专利名称：用于不同电源电压的频率转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种频率转换器，它可以被连接到几种不同的电源电压之一上，本发明还涉及一种通过频率转换器来对电机进行速度控制的方法。
因为需要有产品差异，美国和欧洲电源电压的不同增加了生产成本。因此，多年以来，要制造能够连接到不同电源电压的频率转换器，(例如)见US 4,656,571。
但是，当频率转换器被连接到一个频率转换器能够处理的、低于最大标称电源电压的电源电压时，这导致了一个问题。这种情况下设备中的电流将会增大以维持对电机相同的电功率输出。增大的电流可能损坏频率转换器。为了避免这种情况的发生，可以把频率转换器设计为用于高电流，但这是一种比较昂贵的解决方案，而且需要更多的空间，因为(例如)中间电路线圈会更大。因而，需要对频率转换器进行保护。
但是，在另一连接中，从EP0431563B1可以知道在频率转换器中减少电流。当过载时，即这里用在HVAC系统的压缩器中的电机消耗了过多电流时，一个控制设备降低逆变器的输出频率。由电源端(即，在频率转换器之前)的电流测量来检测电流的振幅。当降低输出频率时，就降低从电源流向整流器的电流，并由此保护了私人家庭中的装置不致遭受过电流。但是，所描述的频率转换器并不是用于连接到几种不同电源电压中的一个。
上面提到的US 4,656,571中描述了一种电源电压自适应频率转换器。在整流器之前放置一电压检测器，它向控制设备给出与电源电压振幅有关的信息。控制设备包含存储元件，其中为每种可能的电源电压存储了一张表。每张表包含多个U/f关系，其本质是由逆变器施加的电机电压和电机频率之间的关系。为了获得最优的电机操作，这个关系必须保持恒定。对电源电压100V、115V、200V、230V，都有包含了U/f关系的表，并且通过选择合适的U/f关系，频率转换器的输出功率被调整到一个恒定值。在这个解决方案中，试图保持中间电路电压恒定，为此目的输入电路包含了一个转换装置，当设备被连接到115V时它切换到电压加倍模式，而在连接该设备到230V时转换设备保持不变。固而，电机接收到相同的电压，但这个系统的缺点是在使用115V电源电压时输入电路必须接收更高的电流。必须为最低电源电压设计完整的输入电路，这意味着对较高的电源电压该设备将显得有些浪费。这个设计进一步的问题是没有考虑非标准电压。因而不清楚控制设备将怎样处理从230V到170V的电源电压下降。没有描述无分级的操作。
频率转换器的自适应性不应仅限于适应电源电压。另外，对电流极限的适应也是感兴趣的。今天，频率转换器通常包含三个电流极限，较高的极限是短路保护，当电流达到标称频率转换器电流的300％时它会被激活，其响应时间为1到2μs。当在相位线圈之间出现接地或短路时这个极限会被激活。第二个极限是硬件极限，它通常是标称电流的220％，响应时间为15μs。硬件极限表示频率转换器的半导体和线圈能够承受的最大电流。短路极限和硬件极限都是用电子元件实现的，而第三个极限(软件极限)是由频率转换器的程序控制的。通常软件极限是标称电流的160％，响应时间为60s，在60s之后频率转换器通过降低电机频率来减小负载。
通常，在制造期间就已经在频率转换器中锁住了硬件电流极限，但US 4,525,660公开了一种过流电路，在该电路中电流极限在操作期间是可变的。这里比较器的一个输入接收来自中间电路或电机线中测量的电流的电流测量信号，另一输入接收电流基准信号，它根据频率转换器的电压频率比(U/f)而变化。当电流测量信号超过电流基准时，比较器发送信号，以便降低电流或完全停止频率转换器。可变的电流基准信号由两个部分组成，第一个固定部分是通过电位器设置的，第二个部分是作为U/f比的函数而被确定的。第二个部分是通过查表或函数计算而找到的，U/f比是记录的键值，并且电流极限部分随着增加U/f而增加。因而，所产生的电流基准信号在频率转换器的操作期间是变化的。但是。这个电路的缺点是电流极限的变化被锁定到U/f比，它单独决定电流基准的特征，即曲线轮廓。
WO 97/36777也描述了一种用于产生电流基准的电路，电流基准在电机控制操作期间变化，并且该变化是机器速度的函数。电流基准发生器通过包含速度和电流之组合的存储器元件中的表来产生硬件极限，而微处理器形成软件电流极限。通过数据线，微处理器与电流基准发生器的存储器元件相连，因而能够改变硬件特征的简档。与US 4,525,660相比，该电路的优势是仅仅通过改变微处理器的程序设计就能改变电流极限特征。这给了制造商更大的自由度。当制造商想制作可以用于不同大小的电机的通用电机驱动器时，他们尤其需要更大的自由度。通常的问题是系列制造的大功率频率转换器被连接到低功率电机。频率转换器的硬件电流极限随即被锁住，并且与电机相比显得过高。就应用领域(即使用频率转换器的领域)而言，需要更进一步的自由度。例如，有不同电流极限特征的HVAC(加热、通风、空气调节)和传送带应用，但通常在制造期间它们已经被固定在了频率转换器中。因而，频率转换器制造商被迫制作多种变体，每一种有它特定的硬件电流极限。
基于以上论述，本发明的目标是设计一种通用频率转换器，它在电学上能够适应周围环境或者很容易地被周围的环境适应。
