CN102480245B

CN102480245B - 逆变器

Info

Publication number: CN102480245B
Application number: CN201010570032.7A
Authority: CN
Inventors: 张东济
Original assignee: LS Industrial Systems Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: CN102480245A

Abstract

本发明涉及一种逆变器，其配置为接收来自电源的电力，并转换该电力为DC，转换该DC为可变电压可变频率的AC，且提供该AC给负载以驱动负载，其中开关单元和多个分流电阻被安装以检测从平滑单元的负号端子流经所述开关单元流向负载的电流，且所检测到的电压由多个ADC进行转换，这里控制器对在由多个ADC所输出的三相电压中的使用除了在多个PWM信号中具有最大宽度的一相之外的两相电压的相应相的电流，并使用被检测的两相电流来计算剩余相的电流。

Description

逆变器

发明背景

领域

本发明涉及一种配置为从电源接收电力的逆变器，其转换该电力为DC、转换该DC为AC和提供该AC给负载以驱动负载，和更特别地，涉及一种配置为精确地检测提供给负载的电流和精确地检测接地故障电流的产生的逆变器。

背景

总的来说，小尺寸便宜的逆变器属于在全世界范围最大数量被销售和由许多制造业的公司经历了激烈的竞争的产品族。即，许多制造业的公司发起激烈的竞争以发展便宜的小尺寸逆变器，因此，许多技术作为这些努力回报的结果而得到发展。

使用低价模块的逆变器的发展，和由分流电阻转变为电流检测方法的电流检测的算法的发展，省略了作为电流检测元件的传统的霍耳元件或电流检测传感器，可以作为部分例子。

使用分流电阻的所述电流检测方法可包括输出端子分流器、直流链接端子分流器和在开关元件的发射极与接地线之间的支流分流方法，其中所述支流分流方法是在所述分流方法中使用最广泛的方法。

发明内容

本发明致力于提供一种配置为精确地检测提供给负载的电流的逆变器。

进一步地，本发明致力于提供一种配置为通过在开关元件的发射极和接地线之间形成分流电阻和穿过分流电阻使用电压来精确地检测提供给负载的电流的逆变器。

而且，本发明致力于提供一种配置为精确地确定接地故障电流是否已经产生的逆变器。

在本发明的一个总的方面，提供了一种逆变器，其包括：开关单元，其配置为通过响应于多个PWM(脉冲宽度调制)信号而切换DC(直流)电力来产生三相AC(交流)电力并将所产生的AC电力提供给负载；电流检测器，其配置为通过使用三相电压来检测从接地线经所述开关单元而流向负载的三相电流；控制器，其配置为产生多个PWM信号以控制开关单元的切换操作；和多个ADC(AC到DC)转换器，所述电流检测器在ADC转换器中转换三相电压为数字电压并输出该数字电压给控制器，其中所述控制器对在由多个ADC所输出的三相电压中的使用除了在多个PWM信号中具有最大宽度的一相之外的两相电压的相应相的电流进行检测，并使用被检测的两相电流来计算剩余相的电流。

在本发明的某些示例性实施例中，所述逆变器可以进一步包括配置为对AC进行整流的整流单元，和配置为通过对所述整流单元的输出电力进行平滑来产生DC电力的平滑单元。

在本发明的某些实施例中，所述逆变器可以进一步包括接地故障电流检测器，其配置为通过使用电压来检测经过所述开关单元而流向负载的接地故障电流，其中所述控制器通过将由所述接地故障电流检测器检测到的电压电平与预定的参考电压进行比较来确定接地故障电流是否已经产生。

在本发明的某些示例性实施例中，所述逆变器进一步包括：多个电阻，其配置为对由所述电流检测器检测的电压使用线或进行合并；和比较器，其配置为将经过线或的电压与预定的参考电压进行比较，并将所述电压输出给所述控制器，其中所述控制器可以使用来自所述比较器的输出信号来确定接地故障电流是否已经被产生。

根据本发明的所述逆变器具有有益的效果，即分流电阻被用来检测提供给负载的电流，从而降低了所述逆变器的生产成本。

根据本发明的所述逆变器还具有有益的效果，即从所述平滑单元的加号端子提供给所述负载的电流被检测以精确地确定接地故障电流是否已经被产生，且接地故障电流的产生可以使用从所述平滑单元的负号端子流向所述负载的电流而检测到。

本发明另外的优点、目的和特性将在接下来的说明书中部分被阐述和对于本领域技术人员来说通过考察下文可以部分变得清晰或者可以从本发明的实践中被学到。本发明的客观的和其他的优点可以通过在描述的说明书、权利要求以及附图中特别指出的结构来被实现和获得。

