專利名稱：一種變頻器中對(duì)功率單元控制的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變頻控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種變頻器中對(duì)功率單 元控制的方法和裝置。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻器，尤其是串聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)的 高壓變頻器獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
以串聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)的高壓變頻器為例，功率主電路共包括三相，每 相都由相同的功率單元組成，各功率單元的輸出電壓串聯(lián)連接，并組 成該相電壓的輸出。這些功率單元在實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)故障。當(dāng)個(gè) 別功率單元或大量功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，目前普遍都直接控制變頻器 停止工作，往往會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成比較大的影響問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明在于提供一種變頻器中對(duì)功率單元控制的方法 和裝置，以解決上述當(dāng)功率單元出現(xiàn)故障后，變頻器停止工作的問(wèn)題。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種變頻器中對(duì)功率單元控制的方 法，包括
獲取變頻器中各相出現(xiàn)故障的功率單元數(shù)量，按照所述故障的功 率單元數(shù)量、變頻器的電平數(shù)目運(yùn)算出變頻器可輸出的最大合成電壓
矢量值，并在預(yù)定的角度坐標(biāo)系下確定相應(yīng)的電壓矢量的集合；對(duì)輸
出的合成電壓矢量按最大合成電壓矢量進(jìn)行限幅，按所述合成的電壓 矢量值或限幅后的電壓矢量值在矢量的集合中選擇出相應(yīng)的電壓矢 量，對(duì)選擇出的電壓矢量獲得所對(duì)應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的順序序列，從開關(guān)狀 態(tài)序列中選擇出中間值、或順序選擇與中間值最接近的開關(guān)狀態(tài)，按 照選擇出的開關(guān)狀態(tài)控制所述變頻器中所有功率單元。優(yōu)選的，從開關(guān)狀態(tài)序列中選擇出中間值或順序選擇與中間值最
接近的開關(guān)狀態(tài)的過(guò)程中還包括
相應(yīng)相的未出現(xiàn)故障的功率單元的數(shù)量，如果小于或等于，則選擇該 開關(guān)狀態(tài)。
優(yōu)選的，所述預(yù)定的角度為60度、90度、或120度。 本發(fā)明還提供一種變頻器中對(duì)功率單元控制的裝置，包括 檢測(cè)單元，用于檢測(cè)變頻器中各相出現(xiàn)故障的功率單元數(shù)量； 運(yùn)算單元，用于按照所述檢測(cè)單元檢測(cè)出的數(shù)量、變頻器的電平
數(shù)目運(yùn)算出變頻器可輸出的最大合成電壓矢量值，并在預(yù)定的角度坐
標(biāo)系下確定相應(yīng)的電壓矢量的集合；
選擇單元，用于對(duì)所輸出的合成電壓矢量按最大合成電壓矢量進(jìn)
行限幅，按限幅后的電壓矢量值在矢量的集合中選擇出相應(yīng)的電壓矢
量；
映射單元，用于對(duì)所述選擇單元選擇出的電壓矢量獲得所對(duì)應(yīng)開 關(guān)狀態(tài)的順序序列，從開關(guān)狀態(tài)序列中選擇出中間值、或順序選擇與
中間值最接近的開關(guān)狀態(tài)；
控制單元，用于通過(guò)所述映射單元選擇出的開關(guān)狀態(tài)控制所述變 頻器中各功率單元。
優(yōu)選的，所述選擇單元還連接判斷單元，用于判斷選擇出的開關(guān) 狀態(tài)每相輸出電平的絕對(duì)值是否小于或等于相應(yīng)相的未出現(xiàn)故障的功 率單元的數(shù)量，如果小于或等于，則選擇單元選擇該開關(guān)狀態(tài)。
