CN104734528A - 多相电力驱动器及其功率单元 - Google Patents

Abstract

本申请提供了与多相交流负载一起使用的多相电力驱动器及其功率单元。多相电力驱动器包括多相电力变压器和多个功率单元；功率单元中的每个都包括：整流器以及电容器组；电容器组包括串联连接的多个电容器集合；电容器集合中的每个都包括一个电容器或并联连接的多个电容器元件；电压测量器件，适于测量相对于电容器组的DC+和DC-的其中一个的电位，位于DC+和DC-中的另一个以及串联连接的电容器集合中连接点的各个电压；以及控制***，适于基于已测量的各个电压对多个电容器集合上的故障进行监控。通过具有这种电容器组电压监控***，可以保护电容器避免在每个电容器上发生过压。

Description

多相电力驱动器及其功率单元

技术领域

本发明涉及多相电力驱动器领域，更特别地，涉及具有电容器组电压监控的多相电力驱动器。

背景技术

级联型多相电力驱动器在工业上用来向交流电动机提供可变电力。这些相同的驱动器可以用在不具体涉及电动机但需要可变输出电压或频率的其他应用中。典型的驱动器具有交流输入电源和一些类型的转换装置，转换装置常使用固态器件，用于将固定的交流输入电压转换成可变电压和/或可变频率的输出。美国专利5,625,545中描述了这样一种类型的驱动器，通过引用的方式将该专利合并于此。该专利描述了被用作驱动器的电源，该电源使用若干被布置成产生三相交流输出的功率单元。这样的多个串联的功率单元可用于提供比单个功率单元更高的电压输出。在这些功率单元中，整流器的直流电流通常与输出变流器的直流电流匹配，然而瞬时纹波电流通常不匹配。优选地，提供平滑电容器来输送差分纹波电流，平滑电容器可以起到电流平滑滤波器的作用。电容器是电容器组的代表，其精确的值取决于感性负载的功率要求。

使用中间电压（例如，在400V之上）的功率单元的直流电容器组经常使用串联的两个或三个电解电容器。如果使用两电平逆变器拓扑结构，则不测量这些电容器之间的中间电位的电压。

当电解电容器过载时，它们不是热稳定的，这会导致由蒸发的液体电解质引发的强烈***。由于安全和连带的损害，必须避免这种***。因为由老化或缺陷引起的各个电容器的不相等的参数会导致串联连接的电容器之间极度不相等的电压共享，所以对串联连接的电容器的总电压进行监控是不够的。

因此，对串联中的单个电容器的电压进行监控非常有必要。

发明内容

因此，本发明的目的是提供与多相交流负载一起使用的多相电力驱动器，包括多相电力变压器和多个功率单元，多相电力变压器包括至少一个一次绕组和多个二次绕组，所述一次绕组电连接到多相交流电源交流电源，所述第一数量的功率单元中的每个都具有与所述多个二次绕组中相应的一个二次绕组连接的输入端，所述多个功率单元中的每个都具有到多相交流负载的单相可控制的输出端，并且所述多个功率单元与能够连接到所述多相交流负载的每条相输出线路中的所述功率单元中相应的其它功率单元串联连接；所述功率单元中的每个都包括：整流器、电容器组、电压测量器件、和控制***；所述整流器适于将来自相应的二次绕组的输入电力转换成直流电压；所述电容器组通过DC+和DC-连接到所述整流器的输出端，其中：所述电容器组包括串联连接的多个电容器集合，所述电容器集合中的每个都包括一个电容器或并联连接的多个电容器元件；所述电压测量器件适于测量相对于电容器组的DC+和DC-的其中一个的电位，位于DC+和DC-中的另一个以及串联连接的电容器集合中连接点的各个电压；所述控制***适于基于电容器组的DC+和DC-之间已测量的电压对所述多个功率单元进行控制，并基于已测量的各个电压对所述多个电容器集合上的故障进行监控。

