CN110021915A - 用于保护具有旋转场的电气设备的过电压保护设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于保护具有旋转场的电气设备的过电压保护设备和方法。用于保护具有旋转场的电气设备(2)的过电压保护设备(1)包括状态识别单元(10)、过电压检测单元(11)和关闭单元(12)，其中，状态识别单元(10)构造为用于确定至少一个最佳的检测时间点(13)，并且其中，过电压检测单元(11)构造为用于基于在至少一个检测时间点(13)采集的至少一个测量参量(14)来检测过电压，并且其中，关闭单元(12)构造为用于在识别出过电压的情况下使得电气设备(2)关闭。此外，本发明还涉及一种相关联的方法。

Description

用于保护具有旋转场的电气设备的过电压保护设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于保护具有旋转场的电气设备的过电压保护设备和方法。
背景技术
在具有旋转场的电气设备中，即在包括诸如电动机/发电机或脉冲变换器和逆变器的电压产生或电压变换元件的电气设备中，在用电设备突然关闭或者从电压源掉落(“load dump”，甩负载)时，由于存储在旋转质量中的能量或者由于持续的激励，可能导致在电气设备进入安全状态之前以自感应的方式产生危害电气设备的电压。由此可能使电气设备损坏。
用于控制具有旋转场的电机的方法从文献T.H.Nguyen等，“Control ModeSwitching of Induction Machine Drives between Vector Control and V/f Controlin Overmodulation Range”,Journal of Power Electronics,Vol.11,No.6,November2011；J.Lepka,P.Stekl，“3-Phase AC Induction Motor Vector Control Using a56F80x,56F8100 or 56F8300 Device”,Application Note,Freescale SemiconductorInc.,2004；J.Holtz,“Sensorless Control of Induction Motor Drives”,Proceedingsof the IEEE,Vol.90,No.8,Aug.2002,pp.1359-1394中已知。
在目前常见的基于微处理器的设备控制器中，过电压识别的问题当前通过随后关闭仅被不令人满意地解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于保护电气设备的过电压保护设备和方法，其中改善了针对过电压的保护。
该技术问题根据本发明通过具有本发明的特征的过电压保护设备和具有本发明的特征的用于保护具有旋转场的电气设备的方法解决。本发明的有利的改进方案从说明书中得到。
尤其是提供了一种用于保护具有旋转场的电气设备的过电压保护设备，其包括状态识别单元、过电压检测单元和关闭单元，其中，状态识别单元构造为用于确定至少一个最佳的检测时间点，并且其中，过电压检测单元构造为用于基于在至少一个检测时间点采集的至少一个测量参量来检测过电压，并且其中，关闭单元构造为用于在识别出过电压的情况下使得电气设备关闭。
此外，提供了一种用于保护具有旋转场的电气设备的方法，其包括如下步骤：借助状态识别单元确定至少一个最佳的检测时间点，借助过电压检测单元基于在至少一个检测时间点采集的至少一个测量参量检测过电压，在检测到过电压时借助关闭单元使得电气设备关闭。
本发明的基本思想是在至少一个最佳的检测时间点借助过电压检测单元执行过电压检测。为此，状态识别单元确定这样的最佳的检测时间点。最佳的检测时间点在此是如下的时间点，在该时间点，所有控制技术过程或者开关过程都充分地终止，或者预期不会出现电磁兼容性(EMV)意义上的其他干扰，因此可以确定，为此采集的测量参量在没有人为影响(Artefakt)的情况下可靠地反映电气设备中的实际情况，并且借助该测量参量可以可靠地检测过电压。优点在于，通过确定至少一个检测时间点，可以缩短采集至少一个测量参量的持续时间。由此，关闭单元可以明显更快地使得电气设备关闭。由此更好地保护电气设备免于被过电压损坏。
