专利名称：变频器装置以及该变频器装置的过电流保护方法
技术领域：
本发明涉及一种变频器装置，尤其涉及一种具有过电流保护功能的变频器装置以及该变频器装置的过电流保护方法，该过电流保护功能是指，判断在变频器装置中发生的过电流的状态，并执行用于抑制该过电流的动作的功能。
背景技术：
变频器装置是一种将规定频率的电力转换为任意频率的脉冲形式的三相交流电的电力转换装置。变频器装置因具有节能以及容易控制输出等优点，所以经常用于驱动广泛使用于洗衣机、冰箱、空调等电气产品中的电动机。通常，为了利用上述变频器装置来正确地控制电动机，采用如下方法检测施加于电动机的相电流，并根据检测到的相电流，通过脉冲宽度调制(PWM)方式来控制施加于电动机的电流。在检测电动机的相电流时，通常采用霍尔电流传感器(Hall CT)。此时，通过霍尔电流传感器检测到的各相相电流的波形如图9的(a)、(b)、(c)所示。在图9中，Ca)是利用霍尔电流传感器检测到的W相的电流波形，(b)是V相的电流波形，(c)是U相的电流波形。如图9的(a)、(b)、(C)所示，通过霍尔电流传感器检测到的各相的相电流的波形虽然包含少量的高频谐波，但大致呈正弦波的形态。就一般的通用变频器装置而言，都具有用于保护变频器装置的过电流保护电路。图1示出了现有的变频器装置的过电流保护电路中的判断电路。在图1的判断电路中，通过运算放大器对由上述霍尔电流传感器检测到的各相的正弦波的相电流进行放大，并计算出放大后的各相的相电流之和，然后将计算出的该相电流之和与预先决定的基准电流值进行比较，来判断在变频器装置中是否发生了过电流。在相电流之和为基准电流值以上的情况下，降低变频器装置的输出频率或者断开所有开关元件，以避免过大的电流在变频器装置中流动而引发故障，从而保护变频器装置。但是，就廉价、小容量变频器装置而言，不采用如上所述的通过霍尔电流传感器来检测相电流的方法，而采用如下的相电流检测方法在该变频器装置的各桥臂(Leg)的下部桥臂上设置桥臂电阻(shunt resistance)，利用该桥臂电阻的两端电压来检测相电流。这是因为，利用桥臂电阻检测相电流的方法不仅廉价，而且该方法的部件所占空间也比霍尔电流传感器小很多，因此在机构设计方面具有很多优点。利用桥臂电阻检测到的流过各桥臂电阻Rl、R2、R3的电流的波形如图9的(d)、(e)、(f)所示。图9的(d)是流过设置在与变频器装置的W相相线相连接的桥臂的下部桥臂上的桥臂电阻R3中的电流的波形，(e)是流过设置在与变频器装置的V相相线相连接的桥臂的下部桥臂上的桥臂电阻R2中的电流的波形，(f)是流过设置在与变频器装置的U相相线相连接的桥臂的下部桥臂上的桥臂电阻Rl中的电流的波形。如图9的(d)、(e)、(f)所示，流过各桥臂电阻Rl、R2、R3的电流具有断续的波形，因此根据输出波形的相位角，会发生难以检测电流的区间，而且，根据这样的流过各桥臂电阻的电流来计算出的各相的相电流的形态也具有断续的波形，也不会如通过霍尔电流传感器检测到的相电流那样具有正弦波的形态。关于利用桥臂电阻来检测各相的相电流的方法以及这样的电流的波形断续的具体原因，以后再叙述。这样的电流波形断续的程度，会随着V/F运转中的运转频率的增大(随着脉冲宽度变大)而变得更严重。若运转频率变为规定频率(通常为额定频率)以上，则在极端的情形下，也有可能无法通过桥臂电阻来检测到电流。在这样的运转状态下，桥臂电阻的两端没有产生电压，因此无法检测到相电流。在这样的情况下，当然可以通过检测流过其他桥臂上的桥臂电阻的电流来计算该相的相电流。但是，要通过软件来计算电流，则需要一定的时间，这会使作为对动作时间敏感的保护电路的过电流保护电路无法充分发挥保护功能。其结果，会导致整个系统的稳定性降低的问题。S卩，若将通过利用桥臂电阻的相电流检测方法来检测到的相电流，导入至如图1所示的现有的过电流保护电路的判断电路，则实际能够检测到电流的时间会根据电流的极性而受到限制。因此，虽然过电流抑制的等级不受电流的极性的影响而恒定，但是在因电流的检测误差而判断为过电流时，会发生电流不对称的情况。