依照本发明，这个目标是由一个方法解决的，在该方法中调整放置在整流器和逆变器之间的DC/DC转换器，以输出在几种电源电压的任一种上操作期间保持不变的DC电压，极限值信号与一个或多个测量出的或计算出的参数进行比较，控制设备通过降低由逆变器产生的电机频率来限制最大输出功率，并且频率转换器在来自逆变器的输出功率受限期间，在最高达受限最大输出功率的功率范围内控制电机的速度。
这个解决方案提供了一个通用的频率转换器，它原则上能够连接到大范围、连续的电源电压特例上。该频率转换器通过根据其所连接的电源电压来限制输出功率，从而自动适应可用的电源电压。例如，如果频率转换器是为230V的最大标称电源电压而设计的(最大标称电源电压会出现在电机控制器的说明书中)，当连接到115V的实际电源电压时控制设备将降低输出功率。更准确地说，控制设备将限制最大输出功率，以便频率转换器被从一个期望的工作点移到另一个工作点，然后频率转换器将继续工作在新的工作点中。本发明可以用在下列情况中频率转换器初始时连接到具有较低初始电压的电源上并在随后的操作阶段中用这个电压工作，或者在操作期间交流电源电压下降。在这个较低电压的持续时间内，最大输出功率受限，直到交流电源电压再次达到它的标称值。采用这种方式，控制设备保护频率转换器不受过大电流所害，其结果是通用的电机控制器。虽然电机减载运行，但在很多情况下对在其仓库中只需要处理一种频率转换器和电机的OEM制造商和终端用户来说会更实用。不考虑所用极限值的种类，通过降低电机频率可以降低逆变器的输出功率。电机频率是由逆变器施加的，并且其方式实质与电机速度直接相关。因为(例如)泵或风扇马达的功率消耗与第三功率中的速度成比正比，电机频率的降低对功率消耗将有明显的影响，并因而对频率转换器所消耗的电流也有明显的影响。本发明使用安装在整流器之后放大转换器，而不是使用受控制的整流器，放大转换器的输出电压由控制设备控制为恒定的，而受控整流器通常与多相交流电源一起使用。在几种电源电压中的一种电压上操作期间保持中间电路中的DC电压恒定能够应付电源电压的突然变化，并提供了被精确定义的设计平台，因为本发明的功率极限技术其有可能使用便宜部件。这尤其适用于DC电压在不同电源电压上有相同的恒定振幅时。这样带来的优势是不管电源电压的振幅如何，都有完整的速度范围。另一变体是根据不同的电源电压改变DC电压的振幅，但在操作期间保持DC电压恒定。DC/DC转换器(优选的是放大转换器)以已知的方式将功率因子控制和中间电路电压控制合在一起提供。
依照本发明的方法所提供的很大优势是，在所谓的弱电源区域(即绝缘区)中，电源电压的振幅对所控制的电流尤其敏感。想象一下依照现有技术发展水平的频率转换器被连接在电机和弱电源之间，弱电源电压比期望的要低，这将导致来自电源的电流吸收增大，随即导致电压下降等。本发明打破了这种恶性循环，因为逆变器输出功率的下降保护了电源电压不会进一步下降。因而，本发明提高了操作可靠性。
原则上，控制设备能够将输出功率降低预定的固定值，如果实际电源电压低于为频率转换器所设计的最大标称电源电压。控制设备随后将通过用户启动设备时所进行的设置获知电源电压的振幅。但是，优选的是控制设备实现频率转换器对电源电压独立的和自动的适应，并且控制设备固此包含一个极限值，该极限值与一个或几个测量出的或计算出的电机控制参数(例如整流器电流)进行比较。如果比较结果显示测量或计算出的参数高于极限值，就降低输出功率。
输出功率的降低可以在连接频率转换器到电源之后很快发生。如果在启动阶段的结尾，测量或计算出的参数高于极限值，控制设备就限制频率转换器的最大输出功率，并且原则上在剩下的操作阶段中都将维持这个新值。使用对最大允许输出功率的这个中间测定，避免了控制设备在操作期间使用计算功率。
可以在一张表中存储不同的极限值而不是只使用一个极限值，控制设备可以根据一个或多个测量或计算出的参数从这些极限值中选择一个。例如，极限值的大小可以随在半导体附近测量到的温度而变化。
通过使控制设备在操作期间连续地计算或确定极限值可以获得极限值的非常精确的公式。即使这需要计算功率，这也可以通过性能的提高来弥补，因为频率转换器将在所讨论的电源电压上工作在它的最优工作点上。换句话说，控制电机以便它在给定的电源电压上提供最大的可接受功率。
有利的是，极限值可以被表示为电流极限，例如，由电机相位中的电流(优选)或整流器之后的电流。因为电机频率和输入电流之间的相互关系(高频率导致高电流)，可以方便地设置电流极限为电机频率的函数，也可以与所测量的温度结合。
通过创建期望的电机频率和频率衰减项之间的频率差而降低了电机频率，频率衰减项是根据测量或计算出的参数和极限值之间的差而计算出的。随后频率差被提供给逆变器作为基准信号。
控制主要基于U/f控制，意味着频率f的降低也将导致电机电压U下降，因为期望保持U/f关系恒定以确保正确的磁化强度。
使用更低的电机电压，能够降低中间电路电压。这个降低是由DC/DC转换器完成的，在这个降低之后中间电压将再次在操作期间保持恒定。中间电路电压降低的优势在于，是在中间电路部件中积蓄的发热电功率更少，使得热负荷降低。
电源电压可以通过整流器输入上的电压传感器直接测量，但也可通过在频率转换器的中间电路中安装电流传感器而获得电源电压振幅的间接表达式。