本發(fā)明的方法和裝置，可在變頻器的功率單元出現(xiàn)故障后，最大 限度控制變頻器輸出對(duì)稱且幅值較高的三相電壓，并避免輸出電壓不 對(duì)稱導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)中產(chǎn)生較大的不對(duì)稱電流引起的電機(jī)發(fā)熱， 可有效提高電機(jī)壽命和生產(chǎn)效率；且控制步驟筒單，容易在各種處理 芯片中實(shí)現(xiàn)。


圖l是7電平串聯(lián)H橋多電平高壓變頻器的拓樸結(jié)構(gòu)圖2是每個(gè)功率單元的結(jié)構(gòu)圖3是實(shí)施例的流程圖4是高壓變頻器的電壓空間矢量圖5是功率單元出現(xiàn)故障后的電壓空間矢量圖6是出現(xiàn)故障功率單元后的輸出A、 B相電壓波形圖7是出現(xiàn)故障功率單元后的輸出B、 C相電壓波形圖8是出現(xiàn)故障功率單元后的輸出線電壓波形圖9是裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
為清楚說(shuō)明本發(fā)明中的方案，下面給出優(yōu)選的實(shí)施例并結(jié)合附圖 詳細(xì)說(shuō)明。
下面給出本發(fā)明方法的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，以下以7電平串 聯(lián)H橋多電平高壓變頻器為例進(jìn)行說(shuō)明。圖1為7電平串聯(lián)H橋多電 平高壓變頻器(以下簡(jiǎn)稱7電平高壓變頻器)的拓樸結(jié)構(gòu)圖，為了簡(jiǎn) 化說(shuō)明，只給出了逆變器部分且其輸入為直流電源。其中，Al、 A2、 A3、 Bl、 B2、 B3、 Cl、 C2、 C3皆為功率單元；圖2為每個(gè)功率單元逆 變部分的四個(gè)功率器件(例如，IGBT)和用來(lái)進(jìn)行旁3各的雙向可控硅。 該實(shí)施例的流程圖可參見圖3,包括
步驟ll:在預(yù)定的角度坐標(biāo)系下，通過(guò)變頻器的電平數(shù)量、所述 角度獲得相應(yīng)的電壓矢量分布的集合；
該預(yù)定的角度坐標(biāo)系可以采用60度、90度或120度等，但以60 度計(jì)算最為方便；對(duì)于7電平高壓變頻器的電壓矢量分布的集合如圖 4所示。圖中每個(gè)交點(diǎn)都為一個(gè)可以輸出的電壓矢量。假設(shè)每個(gè)功率 單元的直流電壓為單位值1，則每個(gè)單元在正常工作時(shí)能夠輸出的電 壓包括+ 1、 0、 -1。在故障時(shí)，由于采用雙向可控硅或其他器件對(duì)故 障單元進(jìn)行旁路，則其輸出僅為0。分析可知，對(duì)于7電平高壓變頻 器，每相能夠輸出的最大電壓為3,即每個(gè)功率單元的輸出都為+ 1;能夠輸出的最小電壓為-3，即每個(gè)功率單元的輸出都為-1。
通過(guò)在6 0度坐標(biāo)系中可以計(jì)算出每個(gè)電壓空間矢量，
= K cos(6(T - - K sin(6(T - 。 / 其中，^和^為合成電壓矢量P在60度坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值；r和^分 別是P的幅值和角度?？梢杂?《， / )表示每個(gè)電壓矢量，其中a可 為1、 2、 ... 、 2m, / 也可為1、 2、…、2m。其中，m為(w— 1)/2， 而"為多電平變頻器每相的電平數(shù)目，。
步驟12:獲取變頻器中各相出現(xiàn)故障的功率單元數(shù)量，按照所述 故障的功率單元數(shù)量、變頻器的電平數(shù)目運(yùn)算出變頻器可輸出的最大 合成電壓矢量值；
在該實(shí)施例中，令『。、^和^分別為變頻器輸出A、 B、 C三相中 故障單元的數(shù)目。
令F鐘=max ( pf。 + ^.， 『A + rc， )， 其中max ()為取最大值函
數(shù)，例如max(3, 2, 5) =5。通過(guò)如下式子可以計(jì)算出最大可以實(shí) 現(xiàn)輸出的合成電壓矢量幅值Fmax如下
^麗=("—1 —F應(yīng))xcos3(T = ("-1 —i^)x 例如，在7電平高壓變頻器中，當(dāng)A相2個(gè)單元故障，B相l(xiāng)個(gè)單 元故障，C相無(wú)單元故障時(shí)，即^ = 2，『6 = 1, ^ = 0,則可以計(jì)算出 、ax = (7-1-3)^/2 = 1.5^。如圖5所示，電壓空間矢量周圍加圓圈的表 示因?yàn)楣β蕟卧霈F(xiàn)故障而不能夠使用的電壓矢量；其余的表示正常 可以使用的電壓矢量。