根据本发明的另一个方面，提供一种在多相电力驱动器中使用的功率单元，包括：整流器、电容器组、电压测量器件、和控制***；所述整流器适于将来自相应的二次绕组的输入电力转换成直流电压；所述电容器组通过DC+和DC-连接到所述整流器的输出端，其中，所述电容器组包括串联连接的多个电容器集合，每个所述电容器集合包括一个电容器或并联连接的多个电容器元件；所述电压测量器件适于测量相对于电容器组的DC+和DC-的其中之一的电位，位于DC+和DC-中的另一个以及串联连接的电容器集合中的连接点的各个电压；所述控制***适于基于电容器组的DC+和DC-之间已测量的电压对所述多个功率单元进行控制，并基于已测量的各个电压对所述多个电容器集合上的故障进行监控。

通过具有这种电容器组电压监控***，可以保护电容器避免在每个电容器上发生过压。

附图说明

根据附图示出的优选的示例性实施例，下文将对本发明的主题进行更详细的说明，其中：

图1示出了每相具有三个功率单元的级联型多相电力驱动器的功率电路图；

图2A示出了如图1所示的典型的功率单元；

图2B示出了用于测量根据图2A的电容器组21的电容器集合的端电压的电压测量器件；以及

图2C示出了用于测量根据图2A的电容器组21的电容器集合的端电压的可选择的电压测量器件，。

以简要的形式在附图标记列表中列出附图中使用的附图标记及其含义。原则上，附图中相同的部件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了每相具有三个功率单元的级联型多相电力驱动器的功率电路图。如图1所示，三相交流电力被输入到级联型多相驱动器1的电力变压器10的一次绕组100。可以是星形连接或网形连接的一次绕组100使三相二次绕组101至109通电。与二次绕组101至109中的每个二次绕组相关的三相电力分别被提供给功率单元110至118。在本实施例中，优选地，提供网形连接的二次绕组101至109，以降低电力变压器的K因数并改进谐波控制。网形连接的绕组可以包括（例如）Δ结构或扩展的Δ结构。在某些情况下，可以对这种网形绕组进行操作，以使一些二次绕组提前预选角度的电相，使其他二次绕组延迟预选角度的电相，并（可能）使其他二次绕组的相位基本不发生移动。在图1示出的本实施例中，描述了三分之一的二次绕组的相位被提前20（度），三分之一的二次绕组的相位被延迟20（度）。其余三分之一的二次绕组未发生移动。在图1的实施例中，相移的绕组使用扩展的Δ结构的绕组，没有相移的绕组使用Δ结构的绕组。对于其它电压，所需的各自的相移可以通过按照每相功率单元的数量对60（度）进行划分获得。例如，若每相5个功率单元，相移是+24（度）、+12（度）、0（度）、-12（度）和-24（度）；若每相6个功率单元，相移是+25（度）、+15（度）、+5（度）、-5（度）、-15（度）和-25（度）；若每相8个功率单元，相移是+18.75（度）、+11.25（度）、+3.75（度）、-3.75（度）、-11.25（度）、-18.75（度）。优选地，将多个功率单元连接到每个相位输出线路120、121、122，相位输出线路120、121、122可以分别代表相A、相B和相C。多个功率单元在每个相位输出线路上可以串联连接，从而可以生成具有多个低压功率单元的中压输入相位线路控制器。串联连接还可以使每相有多个电压状态；每相的这些多个电压状态可以被用来获得改进的电流波形。每个功率单元可以在内部形成低压标准，例如，尽管被包含在中压装置中，每个功率单元也可以具有1000伏的额定值。在这种实施例中，使用适合于正在使用的中压电平的绝缘材料，可以使各个功率单元与地面以及其它功率单元绝缘。