通过在整流器和放大转换器之间以及在放大转换器和逆变器之间各插入一个测量电阻器，就获得了两个电流值，可以将它们和两个极限值进行比较。第一个极限值与整流器中的电流进行比较，并确定何时应该降低逆变器的输出功率。第二个极限值与逆变器中的电流进行比较，并涉及逆变器的过电流保护。有利的是，可以使第二个极限值作为电机的标称功率额定值、实际电机频率或电机轴上的转矩负载的函数而变化。
本发明还涉及用于对电机进行速度控制的频率转换器。依照本发明的频率转换器包括整流器和逆变器之间的放大转换器，放大转换器产生在几种电源电压的每一个上操作期间都保持恒定的DC电压，频率转换器还包括控制设备，该控制设备通过已经描述过的第一极限值降低频率转换器的输出功率以便适应电源电压，但除了第一极限值之外还引入了第二极限值，它表示逆变器的硬件电流并且在频率转换器的操作期间是可调整的。第二极限值与电流测量信号进行比较，一旦电流测量信号超出第二极限值就给出过电流信号。
采用这种方式可以设计通用的频率转换器。在交流电源端，频率转换器通过限制最大输出功率而适应可用的电源电压，而在电机端频率转换器通过根据电机大小、电机频率或与电机轴相连接的负载来改变过电流信号的极限值从而适应电机。
优选地，第二个极限值是根据存储器中存储的基准特征而产生的。通过使电流基准特征依赖于不同的变量，频率转换器制造商可以获得期望的自由度。电流基准特征对更改几乎是完全开放的，因为带第一个变量的一个特征可以用带第二个变量的另一特征来代替。可以有一个适合于电机大小的频率转换器，或者有一个包括逆变器(除了别的以外)的电源部分，同样的电源部分可以用于不同大小的频率转换器。唯一要被替换的部分是控制部件，正好以应用于正在讨论的电源部分的电流极限对其编程。虽然电源部件部件在很多情况下与电机相比将会被过高地设计，例如250W频率转换器与相连的150W电机，对频率转换器制造商来说有少量的变体会更便宜。实现了大量的优势和灵活性，因为适应可以发生在制造时、或者在OEM制造商或终端用户处发生。电流基准特征存储在存储器元件中，特征的可替代性带来了期望的灵活性。因而，在一种变体中可以对一个特征编程，其取决于一个或两个变量，而在另一变体中可以根据两个其它变量对另一特征编程。可以根据多个变量对特征进行公式化，并以公式或表格把其表示为任意函数。例如，特征可以被存储为微处理器程序中的固定特征，如果想要的话也可以是几个可选特征。第二个极限值是由基准发生器脉冲宽度调制并产生。这带来了简单精确的信号控制。这样做进一步的优势是，除短路极限之外，频率转换器能够只用一个附加的电流极限工作，因为软件电流极限和硬件电流极限已经被组合在了一个极限中。这意味着减少了所需要的部件的数量。
这些变量可以从控制参数和(如电机频率、U/f比和温度)或应用参数(如电机大小或负载轴特征)中选取。(例如)如果选择了温度作为输入变量，第二个极限值将随温度增加而降低。另外，电流极限也可被公式化为控制参数和应用参数二者的函数。
控制和应用参数或它们的混合作为输入信号被发送到基准发生器，基准发生器是用FPGA(现场可编程门阵列)、ASIC(专用集成电路)、DSP(数字信号处理器)或微处理器制作的。
优选地，至少用电机频率作为特征中的变量，因为电机频率是对频率转换器和电机中的电流的较好表示。通常，这意味着提高频率将导致电流增大，并且不同的电流极限属于不同的频率。
如果电流基准特征是以温度和电机频率作为变量而公式化的，那么可以获得对硬件电流极限的非常精确的表示。
一个问题是由阻断的转子产生的电流近似等于电机的启动电流。因此，过电流电路通常不能区分这两种情况，但改变第二个极限值以便电平被从启动增加到极限频率随后又被降低，避免了可能的错误检测。对一段很短的时间，硬件电流极限被简单地增大到启动电流的振幅之上。
在比较之前，脉冲宽度调制信号应该被转换成模拟信号，通过低通滤波器这是最容易完成的。应该用模拟技术进行对测量出的电流和电流基准的比较以实现需要的速度。
用来形成电流基准特征的基础的控制和/或应用参数将主要在频率转换器的制造期间确定，但也可以设置为用户可选，例如OEM客户设置频率转换器中安装的开关或跳线或者通过串行通信接口对频率转换器编程(如通过使用PLC)。
另外，频率转换器自身能够调整电流基准特征。频率转换器对电机进行测量，确定它的电学参数并计算电机大小。自动的参数测量是从现有技术发展水平知道的，并且通常是在启动电机之前进行。
有利的是，由频率转换器测量到的电流信号被用标准化电路进行标准化，以便控制不必知道电流的绝对值。这意味着相同的控制可以用于不同大小的频率转换器。
在电源部分和控制部分被分开并放置在两个不同印刷电路板上的频率转换器类型中，标准化电路可以安装在这些卡中的任意一个上。这同样意味着(例如)相同的电源部分可以用于不同的控制卡，或者相同的控制卡可以用于不同的电源卡，因为，从某种意义上说，所有适应性功能都放置在控制卡上。优选地，标准化电路安装在电源部分。
标准化电路可以通过两个串联的电阻与电流信号的并联而以简单的方式实现。优选地，电流信号是由安装在频率转换器的中间电路中的测量电阻产生的。
还通过用于产生过电流信号的一种方法实现该目标。
下面，将根据附图阐述本发明，附图中
图1与电机相连接的频率转换器的电路图2功率极限随时间变化的第一曲线轮廓图3功率极限随时间变化的第二曲线轮廓图4本发明中所用控制器的第一实施方案图5本发明中所用控制器的第二实施方案图6本发明中所用控制器的第三实施方案图7过电流检测电路8过电流极限值随时间变化的曲线轮廓图9过电流极限值作为电机频率的函数时的曲线轮廓图10控制功率因子校正器的电路。
