专利名称：频率转换器电流的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量频率转换器电流的方法和设备，尤其涉及一种测量矢量控制频率转换器的输出电流的方法和设备，该矢量控制频率转换器包括一连接到交互式电网的主电桥，一连接到电载的负载电桥，和这两个电桥之间直流电压中间电路，其中使用了设在中间电压电路的电流测量元件。
背景技术：
通常，希望频率转换器提供比较好的电机控制性能，使用两个或三个电流转换器测量输出电流。为了控制，通常在输出电压零向量的中部进行电流取样，在该处测量信号的谐波最小。这种测量方法的缺点是较为昂贵因为需要几个甚至三个转换器。
芬兰第116337号专利说明书公开了一种用于测量频率转换器的电流的设备，使用安装在直流电压中间电路的电流传感器以产生与所述频率转换器和测量单元的直流电路的电流一致的信号，其中所述频率转换器的直流电压中间电路的电流值转换成对应的信号。所述测量单元附设有存储器用于存储当前的信号值和前一个信号值，并且一微分元件产生与每个输出相位电流相应的电流值，作为两个连续信号之间的差值。可是，这种方法涉及形成输出电压的限制，在一个调制周期内只有两对开关被调整。
发明内容
本发明的目的是发明一种新的用于频率转换器电流测量的测量设备，其仅通过使用一个便利的电流传感器并且没有调制技术的限制就可以产生关于所述输出电流瞬时值的非常精确的信息。精确的电流信息至少是所谓的向量控制设备所需要的。
根据本发明，依靠设置在所述中间电路中的一传感器测量电流。所述传感器可以例如是一个并联或分流电阻器或是一个基于霍尔效应的转换器。
电流流过设在所述直流电压中间电路的传感器，提供了输出相位中的电流样本，所述输出相位与另外两个开关相比在不同的位置。基于这一点，并且考虑到在每个输出电压向量持续期间之内电机电流的变化率能够被相对准确的估计，可以计算出期望的那一刻的电流的瞬时值。这样，可以达到与基于三电流传感器的常规系统相同的情形，其中，在调制周期内、在所述零向量的开始和中间，电流被采样两次。
本发明的解决方案的详细特征在所附的权利要求之中公开。
下面将结合实施例以及附图详细描述本发明，其中图1示出了频率转换器的主电路；图1a示出了用于三相鼠笼感应电机的等效电路；图2示出了正弦三角调制信号和中间电路内的输出电流；图3示出了相位开关状态的变化，中间电路电流状态的变化和电流样本状态的变化；图4示出了在有功向量作用期间所述电机电流的变化率。
具体实施例方式
图1示出了三相脉宽调制频率转换器的一常规主电路，其包括一主电桥10，一滤波电容CDC，一负载电桥11和一控制单元12。该主电桥10包括一个二极管，该二极管用于把所述供应网络的三相交流电整流成用于所述直流中间电路的直流电压；该负载电桥11包括使用功率半导体器件的三相位开关，其从所述中间电路产生直流电压UDC，三相输出电压UU，UV，UW作用到一感应电机13。所述相位开关由功率半导体器件开关组成，优选IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘闸门场效应晶体管)，在上部支路和下部支路中，二极管与IGBT并联。所述相位开关把所述输出相位接通到+UDC(高电位)或-UDC(低电位)段。所述开关的转向，譬如从所述高电位转到所述低电位，如图3所示，首先终止作用于所述先前传导上部支路IGBT的控制脉冲，然后在所谓无效时间的间隔内，启动用于下部支路IGBT的控制脉冲。所述控制脉冲由所述控制单元内的所谓调节器产生。本发明的电流的测量方法使用一电流传感器RDC实施，该电流传感器RDC可以设置在如图所示的-UDC支路或者设在+UDC支路。
图2示出正弦三角调制号的执行原则和中间电路电流信号的生成。在正弦三角调制时，每一相位电压有一单独的正弦曲线信号(UUref，UVref，UWref)，其与共同的三角信号UΔ比较。如图2所示，作为比较结果，可以获得涉及U、V和W的三相开关位置，其中，所述“1”位置意味着所述主电路控制功率半导体器件上部支路开关导通，在“0”位置时下部支路开关导通。该图也示出了由安装在所述中间电路的电流传感器显示的输出电流数据；例如，在t1-t2的时间内，当所有的相位开关在低位时，中间电路电流是0。相对应地，例如，在t2-t3的时间内，当U相开关在高位并且其他相位开关在低位时，中间电路电流与U相电流iU相同。表1示出了所有不同开关位置之间的相互依赖性和iDC信号可见的相位电流，以相互依赖性为基础推测所述输出电流(电流的正方向定义为流向电机的方向)表1
