用于诊断逆变器的dc 侧电容器的设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于诊断DC侧电容器的设备。控制从电源提供至电机的DC电压以具有预定的电平或幅值。在DC侧电容器的电压达到预定的电压时，通过考虑电机的电阻器的电力消耗也即负载的电力消耗、电源的电力消耗以及逆变部的切换损耗来估算DC侧电容器的电容值的变化比率，并且利用所估算的比率来诊断DC侧电容器的性能退化程度。
【专利说明】用于诊断逆变器的DC侧电容器的设备
【技术领域】
[0001]本说明书涉及一种诊断电解电容器的技术，尤其涉及一种用于诊断逆变器的DC侧电容器的设备和方法。
【背景技术】
[0002]一般而言，逆变器连接至三相AC商用电源以对AC输入信号进行平滑以生成DC信号。逆变器改变DC信号的频率和电压的幅值以产生期望的输出电压，由此将所产生的输出供应至电机。逆变器在工业世界中正广泛地用在能源效率以及输出控制的简化的方面中。
[0003]用于对DC电力进行平滑的电解电容(下文中，称为‘DC侧电容器’)可被安装在逆变器中以将DC电力平滑成预定的电平并且积蓄或释放电能。这种DC侧电容器的性能退化是DC侧电容器的损坏的最常见原因。因此，通过确定DC侧电容器的性能退化来诊断DC侧电容器的损坏是非常重要的。
[0004]图1是根据现有技术的用于诊断DC侧电容器的设备的配置图。
[0005]根据现有技术的用于诊断逆变器110的DC侧电容器112的设备可以被配置为使得电阻器113和DC侧电容器112彼此并联连接。同样，接触器114可以串联连接至电阻器113。接触器114可以正常断开。
[0006]电压检测器116可并联连接至DC侧电容器112。放电时间测量电路117、性能退化确定电路118以及接口 119可以连接至电压检测器116。
[0007]在逆变器110的一般操作期间，AC电压(或AC电源)可以利用连接至整流器111的断路器100来输入并且其频率受逆变器模块115控制的DC电压(或DC电源)可以输出至电机120。
[0008]在这种状态下，在由于断开断路器100而切断电力时，可以停止逆变器模块115的操作。相应地，DC侧电容器112处于电荷储存状态。此处，在接触器114闭合时，通过电阻器113对储存的电荷进行放电。
[0009]如果假定电容器112的电容是C并且电阻器113的电阻是R，则两个极之间的电压可能由于根据RC时间常量的放电而减小。电压的变化可以通过电压检测器116检测，并且传送至放电时间测量电路117。放电时间测量电路117可以从电压变化中测量放电时间并且将所测量的放电时间传送至性能退化确定电路118。
[0010]性能退化确定电路118可以将放电时间与预设的参考时间进行比较。在放电时间小于参考时间时，性能退化确定电路118可以利用接口 119将性能退化确定信号输出至外部。
[0011]这样，现有技术的诊断设备通过利用DC侧电压来测量放电时间而测量电容的变化，并且相应地诊断电容器的性能退化。
[0012]然而，现有技术需要仅用于电容器性能退化的诊断的部件，诸如电阻器113和接触器114，这些部件在一般操作中不需要。这可能造成额外的成本。
【发明内容】
[0013]因此，本详细说明的一个方案提供了一种用于诊断逆变器的DC侧电容器的设备，其能够利用安装的电机诊断逆变器的DC侧电容器的性能退化，而不需要额外的电路。
[0014]为了实现这些和其他优势并且根据本说明书的目的，如在此实施并且宽泛描述的，提供了一种用于诊断具有DC侧电容器和逆变部的逆变器的DC侧电容器的性能退化的设备，所述设备包括:电流检测器，其被配置为检测供应至在所述逆变部中的电机的电流；电源，其被配置为供应DC电压；以及控制器，其被配置为控制从所述电源供应至所述电机的DC电压以具有预定的电平，其中所述控制器通过考虑所述电机的电阻器的电力消耗，也即负载的电力消耗、所述电源的电力消耗以及所述逆变部的开关损耗来估算所述DC侧电容器的电容的变化比率，以便在所述DC侧电容器的电压达到预定的电压时利用所估算的变化比率来诊断所述DC侧电容器的性能退化程度。
[0015]根据一个示例性实施例，所述逆变部可以通过连接以三相全桥形式分别并联连接的多个开关器件和多个二极管来配置，并且所述控制器可以通过控制所述多个开关器件的导通和打开状态来控制从所述电源供应的DC电压以具有所述预定的电平。
[0016]根据一个示例性实施例，所述逆变部可以通过连接以三相全桥形式分别并联连接的所述多个开关器件和所述多个二极管来配置。此处，第一开关器件至第三开关器件可以形成供应至所述电机的第一相电流至第三相电流的路径。所述第一开关器件可以形成上部支路，而所述第二开关器件和第三开关器件可以形成下部支路。