频率转换器1有整流器2，它连接到电源3，电源3可以是标准电压115V、230V或任意其它值中的一个。以下，“标称电压”指规定的值，而“实际电压”指实际的可用电压。频率转换器安装在一台洗衣机中，电源在这里表示为单相电源，但原则上也可以是多相电源。3相电机5连接到逆变器4，逆变器由控制设备6控制。控制设备包含存储元件(RAM)，可以被实现为带有集成或外部存储器的微控制器、DSP(数字信号处理器)或ASIC(专用集成电路)。整流器用已知的方式把电源的交流电压转换成直流电压，直流电压又被通过逆变器的功率半导体器件7(例如IGBT(绝缘栅双极晶体管))转换成电机线8上的交流电压。温度传感器24安装在功率半导体器件附近。放大转换器9包括线圈10、开关11、二极管12和电容器13，被用来调整中间电路电压Udc到350V的实际恒定值，以便能够连接逆变器到几种电源电压中的一个。虽然优选的是放大转换器，但也可使用降压式转换器(buck converter)或sepic转换器。控制设备6通过信号线15和16在放大转换器之前和之后测量电压，并通过两个测量电阻20和21以及信号线22和23在放大转换器之前和之后测量负导体中的电流。开关11通过信号线25连接到控制设备。同时，放大转换器充当功率因子校正器(PFC)，以某种通过使放大线圈中的电流遵循整流过的电源电压的图形可知的方式工作。电源端的功率因子非常接近1。除了使用放大线圈之外，还可以使用受控整流器以获得对中间电路电流的调整，但获得高功率因子要略难一点。对单相电源来说，可控整流器可以由两个或四个连接到控制设备的可控硅整流器组成。
本发明按如下流程工作。假设电机大小是750W，230V的电源电压UN将导致约为4.8A的馈路电路IN作为整流器的输入电流。如果电源电压是115V，相同的电机负载将导致约9.6A的输入电流以满足电机的功率需求。除非整流器2和线圈10已经被据此定制，否则它们将遭受破坏，或者线圈将产生非常高的损耗热量，它将破坏其余的电路。此外，会使线圈的核心饱合，这将导致自感应的损耗。这将导致高峰值电流，高峰值电流将导致进一步的损耗，而损耗可能破坏半导体。当频率转换器被安装在洗衣机中的封闭箱中时因而致冷是一个大问题，并且当电源电压较低时这个问题进一步恶化。在可能的第一实施方案中，控制设备通过比较在整流器之后测量出的电流Irec和施加了230V电源电压的电流极限值Ilim来适应频率转换器的输出功率。控制设备调整频率转换器的输出功率以便不超过4.8A的电流IN，因而限制频率转换器的最大功率输出为375W。图2展示了这种情况。在时间t0，频率转换器以750W的最大电力输出功率的极限Pmax1开始。在t0到t1阶段(该阶段稍长于启动时间并持续约3秒)，检测电源电压或中间电路电压并与表中存储的极限值进行比较。如果电压低于极限值，控制设备就断定交流电源电压低于频率转换器被设计用于的电压，并限制它的最大输出功率为Pmax2＝375W。这个值在剩余的操作时间保持不变，在剩余的操作时间中受限制的频率转换器在最高可达受限最大输出功率Pmax2的功率范围内控制电机的速度。
如上所述，不需要对电源电压振幅的直接测量，因为可以由控制设备以整流器中的电流和(例如)中间电路中的电压为基础计算出来。也不必知道电源电压的准确振幅，因为电源电压的振幅指示就足够了，并且这个指示可以(例如)由通过测量电阻20恰好在整流器之后测量的电流组成。输出功率极限的时刻可以在频率转换器启动后不久，例如当放大开关11已经开始工作、并且电容器13已经完成充电、以及已经获得了电源电压振幅的指示时。同时，控制设备可以设置合适的极限值，它应用于频率转换器操作阶段的剩余时间。这个解决方案节省了计算功率。或者，如前所述，控制设备可以在操作期间可以进行连续的监视，并且如果超出了极限值会降低电输出功率。
如果电源电压波动也会启动功率限制机制。通常，可以为标称电源电压加/减波动范围设计频率转换器，例如230V+/-10％。但是，当涉及特别弱电源时，例如电压可能降至180V，这里输入电流将增加以满足电机的功率需求。但是，依照本发明，控制设备将减小最大输出功率的大小到一个频率转换器可以接受的值。假定连接了1500W的电机，230V的标称电压将9.5A的电流。图3展示了t0到t1阶段中的最大功率极限Pmax1。在时间t1，电源电压降至180V，因为极限值已经被设置为9.5A，控制设备限制输出功率为Pmax2＝1200W。最大输出功率的节流发生在t1到t2期间。电机的性能降低了，但电机仍然工作而不是被控制设备停止以保护频率转换器。这对应于洗衣机中最大离心速度的降低。通常终端用户并不关心离心速度是1100RPM或800RPM。这项技术也可用于其它应用，例如以降低的负载工作而不是完全停止的抽水系统(泵以较低速度运行以便能抽出至少一些水)或致冷设备。回到图3中，在时间t2电源电压略有下降，即到了200。控制设备现在增大最大功率极限Pmax3到1320W。这小于电机能够承受的功率极限，但仍然是高于t1到t2阶段的功率极限。
