有源前端变换器中的相缺失检测的制作方法

本发明涉及马达驱动器、有源前端电力变换器以及相缺失检测。

背景技术：

有源前端(afe)变换器具有影响电路配置的四个操作模式。在第一模式下，整流器被供电，而直流母线的直流母线电容器尚未被预充电并且主断路器未闭合。在第二模式下，直流母线电容器被预充电并且主断路器闭合，而整流器不处于开关模式。在第三模式下，整流器正在开关模式下操作，并且马达驱动器正在轻负载状态下操作。在第四模式下，整流器正在开关模式下操作，并且马达驱动器正在驱动重负载。发明人已经认识到，在这些模式中的每一个下，取决于电路配置和负载状态，输入电压和线电压上的输入相缺失的影响是不同的。

技术实现要素：

现在对本公开内容的各个方面进行概括以有助于对本公开内容的基本理解，其中本概要不是对本公开内容的全面概述，并且既不意在标识本公开内容的某些要素，也不意在描绘本公开内容的范围。而是，本概要的主要目的是先于下文所呈现的更详细的描述以简化形式来呈现本公开内容的各个构思。本公开内容提供用于相缺失检测的方法和设备。

所公开的示例包括电力变换系统，该电力变换系统包括有源整流器电路，该有源整流器电路包括多个整流器开关装置，所述多个整流器开关装置被耦接成从外部电源接收交流(ac)输入电力，并且操作成根据多个整流器开关控制信号来提供直流(dc)输出。该系统还包括开关逆变器，该开关逆变器包括多个逆变器开关装置，所述多个逆变器开关装置被耦接成接收直流输入电力，并且操作成根据多个逆变器开关控制信号来提供交流输出以驱动负载。该系统包括控制器，该控制器操作成：生成整流器开关控制信号以操作整流器开关装置，并且生成逆变器开关控制信号以操作逆变器开关装置。控制器测量与交流输入相相关联的交流输入电压，并且确定栅极电流。在整流器不处于开关模式的情况下，如果交流输入电压信号中的两个彼此同相，则控制器识别怀疑的交流输入相缺失状态，而在整流器处于开关模式的情况下，如果栅极电流中的两个之和的绝对值小于预定非零阈值，则控制器识别怀疑的交流输入相缺失状态。

附图说明

图1是示出根据本公开内容的一个或更多个方面的具有包括相缺失检测部件的输入lcl滤波器的示例性有源前端(afe)马达驱动器的示意图。

图2是流程图。

图3a至图3c描述流程图。

具体实施方式

现在更详细地参照附图，在下文中结合附图来描述若干实施方式或实现方式，在附图中，相同的附图标记自始至终用于指代相同的要素，并且其中，各个特征不一定按照比例绘制。公开了用于检测有源前端变换器中的相缺失的技术和设备。本公开内容的这些方面与有源前端(afe)马达驱动器以及其他形式的电力变换系统结合而得到应用。另外，虽然在三相输入装置的背景下说明，但是可以在具有任意数目的输入相的多相电力变换系统中采用所公开的构思。

图1示出了向马达驱动器10提供电力以驱动马达负载6的三相电源2。所示出的马达驱动器10包括输入滤波器电路20、有源整流器电路或开关整流器电路30(替代地被称为变换器)、中间直流母线电路40、逆变器50、控制器60以及用于对直流母线电路40的母线电容器c4预充电的预充电模块或电路90和用于对控制器60供电的单相电源92。在其他示例中，逆变器50可以被省略，并且电力变换系统包括有源前端整流器30，所述有源前端整流器30提供直流输出以驱动一个或更多个负载如单个系统内的多个逆变器。在一些配置中，afe整流器30未连接至逆变器50，并且afe具有公用直流母线输出端，用户可以将任一个或更多个任意直流负载连接至所述公用直流母线输出端，以从有时被称为afe母线供给的afe整流器30接收直流输入电力。在一个示例中，马达驱动器10在四种模式中的一种下操作。在第一模式下，整流器30被供电，而直流母线的直流母线电容器c4尚未被预充电并且主断路器80未闭合。在第二模式下，直流母线电容器c4被预充电并且主断路器80闭合，而整流器30不处于开关模式。在第三模式下，整流器30正在开关模式下操作，并且马达驱动器10正在轻负载状态下操作。在第四模式下，整流器30正在开关模式下操作，并且马达驱动器10正在驱动重负载。