图2A示出了如图1所示的典型的功率单元。然而，可以理解的是，还可以使用其它功率单元实施本发明。图2A示出的功率单元与美国专利5,625,545中示出的功率单元相似。如图2A所示，功率单元110至118中的每个都是功率变流器，所述功率变流器通过使用由二极管20a-20f组成的整流器将三相输入电力转换成直流分量。该整流器的输出随后通过第一端子DC+和第二端子DC-被输出到电容器组21，电容器组21可以提供对直流输出的存储和平滑。电容器组（例如）包括在连接点H1、H2之间彼此串联连接的多个电容器集合210、211、212，电容器集合210包括多个并联连接的电容器，电容器集合211包括多个并联连接的电容器，电容器212包括多个并联连接的电容器。作为替代方式，可以理解的是，根据电容器集合的电压容量和功率单元的直流环节（DC link），电容器集合的数量可以选择为4、5、6等；根据电容器的电流容量和功率单元的直流链电流，每个电容器集合中电容器的数量可以选择为1、2、3等。例如，可以根据如下算法选择电容器集合的数量：

N_{capacitor set}=V_DC/V_{rated voltage}

其中，N_{capacitor set}表示电容器集合的数量，V_DC表示第一端子DC+和第二端子DC-的端电压，V_{rated voltage}表示电容器的额定电压。

可以根据如下算法选择每个电容器集合的电容器的数量：

N_{capacitor per set}=I_{ripple current bank}/I_{capacitor ripple current capacity}

其中，N_{capacitor per set}表示每个电容器集合的电容器的数量，I_{ripple current bank}表示电容器组的总纹波电流，I_{capacitor ripple current capacity}表示电容器纹波电流容量。

至少基于电容器组端电压的幅值，在控制***控制之下使用脉宽调制（PWM）方法，可以将变流器中的直流电力选择性地应用到功率单元输出端22a和22b。使用由诸如23a-23d的半导体开关组成的桥式变流器可以实现脉宽调制。可以使用任意类型的可接受的开关元件；并且取决于功率水平，可以选择多种固态组件。如图所示，变流器输出端使用四个IGBT。在这种脉宽调制操作中，当这些开关操作时，它们可以被认为是完全闭合或完全断开的。正如在多数应用中将会理解的，希望在级联式布置中使用的功率单元是相似的并按照某种形式被构造，以便限制装配件的数量并允许功率单元在同一驱动器内是可互换的。图2A中示出的功率单元110至118可以被用于图1中的所有功率单元。

图2B示出了电压测量器件，所述电压测量器件用于测量根据图2A的电容器组21的电容器集合的端电压。作为图2A中示出的功率单元的一部分是电压测量器件24。例如，电压测量器件24可以包括三个分压器240、241、242；控制***25包括三个比较器243、244、245。分压器240电连接在DC+和DC-之间，用于在DC+到DC-进行分压，并将分好的电压输出到比较器243，比较器243将来自分压器240的电压输出与电位DC-进行比较，并通过模数转换（ADC）向控制***25输出比较结果U’_DC；分压器241电连接在连接点H2和DC-之间，用于在H2到DC-进行分压，并将分好的电压输出到比较器244，比较器244将来自分压器241的电压输出与电位DC-进行比较，并通过模数转换向控制***25输出比较结果U’_H2；相似地，分压器242电连接在连接点H1和DC-之间，用于在H1到DC-进行分压，并将分好的电压输出到比较器245，比较器245将来自分压器242的电压输出与电位DC-进行比较，并通过模数转换向控制***25输出比较结果U’_H1。可以理解的是，可以选择并预先确定分压器240、241、242的分压比。

参考图2B，控制***25接收表示已测量电压的幅值的信号，并且控制***25基于分压器240、241、242预先确定的分压比以及已测量的电压U’_DC,U’_H2,and U’_H1的幅值来计算电压U_DC、U_H2、和U_H1的幅值。