图4以框图形式展示了怎样实现降低输出功率的控制算法。图4中所示的控制器是控制设备6的一部分，输出功率是通过根据对整流器电流的测量来降低电机频率而降低的。假定中间电路电压Udc不变。测量出的整流器电流Irec在滤波器30中被平均并在减法器31中从中减去电流极限值Ilim。在转换单元32，电流偏差被转换成频率flim，它是频率降低项并且表示其数量，用它来限制电机频率，例如10HZ。转换单元32包含数学转换功能，但它也可被实现为控制器。在频率转换单元33(它包含数学转换功能)，频率限制项flim和期望的电机频率fset被转换成一个输出信号fref。在最简单的实施方案中转换单元33只是一个减法器，但优选地它是用于按时间单元控制频率变化的过滤函数。来自33的输出信号是基准频率fref，它被直接导向脉冲宽度调制单元35，该单元控制逆变器4中的半导体器件。此外，fref被送入U/f控制单元34，该单元在这个信号以及测量出的中间电路电压Udc的基础上产生调制索引信号ma的信号，即电机电压的基准与中间电路电压Udc之间的关系。另外，可以使用占空系数D，即半导体器件的按时与周期时间之间的关系，但对每个电机线圈也存在一个占空系数(即，一共三个)，它使得用D难于控制。此外，逆变器的转换频率保持不变。
图5中展示了在低电压时限制频率转换器的输出功率的另一控制算法。这里也假定中间电路电压不变。测量整流器之后的电压Urec并在滤波器40中使其平滑。该信号随后被导入单元41，它把该电压转换成功率极限值信号Plim。单元41包含一张不同大小的极限值Plim的表，在这张表中电压Urec被作为入口。这个基准值被导入减法器42，从来自转换器的实际功率输出Pinv减去极限值。在单元43中基于测量出的中间电路电流Idc的过滤后的值来计算出实际的功率输出。或者，功率计算还可以包括测量出的中间电路电压Udc。这是由包含滤波器的框44中的虚线显示的。Plim和Pinv之间的差随后被导入转换单元45，它把偏差转换成频率flim，flim表示频率的大小，用它来限制电机频率。转换单元45被实现为调整器或转换函数。剩余的电路与图4相同。功率Pinv也可以在电机电压和电机电流的基础上计算。
尽管图4和图5中的调整器根据由放大转换器产生的固定中间电路电压Udc工作，但图5中的控制电路是基于可变中间电路电压的。通过依照电源电压的波动来控制放大开关11，从而使中间电路电压Udc与电源电压同时变化。因而，放大转换器之后的电压被用作交流电源振幅的间接表达式。使用这种类型的中间电路而不是电压恒定的中间电路的优势是，中间电路电压只需被放大到所需的值，而不必更高。电源电压的RMS-值和中间电路电压之间的差越大，损耗越大。通过测量电压Urec来检测电源电压的波动。可变电压Udc被导入转换单元50，它把该电压转换成频率flim，flim表示必须限制电机频率的数量。随后，电路如图4和图5所述的那样工作。另外，频率限制flim可以通过转换单元51而被确定为调制索引的函数。为了显示选项，那些框都用虚线画出。如果电源电压下降，因而使中间电路电压Udc降低，就不可能再向电机提供正确的电压，但通过作为调制索引或中间电路电压的函数来降低电机频率，可以实现向电机提供正确的电压，同时输出功率也作为电源电压的函数而被降低。
现在我们回到图4和极限值Ilim。这个极限值可以是动态的并取决于不同的参数，例如由温度传感器24(图1)测量出的温度T，也可存储为基准表中的固定值，或者由控制设备在操作期间连续计算。
图4还展示了信号OC，它被导入脉冲宽度调制单元35。这个信号是过电流或断开信号，如果达到了电子设备能够承受的绝对极限它就关闭逆变器。在现有技术发展水平中，硬件电流极限信号OC通常都是在超出固定电流极限值时产生的，但有利的是，用于跳闸的电流极限可以是可变的并取决于电机频率。图7展示了产生过电流信号OC的电路60。电路部件61、63和70是控制设备6的一部分。基准发生器61以一个或多个变量为基础(即参数A1、A2、AN或S1、S2、Sn)产生可变极限值。“A”意味着应用特定参数，例如泵的电机轴的二次转矩负载，而“S”意味着控制参数，例如电机频率、电机温度和逆变器温度。这些参数都有基准数62。在输出63，基准发生器向脉冲宽度调制信号提供合适的频率，例如2kHZ。占空系数被设置为50％，这导致电流极限被降低50％。在低通滤波器64中，PWM信号被转换成比较器66的输入65上的直接电压信号IOC。输入65上的信号代表可变的极限值。在输入67上，有一个用于实际电流测量的信号，例如代表中间电路的电流大小的信号。比较器66的输出信号通过连接71被导入基准发生器，基准发生器的形式是FPGA或微处理器。尽管用数字技术(慢于对应的模拟技术)产生硬件电流极限，也实现了可以接受的响应时间，因为数字处理受限于电流基准信号(即输出63上的信号)的变化。这个电路是足够快的，因为过电流信号的产生是模拟电路在输出69上发生的。由欧姆电阻器组成的电路68确保电流信号总是标准化过的，在当前情况中，输出67上的220mV对应于逆变器中的最大允许电流。如果信号是150mV，它对应于频率转换器电源部分68.2％的实际电流利用。这样，控制设备不需要知道频率转换器的电源部分的功率大小。如图7所示，已经通过两个旁路电阻与中间电路的负导体中的测量电阻的并联实现了标准化电路。测量电阻的大小是18毫欧，但旁路电阻的大小不同。旁路电阻充当分压器并且在几个兆欧的范围内。标准化电路68优选地被安装在电源部分的印刷电路板上，并且当需要电源部分和控制部分的电路连接时形成与控制板的接口部分。