有利地，所公开的技术和设备有助于检测三相电源如三相电源2的相缺失。虽然在三相电源2和三相马达负载6的背景下进行说明，但是所公开的技术和设备可以与具有三个或更多个输入相以及/或者三个或更多个输出相的其他多相系统结合而被采用。此外，在某些示例中，本文所公开的技术还允许确定哪个特定相已经损失。相缺失是与电压跌落不同的状态，其中，相缺失暗指交流输入相中的一个被彻底从马达驱动器10断开连接。因此，在相缺失时，一个相中的电流等于零。在某些示例中，使用不同技术以取决于马达驱动器10正在操作的模式来检测或识别怀疑的相缺失状态。在某些示例中，控制器60被配置成响应于识别到怀疑的相缺失状态来生成警报或生成消息或采取其他补救动作，或者响应于由控制器60提供的警报或消息，可以由外部系统(未示出)采取这样的补救动作或其他适当动作，例如，以实现相缺失跨失(ridethrough)程序、请求维护人员检查马达驱动器10的输入相、启动驱动器10的受控关闭。

图1示出了示例电力变换系统，本例中马达驱动器10具有用于从三相电源2接收输入电力的三相交流输入端4。如前面所提及的，驱动器10包括整流器30、中间直流链式电路40以及提供可变频率、可变幅度交流输出电力(例如马达电流ia、ib和ic)以驱动马达负载6的输出逆变器50。三相电源2经由栅极电流ir、is和it对马达驱动器10供电。虽然在马达驱动器类型的电力变换系统10的背景下进行说明和描述，但是可以在提供交流输出或直流输出以驱动马达或其他类型的负载的其他形式的电力变换系统中采用所公开的各种构思。驱动器输入端4具有三个输入相端子，三个输入相端子通过lcl输入滤波器电路20连接至开关(例如有源前端或“afe”)整流器电路30的交流输入端，其中，整流器30接收如附图中的iu、iv和iw指示的交流输入电流。开关整流器30包括开关装置s1-s6，所述开关装置s1-s6被各自耦接在交流输入相(u、v、w)中的相应一个与直流链式电路40的相应直流母线端子(+或-)之间。在某些示例中，滤波器电路20可以被省略。

驱动器控制器60包括整流器开关控制器62，所述整流器开关控制器62根据向整流器开关s1-s6提供的脉冲宽度调制(pwm)整流器开关控制信号62a来操作开关模式下的整流器30，以使用任何适当的脉冲宽度调制技术使整流器30变换所接收的三相交流输入电力，来提供跨链式电路40的直流母线电容器c4的直流电压vdc。逆变器50从链式电路40接收直流输入电力并且逆变器50包括逆变器开关s7-s12，所述逆变器开关s7-s12被各自耦接在正直流母线端子或负直流母线端子中的一个与该示例中被耦接至马达负载6的相应输出相之间。在某些示例中，逆变器输出端直接连接至马达负载6的引线。在其他示例中，一个或更多个中间部件如滤波器和/或变压器(未示出)可以连接在逆变器50的输出端与马达负载6之间。逆变器开关s7-s12根据由驱动器控制器60的逆变器开关部件66提供的逆变器开关控制信号66a来操作。控制器60根据任何适当的脉冲宽度调制技术来生成信号66a，以变换来自链式电路40的直流电力以提供可变频率、可变幅度交流输出电力以驱动马达负载6。开关整流器30和逆变器50可以采用包括但不限于绝缘栅双极型晶体管(igbt)、可控硅整流器(scr)、门极可关断晶闸管(gto)、集成门极换向晶闸管(igct)等的任何适当形式的开关装置s1-s12。

