一种变频器及其限流方法、系统与流程

本发明涉及变频器领域，特别涉及一种变频器及其限流方法、系统。

背景技术：

变频器控制模式主要有恒压频比控制、矢量控制模式。恒压频比控制由于其控制算法简单，易于软件实现同时对电机参数依赖小，其应用范围越来越广，特别在对变频器动态性能要求不高场合。

但在某些应用场合，尽管对变频器动态性能要求不高，但变频器负载会无规律突变，从而使其输出电流也产生波动。在负载突变情况下往往造成变频器因输出电流过大造成故障停机，影响生产过程；同时因输出电流过大变频器主开关器件存在损坏风险。对于此类问题，目前变频器恒压频比控制模式主要有两种解决办法，即软件限流与硬件限流。

软件限流控制通过软件设置限流值，一般为变频器额定电流1.6倍，通过采集变频器输出电流，结合当前变频器输出频率，当变频器输出电流超过设定的软件限流值时，控制软件通过比例积分控制器，闭环调节变频器输出电压频率及幅值，抑制变频器输出电流增加。

由于该方法引入闭环控制，其达到稳态需要调节时间，若负载突变时间小于闭环调节时间，该抑制方法将存在失效风险。

硬件限流通过硬件设置限流值，一般为2倍变频器额定电流峰值，当变频器输出电流超过硬件限流值，产生硬件触发信号，该信号一方面封锁变频器驱动脉冲；另一方面进入控制芯片，从源头封锁变频器驱动信号。变频器驱动信号被封锁时，根据变频器采用的主电路拓扑，施加在电机端电压与变频器驱动信号封锁前相比，其电压极性相反，从而抑制输出电流增大。参考图1所示。

表1为一种硬件限流的电机端电压变化表。

表1

虽然，硬件限流解决了软件限流的响应时间慢，可能会抑制失效的问题，但硬件限流前后电机端电压变化量大，如表1所示，前后差值变化量为两倍，造成变频器输出电流变化斜率大，输出电流波形不好，进而影响电机控制性能如电机转速不稳、有噪声等。因此，如何解决这一问题成为现有的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种变频器限流方法，解决限流前后电压变化量大，减少对电机的影响，提高电机的控制性能。其具体方案如下：

一种变频器限流方法，包括：

获取电机的三相电流并判断是否出现过载电流；

当出现过载电流时，调整当前PWM载波周期内三相桥式逆变电路中的开关器件状态，以将所述三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件全部断开，或将所述三相桥式逆变电路的下桥臂所有开关器件全部闭合，上桥臂所有开关器件全部断开，且不影响后续PWM载波周期内三相桥式逆变电路中的开关器件正常工作状态。

优选的，当出现过载电流时，所述控制开关器件闭合与断开的具体方式为通过改变当前开关器件的驱动脉冲，且不影响后续正常工作状态下的驱动脉冲。

优选的，所述调整三相桥式逆变电路中的开关器件状态的过程包括：

判断PWM载波处于上升沿或下降沿；

当在所述PWM载波处于上升沿出现过载电流时，控制所述三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至高电平，使上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平，使下桥臂所有开关器件使全部断开；

当在所述PWM载波处于下降沿出现过载电流时，控制所述三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平，使上桥臂所有开关器件全部断开，下桥臂所有开关器件驱动脉冲跳转至高电平，使下桥臂所有开关器件全部闭合。

优选的，所述获取电机的三相电流的过程包括：

检测所述电机的三相电流；

或者，检测所述电机的两相电流，将两相电流相加并取反得到另一相电流。

本发明还公开了一种变频器限流系统，包括：

电流获取模块：获取电机的三相电流；

驱动脉冲调理模块：所述驱动脉冲调理模块包含过流比较单元，所述过流比较单元用于判断所述三相输出电流是否过流，当出现过载电流时，调整当前PWM载波周期内三相桥式逆变电路中的开关器件状态，以将所述三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件全部断开，或将所述三相桥式逆变电路的下桥臂所有开关器件全部闭合，上桥臂所有开关器件全部断开，且不影响后续PWM载波周期内三相桥式逆变电路中的开关器件正常工作状态。

