专利名称：变频器中使用的方法及变频器的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的与变频器相关的方法，以及变频器。
背景技术：
在变频器的某些应用中，变频器受到的热应力周期性的变化。这样的应用包括离心机、起重机、金属辊和升降机。循环载荷通常表现为加速、平稳驾驶、制动和空载状态，由此变频器的有功部分(powercomponent)在加速和制动期间受到相当大的应力。
设计(dimensioning)变频器传统上根据最高临时温度或者循环温度变动来进行。功率半导体的温度不会降低到超过某一限度，因为存在肯定会毁坏功率半导体器件的危险。对周期性载荷的设计利用部件厂商提供的一组曲线、关于周期性载荷中单个载荷的持续时间的估值，以及当时的载荷密度进行。这样的设计可实现设备运行的可靠性，而不会在载荷密度和载荷曲线(profile of a load)基本上保持在计划限额内时使设备的设计过大。
当前变频器的问题在于，当变频器中功率半导体的温度在使用中超过容许的最大限额时，虽然变频器在使用中，也会中断其操作以防止破坏变频器。于是，变频器所控制的过程由于太频繁的反复(recurrent)周期性使用或者变频器中冷却被破坏所造成的升温而引起不想要的停止。
发明内容
本发明的目的在于提供与变频器有关的方法和变频器，以解决上述问题。本发明的目的将用一种方法和一种设备来实现，特征在于独立权利要求所公开的内容。本发明的优选实施例在从属权利要求公开。
本发明基于在周期性使用中观测变频器中功率半导体温度的思想。在新载荷周期前基于设计或计算的温度变化可以确定的是，是否允许启动裁荷而在下一个载荷周期期间没有功率半导体温度过度上升的危险。
根据本发明的方法和设备的优点在于由变频器所控制的周期性载荷不可能在常规使用中因过热跳闸而停止，因为不允许变频器进入这样的状态。接近于过载时该方法和设备可以改变设备的运行以保证变频器的无误运行。因此，如果预计该过程会在临界状态中断，则，例如，新的载荷周期根本不被启动或者简化负载曲线。
下面将通过优选实施例参照附图更详细地描述本发明，其中图1和3表示与周期性载荷相关的转矩的示意性曲线形状。
图2和4表示与周期性载荷相关的功率半导体温度的示意性曲线形状。
具体实施例方式
在根据本发明的方法中，变频器在周期性反复使用中周期性地执行一特定操作。图1表示这样的载荷周期的示意性转矩曲线。在起始状态t0该过程被停止或者提供不太大的载荷，而且变频器提供的转矩接近于零。从时刻t1向前该过程以相当大的转矩Tnim加速直到时刻t2。在t2到t3之间该过程的速度保持恒定，并且转矩通常比加速和制动转矩小。在时刻t3该过程开始慢下来，从而转矩再次达到其最大值，并且维持在这样的值直到时刻t4，这时转矩再次减少接近于零。
变频器的电流与变频器产生的转矩成正比。电流反过来使功率半导体升温(heating)，在图2中这样的升温与对应于图1的载荷变化相关地表示。当发动机在时刻t1以全转矩控制时，功率半导体的温度开始上升。温度在整个转矩步进期间升高，但在时刻t2开始下降，这时该过程已经达到其恒定速度。温度下降直到时刻t3，其后在制动转矩期间温度再次上升直到时刻t4。当转矩在时刻t4下降接近于零时，温度开始迅速下降。
图2中的曲线形状是实际温度变动非常简化的描述，温度变动受几个相互连接的热质量的温度时间常数影响。因此，图2中的曲线形状表示在一个时间常数下温度的变化。然而，这不影响对根据本发明的方法运行的理解。
温度优选通过测量冷却元件的温度来确定，并且由温度以已知的方法本身所进一步产生的是使用半导体元件热模型的半导体元件芯片温度。