应当知道，本发明的在前的总的描述和之后的详细描述是示例性和解释性的，并且如声明的那样将提供本发明进一步的解释。

附图简要说明

被概括用来提供对本发明进一步理解和被合并一起而组成本申请的一部分的附图阐明了本发明的实施例，并且与说明书一起用来对本发明的原理进行解释，其中相同的参考数字被用于相同或等同的部分或元件。在附图中：

图1为显示了根据现有技术的逆变器的配置的示意图；

图2为显示了根据本发明的一个示例性实施例的逆变器的配置的示意图；

图3a至3d为显示了应用到图2的开关单元的开关信号的示意图；

图4a至4g为合并电流的波形图，其中提供给图2的所述开关单元的负载的A相、B相和C相电流，流向分流电阻的A相、B相和C相电流以及流向分流电阻的A相、B相和C相电流被合并；

图5显示了根据本发明的一个示例性实施例的逆变中的电流检测电路的配置的电路图；

图6为显示了根据本发明的逆变器中提供给多个开关元件的PWM信号的示意图；

图7a至7f为显示了根据本发明的逆变器中应用到多个开关元件的PWM信号类型的示意图。

具体实施方式

下文中，本发明的示例性实施例将参考附图被详细地描述。在图中，组元的尺寸或形状可以为了清楚和方便而被夸大。

特殊的术语将被定义以使用发明人所知的最好的方式来描述本发明。相应地，在说明书和权利要求书中使用的专门的术语或词语的含义不应当被限定为字面上或通常使用的意思，而应当根据本发明的精神和范围来解释。因此这些术语的限定可以基于整个说明书的内容来确定。

图1为显示了根据现有技术的逆变器的配置的示意图，其中附图标记100为整流单元。

整流单元100可以使用多个整流二极管(D1-D6)来对输入的三相AC电力进行整流并转换该为脉流电力(pulsatingcurrentpower)。

平滑单元110使用平滑电容(C1)对经过整流单元100整流的脉流电力进行平滑并转换经平滑的脉流电力到DC电力。

浪涌电流阻止单元120被配置为使得电阻(R1)和晶闸管(SCR1)并联连接以阻止额外的初始浪涌电流流入所述平滑电容(C1)。

再生制动单元130被以这样的方式配置：平滑电容(C1)的加号端子通过并联的电阻R2和反向二极管D7而被连接到开关元件(IGBT1)的集电极，并且开关元件(IGBT1)的发射极被连接到平滑电容(C1)的负号端子。

开关单元140被以这样的方式配置：两两串联连接的多开关元件(IGBT2-IGBT7)被响应于控制器(未示出)的控制而有选择地切换以转换平滑电容(C1)的输出电力为AC电力，其中转换得到的AC电力被输出到负载150。

电流检测器160被以这样的方式配置：电流变压器(CT1-CT3)被置于开关单元140和负载150之间，其中从开关单元140提供给负载150的AC电力的电流被检测到。

如此配置的逆变器通过使用多个安装在整流单元100处的整流二极管(D1-D6)对从外部提供的三相AC电力进行整流而产生脉动波电力。经过整流单元100整流的脉动波电力通过经浪涌电流阻止单元120而给平滑单元110的平滑电容(C1)充电而被转换为DC电力。

此时，当在平滑电容(C1)中没有电力被充入时，过多的电流在初始阶段从整流单元100流向平滑电容(C1)，因此平滑电容(C1)会被过多的电流破坏。因此，当没有电力充入平滑电容(C1)中时，控制器控制在初始阶段将浪涌电流阻止单元(120)的晶闸管控制在阻塞状态下。因此，经过整流单元100整流的脉动波电力被通过电阻(R1)的给平滑电容(C1)充电的电流所限制，因此过多的浪涌电流能够被阻止产生。

在这种情况下，假如延迟预定时间以允许平滑电容(C1)被电流充分充电，且没有过多的浪涌电流流过，控制器将晶闸管(SCR1)控制在导通状态下，因此，由整流单元100整流的脉流电力通过晶闸管(SCR1)对平滑电容(C1)充电。

在这种状态下，控制器输出PWM信号到安装在开关单元140处的多个开关元件(IGBT2-IGBT7)的门，因此，多个开关元件(IGBT2-IGBT7)能够可选择地被切换。

接下来，多个开关元件(IGBT2-IGBT7)可选择地闭合/打开并切换以转换充入平滑电容(C1)的DC电力为AC电力，其中转换得到的AC电力被输出给负载150且负载150被驱动。