基于这些信号，控制***25使用如下算法计算每个电容器集合210、211、212端电压的幅值：

U₂₁₀=U_DC-U_H2

U₂₁₁=U_H2-U_H1

U₂₁₂=U_H1

其中，U₂₁₀、U₂₁₁、和U₂₁₂分别表示每个电容器集合210、211、212端电压的幅值。

图2C示出了可选择的电压测量器件，所述可选择的电压测量器件用于测量根据图2A的电容器组21的电容器集合的端电压。分压器240连接在DC+和DC-之间，用于在DC-到DC+进行分压，并将分好的电压输出到比较器243，比较器243将来自分压器240的电压输出与电位DC+进行比较，并通过模数转换向控制***25输出比较结果U’_DC；分压器241连接在DC+和连接点H2之间，用于在DC+到H2进行分压，并将分好的电压输出到比较器244，比较器244将来自分压器241的电压输出与电位DC+进行比较，并通过模数转换向控制***25输出比较结果U’_H2；相似地，分压器242连接在DC+和连接点H1之间，用于在DC+到H1进行分压，并将分好的电压输出到比较器245，比较器245将来自分压器242的电压输出与电位DC+进行比较，并通过模数转换向控制***25输出比较结果U’_H1。

作为替代方式，基于这些信号，控制***25使用如下算法计算每个电容器集合210、211、212端电压的幅值：

U₂₁₀=U_H2

U₂₁₁=U_H1-U_H2

U₂₁₂=U_DC-U_H1

其中，U₂₁₀、U₂₁₁、和U₂₁₂分别表示每个电容器集合210、211、212端电压的幅值。

基于各个电容器集合210、211、212端电压的幅值，控制***25用第一阈值确定每个电容器集合210、211、212上的故障。例如，如果U₂₁₀大于第一阈值，则控制***25产生报警；如果U₂₁₀和第一阈值之间的差超出第一范围，则控制***25可以发出跳闸信号以使多相电力驱动器停止操作。由于电容器组端电压的变化归因于许多因素（例如，功率单元电压输入的变化、交流电负载的变化、IGBT的切换事件等等），所以电容器集合的端电压会相应发生改变，甚至在第一阈值之上，但电容器集合仍处于良好的状态并且不需要使***停止；仅在超过第一阈值的电压的电平超出第一范围时，才可以确定电容器上存在故障，从而需要使***停止。通过使用第一范围，提供了一种机制，用于辨别电容器集合的过压的电平，从而使对电容器故障的探测更加准确。

例如，下面的算法可以被用来探测电容器故障：

$U_{\mathrm{set},n}>U_{\mathrm{threshold},1}\⇒\mathrm{Alarm}$

$U_{\mathrm{set},n}>U_{\mathrm{threshold},1}+\mathrm{range}\⇒\mathrm{Trip}$

其中，U_set,n表示已计算的每个电容器集合210、211、212的端电压的幅值。U_threshold,1表示电容器的额定电压，range可以是电容器10%的浪涌电压。

通过具有这种电容器组电压监控***，可以保护电容器避免在每个电容器上发生过压。

作为替代方式，控制***25基于电容器集合210、211、212中的两个的端电压之间的失衡确定故障。例如，控制***25计算U₂₁₀和U₂₁₁之间和/或U₂₁₁和U₂₁₂之间的差。如果这个差大于第二阈值，则控制***25产生报警；如果差超过第二范围，则控制***25可以发出跳闸信号以使多相电力驱动器停止操作。由于电容器组的电容器集合之间的电压失衡归因于许多因素（例如，功率单元电压输入的变化、交流电负载的变化、IGBT的转换事件等等），所以电容器集合之间电压的失衡会相应发生改变，甚至在第二阈值之上，但电容器集合仍处于良好的状态并且不需要使***停止；仅在超过第二阈值的失衡电压的电平超出第二范围时，才可以确定电容器上存在故障，从而需要使***停止。通过使用第二范围，提供了一种机制，用于辨别电容器集合之间电压失衡的电平，从而使对电容器故障的探测更加准确。