電壓矢量在功率單元出現(xiàn)故障后是否可以使用，可以通過(guò)多種方 法進(jìn)行判斷。 一種比較簡(jiǎn)單的方法是，查看該電壓矢量所對(duì)應(yīng)的所有 開關(guān)狀態(tài)，如果有開關(guān)狀態(tài)能夠使用(即三相輸出電壓都可正常輸出)， 則其可用；否則，如果所有開關(guān)狀態(tài)都不能夠輸出，則該電壓矢量將 不能夠繼續(xù)使用。例如，在圖5中，s軸上最遠(yuǎn)端的電壓矢量在60度坐標(biāo)系中為(6， 0),根據(jù)前面開關(guān)狀態(tài)的計(jì)算公式，可以知道其對(duì)應(yīng) 僅有一個(gè)開關(guān)狀態(tài)[3, -3， -3]。因?yàn)锳相故障了 2個(gè)單元，可以知 道其無(wú)法輸出3電壓。步驟11和步驟12的先后順序可互換，并不影響該方法的實(shí)現(xiàn)。步驟13:對(duì)輸出的合成電壓矢量按最大合成電壓矢量進(jìn)行限幅， 按所述合成的電壓矢量值或限幅后的電壓矢量值在矢量的集合中選擇 出相應(yīng)的電壓矢量；根據(jù)K自的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)需要輸出的合成電壓矢量小于F皿時(shí)，所 有輸出都可實(shí)現(xiàn)。否則，需要對(duì)輸出以1>_值進(jìn)行限幅。限幅后所有 電壓矢量都可實(shí)現(xiàn)。只有這樣，才能保證變頻器輸出三相線電壓的波 形為對(duì)稱波形。為了輸出合成電壓矢量，應(yīng)選擇其終端點(diǎn)所在位置最臨近的三個(gè) 電壓矢量，如果其終端點(diǎn)與某個(gè)電壓矢量位置重合時(shí)，則僅選擇該電 壓矢量即可。如圖5所示，以合成電壓矢量Kl為例，應(yīng)選擇其終端點(diǎn)所在位置相鄰的三個(gè)電壓矢量；r、 r、 Z。步驟14:對(duì)選擇出的各電壓矢量獲得所對(duì)應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的順序序列，對(duì)于每個(gè)給定的電壓矢量(《， p )，其開關(guān)狀態(tài)數(shù)目為"-+ / )，所有開關(guān)狀態(tài)分別為[「。， K， K][a + 〃 — m， —附， _附]["+ A — m + l， " — m + l， +[a + A — m + 2， P —附+ 2，—m + 2][附，m — a, w — ct — 〃]例如，對(duì)于電壓矢量(O， 2)，其開關(guān)狀態(tài)為[-l，-l，一3]、
、 [l,l，-l]、 [2'2，0]和[3，3,1]。所有開關(guān)狀態(tài)可按照第一 個(gè)數(shù)值從小到大的升序、或從大到小的降序排列。上述給出的為按升 序排列。步驟15:從開關(guān)狀態(tài)序列中選擇出中間值、或順序選擇與中間值 最接近的開關(guān)狀態(tài)；每個(gè)矢量點(diǎn)可對(duì)應(yīng)多個(gè)開關(guān)狀態(tài)，按照步驟14獲得的開關(guān)序列 為升序排列或降序排列，在對(duì)變頻器控制時(shí)，需要選擇出一個(gè)開關(guān)狀 態(tài)，并按照該開關(guān)狀態(tài)對(duì)功率單元進(jìn)行控制。在開關(guān)狀態(tài)序列中，對(duì) 于每個(gè)電壓矢量("，當(dāng)"+ / 為奇數(shù)時(shí)，序列中的開關(guān)狀態(tài)個(gè)數(shù) 為奇數(shù)個(gè)，得到序列<formula>formula see original document page 9</formula>優(yōu)先選擇序列中中間值的開關(guān)狀態(tài)，即<formula>formula see original document page 9</formula>，如果不可用，可順序選擇與中間值的相鄰值所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，即，并以此類推，直2」、或到選擇到第 