此外，在负载150将被制动的情况下，再生能量从负载150产生，并且通过开关单元140被充到平滑电容(C1)中，因此平滑电容(C1)使用过电压被充电，以及平滑电容(C1)会被过充电压破坏。

因此，在负载150将被制动的情况下，控制器闭合再生制动单元130的开关元件(IGBT1)，且当开关元件(IGBT1)闭合时，在负载150处产生的经过开关单元140的再生能量流经电阻(R2)和开关元件(IGBT1)，因此，阻止了使用过电压对平滑电容(C1)充电。

此外，如上所述，从开关单元140输出到负载150的AC电力的电流被位于电流检测器160处的多个电流变压器(CT1-CT3)检测到，其中检测到的电流被输入到控制器。控制器计算由多个电流变压器(CT1-CT3)检测到的电流的总和，且如果所计算的电流总和大于预定的参考电流，控制器确定接地故障电流已经产生并且随后预定的动作相应地执行。

如此配置的逆变器检测使用多个电流变压器(CT1-CT3)的开关单元140提供给负载150的电流，并确定接地故障电流的产生。

然而，应注意到多个电流变压器(CT1-CT3)是昂贵的。因此，假如为了构造便宜的小尺寸的逆变器而在多个电流变压器(CT1-CT3)的场合使用便宜的分流电阻，那么检测电流检测算法和接地故障电流的产生的对策将被执行是势在必行的。

同时，存在两种类型的接地故障电流，即，从电容(C1)开始流经开关单元140的多个开关元件(IGBT2、IGBT4、IGBT6)和负载150而流向地的接地故障电流，和从负载150开始流经开关单元140的多个开关元件(IGBT3、IGBT5、IGBT7)而流向地的接地故障电流。

然而，如此配置的逆变器仅能够检测从负载150开始流经开关单元140的多个开关元件(IGBT3、IGBT5、IGBT7)而流向地的接地故障电流，而不能检测从电容(C1)开始流经开关单元140的多个开关元件(IGBT2、IGBT4、IGBT6)和负载150而流向地的接地故障电流。

图2为显示了根据本发明的一个示例性实施例的逆变器的配置的示意图，其中附图标记200为整流单元。

整流单元200可以使用多个整流二极管(D11-D16)对输入的三相AC电力进行整流并转换该电力为脉流电力。

平滑单元210使用平滑电容(C11)对经过整流单元200整流的脉流电力进行平滑并转换平滑后得到的脉流电力为DC电力。

浪涌电流阻止单元220被以这样的方式配置：电阻(R11)和晶闸管(SCR11)并联连接以阻止过多的初始浪涌电流流入平滑电容(C11)。

再生制动单元230被以这样的方式配置：平滑电容(C11)的加号端子经过并联的电阻R12和反向二极管D17被连接到开关元件(IGBT11)的集电极，且开关元件(IGBT11)的发射极被连接到平滑电容(C11)的负号端子。

开关单元240被以这样的方式配置：两两串联连接的多开关元件(IGBT12-IGBT17)被响应于控制器(未示出)的控制而有选择地切换以转换平滑电容(C11)的输出电力为AC电力，其中转换得到的AC电力被输出到负载250。

电流检测器260被以这样的方式配置：分流电阻(R13、R14、R15)被相应地连接在接地线和开关单元240的多个开关元件(IGBT13、IGBT15、IGBT17)的发射极之间，且由经过分流电阻(R13、R14、R15)的电压检测由开关单元240提供给负载250的电流。

接地故障电流检测单元270被以这样的方式配置：电阻(R16)被连接在平滑电容(C11)和再生制动单元230之间以检测来自平滑电容(C11)的流经再生制动单元230和开关单元240提供给负载250的电流。

如此配置的逆变器能够通过安装在整流单元200处的多个整流二极管(D11-D16)对从外部提供的三相AC电力进行整流而产生脉动波电力。经整流单元200整流的脉动波电力通过浪涌电流阻止单元220而充入平滑单元210的平滑电容(C11)而被转换为DC电力。

此时，当没有电力充入平滑电容(C11)时，过多的电流在初始阶段从整流单元200流向平滑电容(C11)，因此平滑电容(C11)会被过多的电流破坏。因此，当平滑电容(C11)中的电力没有被充入时，控制器在初始阶段将浪涌电流阻止单元220的晶闸管(SCR11)控制在阻塞状态下的。因此，由整流单元200整流的脉动波电力被经由电阻(R11)以给平滑电容(C11)充电的电流限制，因此，过多的浪涌电流被阻止产生。