例如，下面的算法可以被用来探测两个电容器集合之间的电压失衡故障：

$|U_{\mathrm{set},1}-\frac{U_{\mathrm{DC}}}{3}|\≥U_{\mathrm{threshold},2}\⇒\mathrm{Alarm}$

$|U_{\mathrm{set},2}-\frac{U_{\mathrm{DC}}}{3}|\≥U_{\mathrm{threshold},2}\⇒\mathrm{Alarm}$

$|U_{\mathrm{set},3}-\frac{U_{\mathrm{DC}}}{3}|\≥U_{\mathrm{threshold},2}\⇒\mathrm{Alarm}$

$|U_{\mathrm{set},n}-\frac{U_{\mathrm{DC}}}{3}|\≥U_{\mathrm{threshold},2}+\mathrm{range}\⇒\mathrm{Trip}$

其中，U_set,n分别表示已计算的每个电容器集合210、211、212的端电压的幅值，例如，U_set,1,U_set,2,U_set,3分别表示每个电容器集合210、211、212的端电压。例如，U_threshold,2可以是U_DC/3的10%，range可以是U_DC/3的10%。作为替代方式，可以理解的是，控制***25能计算相邻的电容器集合之间失衡电压的幅值，并将每个失衡电压的幅值与第二阈值进行比较。如果这个差大于第二阈值，则控制***25产生报警；如果这个差超出第二范围，则控制***25可以发出跳闸信号以使多相电力驱动器停止操作。

通过具有这种电容器组电压监控***，可以保护电容器以避免两个电容器集合之间的电压失衡。

通过用电压测量器件监控电容器组的端电压及电容器组中的电容器集合的端电压，可以基于已测量的电容器组的端电压及电容器组中的电容器集合的端电压对电容器组上的故障进行监控，同时，电容器组的端电压可以被用来控制多相电力驱动器的功率单元的切换事件。

尽管已经根据一些优选的实施例对本发明进行了描述，但是，本领域技术人员应当理解这些实施例绝对不应限制本发明的范围。在不背离本发明精神和理念的情况下，对实施例做出的任何改变和修改都应在具有普通知识和技术的人员的理解范围内，从而落入由所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (17)

1.用于与多相交流负载一起使用的多相电力驱动器，包括：

多相电力变压器，包括至少一个一次绕组和多个二次绕组，所述一次绕组可以电连接到多相交流电源；

多个功率单元，所述第一数量的功率单元中的每个都具有与所述多个二次绕组中相应的一个二次绕组连接的输入端，所述多个功率单元中的每个都具有到所述多相交流负载的单相可控制的输出端，并且所述多个功率单元与能够连接到所述多相交流负载的每条相输出线路中的所述功率单元中相应的其它功率单元串联连接；

所述功率单元中的每个都包括：

整流器，适于将来自相应的二次绕组的输入电力转换成直流电压；以及

电容器组，通过DC+和DC-连接到所述整流器的输出端；

其中：

所述电容器组包括串联连接的多个电容器集合；以及

所述电容器集合中的每个都包括一个电容器或并联连接的多个电容器元件；

电压测量器件，适于测量相对于所述电容器组的DC+和DC-的其中一个的电位，位于DC+和DC-中的另一个以及串联连接的电容器集合中的连接点的各个电压；以及

控制***，适于基于所述电容器组的DC+和DC-之间已测量的电压对所述多个功率单元进行控制，并基于所述已测量的各个电压对所述多个电容器集合的故障进行监控。

2.根据权利要求1所述的多相电力驱动器，其中：

所述电压测量器件适于测量相对于DC-的电位的各个电压。

3.根据权利要求1或2所述的多相电力驱动器，其中：

所述控制***适于基于已测量的电压的幅值计算所述多个电容器集合中每个电容器集合的端电压的幅值，并基于已计算的幅值和第一阈值确定所述故障。

4.根据权利要求1或2所述的多相电力驱动器，其中：

所述控制***适于基于各个已测量的电压的幅值计算所述多个电容器组中每个电容器组的端电压的幅值，计算所述电容器组的端电压的幅值中失衡电压的幅值，并基于已计算的失衡电压的幅值和第二阈值确定所述故障。