在一种实施方式中规定，状态识别单元还构造为用于基于变换器或者逆变器的开关时间点来确定至少一个检测时间点。为此，将变换器或者逆变器的开关时间点或者控制脉冲电压提供给状态识别单元。
如果例如涉及从直流电压源到诸如电动机的三相用电设备的变换方向，则将用于控制功率晶体管的栅极的控制脉冲电压提供给状态识别单元。状态识别单元基于这些控制脉冲电压确定用于检测过电压的最佳的检测时间点。因此例如可以使用控制脉冲电压的脉冲的上升沿和/或下降沿来确定最佳的检测时间点。根据边沿，例如可以考虑特定的死区时间，必须等待死区时间过去，直到相应的功率晶体管的待控制的电压/输出电压在切换功率晶体管之后稳定化并且可以可靠地进行测量参量的采集为止。
在一个扩展实施方式中规定，状态识别单元还构造为用于在确定至少一个检测时间点时考虑在切换变换器或逆变器时出现的过渡状态持续时间(暂态)。然后，基于例如可以根据经验确定的该过渡状态持续时间，确定在采集至少一个测量参量之前必须等待的死区时间。由此可以确保，相应的功率晶体管的待控制的电压/输出电压的过渡状态不会使测量参量的采集失真。如果过渡状态持续时间已经结束，然后识别到不可信地高的电压水平或者测量的电压的梯度或者三相的测量电压之间的错误的内部关系(偏离轨迹)，则可以假定检测到的过电压实际上也是由电气设备中的过电压引起，而不是由逆变器的人为影响引起。
过电压检测单元的任务是明确地确定过电压。为了可以足够快地执行检测，过电压检测单元优选地构造为硬件。在此，尤其是考虑专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、通用阵列逻辑(GAL)和/或可编程阵列逻辑(PAL)形式的硬件。由此可以实现非常快速的检测和处理。
可以规定，采集的测量参量是当前采样的电压。为此，过电压检测单元包括例如比较两个直流电压或相电压的电压差的比较电路。备选地或附加地还可以规定，关于时间对这种电压积分并将其与阈值进行比较。
在一种实施方式中规定，至少一个采集的测量参量是中间电路中的电压的梯度。在此，中间电路布置在电压源和变换器或逆变器之间，并且通常包括电容器。然后，基于中间电路中的电压的梯度可以确定是否存在过电压。借助梯度，可以特别快速地检测出现的过电压，因为可以检测到快速的电压变化，而不需要已经超过电压阈值。
在一种实施方式中规定，至少一个采集的测量参量是中间电路中的电压的积分。
在另一种实施方式中规定，至少一个采集的测量参量是定子电压空间矢量的绝对值。在此以向量控制(dq轴***中的定子电压的圆形轨迹)或块运行(Blockbetrieb)(dq轴***中的定子电压的六边形轨迹)为出发点。
在一种实施方式中规定，至少一个采集的测量参量是定子电压空间矢量的梯度。
在另一种实施方式中规定，至少一个采集的测量参量是定子电流空间矢量的绝对值。
在另一种实施方式中规定，至少一个采集的测量参量是定子电流空间矢量的梯度。
特别是，在所描述的实施方式中可以规定，关于“最大轨迹”检查相应的空间矢量的轨迹。如果所观察的空间矢量超过该最大轨迹，则存在过电压。
当然可以规定，采集多于一个的测量参量并且由过电压检测单元进行分析。
在一种实施方式中规定，关闭单元构造为用于通过将旋转场的各个相短路来引起关闭。在变换器或者逆变器中，为此例如控制功率晶体管的栅极，使得各个相短路。在用电设备侧的电动机/发电机中，这种短路导致不感应出电压或者仅感应出很小的电压，或者不产生或者仅产生很小的力矩，从而存在安全状态。以这种方式可以快速且可靠地消除过电压的起因。
所描述的过电压保护设备和所描述的方法尤其是可以用在开关电源、变换器和逆变器中。
过电压保护设备的部分可以单独地或者组合地构造为硬件和软件的组合，例如构造为在微控制器或微处理器上实施的程序代码。
附图说明
下面参考附图，参照优选的实施例更详细地解释本发明。附图中，
图1示出了具有旋转场的电气设备的实施方式的示意图；
图2示出了用于保护图1的电气设备的过电压保护设备的实施方式的示意图；
图3示出了用于解释本发明的逆变器的电路连接的示意图；
图4示出了用于解释本发明的基本空间矢量和电压矢量投影的示意图；
图5a示出了用于解释本发明的在切换逆变器时使用的控制电压在电压矢量角为0°时(在静止的定子坐标系中)的时间曲线的示意图；
图5b示出了用于解释本发明的在切换逆变器时使用的控制电压在电压矢量角为15°时的时间曲线的示意图；
图5c示出了用于解释本发明的在切换逆变器时使用的控制电压在电压矢量角为60°时的时间曲线的示意图；