由图1的示例看出，示例lcl滤波器电路20包括各自连接在电力变换器输入端4与整流器交流输入端的相应相之间的三个串联电路。每个串联电路包括一对滤波器电感器，其中，第一电路包括连接至第一电力变换器输入端子的电感器l1和连接在l1与“整流器30的u相输入端”之间的第二滤波器电感器l4。类似地，第二串联电路包括连接至第二电力变换器输入端子的第一电感器l2和第二滤波器电感器l5。第三串联电路包括连接至第三电力变换器输入端子的第一电感器l3和第三滤波器电感器l6。另外，滤波器电路20包括各自连接在滤波器相中的相应滤波器相与公用连接点如示出的中性点之间的三个电容器c1、c2、c3。

控制器60包括操作成针对lcl滤波器20进行测量的相缺失检测部件72。具体地，相缺失检测部件72接收表示马达驱动器10的操作参数的一个或更多个反馈信号，所述反馈信号包括分别在电容器c1-c3中流动的滤波器电容器电流ix、iy和iz，在附图中将所述反馈信号全体指示为滤波器电容器电流反馈信号72a。在该示例中，相缺失检测部件72还测量或接收表示整流器交流输入电压vu、vv和vw的反馈信号；在图1中将所述反馈信号全体指示为信号72b。在一个示例中，例如在相电压不可用时可以使用线电压。在该示例中，相缺失检测部件72还测量或接收表示lcl滤波器20的输出侧上的电流iu、iv、iw的反馈信号，将所述反馈信号全体指示为信号72c。

在该示例中，由交流/直流电源92对控制器60供电。由三相电源2中的两相对电源92供电以允许马达驱动器10中的控制器60和其他电路在操作整流器30和/或逆变器50之前被供电。驱动器10还包括连接在交流输入端子4与滤波器电路20之间的主断路器80，主断路器80根据来自控制器60的控制信号(未示出)而操作。控制器60包括处理器94和关联的电子存储器96。控制器60包括、执行和/或实现处理器执行的软件、处理器执行的固件、可编程逻辑、模拟电路等，如本文所阐述的，控制器60提供描述的计算、相缺失检测和阈值比较功能，并且控制器60可以使用执行存储在控制器60的电子存储器96中的计算机可执行指令的一个或更多个处理器元件而进行操作。

如图1所示，控制器60可以包括可以被实现为执行的软件部件和/或固件部件、可编程逻辑等的一个或更多个部件，所述一个或更多个部件包括比较逻辑，所述比较逻辑操作成比较一个或更多个计算机计算值和/或测量值与一个或更多个阈值以有助于检测实际的或怀疑的相缺失状态。另外，控制器60可以提供指示相缺失的输出信号(未示出)，并且控制器60还可以指示哪个特定相缺失。因此，在一个实现方式中，可以采取补救动作，如关闭马达驱动器10和/或例如向与马达驱动器10相关联的用户接口和/或连接网络(未示出)提供警报或警告信号或其他指示。

在一个示例中，由预充电模块90向整流器30的输出侧上的直流母线充电。预充电模块90包括一个或更多个电阻器(未示出)，所述一个或更多个电阻器以受控方式减少进入直流母线电路40中的电流、对直流母线电容器c4预充电，从而优化对直流母线的预充电同时缓解或避免高的浪涌电流，所述高的浪涌电流将另外由开关整流器30在上电时的初始操作或直流母线电容器c4最初未被充电或被充电至低电压值的其他情形而产生。在一个示例中，控制器60选择性地操作预充电模块90以提供有限的电流充电路径用于传导来自交流输入源2的电流，以对直流母线电容器c4充电，同时监测跨电容器c4的电压vdc直到直流母线电压达到预定值为止，在直流母线电压达到预定值之后预充电模块90失效并且整流器30可以在有源开关模式下操作，以控制或调节中间直流母线电路40中的直流母线电压。