[0017]根据一个示例性实施例，在供应至所述电机的电流以续流模式流动的情形下，在供应至所述电机的电流比参考电流降低了预定的电平时，所述控制器可以控制所述第一开关器件至第三开关器件导通。
[0018]根据一个示例性实施例，在供应至所述电机的电流由于从所述DC侧电容器获得能量而升高的情形下，在供应至所述电机的电流比参考电流增加了预定的电平时，所述控制器可以控制所述第一开关器件导通并且控制所述第二开关器件和第三开关器件关断。
[0019]根据一个示例性实施例，在供应至所述电机的电流由于从所述DC侧电容器获得能量而升高的情形下，在供应至所述电机的电流比参考电流增加了预定的电平时，所述控制器控制所述第一开关器件关断并且控制所述第二开关器件和第三开关器件导通。
[0020]根据一个示例性实施例，所述控制器可以控制所述第四开关器件至第六开关器件关断。
[0021]根据一个示例性实施例，所述DC侧电容器的电容可以通过以下等式估算:
_I
[0022]C-2 ' k' Pr' (I2-111).2 2
U1-J2)
[0023]其中Pk.(t2-ti)表示负载所消耗的能量，并且k表示指示所述电源和所述开关损耗的电力消耗与所述负载的电力消耗的比率的常量。
[0024]根据一个示例性实施例，所述DC侧电容器的电容的变化可以通过所述DC侧电容器的性能退化后的电容与初始电容的变化比率来估算。
[0025]根据一个示例性实施例，在所述变化比率低于预定的比率时所述DC侧电容器可以被诊断为故障。[0026]根据一个示例性实施例，所述控制器可以将所述电源供应的电压升高最大许可的限度从而减小所述电源和所述开关损耗的电力消耗与所述负载的电力消耗的比率。
[0027]如上所述，通过利用用于对DC侧电压进行放电的电机，可以不需要诸如放电电路的任何额外电路并且可以利用当前在逆变器中测量的DC侧电压和负载电流来测量电容值的变化比率。
[0028]即使测量状态在某种程度上变化同时初始测量状态变化至性能退化的状态，也可以估算电容值的变化。与现有技术相比较，这可以允许确定电容的损坏的程度而不容易受到环境的影响。
[0029]根据本公开的诊断设备可以直接应用到现在售卖的商用逆变器。同样，不需要硬件变化，根据本公开的诊断设备可以以软件的升级形式应用到已经售出的逆变器。
[0030]同样，根据本公开的诊断设备可以比现有技术的诊断设备更频繁地测量电容的变化。这可以提高逆变器的可靠性和效率并且可以提前防止由损坏引起的诸如对部件的损害、火灾的发生等等事故。
[0031]通过下文给出的详细描述，本申请进一步的应用范围将变得更加明显。但是，应当理解的是，由于对于本领域技术人员而言，通过详细的描述，本发明的精神和范围内的各种变化和改进将变得显而易见，因此虽然示出了本发明的优选实施例，但是只是通过阐释性的方式给出了详细描述和特定的示例。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]为提供对本发明的进一步理解而包括在说明书中并作为本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，其与说明书一起说明了本发明的原理。
[0033]在附图中:
[0034]图1是根据现有技术的用于诊断DC侧电容器的设备的配置图；
[0035]图2是图示出本公开所应用至的逆变器系统和根据本公开的用于诊断DC侧电容器的设备的一个示例性实施例的配置图；
[0036]图3A至图3D是示出响应于诊断设备的控制器的控制的逆变器的状态的示例图；
[0037]图4是示出在所述控制器的控制下开关波形和电流状态的示例图；以及
[0038]图5是示出在正常状态下和在性能退化状态下DC侧电容器中放电时间响应于电压减小的变化的示例图。
【具体实施方式】
[0039]本公开可以具有各种变型例和不同的实施例，并且因此将在附图中图示出特定的实施例并且将详细地给出其详细说明。然而，其并不旨在将本公开限制为这些特定的实施例，而是应当理解为包括在本公开和权利要求书的范围内的全部变型、修改、等同方案等
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[0040]包括诸如第一、第二等等序数的术语可以用于描述各种元件，而这些元件不应当受那些术语限制。这些术语仅仅用于使一个元件与另一个元件进行区分。
[0041]可理解的是，在提到元件被“连接”于另一个元件时，此元件可以直接地与另一个元件连接或还可以存在中间元件。相反，在提到元件被“直接地连接”于另一个元件时，不存在中间元件。
