略了电流量值的计算。

上述逆变器可以是可连接到直流源的独立逆变器，也可以被变频器所包括。

本领域的技术人员应明白，可按各种方式实现本发明的概念。本发明及其实施例不局限于上述例子，而是可以在权利要求的范围内变化。