发明者已经认识到，可以在马达驱动器10的不同操作模式下实现对怀疑的相缺失状态的识别。如以上所提及的，示例马达驱动器10在四种不同模式中的一种下操作。在第二模式下，直流母线电路40被预充电并且主断路器80闭合，而整流器30不处于开关模式。在该模式(与所有模式一样)下，当三相电源2正在正常工作使得相没有损失时，整流器交流输入电压信号vu、vv、vw中的每一个将为相对于彼此为异相的120度。然而，当在第二模式下存在相缺失时，整流器交流输入电压信号中的两个将变得彼此同相，并且通常将彼此偏移近似vdc/2的直流偏移值。在一个示例中，在整流器电路30不处于开关模式的情况下，如果交流输入电压信号中的两个彼此同相，则控制器60操作成识别怀疑的交流输入相缺失状态。

在另一示例中，在有源整流器电路30处于开关模式的情况下，如果交流输入电压信号中的两个相对于彼此偏移近似有源整流器电路30的输出侧上测量的直流电压的一半的值(例如vdc/2)，则控制器60操作成识别怀疑的交流输入相缺失状态。在交流输入相连接损失之后，剩余的两个电压信号将彼此同相，并且幅度彼此偏移近似vdc/2的直流偏移。例如，如果三相电源2的相v损失，则以下方程将表示在马达驱动器10的输入端处的电压状态：

以及

其中，没有上标“\”的电压涉及断路器80的输入端侧；而具有上标“\”的电压涉及断路器80的输出侧。如果从线电压中移除直流分量，则和将同相。

在第三模式下，整流器30正在开关模式下操作，并且马达驱动器10正在操作驱动轻负载的逆变器50。当在该第三模式下输入相缺失时，剩余的两个栅极电流将具有近似相等的幅度，但是将沿相反方向流动(例如如果“u”相缺失，则iv＝-iw)。因此，在一个示例中，控制器60操作以使得在有源整流器电路30处于开关模式的情况下，如果栅极电流信号中的两个之和的绝对值小于预定非零阈值，则识别怀疑的交流输入相缺失状态。就这点而言，在一个示例中，控制器60计算每对感测的整流器输入电流的反馈值之和的绝对值(例如|iu+iv|、|iv+iw|和|iw+iu|)，并且比较这些绝对值中的每一个与小阈值如额定电流的约2％或额定电流的0.5％或其他适当值。非零阈值有利地避免了当反馈信号iu、iv和/或iw上存在噪声时对相缺失状态的错误识别，可以使用适当小的值以使得甚至对于马达驱动器10的低输出负载状态而言相电流的正常的120°相偏移也将不会引起错误的相缺失识别。

在各种实现方式中，控制器60可以直接测量栅极电流ir、is和it以执行上述相缺失检测功能，或者可以对其他交流输入电流如图1所示的整流器输入电流iu、iv和iw进行操作。例如，在一些示例中，不直接测量栅极电流ir、is、it(例如参见图1)，作为代替，控制器60基于对电容器电流ix、iy、iz(还被称为“电容器(cap)”电流)和整流器交流输入电流信号iu、iv、iw的测量关于相缺失状态来估计栅极电流。如以上所提及的，在第三模式下，马达驱动器正在轻负载下操作。在轻负载下，电容器电流ix、iy、iz将具有相对于交流输入电流iu、iv、iw的足够大的值，并且在某些示例中，控制器60在计算栅极电流ir、is、it时说明电容器电流ix、iy、iz的占比。例如，在轻负载状态下，电容器电流ix、iy、iz可以是交流输入电流iu、iv、iw的百分之五。因此，在一个示例中，控制器60操作成使得在马达驱动器10正在小于或等于预定值的负载下操作的情况下，通过从与有源整流器电路30相关联的测量的交流输入电流iu、iv、iw中减去电容器电流ix、iy、iz来确定每个栅极电流。在一些示例中，预定值是马达驱动器10的额定负载的百分之十五。在该示例中，如果负载小于马达驱动器的额定负载的百分之十五，则马达驱动器10正在轻负载下操作。然而，应当认识到，这是非限制性示例，并且可以在其他实现方式中使用其他预定值。