对频率转换器的制造商来说，标准化电路意味着包含控制部分的同一印刷电路板可以用于不同大小的电源部分。当输入65上的直接电压信号超出了输入67上的电流测量信号时，线路69上的比较器输出OC变为高电平并指示“过电流”，随后控制设备6决定是否关闭频率转换器。可变电流极限IOC主要表示为实际电机频率fref和电机可能的一个或多个电学参数的函数。图5中的这些参数A1、A2、An和S1、S2和Sn可以是电机的功率或电机的标称电流，可以直接从电机铭牌读出。另外，像类似定子电阻、转子电阻和电感(例如主场电感和漏电感)的电机参数可以是电流基准特征确定的一部分。在这些参数的基础上基准发生器61可以直接读出或计算连接到频率转换器的电机的大小，并因而确定要应用的极限值。换句话说，基准电流发生器61适应电机的电流极限IOC，以便不同的电机大小都能连接到相同的频率转换器。当额定功率较小的电机连接到额定功率较高的频率转换器时这尤其适用。因而，用户不必重新调整电流极限，这是由频率转换器自动完成的。与电机大小有关的信息可以由用户通过键盘、串行通信连接、跳线或在工厂里安装在控制板上的双列直插开关(dip-switch)来输入，每个双列直插开关代表一个电机大小。但是，特别优选的是控制设备通过频率转换器测量电机的电学参数并用这个信息来创建极限值IOC。在操作之前测量电机的电学参数是已知的，并由在定子线圈中输入DC和AC信号来实现。
图7中输入65上的可变电流极限也可由基准发生器根据应用的典型负载曲线设置。存储器70包含有关电流极限值和负载曲线的一张表，并且(例如)对泵应用而言该曲线将是一条抛物线。在另一个例子中，电流基准特征是由传感器24(图1)测量出的逆变器温度的单一函数，曲线的过程是负抛物线，它的峰值在0℃，并随温度增加而下降。在所描述的例子中，电流基准可以(例如)遵循这个特征(1)IOC＝-0.0085*T2+100其中T是温度，IOC是电流基准信号。在实践中，该曲线将是逐段线性的以便IOC有固定的不变的值直到90℃，随后该曲线将随温度增加而下降。转换函数(1)可以实现为微处理器中的函数或实现为查找表。
如前所述，可以使电流基准信号取决于电机频率或电机频率的基准信号(图4中的fref)。该特征将随后显示在图9中，那里电流极限在电机的启动期间增加直到达到极限频率fg。
此外，基准发生器可以在电机的启动期间作为时间的函数来更改电流极限。图8显示了从启动直到已经过去了一段特定操作时间的电流极限IOC的特征曲线。通过控制板上的双列直插开关可以设置电流极限为匹配特定电机大小的电流极限。实际上，频率转换器能够提供大得多的电流，但电机的额定功率较小。在t0-t1阶段，基准发生器61增大极限值到IOC2以允许更大的启动电流通过而不会导致跳闸。在时间t1，基准发生器再次降低电流极限到IOC1。在时间t2，环境温度升高，它导致电子部件的更高热负荷，并且因此将电流极限进一步降低至IOC3。电流极限还可以由于电源电压的下降而被降低。在t2-t3阶段的降低可以是分步的或连续的。使用可变电流极限的一个优点是极限值IOC不必依照启动电流而定制，并且这能够更精确地检测发生的故障。由阻塞的转子产生的过电流可以与启动电流有近似的振幅，并且在固定电流极限近似于启动电流的情况下这个过电流不会被看作故障。
另外，可以用温度和电机频率作为变量来公式化电流基准特征。
如涉及图7的论述中所示，分离电路为处理非时间关键功能的数字部分和执行快速操作的模拟部分的优势是数字灵活性和模拟速度。在图10中，用控制放大转换器9的电路进一步阐述了这个原理。放大转换器执行如前如前所述的PFC功能。PFC控制电路由(低)电压控制回路、乘法器(把电压控制回路的输出乘以线电压波形)和(快速)电流控制回路组成。乘法器的输出是电流控制回路的基准。电流控制回路可以是平均电流控制或峰值电流控制。例如PFC控制可以是模拟电路、纯数字控制(例如DSP)、或数字控制和模拟电路的混合。
即使在使用图7中所示分离的数字-模拟配置类型来控制放大转换器时(即使用微处理器产生低通过滤进入模拟基准信号的数字基准信号)，PFC控制占据微处理器处理能力的大部分。此外，由微处理器产生的基准电流波形的分辨率很差，因为PWM输出只能每1毫秒被更新一次。1毫秒还导致电流中不必要的相位偏移。
通过把乘法器移到微处理器之外并把它实现为模拟乘法器可以减轻这个问题。
这将降低对高更新速率的需要，并由此释放处理器的处理能力。另外，波形分辨率将得到提高，相位偏移将会减小。模拟乘法可以由调制线波形信号的PWM调制进行。
图10中整流后的电压UREC被电阻器82和83分成信号等级。来自微处理器61的PWM信号经由连接88被馈送通过电阻器80和81，并通过晶体管85和二极管84控制UREC信号为开和关。从开和关状态的电容器92看去，二极管84实质上确保相同的阻抗(近似于电阻器82)。在关状态，二极管84补偿晶体管85中的电压下降。在开状态，二极管84的电压下降与完整的UREC电压串联，因此没有什么意义。电阻器82和电容器92滤波线路90上信号的低频率分量。这个信号是电压UREC和由微处理器61‘给出的占空系数的乘积，该信号可以被想象为有恒定的宽度和变化的振幅的一系列数字脉冲。但是，电容器92和电阻器82把该信号平滑为图10中称为Iref的变化的模拟DC信号。Iref代表放大转换器87的基准电流，它给出电源端的同相电流和电压并与放在放大开关的一个引线上的电阻器95测量出的信号进行比较。比较器的输出被送往信号调节装置93，它又连接到放大开关的门。信号调节装置93包含RS触发器和放大器。比较器87的输出将触发器复位，而来自连接88的PWM信号则将触发器置位。有虚线的框86代表早先是微处理器61’的一个功能部分的乘法功能，但现在它是快速离散模拟部件。图10中所示的电路被用作峰值电流控制器，但也可以转换成平均电流控制器。