[0042]应当注意的是，此处所用的技术术语仅仅用于描述特定的实施例，而不用于限制本发明。附带地，除非清楚地使用，否则单数数量的表述包括复数意义。在本申请中，术语“包括”和“包含”不应当解释为必须包括在本文中公开的全部特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合，或者不应当解释为进一步包括另外的特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合。
[0043]下文中，将参照附图详细地给出本公开的优选实施例的说明。
[0044]图2是图示出本公开所应用于的逆变器系统和根据本公开的用于诊断DC侧电容器的设备的一个示例性实施例的配置图。
[0045]如图2所示，本公开所应用于的逆变器系统可以包括AC电源1、逆变器2以及电机3，并且逆变器系统可以与根据本公开的用于诊断逆变器2的DC侧电容器22的诊断设备4连接。可以将电源连接器11放置在AC电源I与逆变器2之间，以导通或关断逆变器2。
[0046]根据本公开的诊断设备4可以包括开关模式电源(SMPS) 41、控制器42、电流测量单元43以及显示器44。
[0047]逆变器2可以包括整流器21、DC侧电容器22以及逆变部23。
[0048]首先，将对逆变器2的结构进行描述。
[0049]整流器21可以对从AC电源I输入的三相AC输入电压进行整流。DC侧电容器22可以对由整流器21整流的DC电压进行平滑并且积蓄电能。DC侧电容器22还可以称为‘平滑电解电容器’，而在此处将在说明书中使用术语‘DC侧电容器’。
[0050]逆变部23可以连接至DC侧电容器22以便以开关方式将平滑后的DC电压供应至电机3。也就是说，逆变部23可以通过以三相全桥的形式将6个开关器件Ql至Q6连接至6个二极管Dl至D6而形成。逆变部23可以将从DC侧电容器22传送的DC电压转换成三相AC电压，并且将三相AC电压供应至电机3。开关器件Ql至Q6可以例如是绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，但不限于绝缘栅双极性晶体管。
[0051]下文中，将给出根据本公开的诊断设备4的说明。
[0052]SMPS41可以连接至整流器21以供应用于控制的DC电压。
[0053]电流测量单元43可以检测供应至电机3的负载电流的幅值，以提供至控制器42。尽管未显示，可以进一步地将用于将电流测量单元43所检测的，作为模拟信号的电流转换成数字信号的模拟/数字转换器(ADC)设置在电流测量单元43与控制器42之间。
[0054]控制器42可以控制逆变部23的6个开关器件Ql至Q6导通或关断，从而利用预定的电压和频率来生成三相AC电压。例如，控制器42可以是微处理器单元(MPU)，但不限于此。
[0055]控制器42通过逆变部23的脉冲宽度调制(PWM)切换来驱动电机3的机构在本公开所属的领域中众所周知，因此将不重复对其详细的说明。
[0056]下文中，将对根据本公开的诊断设备4进行描述。
[0057]图3A至图3D是示出响应于诊断设备的控制器的控制的逆变器的状态的示例图。图3A至图3D图示出逆变器2的状态，因此根据本公开的诊断设备4未在图3A至图3D中
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[0058]如图3A所示，在从AC电源I供应AC电压后，在电源连接器11在控制器42的控制下连接时(图3A示出电压连接器11的连接状态)，可以将三相AC电压供应至逆变器2的整流器21。
[0059]经过整流器21整流的AC电压可以通过DC侧电容器22进行平滑并且转换成待输出的DC电压。
[0060]控制器42可以发送控制信号以断开电源连接器11，以用于DC侧电容器22的诊断。之后，控制器42可以使得逆变部23的开关器件Ql至Q6中的一些开关器件导通或关断，S卩，Q1、Q2以及Q6以便从SMPS41提供预定电平的DC电流至电机3。此处，可以关断其他开关器件Q3、Q4以及Q5。此处，QU Q2以及Q6可以分别管理提供至电机3的三相电流的路径。还可以知道的是，Ql是上部支路的第一开关器件，而Q2和Q6是下部支路的第二开关器件和第三开关器件。
[0061]参照图3B，在控制器24使Ql导通并且关断Q2和Q6时，可以产生通过Ql、D3和D5的电流，并且可以启动续流模式(因为电源连接器11断开，所以图3B至图3D未显示AC电源I)。此处，由于电机3的电阻器和SMPS41所消耗的电力，供应至电机3的电流可以缓慢的减少。
[0062]图4是示出在所述控制器的控制下开关波形和电流状态的示例图。
[0063]在控制器42使Ql导通并且关断Q2和Q6时，供应至电机3的电流Ias可以缓慢地减小。在电流比参考电流Ide低预定的电平时，控制器42可以使Q2和Q6导通并且相应地可以启动如图3C所示的状态。