优选的，所述驱动脉冲调理模块包括：

载波检测子模块，用于判断PWM载波处于上升沿或下降沿；

半桥控制子模块，用于当出现过载电流时，通过改变当前PWM载波周期内开关器件的驱动脉冲来控制所述开关器件的断开与闭合，且不影响后续PWM载波周期内的驱动脉冲的正常工作状态。

优选的，所述半桥控制子模块包括：

上升沿控制单元，用于当在所述PWM载波处于上升沿出现过载电流时，控制所述三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至高电平，使上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平，使下桥臂所有开关器件使全部断开；

下降沿控制单元，用于当在所述PWM载波处于下降沿出现过载电流时，控制所述三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平，使上桥臂所有开关器件全部断开，下桥臂所有开关器件驱动脉冲跳转至高电平，使下桥臂所有开关器件全部闭合。

优选的，所述驱动脉冲调理模块还包含驱动脉冲占空比计算子模块，所述驱动脉冲占空比计算子模块用于计算所述三相桥式逆变电路开关器件驱动脉冲占空比。

优选的，所述电流获取模块，具体用于检测所述电机的三相电流，或者具体用于检测所述电机的两相电流，将两相电流相加并取反得到另一相电流。

本发明还进一步公开了一种变频器，包括前述的变频器限流系统。

本发明中，变频器限流方法，包括：获取电机的三相电流；当出现过载电流，调整三相桥式逆变电路中的开关器件状态，以将三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件全部断开，或将三相桥式逆变电路的下桥臂所有开关器件全部闭合，上桥臂所有开关器件全部断开。可见，本发明通过在出现电流过流的情况下，将三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件全部断开，或将三相桥式逆变电路的下桥臂所有开关器件全部闭合，上桥臂所有开关器件全部断开，使电机三相短接，过载电流在电机内部被消耗，从而达到限流效果，且限流前后电压变动只有一倍，极大地减少了电压差，减少了对电机的影响，提高了对电机的控制性能，且不影响后续电机的正常使用，使电机能够快速的重新正常运转。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的一种变频器主电路示意图；

图2为本发明实施例提供的一种变频器限流方法流程图；

图3为本发明实施例提供的一种驱动脉冲调理示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种变频器限流方法流程图；

图5为本发明实施例提供的一种变频器限流系统结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种变频器限流系统应用示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种变频器限流方法，参见图2所示，该方法包括：

步骤S11：获取电机的三相电流并判断是否出现过载电流。

具体的，可以分别实时检测电机的U相、V相和W相电流，分别得到U相的电流I_u、V相的电流I_v和W相的电流I_w，并将三相电路与限流值进行比较，当检测到任一相的电流大于等于限流值，则进入限流模式；其中，限流值为预先设定的电流值，例如，可以通过相应的软件设定限流值为1.8倍变频器额定电流峰值，当然也可以通过硬件来设定限流值的具体值，限流值的具体值可以根据实际需求进行调整，在此不做限定。

当然，本实施例也可以仅检测电机的两相电流，另一相电流可以由已知的两相电流求和并取反计算出来，以此获取电机的三相电流。

步骤S12：当出现过载电流时，调整当前PWM载波周期内三相桥式逆变电路中的开关器件状态，以将三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件全部断开，或将三相桥式逆变电路的下桥臂所有开关器件全部闭合，上桥臂所有开关器件全部断开，且不影响后续PWM载波周期内三相桥式逆变电路中的开关器件正常状态。

具体的，当检测到任一相的电流大于等于限流值，则进入限流模式，调整当前PWM载波周期内三相桥式逆变电路中的开关器件状态，将三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件全部断开，或将三相桥式逆变电路的下桥臂所有开关器件全部闭合，上桥臂所有开关器件全部断开，使电机三相短接，以此让过载电流消耗在电机内部，而不影响整个电路和电机的运转。

其中，利用恒压频比控制算法及各种补偿，如转差补偿和转矩提升等参数，综合计算得到的输出电压，计算出驱动脉冲比较值CMP1、CMP2和CMP3，再利用计算出的驱动脉冲比较值，得到驱动脉冲占空比，最后利用驱动脉冲占空比，调制驱动脉冲，将调制后的驱动脉冲输入到三相桥式逆变电路中，控制相应开关器件的闭合时间和关断时间，即正常状态下，利用该调制脉冲控制开关器件的工作状态，使变频器能够实现对电机的控制。