上面处理了以可变的电流极限值为基础产生过电流信号OC，现在我们回到低电源电压情况下对输出功率的限制。注意电流极限值Ilim和电流基准IOC相互独立工作，因为Ilim是一个内部软件电流极限，IOC是硬件电流极限。IOC的主要功能是保护半导体，信号OC因此还可以被传输到放大开关11。
如前所述，由控制设备通过电机频率的降低影响对输出功率施加限制，这是(经由连接14)通过改变逆变器4中的功率半导体器件的脉冲暂停(pulse-pause)比率而实现的。因为实现了U/f控制，也降低了电机电压。这意味着同时可以降低中间电路电压Udc以避免中间电路电压的不必要的放大。固而可以通过频率降低和中间电路电压降低的组合来进行限制，因为电机对电机电压的需要随降低电机频率而同时下降。可以通过降低放大开关11上的平均脉冲暂停比率为频率转换器的输出功率的函数来降低中间电路电压。
输出功率的最大极限的降低保护了频率转换器的输入不致于遭受过大的电流。依照频率转换器的输入上可用的电源电压来控制电机的速度。因而，电机不能产生与连接到较高的电源电压相同的转矩，但OEM制造商在设计系统时当然可以考虑进去这个降低的性能。
权利要求
1.一种通过频率转换器对电机进行速度控制的方法，频率转换器包括整流器、逆变器和控制设备，频率转换器可以连接到几种电源电压之一上，当实际电源电压低于频率转换器所设计的最大标称电源电压时该控制设备限制频率转换器的最大电功率输出，这种方法的特征是调整整流器(2)和逆变器(4)之间的DC/DC转换器(9)以输出在几种电源电压的每一个上操作期间保持恒定的DC电压Udc，将极限值信号(Ilim，Plim)同一个或多个测量出的(Urec、Irec、Udc、Idc、T)或计算出的参数(Pinv)进行比较，控制设备(6)通过降低由逆变器产生的电机频率来限制最大输出功率，并且在限制期间频率转换器在最高到所限制的最大输出功率的功率范围内控制电机的速度。
2.权利要求1的方法，其特征在于，控制设备在频率转换器连接到电源电压之后，如果所测量出的或计算出的参数(Urec、Irec、Udc、Idc、T、Pinv)大于极限值就立即根据它们限制最大电输出功率。
3.权利要求2的方法，其特征在于，控制设备包含带极限值(Plim)的表(41)，并且控制设备根据测量出的(Urec)或计算出的参数来选择期望振幅的极限值。
4.权利要求1的方法，其特征在于，控制设备(6)在频率转换器的操作期间连续确定极限值(Ilim、Plim)。
5.权利要求3或4的方法，其特征在于，极限值是被确定为电机频率和/或测量出的温度(T)的函数的电流极限(Ilim)。
6.权利要求1的方法，其特征在于，电机频率的基准信号(fref)是作为期望的电机频率(fset)和频率降低项(flim)之间的差而被产生的，频率降低项是根据电流差(Irec、Ilim)、功率差(Plim、Pinv)或中间电路电压(Udc)产生的。
7.权利要求1的方法，其特征在于，控制设备降低电机频率和电机电压二者。
8.权利要求7的方法，其特征在于，DC/DC转换器之后的中间电路电压(Udc)也被降低。
9.前述任一权利要求中的方法，其特征在于，频率转换器包含用于对实际电源电压进行直接或间接检测的电压或电流传感器(20、21)。
10.权利要求1的方法，其特征在于，测量整流器和放大转换器之间的第一电流(Irec)并把它和极限值进行比较，测量放大转换器和逆变器之间的第二电流并把它和第二个极限值(Ioc)进行比较，并且当第二电流(Idc、Igl)超过第二个极限值时给出过电流信号(OC)。
11.权利要求10的方法，其特征在于，第二个极限值是可变的，可以将第二极限值的特征确定为电机的标称额定功率、实际的电机频率或电机轴上的转矩负载的函数。
12.一种对电机进行速度控制的频率转换器，该频率转换器包括整流器、逆变器和控制设备，所述频率转换器可以连接到几种电源电压中的一种，当实际电源电压低于频率转换器所设计的最大标称电源电压时该控制设备限制频率转换器的最大电功率输出，该频率转换器的特征在于整流器(2)和逆变器(4)之间的放大转换器(9)调整中间电压(Udc)为在几种电源电压的每一个上操作期间都保持恒定的值，将第一极限值信号(Ilim，Plim)同一个或多个测量出的(Urec、Irec、Udc、Idc、T)或计算出的参数(Pinv)相比较，如果测量出的值大于第一极限值，则控制设备(6)就通过降低由逆变器产生的电机频率来限制最大输出功率，代表逆变器的硬件电流极限的第二极限值(Ioc)在频率转换器的操作期间是可调整的，以及如果电流测量信号(67)超过了第二极限值就给出过电流信号(OC)。