在这种情况下，在延迟预定时间以允许平滑电容(C11)由电流完全充电和没有过多的浪涌电流流出的情形下，控制器将晶闸管(SCR11)控制在导通状态下，因此，由整流单元200整流的脉流电力经晶闸管(SCR11)被充入平滑电容(C11)。

在这种状态下，控制器输出PWM信号到安装在开关单元240处的多个开关元件(IGBT12-IGBT17)的门，因此，多个开关元件(IGBT2-IGBT7)可以被有选择地切换。

例如，如图3a所示，控制器将参考电压(Vref_A、Vref_B、Vref_C)与三角波(Vcar)进行比较以产生如图3b、3c和3d所示的PWM信号，其中产生的PWM信号被提供给开关单元240的开关元件(IGBT12、IGBT14、IGBT16)的门以用于切换。控制器也倒转显示在图3b、3c和3d中的PWM信号，其中反向的PWM信号被提供给开关单元240的多个开关元件(IGBT13、IGBT15、IGBT17)的门以用于切换。

接下来，安装在开关单元140处的多个开关元件(IGBT12-IGBT17)被有选择地切换，因此，充入平滑电容(C11)的DC电力被转换为三相AC电力，且转换后的三相AC电力的电流被提供给负载250，因此负载250被驱动，如图4a、4b和4c所示。此时，响应于从电容(C11)经开关单元240提供给负载250的电流，产生通过电阻(R16)的电压降落，其中控制器接收穿过电阻(R16)的电压以确定接地故障电流是否已经产生。

另外，电流也流入分流电阻(R13、R14、R15)，如图4d到4f所示，当多个开关元件(IGBT13、IGBT15、IGBT17)被有选择地切换时，这些分流电阻连接在开关元件(IGBT13、IGBT15、IGBT17)的接地线和发射极之间。

流入分流电阻(R13、R14、R15)的电流被检测为电压，且所检测到的电压被放大器500、502、504放大，如图5所示，其中放大的电压被ADC510、512、514分别地转换为数字电压，并输入到控制器。

另外，被放大器500、502、504放大的电压被线或并通过电阻R21、R22和R23被合并，且合并后的电压被输入到比较器520以与预定的参考电压Vr进行比较。比较后的结果信号被输入到控制器。

现在，根据本发明的对由开关单元24提供给负载250的电流的检测操作将被详细描述。

图6为显示了提供给根据本发明的逆变器的多个开关元件(IGBT12、IGBT14、IGBT16)的PWM信号的示意图，其中点“A”为三角波(Vcar)之外电压最高和通常产生中断的位置。点“B”为输出PWM信号并且在提供给多个开关元件(IGBT12、IGBT14、IGBT16)的门的三相PWM信号中脉冲宽度最大的位置。然而，点“B”根据PWM信号周期而变动。

参考图5，穿过分流电阻(R13、R14、R15)的电压被放大器500、502、504放大，被ADC510、512、514转换为数字电压并被输入到控制器。在被ADC510、512、514转换后的输入到控制器的数字电压的波形与图4d到4f显示的一样。ADC510、512、514的开始转换模拟电压为数字电压的位置是点“A”。即，当发生中断时，ADC开始转换模拟电压为数字电压。

控制器使用ADC510、512、514的输出信号来计算输出电流。

安装在开关单元240处的多个开关元件(IGBT12、IGBT14、IGBT16)的PWM信号或提供给门的多个开关元件(IGBT13、IGBT15、IGBT17)的PWM信号具有如图7a到7f所示的以下基于一个周期的6种类型的周期。即，PWM信号的宽度具有的形状为：a相＞b相＞c相，b相＞a相＞c相，b相＞c相＞a相，c相＞b相＞a相，c相＞a相＞b相和a相＞c相＞b相。

控制器确定提供给安装在开关单元240处的多个开关元件(IGBT12、IGBT14、IGBT16)的门的PWM信号或多个开关元件(IGBT13、IGBT15、IGBT17)的PWM信号的宽度，并计算在确定的PWM信号中使用除了具有最大宽度的一相数字电压之外的两相的数字电压的电流。

例如，如图7a所示，在PWM信号的宽度是a相＞b相＞c相的情况下，控制器确定使用b相和c相电压的b相的电流(ib)和c相电流(ic)，排除在PWM信号中具有最大宽度的a相，和使用经确定的b相和c相电流来计算a相的电流(ia)。