5.根据权利要求1或2所述的多相电力驱动器，其中：

所述控制***具有分别与所述多个功率单元集成的多个功率单元控制器，适于对所述多个电容器集合上的所述故障进行监控。

6.根据权利要求1或2所述的多相电力驱动器，其中：

所述电压测量器件包括：多个分压器，所述多个分压器被布置成分别电连接在DC+和DC-的其中一个、各个所述连接点与DC+和DC-中的另一个之间，并用于输出各个分好的电压；并且

所述控制***包括：多个比较器，所述多个比较器适于对来自所述多个分压器的各个分好的电压分别进行比较。

7.根据权利要求6所述的多相电力驱动器，其中：

所述控制***适于基于分别电连接到所述电容器集合的所述连接点中的两个连接点的两个已测量的电压之间的差，计算所述多个电容器集合中每个电容器集合的端电压的幅值。

8.根据权利要求3所述的多相电力驱动器，其中：

如果已计算的幅值和所述第一阈值之间的差在第一范围内，则所述控制***适于产生报警，否则，发出跳闸信号。

9.根据权利要求4所述的多相电力驱动器，其中：

如果已计算的失衡电压的幅值和所述第二阈值之间的差在第二范围内，则所述控制***适于产生报警，否则，发出跳闸信号。

10.在多相电力驱动器中使用的功率单元，包括：

整流器，适于将来自相应的二次绕组的输入电力转换成直流电压；以及

电容器组，通过DC+和DC-连接到所述整流器的输出端；

其中：

所述电容器组包括串联连接的多个电容器集合；以及所述电容器集合中的每个都包括一个电容器或并联连接的多个电容器元件；

电压测量器件，适于测量相对于所述电容器组的DC+和DC-的其中一个的电位，位于DC+和DC-中的另一个以及串联连接的电容器集合中连接点的各个电压；以及

控制***，适于基于所述电容器组的DC+和DC-之间已测量的电压对所述多个功率单元进行控制，并基于已测量的各个电压对所述多个电容器集合上的故障进行监控。

11.根据权利要求10所述的功率单元，其中：

所述电压测量器件适于测量相对于DC-的电位的各个电压。

12.根据权利要求10或11所述的功率单元，其中，

所述控制***适于基于已测量的电压的幅值计算所述多个电容器集合中每个电容器集合的端电压的幅值，并基于已计算的幅值和第一阈值确定所述故障。

13.根据权利要求10或11所述的功率单元，其中，

所述控制***适于基于各个已测量的电压的幅值计算所述多个电容器组中每个电容器组的端电压的幅值，计算所述电容器组的端电压的幅值中失衡电压的幅值，并基于已计算的失衡电压的幅值和第二阈值确定所述故障。

14.根据权利要求10或11所述的功率单元，其中，

所述电压测量器件包括：多个分压器，所述多个分压器被布置成分别电连接在DC+和DC-的其中一个、各个所述连接点与DC+和DC-中的另一个之间，并用于输出各个分好的电压；并且

所述控制***包括：多个比较器，所述多个比较器适于对来自所述多个分压器的各个分好的电压分别进行比较。

15.根据权利要求14所述的功率单元，其中：

所述控制***适于基于分别电连接到所述电容器集合的所述连接点中的两个连接点的两个已测量的电压之间的差，计算所述多个电容器集合中每个电容器集合的端电压的幅值。

16.根据权利要求11所述的功率单元，其中：

如果已计算的幅值和所述第一阈值之间的差在第一范围内，则所述控制***适于产生报警，否则，发出跳闸信号。

17.根据权利要求12所述的功率单元，其中：

如果已计算的失衡电压的幅值和所述第二阈值之间的差在第二范围内，则所述控制***适于产生报警，否则，发出跳闸信号。