DC链路电容器保护的制作方法

文档序号:19735464发布日期:2020-01-18 04:24阅读:358来源:国知局
DC链路电容器保护的制作方法

本发明涉及对例如用于逆变器(诸如电机驱动器)的dc链路电容器的保护。



背景技术:

逆变器通常包括多个开关(通常是igbt),这些开关用于在控制器的控制下切换储存在一个或多个dc链路电容器上的dc电压,以生成用于提供给负载(诸如电机)的ac信号。负载可能具有多个相(通常提供3个相)。

储存在这些dc链路电容器上的dc电压可能很高:大约800伏至900伏的值是常见的。提供可以承受如此高的电压的单个电容器可能是困难的(并且昂贵的);因此,两个(或更多个)电容器的串联连接是常见的。

这些dc链路电容器中的一个电容器可能发生故障,故障会引起电容器短路。这样的故障会导致整个dc链路电压出现在单个电容器上。在单个电容器上提供如此高的电压可能会导致该电容器被损坏,这可能是灾难性的。在这种情形下可能会引起火灾和爆炸。

本发明力图解决以上概述问题中的至少一些问题。



技术实现要素:

本发明提供了一种操作逆变器系统的方法,该逆变器系统包括整流器级、dc链路级、逆变器级和控制模块,该方法包括:使用该整流器级将该dc链路级充电至第一(相对较低的)电压电平;激活该控制模块;使用该控制模块确定该dc链路级的串联连接的电容器上的电压是否平衡(例如,电压是否在可接受的容差范围内);以及如果该控制模块确定所述电压平衡,使用该整流器级将该dc链路级充电至第二电压电平,其中,该第二电压电平高于该第一电压电平(从而克服了在难以测量dc链路电压的启动阶段期间对dc链路电容器的保护的问题)。

如果该控制模块确定所述电压不平衡,可以控制该整流器级,使得所述dc链路电压被限制,例如,被限制到所述第一电压电平或可能更低的电压(甚至为零)。在有源整流器包括晶闸管的实施例中,该步骤可以通过适当地控制所述整流器级的晶闸管来实施。替代性地或此外,如果该控制模块确定所述电压不平衡,该控制模块可以用于发出警报。

本发明还提供了一种逆变器系统,该逆变器系统包括整流器级、dc链路级、逆变器级和控制模块,其中:该整流器级被配置成用于将该dc链路级充电至第一(相对较低的)电压电平;该dc链路级包括两个或更多个串联连接的电容器;该控制模块被配置成用于确定该dc链路级的串联连接的电容器上的电压是否平衡;并且该整流器被配置成用于如果该控制模块确定该dc链路级的串联连接的电容器上的电压平衡,在所述控制模块的控制下将该dc链路级充电至第二电压电平(高于该第一电压电平)。

该整流器级可以包括充电电路(诸如,有源浪涌电路),该充电电路用于控制对该dc链路级到该第一电压电平和/或该第二电压电平的充电。在本文档中,该充电电路通常被称为有源浪涌电路,但是替代性的术语对于本领域技术人员而言将是显而易见的,诸如软充电器电路或预先充电器电路。

在本发明的一些形式中,该第一电压电平是在这些串联连接的dc链路电容器中的一个电容器发生短路的情况下所述dc链路电容器能够安全地承受的电平。(在这种情况下,剩余的dc链路电容器可能是单个dc链路电容器。)

该第一电压电平通常足以启动主开关模式电源。(该逆变器系统可以包括所述开关模式电源。)该主开关模式电源可以用于向该控制模块提供电力。该主开关模式电源可以具有接收来自所述dc链路级的电力的输入端。

在本发明的一种形式中,该第一电压电平在250伏与300伏之间。

该整流器级可以包括一个或多个晶闸管,使得该整流器是有源整流器。该整流器可以包括串联连接的晶闸管。在替代性的布置中,该整流器可以包括晶闸管与二极管的串联连接。

本发明又进一步提供了一种计算机程序(或计算机程序产品),该计算机程序被配置成用于:将逆变器系统的dc链路级充电至第一电压电平;确定该dc链路级的串联连接的电容器上的电压是否平衡;并且如果控制模块确定所述电压平衡,将该dc链路级充电至第二电压电平,其中,该第二电压电平高于该第一电压电平。如果所述电压不平衡,该计算机程序(或计算机程序产品)可以限制dc链路电压(例如,限制到所述第一电压电平或可能更低的电压(甚至为零))和/或发出警报。