温度如上所述与载荷相关地周期性变动。根据本发明的方法确定标准的功率半导体升温，即图2所示例子中的最大值和最小值的差。为了可靠地得到升温的标准值，最低温度和最高温度之间的差在几个载荷周期期间确定。还可从采集的最低值和最高值的量值中获得描绘值(describing value)，计算出它们之间的差值，该差值表示标准升温。最低值和最高值可直接依据算术平均值计算。如果不需要采用多次测量来确定升温的值，那么描绘实际情况的量值可利用均方根值获得，这降低了平均的单个不同值的相关性。因此，升温非常优选依据最高值的几个测量平均值和几个测量最低值之间的差计算。测量还可以这样的方式进行，最低值的量值为循环载荷启动的时刻即图1和2中所示例子中的时刻t1的温度。例如，第一载荷循环的10到30可用于确定平均升温ΔT，因此计算该平均值并存储在变频器的存储器中。
另一种形成和存储平均升温的可能是把其作为使用者提供的参数直接送入变频器的存储器中。该参数可基于经验计算或者估计。通过把升温作为一个参数值送入变频器，该设备可启动预期的保护而没有上述的辨别。
根据本发明的方法由功率半导体的所产生的升温和最高容许温度确定温度限额。部件厂商标明半导体器件的最高容许温度Tmax，正常情况下其不会被超过以使设备保持在正常运转状态。根据本发明的温度限额Tlim是指一个温度，当载荷步骤启动时，在载荷步骤期间超越该温度将大大提高半导体部件的温度。温度限额因此依据最高容许温度和平均升温之间的差计算(Tlim＝Tmax-ΔT)。优选地，当通过对平均升温加上温度裕度(margin)计算温度限额时可以考虑小误差。这样的裕度可观测温度限额的可能误差。
还根据本发明确定功率半导体的温度。功率半导体的半导体芯片或芯片的温度是半导体中最关键的温度。芯片的温度可如下获得，通过测量与半导体元件热相关部分的温度，和通过利用热模型计算芯片的温度。要测量的温度例如可以是冷却元件的温度。还可能直接测量芯片的温度，如果有这样做的可能性的话。
根据本发明的方法，变频器的工作模式在功率半导体的温度超过温度限额时也被改变，这时转换到载荷周期。工作模式可通过延迟载荷周期的开始或者减轻载荷周期(例如通过降低设备的转矩限额或者最大速度)而被改变。
图3和4表示该过程的慢化。图3中实线表示图1所示的转矩曲线，而虚线表示与减慢的过程相关的转矩。因此，在图4中实线表示图2中所示的温度曲线，而虚线表示与慢化的过程相关的温度曲线。
图4还有表示温度限额Tlim和最高温度Tmax的水平线。两个温度之间的差(加上可能的裕度)指上面定义的升温。如图4所示半导体元件的温度在转矩步进的开始高于温度限额，即元件的最大容许起始温度。这样，以标准转矩基准执行的载荷周期可造成有功部分的温度超过最高温度。这一点在附图中以箭头表示。
平均循环的升温还可用于确定变频器的工作寿命。部件厂商提供功率半导体的关于在特定的平均升温下部件可以承受的循环载荷的平均估计。当升温已知时，变频器中设备的工作寿命可以基于临时的载荷循环密度进行估计。这条信息对设备的操作人员是有益的，并且操作人员基于所述信息能够估计设备在使用中出故障之前要何时更新设备。估计的工作寿命可直接显示年月给操作人员，显示在变频器的操作面板上，或者可能显示在与变频器通讯的上部控制系统的显示单元中。
还影响变频器载荷能力的是冷却系统的状况。冷却系统通常包括与功率半导体热连接的冷却元件，和通过把热量从元件散向周围空气来强化冷却元件操作的风扇。当冷却系统出故障时，冷却不会按希望的运行，并且温度比预先想要的升高得多。可能的故障可能是由损坏的风扇或者由冷却板中不干净的散热片造成的。
冷却系统的状况可在设备保持静止时或者在载荷变化之后通过确定冷却元件的温度来监控，例如冷却板。冷却板的测量温度例如可与根据准备的冷却板模型以及与之相关的热元件的温度相比较。如果根据模型的温度比实际测量的温度下降得快，那么可以认为冷却系统出了故障。故障还可以下面的方式观测，当启动设备时确定冷却板的温度时间常数。如果使用期间测量的温度与温度时间常数表现不一致，那么冷却系统失效。关于这样的失效，变频器可以对操作人员产生警报，或者可选择地阻止设备被载荷。冷却设备的状况关于本发明的预期保护是非常重要的，因为当冷却不充分时平均升温变化的量值发生变化且温度缓慢恢复到温度限额以下。