在第四模式下，如以上所提及的，整流器30正在开关模式下操作，并且马达驱动器10正在重负载状态下操作(例如预定值之上如额定负载的15％之上)。此外，与第三模式一样，当在第四模式下相缺失时，剩余的两个栅极电流将具有近似相等的幅度，但是将沿相反方向流动(例如如果“u”相缺失，则iu＝-iv)。然而，在第四模式的重负载状态下，电容器电流ix、iy、iz相对于交流输入电流iu、iv、iw将非常小。因此，在一个示例中，在马达驱动器10正在重负载下操作的情况下，控制器60操作成使得根据交流输入电流iu、iv、iw来确定栅极电流ir、is、it。

在第三模式和第四模式的某些示例中，例如通过计算来确定栅极电流ir、is、it并且不直接测量栅极电流ir、is、it。因此，当相缺失时，剩余的两个栅极电流之和将仅近似(不精确地)为零。因此，在一些实施方式中，如果栅极电流信号中的两个之和的绝对值小于预定非零阈值，则控制器60操作成使得识别怀疑的交流输入相缺失状态。在其他示例中，可以利用向控制器60提供反馈信号以执行以上估计的传感器来直接测量栅极电流ir、is、it，而无需抵消(offset)滤波器电容器电流。

在其他示例中，控制器60估计栅极电流(例如直接地或者单独地基于整流器交流输入电流iu、iv和iw或结合滤波器电容器电流值ix、iy和iz来确定栅极电流值)。

一旦识别到怀疑的相缺失状态，则控制器60可以实现一个或更多个形式的补救动作。补救动作的非限制性示例包括：关闭系统的任何部件如三相电源2或马达驱动器10；向网络如因特网或者与马达驱动器10在操作上耦接的任何其他计算机网络发送警报；向移动装置发送通知；在显示装置上显示警报；以及生成音频警报。

图2示出了可以由所描述的控制器60实现的相缺失检测过程100或与电力变换系统如马达驱动器10在操作上关联的其他过程。过程100包括：在102处，测量第一线电压、第二线电压以及第三线电压vuv、vvw、vwu。在一些示例中，线电压被测量和使用。在其他示例中，相电压如果可用则可以被使用。在104处，确定第一栅极电流信号、第二栅极电流信号以及第三栅极电流信号ir、is、it。在106处，由控制器60就整流器电路30是否处于开关模式而做出确定。如果整流器30处于开关模式(在106处的是)，则过程100进行至110，否则(在106处的否)过程进行至108。在108处，控制器60确定线电压vuv、vvw、vwu中的两个是否彼此同相。如果不同相(在108处的否)，则不怀疑有相缺失状态，过程100返回至上述102。如果同相(在108处的是)，则过程100进行至109，其中控制器60识别怀疑的交流输入相缺失状态。如果相反，控制器60确定整流器30正在开关模式下操作(在106处的是)，则在110处控制器60确定栅极电流信号中的两个之和的绝对值是否小于预定阈值th。如果小于(在110处的是)，则在111处控制器60识别怀疑的相缺失状态，否则(在110处的否)不怀疑有相缺失并且过程100返回至步骤102。如果在109或111处识别到怀疑的相缺失状态，则在112处控制器60采取一个或更多个补救动作。可选地，在114处，控制器60提供关于哪个特定交流输入相已经损失的诊断。

图3a至图3c示出可以由控制器60实现的更详细的过程300。过程300包括：在图3a中的302处测量第一线电压、第二线电压以及第三线电压vu、vv、vw，在304处确定第一栅极电流信号、第二栅极电流信号以及第三栅极电流信号ir、is和it。在306处，控制器确定整流器电路30是否处于开关模式。如果处于开关模式(在306处的是)，则过程300进行至图3c，否则(在306处的否)，过程300进行至图3b。