即，a相的电流(ia)、b相的电流和c相的电流满足等式“ia+ib+ic＝0”，其中控制器将b相电流(ib)和c相电流(ic)代入到等式中以计算a相电流(ia)。

如图7b所示，在PWM信号宽度为b相＞a相＞c相的情况下，控制器确定使用a相和c相电压的a相电流(ia)和c相电流(ic)，而排除在PWM信号中具有最大宽度的b相，并使用经确定的a相和c相电流来计算b相的电流(ib)。

现在，根据本发明的检测接地故障电流的操作将被详细描述。

在逆变器中会产生两种类型的接地故障电流。即，当在开关单元240中的切换到加号电压的多个开关元件(IGBT12、IGBT14、IGBT16)被闭合时，给电容(C11)充电的加号DC电压通过负载250和处于闭合状态的开关元件(IGBT12、IGBT14、IGBT16)流向地而产生的接地故障电流，和当在开关单元240中的切换负号电压的多个开关元件(IGBT13、IGBT15、IGBT17)被闭合时，给电容(C11)充电的负号DC电压通过负载250、分流电阻(R13、R14、R15)和处于闭合状态的开关元件(IGBT13、IGBT15、IGBT17)流向地而产生的接地故障电流。

对于从电容(C11)经过多个开关元件(IGBT12、IGBT14、IGBT16)和负载250流向地的接地故障电流，控制器通过将穿过接地故障电流检测单元270的电阻R16的电压与预定的参考电压进行比较以确定接地故障电流是否产生。作为比较的结果，假如确定穿过接地故障电流检测单元270的电阻R16的电压比预定的参考电压高，则确定接地故障电流已经产生，并且针对接地故障电流的产生，预定测量被执行。

另外，如图5所示，对于从电容(C11)经过负载250、分流电阻(R13、R14、R15)和多个开关元件(IGBT13、IGBT15、IGBT17)流向地的接地故障电流，穿过分流电阻(R13、R14、R15)的电压被放大器500、502、504放大，且经放大电压通过电阻(R21、R22、R23)被线或且合并以被输入到比较器520并与预定的参考电压(Vr)进行比较，其中比较结果信号被输入到控制器，该控制器随后使用比较器520的输出信号确定接地故障电流是否已经产生，且针对接地故障电流的产生，预定的测量被执行。

然而，以上提及的根据本发明的逆变器可以许多不同的形式被体现，并且不应当被限定为本文中所阐述的实施例来解释。因此，本发明的实施例将覆盖本发明中附带的权利要求以及它们的等同物的改变或变形。

Claims

1.一种逆变器，包括：

整流单元，其配置为对交流电力进行整流；

平滑电容，其配置为对所述整流单元的输出电力进行平滑并且产生直流电力；

阻止单元，其配置为阻止浪涌电流在初始阶段对所述平滑电容充电；

开关单元，其配置为响应于多个脉冲宽度调制信号而切换来自所述平滑电容的所述直流电力，产生规定的交流电力，并且将所产生的交流电力提供给负载，所述开关单元包括从所述平滑电容接收正直流电力的第一开关元件和从所述平滑电容接收负直流电力的第二开关元件；

电流检测器，其连接在所述第二开关元件与地之间并且配置为检测经由所述开关元件而提供给所述负载的电流；

控制器，其配置为产生所述脉冲宽度调制信号以控制所述开关单元的切换操作；

ADC，其配置为将经过所述电流检测器的模拟电压转换为数字电压，并配置为将所述数字电压输入至所述控制器；

电阻，其连接在所述平滑电容及所述第一开关元件之间；以及

再生制动单元，其连接在所述电阻及所述开关单元之间，并且配置为阻止过电压在制动阶段对平滑电容(C1)充电，

其中所述控制器进一步配置为对使用除了在所述脉冲宽度调制信号中具有最大宽度的一相之外的两相电压的相电流进行检测，并且使用被检测的两相电流来确定剩余相的电流，

其中所述控制器进一步配置为使用所述数字电压计算提供至所述负载的输出电流，并且

其中所述控制器通过将电阻的两相对端的电压与预定的参考电压进行比较来检测从所述第一开关元件流向所述负载的接地故障电流，并且通过输入所述第二开关元件的合并的电压检测从所述第二开关元件流向所述负载的接地故障电流，

多个电阻，其配置为使用线或输出由所述电流检测器检测到的合并的电压；和

比较器，其配置为将合并的电压与预定的参考电压进行比较，

其中所述控制器配置为当所述合并的电压大于所述预定的参考电压时来确定所述从所述第二开关元件流向所述负载的接地故障电流已经产生。