发明内容
本发明是为了解决输出电流因这样的电流不对称而过度上升以使变频器装置故障的问题而提出的，其目的在于提供具有过电流保护功能的变频器装置以及该变频器装置的过电流保护方法，该过电流保护功能是指，在当前开关周期中，通过硬件来检测电流，根据电流检测结果来计算并预测到之后的开关周期为止的电流上升值来检测输出过电压，从而在不对输出电压加以变形的情况下，也能够产生所期望的输出电压的过电流保护功能。为了实现上述目的，本发明的一方式的变频器装置，通过利用PWM信号图案的脉冲宽度调制来将工业电源转换成任意频率的交流电压并施加于负载，该PWM信号图案是基于载波信号和输入信号来生成的，其特征在于，具有:变频部，该变频部的各桥臂分别与上述负载的各相线相连接，就上述各桥臂中的任一桥臂而言，该桥臂被该桥臂和上述负载的相线相连接的连接节点划分为上部桥臂和下部桥臂，在上述上部桥臂和下部桥臂上分别设有用于根据上述PWM信号图案来接通/断开该桥臂的开关元件，相电流检测部，包括多个桥臂电阻和电流检测部，上述多个桥臂电阻分别设置在上述变频部的各桥臂的下部桥臂上，上述电流检测部用于检测上述各桥臂电阻的两端的电压并输出各相的相电流，过电流判断部，包括预期电流运算部和比较部，上述预期电流运算部将在基于上述PWM信号图案的开关动作中从上述相电流检测部接收到的当前开关周期的相电流作为基准，预测计算在之后的开关周期中可能会发生的预期电流值，上述比较部将计算出的预期电流值与预先设定的过电流基准值进行比较；在上述预期电流值为上述过电流基准值以上时，使过电流保护电路动作。
就上述变频器装置而言，优选为，上述预期电流运算部利用预先决定的最大电流上升坡度，根据当前开关周期的相电流值，事先预测计算与当前开关周期相邻的下一开关周期的相电流值作为上述预期电流值。就上述变频器装置而言，上述负载为交流电动机，在将施加于上述电动机的电压设为Vs,将上述电动机的电感值设为Ls,将上述最大电流上升坡度设为slope时,可以利用关系式slope=Vs/Ls来决定上述最大电流上升坡度。就上述变频器装置而言，可以利用上述变频器装置的自动调整功能来自动获取上述电动机的电感值。就上述变频器装置而言，决定上述最大电流上升坡度可以采用如下方法在实际运转过程中实际测量变频器装置的输出电流的上升坡度并构建数据库，并继续对这些输出电流的上升坡度中的最大上升坡度进行更新，由此决定上述最大电流上升坡度。就上述变频器装置而言，在将上述当前开关周期的相电流设为iul，将上述下一开关周期的相电流设为iu2，将上述载波信号的周期设为Ts，将上述最大电流上升坡度设为slope时,可以利用关系式iu2=slopeXTs+iul来计算上述预期电流值。就上述变频器装置而言，优选为，上述过电流基准值为上述变频器装置的额定电流的2 3倍。就上述变频器装置而言，优选为，上述电流检测部包括电流检测器，检测上述各桥臂电阻的两端的电压，由此计算流过上述各桥臂电阻的电流；相电流运算部，根据上述电流检测器计算出的电流值，来计算并输出各相的相电流。就上述变频器装置而言，优选为，上述电流检测器为集成运算放大器。就上述变频器装置而言，优选为，上述桥臂电阻为无感电阻。就上述变频器装置而言，也可以根据上述输入信号的波形特性值、上述当前开关周期的相电流值以及该相电流值的相位信息，计算出特定相位周期中的该相电流的波形的最大值作为上述预期电流值，上述特定相位周期是指，该相电流值在该相的相电流波形中所处的相位周期。另外，为了实现上述的目的，本发明的另一方式的变频器装置的过电流保护方法，通过利用PWM信号图案的脉冲宽度调制来将工业电源转换成具有任意频率的交流电压并施加于负载，该PWM信号图案是基于载波信号和输入信号来生成的，其特征在于，上述变频器装置具有变频部，该变频部的各桥臂分别与上述负载的各相线相连接，就上述各桥臂中的任一桥臂而言，该桥臂被该桥臂和上述负载的相线相连接的连接节点划分为上部桥臂和下部桥臂，在上述上部桥臂和下部桥臂上分别设有用于根据上述PWM信号图案来接通/断开该桥臂的开关元件，多个桥臂电阻，分别设置在上述变频部的各桥臂的下部桥臂上；上述变频器装置的过电流保护方法包括决定最大电流上升坡度的步骤，