附图说明

现在将参考以下示意性附图进一步详细地描述本发明,在附图中:

图1示出了逆变器驱动系统;

图2示出了可以用于图1的逆变器驱动系统的逆变器;

图3示出了根据本发明的一个方面的高度示意性逆变器驱动系统;

图4是演示了图3的系统的示例性使用的流程图;并且

图5示出了图3的逆变器驱动系统的示例性实施方式。

具体实施方式

图1是总体上由附图标记1指示的包括可调速驱动器(asd)的系统的框图。系统1包括ac电源2、asd4以及负载6(诸如,三相电机)。asd4包括整流器8、dc链路电容器10、逆变器12和控制模块14。

ac电源2的输出端连接至整流器8的输入端。整流器8的输出端向逆变器12提供dc电力。如以下进一步描述的,逆变器12包括切换模块,该切换模块用于将dc电压转换成具有依赖于栅极控制信号的频率和相位的ac电压。这些栅极控制信号通常由控制模块14提供。以这种方式,可以控制到负载6的每个输入端的频率和相位。

逆变器12通常与控制模块14进行双向通信。逆变器12可以监测与负载6的三个连接中的每个连接中的电流和电压(假设正在驱动三相负载)并且可以将电流和电压数据提供给控制模块14(尽管一点也没有必要使用电流传感器和电压传感器两者)。当生成根据需要操作负载所要求的栅极控制信号时,控制模块14可以利用电流数据和/或电压数据(当可供使用时)。当然,还存在其他控制布置,其中一些控制布置不要求提供电流数据或电压数据。

图2示出了逆变器12的示例性实施方式的细节。

如图2所示,逆变器12包括第一、第二和第三高侧切换元件(t1、t2和t3)以及第一、第二和第三低侧切换元件(t4、t5和t6)。例如,每个切换元件可以是绝缘栅双极晶体管(igbt)或mosfet晶体管。如图2所示,切换元件(t1至t6)中的每一个与相应的续流二极管(d1至d6)相关联。

示例性逆变器12是生成以下三个输出的三相逆变器:u、v和w。逆变器12的这三个相位向上述系统1中的负载6的三相提供输入。当然,逆变器12可以被修改成提供不同数量的输出以便驱动不同的负载(诸如,具有多于或少于三个相位的负载)。

第一高侧切换元件t1和第一低侧切换元件t4一起连接在正极dc端子与负极dc端子之间。这些切换元件的中点提供u相输出。以类似的方式,第二高侧切换元件t2和第二低侧切换元件t5一起连接在正极dc端子与负极dc端子之间,其中,这些切换元件的中点提供v相输出。此外,第三高侧切换元件t3和第三低侧切换元件t6一起连接在正极dc端子与负极dc端子之间,其中,这些切换元件的中点提供w相输出。

逆变器12是一种2级、6晶体管逆变器。如将对本领域技术人员显而易见的,本发明的原理适用于不同的逆变器,诸如3级逆变器。以举例的方式提供了对逆变器12的描述,以帮助说明本发明的原理。

图3示出了根据本发明的一个方面的总体上由附图标记20指示的高度示意性逆变器驱动系统。如从以下描述将变得清楚的,逆变器驱动系统20包括与上文参考图1描述的逆变器驱动系统1的许多相似之处。

系统20包括ac电源22、asd24以及负载26(诸如,三相电机)。asd24包括整流器级28、dc链路级30、逆变器级32、控制模块34以及开关模式电源(smps)36。

ac电源22的输出端连接至整流器28的输入端。整流器28的输出端在控制模块34的控制下向dc链路级30提供dc电力。如以下详细描述的,整流器级28是可控制的,使得dc链路电压是可控制的,并且因此该整流器级通常被称为有源整流器(以将该整流器级与传统的无源二极管整流器进行区分)。