一個(gè)可用的開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)《+-為偶數(shù)時(shí)，序列中的開關(guān)狀態(tài)個(gè)數(shù)為偶數(shù)個(gè)，得到序列<formula>formula see original document page 10</formula>和<formula>formula see original document page 10</formula>,可任意選擇其中一個(gè)開關(guān)狀態(tài)，如果皆不可用，可從中間值往外進(jìn)行選擇，例如選擇或<formula>formula see original document page 10</formula>，依次類推，直到選擇了第一個(gè)可用的開關(guān)狀態(tài)，其為與中間值最接近的可用 開關(guān)狀態(tài)。步驟16:按照選擇出的開關(guān)狀態(tài)控制所述變頻器中功率單元。 在步驟15的過(guò)程中，由于選擇出的開關(guān)狀態(tài)可能會(huì)影響電機(jī)運(yùn) 行，還可對(duì)選擇出的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷，判斷選擇出的開關(guān)狀態(tài)每相 輸出電平的絕對(duì)值是否小于或等于相應(yīng)相的未出現(xiàn)故障的功率單元的 數(shù)量，如果小于或等于，則選擇該開關(guān)狀態(tài)。如果A相一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，其他兩相所有單元都正常工作時(shí)， 理論上，當(dāng)開關(guān)周期足夠快時(shí)，三相輸出電壓的示意圖如圖6、圖7、 圖8所示。其中，仏、"6、仏分別為A、 B、 C三相輸出相電壓；"aft、 l為輸出AB、 BC之間的線電壓?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)開關(guān)狀態(tài)調(diào)整，相 電壓波形發(fā)生了變化，但輸出線電壓的波形仍然對(duì)稱的純正弦波。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法可以采用多種裝置實(shí)現(xiàn)，下面給出優(yōu)選的裝置 實(shí)施例并詳細(xì)i兌明。參見圖9，包括檢測(cè)單元，用于檢測(cè)變頻器中各相出現(xiàn)故障的功率單元數(shù)量； 運(yùn)算單元，用于按照所述檢測(cè)單元檢測(cè)出的數(shù)量、變頻器的電平數(shù)目運(yùn)算出變頻器可輸出的最大合成電壓矢量值，并在預(yù)定的角度坐標(biāo)系下確定相應(yīng)的電壓矢量的集合；選擇單元，用于對(duì)所輸出的合成電壓矢量按最大合成電壓矢量進(jìn)行限幅，按限幅后的電壓矢量值在矢量的集合中選擇出相應(yīng)的電壓矢量；映射單元，用于對(duì)所述選擇單元選擇出的電壓矢量獲得所對(duì)應(yīng)開 關(guān)狀態(tài)的順序序列，從開關(guān)狀態(tài)序列中選擇出中間值、或順序選擇與 中間值最接近的開關(guān)狀態(tài)；控制單元，用于通過(guò)所述映射單元選擇出的開關(guān)狀態(tài)控制所述變 頻器中各功率單元。所述選擇單元還連接判斷單元，用于判斷選擇出的開關(guān)狀態(tài)每相 輸出電平的絕對(duì)值是否小于或等于相應(yīng)相的未出現(xiàn)故障的功率單元的 數(shù)量，如果小于或等于，則選擇單元選擇該開關(guān)狀態(tài)。該實(shí)施例中的裝置可應(yīng)用在各種類型的變頻器中，并實(shí)現(xiàn)上述方 法中的各個(gè)步驟，在此不重復(fù)贅述。本發(fā)明的方法和裝置，可在變頻 器的功率單元出現(xiàn)故障后，最大限度控制變頻器輸出對(duì)稱且幅值較高 的三相電壓，并避免電壓信號(hào)不對(duì)稱導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)中產(chǎn)生較 大的不對(duì)稱電流引起的電機(jī)發(fā)熱，可有效提高電機(jī)壽命和生產(chǎn)效率； 且控制步驟簡(jiǎn)單，容易在各種處理芯片中實(shí)現(xiàn)。