检测上述各桥臂电阻的两端的电压，并根据检测出的电压计算当前开关周期的各相的相电流并进行A/D转换的步骤，在A/D转换过的当前开关周期的相电流值和上述最大电流上升坡度的基础上，预测计算与当前开关周期相邻的下一开关周期的预期相电流值的步骤，将计算出的下一开关周期的预期相电流值与预先设定的过电流基准值进行比较的步骤；在上述预期电流值为上述过电流基准值以上时，使过电流保护电路动作。若采用本发明，则计算并预测到之后的开关周期为止的电流上升值来检测输出过电压，从而在不对输出电压加以变形的情况下，也能够产生所期望的输出电压。由此，事先预测要发生过电流的情况，并使保护电路动作，从而能够实现更加稳定的保护动作。
图1是在现有的变频器装置的过电流保护电路中的判断电路。图2是本发明的一实施例的具有过电流保护功能的变频器装置的结构图。图3是用于说明利用本发明的一实施例的变频器装置的相电流检测部来检测各相的相电流的方法的图。图4是在使用本发明的一实施例的变频器装置时的电压空间矢量图。图5是用于说明本发明的一实施例的变频器装置的相电流检测部的输出相电流的波形断续的原因的图。图6是用于说明本发明的一实施例的变频器装置的相电流检测部的输出相电流的波形断续的原因的图。图7是示意性地示出了通常的变频器装置的PWM信号图案、输入信号、载波信号以及相电流的最大电流上升坡度之间的关系的图。图8是本发明的一实施例的变频器装置的过电流保护方法的流程图。图9是示出了利用霍尔电流传感器检测到的各相的相电流的波形以及利用桥臂电阻检测到的流过各桥臂电阻的电流的波形的图，其中，(a)是利用霍尔电流传感器检测到的W相的电流波形，(b )是V相的电流波形，(c )是U相的电流波形，(d)是利用桥臂电阻检测到的流过设置在与变频器装置的W相相线相连接的桥臂的下部桥臂上的桥臂电阻R3的电流的波形，(e)是流过设置在与V相相线相连接的桥臂的下部桥臂上的桥臂电阻R2的电流的波形，Cf)是流过设置在与U相相线相连接的桥臂的下部桥臂上的桥臂电阻Rl的电流的波形。附图标记的说明I…工业电源2…整流部21…二极管序列22…平滑电容器23...充电电路24…制动电路3…变频部
VTl VT6…开关元件4…输出部5…调制部
6…控制部7…相电流检测部R1、R2、R3…桥臂电阻71…电流检测部71A、71B、71C…电流检测器711…相电流运算部8…过电流判断部81...相电流A/D转换部82…预期电流运算部83...比较部具体实施例下面，参照附图，对本发明的具体实施例进行详细说明。图2是本发明的一实施例的具有过电流保护功能的变频器装置的结构图。如图2所示，本发明的一实施例的具有过电流保护功能的变频器装置，在通常的变频器电路的基础上，还包括相电流检测部7以及设置于相电流检测部7和控制部6之间的过电流判断部8。其中，通常的变频器电路包括:整流部2，对工业电源I进行整流并进行输出；变频部3，通过脉冲宽度调制(PWM)来将从上述整流部2输出的直流电压转换成具有任意频率的脉冲方式的三相交流电压(U、V、W)并供给输出部4，从而驱动电动机等负载；调制部5，接收所输入的载波(开关)信号Uc和输入信号Ur来生成PWM信号图案并向上述变频部3输出，从而驱动上述变频部3 ;控制部6，通过将用于发生PWM信号图案的载波信号Uc和输入信号Ur输入至调制部5，来控制变频部3的动作。