如图3所示,整流器28的输出端还向开关模式电源(smps)36的输入端提供dc电压。开关模式电源向控制模块34提供电力、并且还可以用于向其他电路元件(图3中未示出)提供电力。

逆变器32通常与控制模块34进行双向通信。逆变器32可以监测与负载26的三个连接中的每个连接中的电流和电压(假设正在驱动三相负载)并且可以将电流数据和电压数据提供给控制模块34(尽管一点也没有必要使用电流传感器和电压传感器两者)。当生成根据需要操作负载所要求的栅极控制信号时,控制模块34可以利用电流数据和/或电压数据(当可供使用时)。当然,还存在其他控制布置,其中一些控制布置不要求提供电流数据或电压数据。

尽管系统20用于驱动诸如电机等负载,但这对本发明而言不是必需的。例如,本发明的原理适用于并网逆变器,诸如太阳能逆变器或风力逆变器。

图4是示出了演示逆变器驱动系统20的示例性使用的总体上由附图标记40指示的算法的流程图。

算法40开始于步骤42,其中整流器级28用于将dc链路级30充电至第一(低)电压。

接下来,在步骤44处,启动主smps电路36。因此,步骤42中由整流器级28输出的电压必须足以使smps电路36起作用。在本发明的一种实施方式中,该电压大约为250伏至300伏。应当注意的是,该电压足够低,使得通常可以被单个dc链路电容器承受(该电容器通常可能具有大约400伏至450的击穿电压)。

然后算法40移至步骤46,其中控制模块34被接通。为了使控制模块34被接通,主smps电路36需要输出足够的电压。应当注意的是,控制模块有时被称为“面向电力的控制器”(或poc),因此如果在图3中使用术语“启动poc控制器”,则指的是接通控制模块34。

控制模块34接收有关dc链路级30的串联连接的电容器上的电压的数据。因此,在算法40的步骤48处,控制模块可以确定串联连接的dc链路电容器上的电压是否平衡。如果这些电压被认为是平衡的,则算法40移至步骤50。如果否(例如,由于电容器短路),则算法40移至步骤54。举例来说,如果dc链路电容器上的电压相同或在可接受的容差范围内(例如,这些电压在限定的伏数内或在限定的百分比内),则这些电压可以被认为是“平衡的”。

在步骤50处,整流器28用于将dc链路电压充电至更高的第二电平。该更高的第二电平是系统20的正常操作电平(并且可以是如图4中所提出的“全电压”)。假定控制模块34在此阶段已经确定(在步骤48中)dc链路级不包括电容器短路,则已经确定该系统以这个更高的第二dc链路电压电平进行操作是安全的。

在将dc链路电压设置为更高的、正常的第二操作电平的情况下,然后在算法40的步骤52处启动常用的启动程序,并且然后算法40在步骤56处终止。

在步骤54处,已经确定dc链路电容器上的电压不平衡。因此,可能发生了故障(诸如短路)。在步骤54处,在算法在步骤56处终止之前发出警报。注意的是,未使用更高的第二dc链路电压(这可能会导致dc链路电容器爆炸)。在步骤54中,通常控制整流器28以将dc链路电压限制到安全的电平。例如,可以控制整流器级,使得所述dc链路电压被限制到所述第一电压电平,但是可以使用不同的(更低的)电压电平(甚至为零)。在整流器级28包括晶闸管的本发明的实施例中,该步骤可以通过适当地控制所述整流器级的晶闸管来实施。

重要的是要注意,直到控制模块34是可操作的之后才可以执行步骤48(其中确定dc链路电容器是否平衡)。直到主smps电路36输出足够的电压之后,控制模块34才可以是可操作的。因此,当系统20首先连接至主电源22时,在可以确定dc链路级30的任何串联连接的电容器是否短路之前存在延迟。

因此,在启动情况下,整流器28用于将dc链路充电至低电压(算法40的步骤42),该低电压足以启动smps电路36并且随后启动控制模块34,该控制模块可以测量dc总线中的电容器的电压平衡。如果电容器之间的电压是平衡的,则该控制模块给出要将dc链路电压充电至正常操作电压的命令。在过度不平衡的情况下,例如,意味着这些电容器中的一个电容器被损坏或短路,则控制模块34将阻止对dc链路的充电并且将警报记录在日志中、并且例如经由工业控制面板(icp)将故障报告给用户。