[0064]也就是说，参照图3C，供应至电机3的电流可以从端点P经由Ql流动通过电机3并且然后经由Q2和Q6向端点N流动。此处，因为从DC侧电容器22获得能量，所以电流会增大。在电流增大得比参考电流高预定的电平时，控制器42可以关断Ql并且相应地可以启动如图3D所示的状态。
[0065]也就是说，参照图3D，在关断Ql时，电流可以沿着通过Q2、Q6和D4的路径流动并且可以启动续流模式。即使在这种情况下，由于电机3的电阻器和SMPS41的电力消耗，电流会降低。在电流降低得比参考电压低预定的电平时，控制器42可以再次使Ql导通，由此形成如图3C所示的电流。
[0066]通过这种开关模式的重复，预定电平的DC电流可以在电机3上流动，由此实现预定的电力消耗。此处，控制器42应用所述预定电流的DC电流的实施例仅仅是阐释性的。所以，本公开可以不限于以上实施例。
[0067]在断开图2的电源连接器11后，当预定幅值的DC电流在电机3上流动，如图4所示，由于电机3的电阻器(未显示)的电力消耗、SMPS41的电力消耗以及开关损耗，DC侧电容器端电压会降低。这可以通过能量相关的等式表示。下文中，将描述该等式。
[0068]DC侧电容器22中充入的能量可以通过等式I表示如下。
[0069]等式I
[0070]E capacitor= j CV2
[0071]同样，电机3的电阻器和SMPS41所消耗的能量和开关损耗能量可以通过等式2表示如下。
[0072]等式2[0073]
【权利要求】
1.一种诊断设备，用于诊断具有DC侧电容器和逆变部的逆变器的DC侧电容器的性能退化，所述设备包括: 电流检测器，其被配置为检测供应至在所述逆变部中的电机的电流； 电源，其被配置为供应DC电压；以及 控制器，其被配置为控制从所述电源供应至所述电机的DC电压以具有预定的电平，其中所述控制器通过考虑所述电机的电阻器的电力消耗也即负载的电力消耗、所述电源的电力消耗以及所述逆变部的开关损耗来估算所述DC侧电容器的电容的变化比率，以便在所述DC侧电容器的电压达到预定的电压时利用所估算的变化比率来诊断所述DC侧电容器的性能退化程度。
2.根据权利要求1所述的诊断设备，其中所述逆变部通过连接以三相全桥形式并联连接的多个开关器件和多个二极管来配置，其中所述控制器通过控制所述多个开关器件的导通或关断状态来控制从所述电源供应的DC电压以具有所述预定的电平。
3.根据权利要求2所述的诊断设备，其中所述逆变部通过连接以三相全桥形式并联连接的所述多个开关器件换和所述多个二极管来配置，其中第一开关器件至第三开关器件形成供应至所述电机的第一相电流至第三相电流的路径，其中所述第一开关器件形成上部支路，而所述第二开关器件和第三开关器件形成下部支路。
4.根据权利要求3所述的诊断设备，其中在供应至所述电机的电流以续流模式流动的情形下，在供应至所述电机的电流比参考电流降低了预定的电平时，所述控制器控制所述第一开关器件至第三开关器件导通。
5.根据权利要求3所述的诊断设备，其中在供应至所述电机的电流由于从所述DC侧电容器获得能量而升高的情形下，在供应至所述电机的电流比参考电流增加了预定的电平时，所述控制器控制所述第一开关器件导通并且控制所述第二开关器件和第三开关器件关断。`
6.根据权利要求3所述的诊断设备，其中在供应至所述电机的电流由于从所述DC侧电容器获得能量而升高的情形下，在供应至所述电机的电流比参考电流增加了预定的电平时，所述控制器控制所述第一开关器件关断并且控制所述第二开关器件和第三开关器件导通。
7.根据权利要求4至权利要求7中的任一项所述的诊断设备，其中所述控制器控制所述第四开关器件至第六开关器件关断。
8.根据权利要求1所述的诊断设备，其中通过以下等式估算所述DC侧电容器的电容: C=2.k.Pji.(/W1).——3——^
^ {Vl-VX} 其中ρκ.(t2-ti)表示负载所消耗的能量，并且k表示指示所述电源和所述开关损耗的电力消耗与所述负载的电力消耗的比率的常量。
9.根据权利要求8所述的诊断设备，其中所述DC侧电容器的电容的变化通过所述DC侧电容器的性能退化后的电容与初始电容的比率的变化来估算。
10.根据权利要求9所述的诊断设备，其中在所述比率的变化低于预定的比率时所述DC侧电容器被诊断为故障。
11.根据权利要求8所述的诊断设备，其中所述控制器将所述电源供应的电压升高了最大许可的限度从而减小所述电源和所述开关损耗的电力消耗与所述负载的电力消耗的 比率。
【文档编号】H02M7/5387GK103529315SQ201310274882
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2012年7月2日
【发明者】梁镇圭 申请人:Ls产电株式会社