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上述整流部2可包括:二极管序列21，对工业电源I的交流电(R、S、T)进行整流；平滑电容器22，对从二极管序列21输出的电压进行平滑处理；充电电路23，防止在对平滑电容器22进行初始充电时产生过度的突入电流；制动电路24，电动机在运转过程中回生(产生能量)时，防止平滑电容器22的电压过度上升。上述变频部3为通常的开关电路，上述变频部3的各桥臂分别与负载(例如为电动机)的各相线相连接，就这样的各桥臂中的任一桥臂而言，该桥臂被该桥臂与负载的相线相连接的连接节点划分为上部桥臂和下部桥臂，在上述上部桥臂和下部桥臂上分别设有用于根据上述PWM信号图案来接通/断开该桥臂的开关元件，上述变频部3通过由这样的多个开关元件构成的PWM开关元件序列，来将直流电压转换为三相交流电压(U、V、W)，并将该三相交流电压供给电动机等负载。通常，以设在各桥臂上的两个开关元件中的某一个接通则另一个断开的方式对变频部3进行控制，因此，在表示变频部3的所有开关状态时，通常利用上部桥臂上的开关元件VT1、VT3、VT5的状态来表示。上述控制部6通过现有的脉冲宽度调制(PWM)方式来控制变频部3的动作。为了控制电动机的速度，将各相的期望输入信号Ur (通常各相的输入信号的相位差为120度)以及通过开关频率的时钟发生器(未图示)来产生的期望载波信号Uc (各相之间可以共享)输入至调制部5，其中，该期望载波信号Uc是指，峰值比各相的输入信号Ur的最大电平更大的基准波形(三角波或锯齿波)。在调制部5中，通过比较器来对该载波信号Uc和各相的输入信号Ur进行比较，来形成PWM调制用波形即PWM信号图案。图7是示意性地示出了通常的变频器装置的PWM信号图案、输入信号、载波信号以及相电流的最大电流上升坡度之间的关系的图。载波信号Uc及输入信号Ur和比较它们所得到的PWM调制用脉冲波形如图7所示。就上部开关元件VT1、VT3、VT5的任一个而言，在与该上部开关元件相对应的相的输入信号大于载波信号时，PWM信号图案变为“H”，在小于载波信号时，PWM信号图案变为“L”(参照图7中的VTl的PWM信号图案)。其结果，PWM信号图案形成为接通/断开比率与输入信号成正比的脉冲波形。调制部5根据这样得到的PWM调制用脉冲信号即PWM信号图案，来控制上述变频部3的6个开关元件VTl VT6的接通/断开，从而获得任意电压以及任意频率的三相交流电压。上述相电流检测部7包括3个桥臂电阻Rl、R2、R3，分别设置在变频部3的各桥臂的下部桥臂上；电流检测部71，检测各桥臂电阻Rl、R2、R3两端的电压，并根据电压检测结果来输出各相的相电流。图3是用于说明利用本发明的一实施例的相电流检测部来检测各相的相电流的方法的图，其中简略示出了各开关元件VTI VT6，并且在输出部4连接有三相交流电动机。下面，参照图3，对上述相电流检测部7以及通过该相电流检测部7来检测各相的相电流的方法进行详细说明。上述电流检测部71包括电流检测器71A、71B、71C，检测分别设置在变频部3的各桥臂的下部桥臂上的3个桥臂电阻Rl、R2、R3的两端的电压，由此计算流过各桥臂电阻RU R2、R3的电流；相电流运算部711，根据电流检测器71A、71B、71C计算出的电流值，来计算并输出各相的相电流iu、iv、iw。电流检测器71A、71B、71C可以使用集成运算放大器(integratedoperational amplifier)。另一方面，向相电流检测部7的各桥臂电阻R1、R2、R3的两端施加的电压可以由下式示出。u=iXR+lXdi/dt其中，u为桥臂电阻两端的电压，i为流过桥臂电阻的电流，I为桥臂电阻的寄生电感，di/dt为电流对于时间的微分值。可从上述公式看出，为了确保电流计算的正确度，优选应尽可能地消除桥臂电阻的寄生电感给电压带来的影响。因此，优选采用无感电阻。