可见，本发明实施例通过在出现电流过流的情况下，将三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件全部断开，或将三相桥式逆变电路的下桥臂所有开关器件全部闭合，上桥臂所有开关器件全部断开，使电机三相短接，过载电流在电机内部被消耗，从而达到限流效果，且限流前后电压变动只有一倍，极大地减少了电压差，减少了对电机的影响，提高了对电机的控制性能，且不影响后续电机的正常使用，使电机能够快速的重新正常运转。

需要说明的是，在本实施例中，当出现过载电流时(以下称为过流点)，对逆变电路开关器件状态的调整是动态的，而不是永恒的，即只会在过流点通过特定的方式改变开关器件的在过流点的状态，而不会影响开关器件在过流点之后的状态，过流点之后的开关状态依然受经驱动脉冲占空比调制得到的脉冲的正常控制。

具体的，在本实施例中，对开关器件的调整是通过调整开关器件驱动脉冲实现的，当出现过载电流时，在过流点人为干涉经占空比计算得到的调制脉冲，将上桥臂开关器件在过流点的驱动脉冲全部调整为高电平，下桥臂开关器件在过流点的驱动脉冲全部调整至低电平，或者将上桥臂开关器件过流点的驱动脉冲全部调整为低电平，下桥臂开关器件在过流点的驱动脉冲全部调整为高电平，由于每个开关器件在在一个载波周期内只通断一次，即对应每个开关器件，一个载波周期内只出现一个驱动脉冲，每半个载波周期内的驱动脉冲的电平只改变一次，也即相应的开关器件每半个载波周期内只进行一次动作，且后半个载波周期内驱动脉冲电平不受前半个载波周期驱动脉冲电平变化的影响，例如，当前半个载波周期内的电平被统一钳位到高电平或低电平时，无论输出电流如何变化，前半个载波周期内的驱动脉冲电平都不再发生变化，相应的开关器件在此期间也只利用驱动脉冲电平进行一次动作，关断或闭合，并且，过流点之后驱动脉冲都会恢复到正常状态，即经过占空比调制所得，当又出现过载电流时，继续按照上述方式进入限流模式。

例如，参考图3所示，G1、G3和G5分别为根据占空比调制所得的上桥臂开关器件驱动脉冲，当某一相电流在A点超过限流值，此时G1、G3和G5正常电平为高、低和低，由于系统启动限流模式，则将G1、G3和G5电平均拉至高电平，如图3中G1′、G3′和G5′在A点的图形，此时，即使A点后的电流降到限流值以下，当前载波计数模式下的驱动脉冲电平也不再发生变化，由于载波后半周期的驱动脉冲电平不受前半周期的影响，若输出电流一直未超过限流值，则后半周期的脉冲电平为其正常状态的电平，比如在B点时为高、高和低，若输出电流在B点时超过限流值，则G1、G3和G5电平均拉至低电平，如图3中G1′、G3′和G5′在B点的图形，使输出电流降低，后续载波周期内的驱动脉冲变化情况如上述一样。

表2为本发明实施例中的一种电机端电压变化表。

表2

例如，参考图1所示，采用相位180°的导通方式，当G1、G3和G2导通，电机的三相输出电流方向如图中箭头所示，若此时输出电流瞬时值超过设定限流值且当前PWM计数器输出Fup标志(PWM，Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)，则将上桥G1、G3、G5全部开通，G2关断，此时UV端电压为0；VW端电压为0；UW端电压为0。限流动作前后，电机端电压变化量为硬件限流的一半，从而变频器输出电流在限流动作时的变化率小于硬件限流。电机端电压变化如表2所示。

本发明实施里公开了一种具体的变频器限流方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案做了进一步的说明和优化。参见图4所示，具体的：

步骤S21：获取电机的三相电流并判断是否出现过载电流。

步骤S22：当出现过载电流时，判断PWM载波处于上升沿或下降沿，当PWM载波处于上升沿时则进入步骤S23，当PWM载波处于下降沿时则进入步骤S24。

具体的，可以通过PWM载波计数器的输出标志来判断PWM载波当前处于上升沿还是下降沿，当PWM载波处于上升沿，则PWM载波计数器处于增计数模式，输出Fup标志；当PWM载波处于下降沿，则PWM载波计数器处于减计数模式，输出Fdown标志。