所述来自电流传感器信号的输出电流的推测是基于所述三相系统的一般特性(输出电流之和是0)和调节器的属性，该调节器以正弦三角比较为基础。根据本发明，在所述直流电压中间电路中的电流样本(所述iDC电流)与图3所示的相位开关状态变化方式产生关联。该图示出了典型的电源开关控制顺序，其中例如，在相位开关基准位置从高到低的变化下，先前导通上部支路IGBT的控制脉冲首先被终止，并且在所谓的无效时间tD(比如2μs)的间隔内，所述下部支路的控制脉冲启动。
所述相位开关状态的每一次改变都使中间电路电流产生变化。根据本发明，在得到第一相位电流样本与门控制脉冲终止感应IGBT的同一瞬间，获得第一相电流样品，例如在图3所示的t1和t3瞬间。同样，在如图所示的t2和t4瞬间，控制脉冲启动以接通IGBT，并在适当的延时之后得到第二相位电流样本。所述延时(图3中的t2-t1以及t4-t3)足够长以便允许IGBT从触发到稳定后，例如5μs，产生振荡效果。
振荡的幅度和时间对采样的不利影响依赖于包括电机电缆电容在内的环境，还依赖于所述电缆的长度。采样中所述振荡可能引起的随机错误能够通过如图3所示的积分采样方法而消除。在所述方法中，产生在特定的测量周期内，例如3μs实测信号的所述时间积分，并且在该周期结束时采样。
通过上述采样原理，实际上同步采样，考虑输出电流的变化率，在整个转换周期中获得两次两相位电流，以此为基础能够计算出第三相位电流的瞬时值(例如图2中在时间t3和t6的瞬间，电流iU和-iV的样本被测得，从中可以计算出第三电流iW＝iU-iV)。
以该样本为基础，也能确定所述相位电流变化率的测量结果(例如，对于电流iU在时间间隔t2至t3内的微分di/dt能够从在那些瞬间获得的电流样本中直接计算)。其他相位电流的变化率通过图4所示的原理可以计算的足够精确。为了简便，图4示出了在最大输出电流情况下的情形，所谓的“六级”电压波形。该图示出了——所述相位开关U、V和W的位置/电压；——所述电机有效星点0(the virtual star point)的电压(先前值的平均值)；——相位电压U的电压波形U-0(相位开关-星点)；
——所述电机的计数器电动势的正弦曲线图U1，其能够基于电机模型或相位电压U的基波而计算出(其与正弦三角调制器中使用的正弦波是成比例的)，该正弦曲线图能够作为其近似值使用。对于短时间内电流的估算，由简化产生的误差是可忽略的；——在相位电压U和所述计数器电动势U1之间的电压波形，其与所述相位电流的变化率diU/dt是成比例的，因为电流的变化主要受电机定子的分布电感限制；——其他相位电流的变化率diV/dt和diW/dt以相应的方法计算。
因为相位电流变化的总量等于0并且如上所述其变化率的彼此的大小能够计算，对于同时间跨度内的其他相位的电流的变化也能够以实测的相位电流变化为基础而计算出。因此，在输出电压向量的每一个最接近的变化点处(图2所示的时间t1、t2……t7等等的瞬间)或者在任何预想时间的瞬间，可以事先或之后推测出每个相位电流的瞬时值。
已经发现电流测量的常规时间点优选为零向量的中点(在所述三角的顶点，比如，大约在时间t4至t5中间)。通过本发明的方法可以达到相同的结果(在这种情况下通过在时间t4和t5的瞬间测量和计算的电流计算平均值)。
下面，更加详细的解释所述输出电流变化率的计算原则1.本描述基于图1所示的符号，所述频率转换器使用下面的符号——所述中间电路的直流电压是UDC，有极性U+和U-；——输出电压U、V和W，输出U+或U-哪一个电压依控制，即，依据所述转换器(负载电桥11)的电源开关的调节。
2.对于三相鼠笼感应电机的简化的一相等效电路(不考虑对于电机电流的形成无关紧要的零件)，譬如被频率转换器正常控制，如图1a所示。图中使用的符号——U-0为提供给所述电机的相位电压；——U1为所述电机的计数器电动势；——L1为定子的分布式电抗；——Lm为励磁电抗；
——L2’为所述转子的分布式电抗；——R2’/s为转子电路的阻抗。
3.基于图1a，当提供相位电压、所述计数器电动势和定子的分布式电抗已知，显然地能够计算出定子电流的变化率di/dt＝([U-0]-U1)/L14.图4示出了在电机被一脉宽调制频率转换器支持的情况下，怎样推导确定电流变化速率所必须的数据——根据所述相位开关的位置，输出电流的瞬时值在U+和U-之间变化；——在有效星点(0)的电压与输出电压的平均值相同；因此，在图示的情况下，其在U+/3和U-/3之间变化。
根据通常使用的调节方法，通常所有的输出电压也在相同的位置，例如，连接到U+的位置，所述星点电势也是相同的电势。