對(duì)于本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例中所闡述的方法和裝置，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本 發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種變頻器中對(duì)功率單元控制的方法，其特征在于，包括獲取變頻器中各相出現(xiàn)故障的功率單元數(shù)量，按照所述故障的功率單元數(shù)量、變頻器的電平數(shù)目運(yùn)算出變頻器可輸出的最大合成電壓矢量值，并在預(yù)定的角度坐標(biāo)系下確定相應(yīng)的電壓矢量的集合；對(duì)輸出的合成電壓矢量按最大合成電壓矢量進(jìn)行限幅，按所述合成的電壓矢量值或限幅后的電壓矢量值在矢量的集合中選擇出相應(yīng)的電壓矢量，對(duì)選擇出的電壓矢量獲得所對(duì)應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的順序序列，從開關(guān)狀態(tài)序列中選擇出中間值、或順序選擇與中間值最接近的開關(guān)狀態(tài)，按照選擇出的開關(guān)狀態(tài)控制所述變頻器中所有功率單元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從開關(guān)狀態(tài)序列 中選擇出中間值或順序選擇與中間值最接近的開關(guān)狀態(tài)的過(guò)程中還包 括..相應(yīng)相的未出現(xiàn)故障的功率單元的數(shù)量，如果小于或等于，則選擇該 開關(guān)狀態(tài)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定的角度 為60度、90度、或120度。
4、 一種變頻器中對(duì)功率單元控制的裝置，其特征在于，包括 檢測(cè)單元，用于檢測(cè)變頻器中各相出現(xiàn)故障的功率單元數(shù)量； 運(yùn)算單元，用于按照所述檢測(cè)單元檢測(cè)出的數(shù)量、變頻器的電平數(shù)目運(yùn)算出變頻器可輸出的最大合成電壓矢量值，并在預(yù)定的角度坐 標(biāo)系下確定相應(yīng)的電壓矢量的集合；選擇單元，用于對(duì)所輸出的合成電壓矢量按最大合成電壓矢量值進(jìn)行限幅，按限幅后的電壓矢量值在矢量的集合中選擇出相應(yīng)的電壓 矢量；映射單元，用于對(duì)所述選擇單元選擇出的電壓矢量獲得所對(duì)應(yīng)開 關(guān)狀態(tài)的順序序列，從開關(guān)狀態(tài)序列中選擇出中間值、或順序選擇與 中間值最接近的開關(guān)狀態(tài)；控制單元，用于通過(guò)所述映射單元選擇出的開關(guān)狀態(tài)控制所述變頻器中各功率單元。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述選擇單元還 連接判斷單元，用于判斷選擇出的開關(guān)狀態(tài)每相輸出電平的絕對(duì)值是否小于或等于相應(yīng)相的未出現(xiàn)故障的功率單元的數(shù)量，如果小于或等 于，則選擇單元選擇該開關(guān)狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種變頻器中對(duì)功率單元控制的方法和裝置，本發(fā)明的方法包括獲取變頻器中各相出現(xiàn)故障的功率單元數(shù)量，按照所述故障的功率單元數(shù)量、變頻器的電平數(shù)目運(yùn)算出變頻器可輸出的最大合成電壓矢量值，并在預(yù)定的角度坐標(biāo)系下確定相應(yīng)的電壓矢量的集合；對(duì)輸出的合成電壓矢量按最大合成電壓矢量進(jìn)行限幅，按所述合成的電壓矢量值或限幅后的電壓矢量值在矢量的集合中選擇出相應(yīng)的電壓矢量，對(duì)選擇出的電壓矢量獲得所對(duì)應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的順序序列，從開關(guān)狀態(tài)序列中選擇出中間值、或順序選擇與中間值最接近的開關(guān)狀態(tài)，按照選擇出的開關(guān)狀態(tài)控制所述變頻器中所有功率單元。本發(fā)明公開了一種變頻器中對(duì)功率單元控制的裝置。
文檔編號(hào)H02M1/32GK101409514SQ200810110978
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者衛(wèi)三民, 張和平, 李發(fā)海, 蘇位峰, 郭偉彰, 黃小光 申請(qǐng)人:北京浩普華清電氣技術(shù)有限公司