图5提供了图3的逆变器驱动系统的总体上由附图标记60指示的示例性实施方式的进一步细节。

图5所示的逆变器驱动系统60包括上述逆变器系统20的负载26、整流器级28、dc链路级30、逆变器级32、控制模块34和开关模式电源(smps)36。此外,逆变器驱动系统60包括emc滤波器62和有源浪涌控制器(aic)64。如图5所示,dc链路级30包括dc链路电容器68和69的串联连接。

在逆变器驱动系统60中,控制模块34接收来自逆变器级32的输出端的电机电流反馈和电机电压反馈。这些反馈信号仅仅通过举例的方式来提供。技术人员将意识到在逆变器驱动系统60的正常操作中可以提供替代性的或附加的反馈信号。

如图5所示,控制模块34还接收来自dc链路级30的电压测量结果,具体是dc链路的dc+电压和dc-电压、以及来自串联连接的dc链路电容器68和69的中点的电压测量结果。对这些电压进行比较给出了一种确定这些串联连接的dc链路电容器中的一个或多个电容器是否存在短路(或某种其他故障)的方法。其他方法包括将dc链路电容器的中点处的电压与同这些dc链路电容器并联提供的一对串联连接的电阻器的中点处的电压进行比较。技术人员将意识到进一步的替代方案。

如本文所述,整流器级28是可控制的。例如,整流器级可以包括晶闸管或者晶闸管与二极管的串联组合。(图5所示的系统60包括晶闸管与二极管的串联组合,但是这对于本发明的所有形式不是必需的。)

当dc链路由串联提供的至少两个电容器(诸如,图5所示的电容器68和69)组成时,通常的意图是这些电容器大致均等地共享dc链路上的电压,因为这些电容器不是设计用于在驱动器正常操作期间独自(即单独地)承担全dc链路电压。当一个电容器的绝缘/电介质的故障导致内部短路时会出现问题,该内部短路会导致其他健康电容器在操作期间获得明显的过电压的情况,这可能造成另外的健康部件的灾难性损坏和爆炸。在由于使用了晶闸管因此输入整流器部分是可控制的电动机驱动器中,可以通过阻止电网电流流入故障的dc链路中、从而将功率耗散降低至合理的水平来防止健康电容器损坏和爆炸。在dc链路电容器的电压之间观察到严重不平衡的情况下,这可以通过有源浪涌控制器(aic)64停止晶闸管栅极脉冲来实现。在正常的驱动器操作期间由控制模块34执行对dc链路中各个电容器的电压的监测,并且可以通过命令aic64禁止晶闸管栅极脉冲来启动爆炸预防。这在整个驱动器已经启动时起作用。在驱动器启动期间,仅aic64是起作用的,而控制模块34尚未起作用,因此,在这些电容器中的一个电容器已经短路时将dc总线充电至全电压会导致其余电容器上出现明显的过电压并且有可能导致爆炸。为控制模块34供电的主smps36具有有限的启动时间,并且控制模块34也需要一些时间来启动。

在系统60中,在启动情况下使用有源浪涌控制器64(即整流器级中的晶闸管),以将dc链路仅充电至可以被dc链路中的单个电容器安全承受的电压电平(参见上述算法40的步骤42)。一旦主smps36和控制模块34已经启动(算法40的步骤44和46),就可以测量dc链路中的电容器之间的电压不平衡(算法40的步骤48),并且继续(步骤50)或者在严重不平衡的情况下中断(步骤54)对dc链路的充电。应当注意的是,有源浪涌电路的使用对于本发明的所有形式不是必需的。可以使用类似的电路系统(诸如,预先充电器电路或软充电器电路)。此类电路可以用通用术语“充电电路”来描述。

上文所描述的本发明实施例仅仅通过举例的方式来提供。技术人员将意识到在不偏离本发明的范围的情况下可以进行的许多修改、变化和替换。例如,本发明的原理不限于与图1所示形式的电机驱动系统一起使用。本发明的权利要求旨在涵盖如落在本发明的精神和范围内的所有此类修改、变化和替换。

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