而且，如上所述，本发明的一实施例的变频器装置利用脉冲宽度调制(PWM)来控制6个开关元件的动作。并且，以设在各桥臂上的两个开关元件中的某一个接通则另一个断开的方式，对变频部3的开关元件进行控制，通常，通过将上部开关元件VT1、VT3、VT5的状态显示为I或0，来表示所有开关元件的开/关状态。此时，I表示开关接通而通电的状态，O表示开关断开的状态。在以这样的脉冲宽度调制(PWM)方式进行控制的情况下，变频部3的开关元件处于与各开关元件VTl VT6的接通/断开的组合相对应的6种开关状态中的某一种状态。调制部5通过发生分别与上述6个开关状态相对应的PWM信号图案，来控制各开关元件。图4是在使用本发明的一实施例的变频器装置时的电压空间矢量图，在六边形的各顶点标出的“100” “101”分别对应于各上部开关元件VT1、VT3、VT5的接通/断开状态。并且，下部开关元件VT4、VT6、VT2的接通/断开状态分别与上部开关元件VTl、VT3、VT5的接通/断开状态相反。图3不出了电压空间矢量位于图4所不的电压空间矢量图中的第一扇区时的情形。参照图3以及图4，将流过三相交流电动机的各相线的相电流值分别设为iu、iv、iw，将从各电流检测器71A、71B、71C输出的电流值设为iu_ad、iv_ad、iw_ad，将向三相交流电动机流入的电流方向设为“ + ”方向，将从三相交流电动机流出的电流方向设为“”方向，那么，在对应于各扇区的开关状态下的流过各桥臂电阻的电流值和各相电流之间的关系式如下表I所示。另外，在三相交流电动机没有发生故障的情况下，在各相线上的负载相对称(SP，各相负载值相同)，因此在开关状态为110、101以及011的情况下，也能够计算出各相的相电流。例如，在开关状态为110的情况下，由于在各相上的负载对称，因此成立关系式iu=iv=iw/2=iw_ad/2。同样地,在开关状态为101、011的情况下,也能够得出如下表I所示的关系式。表I
权利要求
1.一种变频器装置，通过利用PWM信号图案的脉冲宽度调制来将工业电源转换成任意频率的交流电压并施加于负载，该PWM信号图案是基于载波信号和输入信号来生成的，其特征在于， 具有: 变频部，该变频部的各桥臂分别与上述负载的各相线相连接，就上述各桥臂中的任一桥臂而言，该桥臂被该桥臂和上述负载的相线相连接的连接节点划分为上部桥臂和下部桥臂，在上述上部桥臂和下部桥臂上分别设有用于根据上述PWM信号图案来接通/断开该桥臂的开关元件， 相电流检测部，包括多个桥臂电阻和电流检测部，上述多个桥臂电阻分别设置在上述变频部的各桥臂的下部桥臂上，上述电流检测部用于检测上述各桥臂电阻的两端的电压并输出各相的相电流， 过电流判断部，包括预期电流运算部和比较部，上述预期电流运算部将在基于上述PWM信号图案的开关动作中从上述相电流检测部接收到的当前开关周期的相电流作为基准，预测计算在之后的开关周期中可能会发生的预期电流值，上述比较部将计算出的预期电流值与预先设定的过电流基准值进行比较； 在上述预期电流值为上述过电流基准值以上时，使过电流保护电路动作。
2.根据权利要求1所述的变频器装置，其特征在于， 上述预期电流运算部利用预先决定的最大电流上升坡度，根据当前开关周期的相电流值，事先预测计算与当前开关周期 相邻的下一开关周期的相电流值作为上述预期电流值。
3.根据权利要求2所述的变频器装置，其特征在于， 上述负载为交流电动机， 在将施加于上述电动机的电压设为Vs,将上述电动机的电感值设为Ls,将上述最大电流上升坡度设为slope时，满足如下关系式:slope=Vs/Ls0
4.根据权利要求3所述的变频器装置，其特征在于， 上述电动机的电感值是利用上述变频器装置的自动调整功能来自动获取的。
5.根据权利要求3所述的变频器装置，其特征在于， 在将上述当前开关周期的相电流设为iul，将上述下一开关周期的相电流设为iu2，将上述载波信号的周期设为Ts时，满足如下关系式:iu2=slopeX Ts+iul。