在图3b中的308处，控制器60按照第一输入电压信号vu减去第二输入电压信号vv来计算第一线电压vuv。在310处，控制器60按照第三输入电压信号vw减去第一输入电压信号vu来计算第二线电压vwu。在312处，控制器60按照第二输入电压信号vv减去第三输入电压信号vw来计算第三线电压vvw。在314处，控制器60确定第一线电压vuv与第二线电压vwu是否同相。如果同相(在314处的是)，则在315处控制器60识别相u中的相缺失。否则(在314处的否)，过程进行至316，在316中，控制器60确定第三线电压vvw与第一线电压vuv是否同相。如果同相(在316处的是)，则在317处控制器60识别相v中的怀疑的相缺失。如果不同相(在316处的否)，则在318处控制器60确定第三线电压vvw与第二线电压vwu是否同相。如果同相(在318处的是)，则在319处控制器60识别相w中的怀疑的相缺失，否则(在318处的否)，没有识别到怀疑的相缺失并且过程返回至图3a所示的步骤302。

现在转向图3c，示出过程300以继续图3a的306中的整流器在开关模式下操作。在图3c的350处，在350处控制器确定马达驱动器是否正在操作大于预定值的负载(例如上述一个示例中的15％)。如果不大于(在350处的否)，则在352处控制器60通过从整流器交流输入电流iu、iv、iw中减去滤波器电容器电流ix、iy、iz来确定第一栅极电流信号、第二栅极电流信号以及第三栅极电流信号ir、is、it。如果负载大于预定值(在350处的是)，则在354处控制器60根据整流器交流输入电流iu、iv、iw来确定第一栅极电流信号、第二栅极电流信号以及第三栅极电流信号ir、is、it。在任一种情况下，在356处控制器60确定第二栅极电流信号与第三栅极电流信号之和是否小于预定阈值th。如果小于(在356处的是)，则在357处确定相u中的相缺失。如果不小于(在356处的否)，则在358处控制器60确定第一栅极电流信号与第三栅极电流信号之和是否小于阈值th。例如，如果相缺失状态存在，则两个剩余相之和将通常为零。这可以通过确定所述和是否小于非零阈值th来检测。如果小于(在358处的是)，则在359处控制器60识别相v中的怀疑的相缺失。否则(在358处的否)，在360处控制器60确定第一栅极电流信号与第二栅极电流信号之和是否小于预定阈值。如果小于(在360处的是)，则在361处控制器60识别相w中的怀疑的相缺失，否则(在360处的否)，控制器60返回至图3a中的302。在一个示例中，以大体连续的形式重复过程300，其中，控制器60基于一个或更多个反馈信号或值来执行所示出的计算、比较和估计，以连续监测系统的四种怀疑的相缺失状态。

以上示例仅例示出本公开内容的各个方面的若干可能的实施方式，其中，本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时，将会做出等同变型和/或修改。特别是对于由上述部件(组件、装置、系统、电路等)执行的各种功能而言，除非另外指出，否则用于描述这样的部件的术语(包括所提及的“装置”)意在与执行所描述的部件的具体功能的任何部件例如硬件、处理器执行的软件或其组合对应(即功能上等同)，即使不严格等同于执行本公开内容的所说明的实现方式中的功能的所公开的结构。此外，虽然已经相对于若干实现方式中的仅一个实现方式公开了本公开内容的特定特征，但是这样的特征可以根据针对任何给定或特定应用期望的和有利的而与其它实现方式的一个或更多个其它特征进行组合。另外，一定程度上在详细的说明书和/或在权利要求中使用的术语“包括(including)”、“包含(include)”、“具有(having)”、“含有(has)”、“带有(with)”或其变体而言，这样的术语意在以与术语“包括(comprising)”相似的方式被包括。

在前面的说明中，已经参照附图描述了各个实施方式。然而，将明显的是，在不偏离所附权利要求书中阐述的本发明的较宽的范围的情况下，可以对实施方式进行各种修改和改变，并且可以实现另外的实施方式。相应地以说明性而非限制性的意义来看待说明书和附图。