步骤S23：当PWM载波处于上升沿时，控制三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至高电平，下桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平。

具体的，当PWM载波计数器输出Fup标志，则控制三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至高电平，下桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平，进入限流模式。

步骤S24：当PWM载波处于下降沿时，控制三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平，下桥臂所有开关器件驱动脉冲跳转至高电平。

具体的，当PWM载波计数器输出Fdown标志，则控制三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平，下桥臂所有开关器件驱动脉冲跳转至高电平，进入限流模式。

可以理解的是，PWM载波可以为三角波，在实际应用中，根据设计需求，也可以记录其它波形的上升沿与下降沿状态，通过相应的规律也可以作为判断是闭合三相桥式逆变电路的上桥臂或下桥臂的标准。

需要说明的是，本发明实施例中当出现过载电流时，通过改变当前开关器件的驱动脉冲，控制开关器件闭合与断开，且不影响后续正常工作状态下的驱动脉冲。

在本发明实施例中的另一种实施方式中，还可以对过载电流出现的次数进行计数，得到过流次数，用户可以根据过流次数对系统的进行改进或维护，使过流次数降低，提高系统的稳定性。例如，一种变频器在一天的使用过程中，出现过流次数超过50次，超过预估的20次，因此可能对于电机的调速或者调制方法不适合当前运行条件，因此超出预估的电流过流次数，这样用户可以对整个系统进行调节，改变参数，使系统运行更加稳定高效。

本发明实施例还提供了一种变频器限流系统，参见图5所示，该系统包括：

电流获取模块11：获取电机的三相电流；

驱动脉冲调理模块12：驱动脉冲调理模块包含过流比较单元，过流比较单元用于判断三相输出电流是否过流，当电流获取模块11检测到出现过载电流时，调整当前PWM载波周期内三相桥式逆变电路中的开关器件状态，以将三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件全部断开，或将三相桥式逆变电路的下桥臂所有开关器件全部闭合，上桥臂所有开关器件全部断开，且不影响后续PWM载波周期内三相桥式逆变电路中的开关器件正常工作状态。

其中，电流获取模块11具体用于检测电机的三相电流或检测电机的两相电流，将两相电流相加并取反得到另一相电流。

参见图6所示，本发明实施例中的驱动脉冲调理模块12，具体包括驱动脉冲占空比计算子模块121、载波检测子模块122和半桥控制子模块123，其中，

驱动脉冲占空比计算子模块121，用于计算出驱动脉冲占空比，以控制开关器件的闭合时间和关断时间；

载波检测子模块122，用于判断PWM载波处于上升沿或下降沿；

半桥控制子模块123，用于当出现过载电流时，通过改变当前开关器件的驱动脉冲来控制开关器件的断开与闭合，且不影响后续正常工作状态下的驱动脉冲。

上述半桥控制子模块123包括上升沿控制单元和下降沿控制单元；其中，

上升沿控制单元，用于当在所述PWM载波处于上升沿出现过载电流时，控制所述三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至高电平，使上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平，使下桥臂所有开关器件使全部断开；

下降沿控制单元，用于当在所述PWM载波处于下降沿出现过载电流时，控制所述三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件驱动脉冲全部跳转至低电平，使上桥臂所有开关器件全部断开，下桥臂所有开关器件驱动脉冲跳转至高电平，使下桥臂所有开关器件全部闭合。

在本发明实施例中的变频器限流系统，还包括：

计数模块，用于对过载电流出现次数进行计数，得到过流次数，以使用户利用过流次数对系统进行分析。

可见，本发明实施例通过电流获取模块11检测出电流过流，由驱动脉冲调理模块12将三相桥式逆变电路的上桥臂所有开关器件全部闭合，下桥臂所有开关器件全部断开，或将三相桥式逆变电路的下桥臂所有开关器件全部闭合，上桥臂所有开关器件全部断开，使电机三相短接，过载电流在电机内部被消耗，从而达到限流效果，且限流前后电压变动只有一倍，极大地减少了电压差，减少了对电机的影响，提高电机的控制性能，且不影响后续电机的正常使用，使电机能够快速的重新正常运转。

此外，本发明还公开了一种变频器，包括前述实施例中公开的变频器限流系统。关于该变频器限流系统的具体构造可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种变频器及其限流方法、系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。