6.根据权利要求2所述的变频器装置，其特征在于， 决定上述最大电流上升坡度采用如下方法:在实际运转过程中实际测量变频器装置的输出电流的上升坡度并构建数据库，并继续对这些输出电流的上升坡度中的最大上升坡度进行更新，由此决定上述最大电流上升坡度。
7.根据权利要求6所述的变频器装置，其特征在于， 在将上述当前开关周期的相电流设为iul，将上述下一开关周期的相电流设为iu2，将上述载波信号的周期设为Ts，将上述最大电流上升坡度设为slope时，满足如下关系式:iu2=slopeX Ts+iul。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的变频器装置，其特征在于，上述过电流基准值为上述变频器装置的额定电流的2 3倍。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的变频器装置，其特征在于，上述电流检测部包括:电流检测器，检测上述各桥臂电阻的两端的电压，由此计算流过上述各桥臂电阻的电流；相电流运算部，根据上述电流检测器计算出的电流值，来计算并输出各相的相电流。
10.根据权利要求9所述的变频器装置，其特征在于，上述电流检测器为集成运算放大器。
11.根据权利要求10所述的变频器装置，其特征在于，上述桥臂电阻为无感电阻。
12.根据权利要求1所述的变频器装置，其特征在于，根据上述输入信号的波形特性值、上述当前开关周期的相电流值以及该相电流值的相位信息，计算出特定相位周期中的该相电流的波形的最大值作为上述预期电流值，上述特定相位周期是指，该相电流值在该相的相电流波形中所处的相位周期。
13.一种变频器装置的过电流保护方法，通过利用PWM信号图案的脉冲宽度调制来将工业电源转换成具有任意频率的交流电压并施加于负载，该PWM信号图案是基于载波信号和输入信号来生成的，其特征在于，上述变频器装置具有:变频部，该变频部的各桥 臂分别与上述负载的各相线相连接，就上述各桥臂中的任一桥臂而言，该桥臂被该桥臂和上述负载的相线相连接的连接节点划分为上部桥臂和下部桥臂，在上述上部桥臂和下部桥臂上分别设有用于根据上述PWM信号图案来接通/断开该桥臂的开关元件，多个桥臂电阻，分别设置在上述变频部的各桥臂的下部桥臂上；上述变频器装置的过电流保护方法包括:决定最大电流上升坡度的步骤，检测上述各桥臂电阻的两端的电压，并根据检测出的电压计算当前开关周期的各相的相电流并进行A/D转换的步骤，在A/D转换过的当前开关周期的相电流值和上述最大电流上升坡度的基础上，预测计算与当前开关周期相邻的下一开关周期的预期相电流值的步骤，将计算出的下一开关周期的预期相电流值与预先设定的过电流基准值进行比较的步骤；在上述预期电流值为上述过电流基准值以上时，使过电流保护电路动作。
全文摘要
一种变频器装置及该变频器装置的过电流保护方法。变频器装置具有变频部、相电流检测部及过电流判断部，变频部的各桥臂分别与各相线连接，就各桥臂而言，该桥臂被与相线的连接节点划分为上、下部桥臂，在上、下部桥臂分别设有通/断该桥臂的开关元件，相电流检测部包括多个桥臂电阻和电流检测部，多个桥臂电阻分别设在各桥臂的下部桥臂上，电流检测部检测各桥臂电阻的两端电压并输出各相相电流，过电流判断部包括预期电流运算部和比较部，预期电流运算部将从相电流检测部接收的当前开关周期的相电流作为基准，计算之后的开关周期中发生的预期电流值，比较部将预期电流值与过电流基准值比较，若为过电流基准值以上，则使过电流保护电路动作。
文档编号H02M5/458GK103078520SQ20121040627
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月23日 优先权日2011年10月26日
发明者张东济 申请人:乐星产电(无锡)有限公司