13.权利要求12的频率转换器，其特征在于，用于检测过电流的电路包括比较器(66)，它比较电流测量信号和由基准发生器(61)所产生的第二极限值，一旦电流测量信号大于第二极限值，比较器就给出过电流信号，该电路还包括存储在可编程存储元件(70)中的电流基准特征，该特征取决于至少一个第一变量(A1、A2、An、S1、S2、Sn)并可由第二个特征代替，该第二个特征取决于至少一个第二变量(A1、A2、An、S1、S2、Sn)，基准发生器(61)根据从存储元件载入的电流基准特征产生第二极限值为脉冲宽度调制信号(63)。
14.权利要求13的频率转换器，其特征在于，从控制参数(S1、S2、Sn)电机频率、电机温度和逆变器温度或从应用参数(A1、A2、An)电机大小、电机轴的转矩负载特征选择第一和第二变量，或者从控制参数和应用参数的组合中选择第一和第二参数。
15.权利要求14的频率转换器，其特征在于，控制参数类型的一个或多个变量和/或应用参数类型的一个或多个变量作为输入信号被发送到基准发生器。
16.权利要求5的频率转换器，其特征在于，电机频率(fref)是该特征中的第一变量。
17.权利要求16的频率转换器，其特征在于，电机频率(fref)和逆变器温度(T)参数对是特征中的第一变量。
18.权利要求15的频率转换器，其特征在于，第二极限值(Ioc)从电机启动到极限频率(fg)保持第一电平不变，随后第二极限值被降低。
19.权利要求13的频率转换器，其特征在于，脉冲带宽调制电流基准信号被导入低通滤波器(64)，它的输出与比较器的输入(65)相连。
20.权利要求14的频率转换器，其特征在于，电流基准特征可以通过使用频率转换器中安装的开关或跳线或者通过使用串行通信来进行选择。
21.权利要求14的频率转换器，其特征在于，频率转换器自身测量电机中的电参数并根据这些参数来确定电流基准特征。
22.权利要求12-21中任意一个的频率转换器，其特征在于，第二极限值是通过测量出的电机电流或通过在频率转换器中间电路中测量出的电流而形成的，并且测量出的电流在标准化电路(68)中被标准化，在该标准化电路的输出端电流测量信号可用。
23.权利要求22的频率转换器，其特征在于，标准化电路被安装在包括频率转换器的控制电子设备的印刷电路板上或者(优选地)被安装在包括功率电子设备的印刷电路板上，这两个印刷电路板彼此电连接。
24.权利要求23的频率转换器，其特征在于，标准化电路由欧姆电阻器组成，欧姆电阻器与一电流信号并联，所述信号优选地是由安装在该频率转换器的中间电路中的测量电阻器产生的。
25.一种在对电机进行速度控制的频率转换器中产生过电流信号(OC)的方法，该过电流信号是在测量出的电流值超过电流基准信号(Ioc)的值时产生的，所述电流基准信号在频率转换器操作期间是变化的，该方法的特征在于，频率转换器的存储元件(70)中的电流基准信号的特征是可替换的并且可以取决于不同的变量，例如电机频率和/或逆变器温度和/或期望的负载转矩。
26.一种频率转换器，包括用于检测过电流的电路，该电路由比较器(66)组成，比较器(66)比较电流测量信号和由基准发生器产生的电流基准信号，当电流测量信号大于电流基准信号时比较器发送过电流信号，电流基准信号在频率转换器操作期间是变化的，该频率转换器的特征在于，电流基准特征存储在可编程存储元件(70)中，该特征取决于至少一个第一变量(A1、A2、An、S1、S2、Sn)并可由第二特征代替，所述第二特征取决于至少一个第二变量(A1、A2、An、S1、S2、Sn)，并且基准发生器(61)从存储元件中载入电流基准特征并产生脉冲宽度调制电流基准信号(63)。
27.对电机进行速度控制的频率转换器，该转换器包括电子控制电路，其特征在于，数字控制器(61，61’)产生PWM信号(63、68)，该信号被导入模拟低通滤波器并且被转换成模拟基准值(Ioc、Iref)，该基准值是电流控制回路(87、93)的基准，并且模拟测量值(67、91)是所述电流控制回路的反馈值。
28.权利要求27的频率转换器，其特征在于，模拟基准值被导入比较器(66、87)的第一个输入，并且模拟电流测量值(67、91)被导入该比较器的第二个输入。
29.权利要求28的频率转换器，其特征在于，PWM信号(88)被导入放置在数字控制器和低通滤波器之间的模拟乘法器(86)，所述乘法器把PWM信号乘以代表电源电压的曲线轮廓的信号。
全文摘要
本发明涉及通过频率转换器对电机进行速度控制的方法，以及应用该方法的频率转换器。频率转换器可以连接到几种不同的电源电压中的一种上，因此是所谓的多电压设备。当连接到低于频率转换器所设计的电压的标称电源电压时，或者当电源电压下降时，频率转换器将从电源要求更大的电流以满足电机的功率要求。但是，由于电流过大这可能会损坏频率转换器的输入。依照本发明，当实际电源电压低于频率转换器所设计的最大标称电源电压时通过限制频率转换器的最大输出功率从而解决了这个问题，在限制期间频率转换器在最高可达受限的最大输出功率的功率范围内控制电机的速度。这导致了真正的可以连接到大范围电源电压的多电压设备。此外，描述了自适应的电流极限，该极限适应温度、频率或负载特征。
文档编号H02P4/00GK1589519SQ02823279
公开日2005年3月2日 申请日期2002年11月21日 优先权日2001年11月23日
发明者K·斯考, M·滕内斯, N·－O·哈维斯特, E·克罗, A·奥普克 申请人:丹福斯驱动器公司