管理变频器中功率单元的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及变频器，尤其涉及保障变频器可靠性的方法。
【背景技术】
[0002]变频器是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要通过整流(交流变直流)、中间电路直流滤波、逆变(直流变交流)等过程来调整输出电源的电压和频率，进而达到节能、调速的目的。目前市场上使用的中/高压变频器产品的类型主要有两电平电流源型高压变频器，三电平电压源型变频器以及功率单元级联型变频器。其中，功率单元级联型变频器因其完美的无谐波输出和节能的特性，被广泛地应用到了很多工业领域中。
[0003]功率单元级联型变频器主要包括带有多个副边绕组的移相变压器、多个级联的功率单元、控制器等。其中移相变压器给各个功率单元供电，控制器控制多个功率单元的输出电压进行叠加，以根据需要提供多种输出电压。功率单元是变频器实现变压变频输出的基本单元，每个功率单元都相当于I台交-直-交电压型单相输出的低压变频器。功率单元整流侧用二极管三相全桥进行不可控全波整流，中间电路采用并联在直流母线上的大容量电容进行储能和滤波，逆变侧为包括绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT)的逆变器，提供单相等幅的交流PWM波形输出电压。图1给出了常用的功率单元电路示意图。如图1所示，功率单元是由二极管整流桥、并联在直流母线上的大容量储能电容C、并联在这些电容C上的电阻R和H桥逆变器组成。其中二极管整流桥由整流二极管T1-T6组成，H桥逆变器由4个IGBT(Q1-Q4)组成。在实际工作中，功率单元所在的控制电路板接收来自高压变频器的控制器的命令，通过控制IGBT的导通和截止来调整功率单元的输出电压。功率单元所在的控制电路板和控制器之间通过光纤进行信号传输。
[0004]高压变频器经常运行在高频、大电流和高电压的环境中，提高变频器的可靠性是影响变频器能否得到迅速推广和应用的一种关键技术。功率单元级联型变频器的可靠性在很大程度上取决于功率单元的可靠性。如图1所示，功率单元各器件出现问题时，都有可能造成功率单元无法正常工作。例如，功率单元中的电力电子开关器件IGBT工作在频繁导通和截止状态，开通和关闭的时候都会有一定的功率损耗，损耗的功率转化成热量会使得功率单元的温度上升，如果功率单元散热状况不好(例如，整机换风通道出现问题，外部空气环境温度过高等因素均可能导致这种现象出现)，长时间运行后工作温度过高从而可能造成元器件损坏。此外，IGBT器件的开通电压大于一定的值时也会损坏IGBT器件自身。或者，某些情况下的电压/电流的突变也有可能造成功率单元中元器件的损坏。功率单元是高压变频器的基本单位，任何一个功率单元故障，将会导致高压变频器输出电压及输出功率的不均衡，并且达不到电机所需要的额定电压，甚至更有可能使高压变频器负载加重，导致相邻功率单元的损坏，导致出现高压变频器整体故障。
[0005]现在主要采用两种方式来确保变频器的可靠性。一种方式是旁路技术，就是在检测到某个功率单元发生故障时，将该功率单元旁路，使其与变频器主电路相分离。另一种方式是采用冗余的功率单元，在正常允许状态下，冗余的功率单元处于旁路状态或输出零矢量，在检测到某个功率单元发生故障时，采用冗余的功率单元来代替发生故障的功率单元，从而保证整个变频器输出电压的稳定性。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的是提供一种管理变频器中功率单元的方法。
[0007]本发明的另一个目的是提供一种管理变频器中功率单元的设备。
[0008]为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案:
[0009]根据本发明的一个实施例，提供一种管理变频器中功率单元的方法，所述变频器包括用于提供所述变频器的额定输出电压的多个功率单元，以及处于旁路状态或输出零矢量的一个或多个功率单元，其中用于提供所述额定输出电压的多个功率单元构成第一集合，所述处于旁路状态或输出零矢量的一个或多个功率单元构成第二集合，所述方法包括:
[0010]a)检测所述第一集合中各个功率单元的健康状况；
[0011]b)将所检测到的健康状况差的功率单元加入所述第二集合，并将所述第二集合中其余的一个功率单元加入第一集合。
[0012]与现有的直到某个功率单元发生故障时才启动保护机制的方式相比，该方法通过监控功率单元的健康状态，可以在不可逆的损坏发生之前将该功率单元与主电路分离，提高了功率单元的平均使用寿命，而且不影响变频器的额定电压输出。
[0013]根据本发明的又一个实施例，可以定期地、周期性地或实时地检测各个活动功率单元的健康状态，将所检测到的健康状态差的功率单元旁路或设置为输出零矢量并加入到第二集合中，同时从第二集合中选择相应的功率单元来加入第一集合中。例如，可以从所述第二集合中选择与所检测到的健康状况差的功率单元在同一相的功率单元，调整其输出电压，使其与第一集合中其余功率单元共同提供所述变频器的额定输出电压。
[0014]其中，第二集合中所包含的功率单元是不断变化的，并非是指定的或固定不变的。这样，将健康状态差的功率单元加入第二集合，使其基本处于不工作的状态，那么该功率单元可逐渐恢复到健康状况，这无疑延长了功率单元的使用寿命。而且，不断地以健康状况较好的功率单元来代替健康状态差的功率单元来作为活动的功率单元以提供输出电压，既使得变频器中功率单元的损耗在所有的功率单元之间进行平均分布，又可改善了变频器的整体可靠性和稳定性。
[0015]根据本发明的又一个实施例，在检测到发生故障的功率单元时，可以将故障功率单元旁路，同时从第二集合中选择功率单元并调整所选择的功率单元的输出电压，使其与其余的活动的功率单元共同提供所述变频器的额定输出电压，从而防止由于功率单元出现故障而影响变频器的整体输出电压的情况出现。
[0016]根据本发明的又一个实施例，在检测到发生故障的功率单元时，如果第二集合中没有可用的功率单元，旁路该发生故障的功率单元，同时可以发出报警信号，以提示变频器目前处于降额运行状态。这样，可使得维护人员及时发现问题，以修理或更换故障功率单元，从而保证变频器及其连接的电机的正常运行。
[0017]根据本发明的又一个实施例，可以基于设定的健康阈值来检测所述第一集合中各个功率单元的健康状况，其中设定健康阈值的基本原则是尽量确保能够在功率单元中发生器件损坏之前触发或启动对功率单元的相应保护机制。例如，可以基于功率单元的温度数据来判断功率单元的健康状况。当功率单元的温度超过设定的温度健康阈值时，说明该功率单元的健康状况较差。温度健康阈值的设定可以根据功率单元中半导体器件IGBT的厂商提供的标准或领域专家的经验知识来设定，其目的是确保能够在功率单元的器件发生损坏之前触发或启动对功率单元的相应保护机制，以尽可能地延长功率单元的使用寿命。在又一个实施例中，可以基于从功率单元采集的温度数据、电压数据和电流数据的任意组合来判断功率单元的健康状况，这样可以更全面地评估功率单元的健康状况，在一定程度上提高了检测的可靠性。在又一个实施例中，还可以将从功率单元采集的数据保存到历史数据库中，采用滑动平均法基于一段时间内从功率单元采集的数据来判断功率单元的健康状况。这在很大程度上防止了偶然或突发情况对检测结果的影响，可改善该方法整体的稳定性。
[0018]根据本发明的又一个实施例，提供一种管理变频器中功率单元的设备