——供给电机的所述相位电压，例如如图所示的U-0，是正被讨论的输出电压和有效的星点电压之间的差值，在该图所示的情况下在4/3*U+和4/3*U-之间变化。从上面的描述中能推断出，当所有的相位开关在同一位置时，那么所有的相位电压也是0；——得到如上所述的计数器电动势U1，例如在相位电压为U的情况下该图所示的U1；——该图的下部绘出了所述相位电压和计数器电动势之间的差值曲线图，其能够按照上述原理计算每个相位，在一个简单的例子中所述相位开关从不在相同的位置。在一种情形下，即在所述相位开关在相同的位置时，正在讨论的电压之间的差值等于所述计数器电动势的瞬时值时。
本领域技术人员可以理解，本发明并不局限于上述实施例的限制，而是可以在权利要求所述的范围之内变化。
权利要求
1.一种用于测量频率转换器输出电流的方法，该频率转换器尤其是一种矢量控制的频率转换器，其包括一主电桥(10)和一负载电桥(11)以及这两个电桥之间的直流中间电压电路，该主电桥(10)连接到一交流电网，该负载电桥(11)连接到一交流电负载，通过使用设在中间电压电路处的电流测量传感器获得的电流样本，其特征在于，从电流测量传感器得到的信号样本与输出的电压矢量的变化点基本同步，并且在开关影响稳定后在变化点之后在预定的延时间隔之内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在采样之前由所述电流测量传感器信号形成时间积分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于基于实测样本和所述矢量变化的瞬间之间的时间，计算所述输出电流的变化率(di/dt)。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于基于所述电流的实测变化率，在期望的时间瞬间计算所有输出电流的值。
5.根据权利要求1至4所述的方法，其特征在于输出电流值的计算以零矢量中间点的瞬时值为基础。
6.一种用于测量频率转换器输出电流的设备，该频率转换器尤其是一种矢量控制的频率转换器，其包括一主电桥(10)和一负载电桥(11)以及这两个电桥之间的直流中间电压电路，该主电桥(10)连接到一交流电网，该负载电桥(11)连接到一交流电负载，所述设备包括一设在中间电压电路之内的电流测量传感器和一控制系统，借此能够使用从电流测量传感器获得的电流样本确定所述输出电流，其特征在于，通过所述控制系统，能够采集到来自电流测量传感器的信号，仅仅在所述电压矢量的每个变化点之前并且在流影响稳定后的变化点之后。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于在采样之前所述控制系统对来自电流测量传感器的信号进行时间积分。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于所述控制系统计算输出电流的变化率(di/dt)，该变化率以实测样本和所述矢量变化点之间的时间为基础。
9.根据权利要求6至8之一所述的设备，其特征在于所述控制系统以实测的电流变化率为基础计算所有输出电流在期望的一瞬间的值。
10.根据权利要求6至9之一所述的设备，其特征在于所述控制系统以零向量中间点处计算的瞬时值为基础估算输出电流的值。
11.根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述电流测量传感器是一设在所述中间电路的分流电阻器。
12.根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述电流测量传感器是一设在所述中间电路的基于霍尔效应的变频器。
全文摘要
一种用于测量频率转换器输出电流的方法和设备，该频率转换器尤其是一种矢量控制的频率转换器，其包括一主电桥(10)和一负载电桥(11)以及在这两个电桥之间的直流中间电压电路，该主电桥(10)连接到一交流电网，该负载电桥(11)连接到一交流电负载，通过使用设在中间电压电路处的电流测量传感器获得的电流样本，其中，从电流测量传感器得到的信号样本与输出的电压矢量的变化点基本同步，并且在开关影响稳定后在变化点之后在预定的延时间隔之内。
文档编号G01R19/12GK101082640SQ20071011070
公开日2007年12月5日 申请日期2007年6月1日 优先权日2006年6月1日
发明者里斯托·科穆莱宁, 汉努·萨伦, 亚科·奥利拉 申请人:瓦孔厄伊公司