本领域技术人员明白的是，随着技术进步本发明的基本思想可以用各种方法实现。因此本发明及其优选实施例不限于上述实施例，而是在权利要求的范围内可以变化。
权利要求
1.一种关于变频器的方法，变频器设置为周期性反复使用，其特征在于，该方法包括如下步骤产生并在存储器中存储由一个载荷周期造成的变频器中功率半导体器件的平均升温；由功率半导体所产生升温和最高容许温度确定温度限额；确定变频器中功率半导体的温度；以及当功率半导体温度超过温度限额时改变变频器的工作模式，这时转换到载荷周期。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由一个载荷周期造成的平均升温被提供作为变频器的参数并存储在变频器的存储器中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定由一个载荷周期造成的平均升温量值包括如下步骤在载荷周期启动前确定温度的量值；在载荷周期后确定温度的量值；计算上述温度差；重复并计算温度差的平均值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，依据算术平均值计算起始温度和结束温度之间差值的平均值。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，依据均方根值计算起始温度和结束温度之间差值的平均值。
6.如权利要求所述1到5中任一所述的方法，其特征在于，由功率半导体所产生的升温和最高容许温度确定温度限额包括如下步骤从功率半导体的最高容许温度减去所产生的升温以提供温度限额。
7.如权利要求所述1到6中任一所述的方法，其特征在于，由功率半导体所产生升温和最高容许温度确定温度限额包括如下步骤从功率半导体器件的最高容许温度减去所产生的升温与安全裕度的总和，以提供温度限额。
8.如权利要求所述1到7中任一所述的方法，其特征在于，确定变频器中功率半导体的温度包括如下步骤测量功率半导体冷却板的温度和由冷却板的温度计算功率半导体的温度。
9.如权利要求所述1到8中任一所述的方法，其特征在于，改变变频器的工作模式包括防止使用变频器的步骤。
10.如权利要求所述1到8中任一所述的方法，其特征在于，改变变频器的工作模式包括减慢要由变频器控制的操作的执行以减小温度变化的步骤。
11.如权利要求所述1到10中任一所述的方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤通过把冷却板温度变化和先前实现的温度变化比较或者和由温度模型计算的温度变化比较，观测变频器中半导体器件的冷却系统的工作状况。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括根据冷却系统的工作状况的削弱提供警报信号的步骤。
13.一种变频器，包括若干半导体并被设置为周期性反复使用，其特征在于，变频器包括用于产生并存储由一个载荷周期造成的变频器中的功率半导体平均升温的装置；用于由功率半导体所产生的升温和最高容许温度确定温度限额的装置；用于确定变频器中功率半导体温度的装置；以及用于当功率半导体温度超过温度限额时改变变频器工作模式的装置，这时转换到载荷周期。
全文摘要
一种与变频器相关的方法及变频器，变频器设置为周期性反复使用。该方法包括如下步骤产生并在存储器中存储由一个载荷周期造成的变频器中的功率半导体平均升温(heating)、由功率半导体所产生的升温和最高容许温度确定温度限额、确定变频器中功率半导体的温度，以及当功率半导体温度超过温度限额时改变变频器的工作模式，这时转换到载荷周期。
文档编号H02M1/32GK1988305SQ200610169058
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月20日 优先权日2005年12月20日
发明者A·赫德马基, V·迪霍南 申请人:Abb有限公司