图5d示出了用于解释本发明的在切换逆变器时使用的控制电压在电压矢量角为120°时的时间曲线的示意图；
图6a示出了用于确定检测时间点的状态识别单元的总控制电压和控制信号的时间曲线的示意图；
图6b示出了图6a的放大的片段的示意图；
图7示出了在通过空间矢量调制进行控制时定子电压在静止的定子坐标系中的圆形轨迹的示意图；
图8示出了在以块运行进行控制时定子电压在静止的定子坐标系中的六边形轨迹的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有旋转场的简单的电气设备2的实施方式的示意图。电气设备2包括电压源3、例如直流电池、直流电压路径4a、4b、逆变器5、相线6a、6b、6c和电动机7。电压源3经由直流电压路径4a，4b与逆变器5连接。为了将电压源3与直流电压路径4a、4b断开，电气设备2包括两个接触器8a、8b。逆变器5将电压源3的直流电压转换为三相交流电，三相交流电通过相线6a、6b、6c传导到电动机7并驱动电动机7。
如果现在在电动机7进入安全状态之前、例如在完全停止之前，通过断开接触器8a、8b将电压源3从直流电压路径4a、4b断开，则可能由于电动机7中的自感应在电气设备2中引起过电压，过电压可能导致电气设备2损坏。
图2示出了用于保护图1的电气设备2的过电压保护设备1的实施方式的示意图。过电压保护设备1包括状态识别单元10、过电压检测单元11和关闭单元12。
状态识别单元10确定至少一个最佳的检测时间点13，在该最佳的检测时间点处采集用于检测过电压的测量参量。为此，状态识别单元10例如对三个相线6a，6b，6c上的电压进行采样。然后，状态识别单元10根据电压和/或电流曲线确定至少一个最佳的检测时间点13。
备选地或附加地，还可以给状态识别单元10提供在逆变器5中用于控制功率晶体管的栅极的开关时间或控制电压9。然后，状态识别单元10基于该开关时间或控制电压9确定至少一个最佳的检测时间点13。优选地，状态识别单元10确定多个最佳的检测时间点13，使得每当存在这样的最佳的检测时间点13时，可以可靠地检测到可能的过电压。
将由状态识别单元10确定的至少一个最佳的检测时间点13以控制信号23的形式提供给过电压检测单元11。然后，过电压检测单元11在至少一个最佳的检测时间点13采集测量参量14。在所示的实施方式中，这例如是降落在直流电压路径4a、4b上(例如这里未示出的中间电路中)的电压。
当然，备选地，也可以采集另外的测量参量14，例如定子电压空间矢量的绝对值或梯度。为此，可以设置用于在过电压检测单元11中进行采集和处理的附加的传感器和/或控制器等。
如果过电压检测单元11检测到过电压，则向关闭单元12传输关闭信号15。然后，关闭单元12使得电动机7过渡到安全状态，方法例如是尽可能快地使电动机7完全停止。为此，关闭单元12例如可以直接向电动机7发送控制信号16或者也向逆变器5发送控制信号17，逆变器5通过相应地控制功率晶体管使得三个相线6a、6b、6c短路，这使得电动机7快速制动。
为了说明本发明，图3示出了逆变器5的电路连接的示意图。在此，通过控制例如构造为功率晶体管的开关SAt、SAb、SBt、SBb、SCt、SCb，直流电压路径4a、4b上的直流电压被转换成三相旋转场。由此，在各个相线6a、6b、6c之间产生电压UAB、UBC和UCA。关于星形电路的中心点O，电压ua、ub和uc降落在各个相线6a、6b、6c上。细节可以在文献J.Lepka，P.Stekl，“3-PhaseAC Induction Motor Vector Control Using a 56F80x，56F8100 or 56F8300 Device”，Application Note，Freescale Semiconductor Inc.，2004中看到。
图4示出了用于说明本发明的基本空间矢量和电压矢量投影的示意图。图4所示的六边形示出了图3中的逆变器5的开关SAt、SAb、SBt、SBb、SCt、SCb的8个可能的开关状态(000，100，...，111)。相关的电压由随后的表格1得到。细节同样在文献J.Lepka，P.Stekl，“3-Phase AC Induction Motor Vector Control Using a 56F80x，56F8100 or 56F8300Device”，Application Note，Freescale Semiconductor Inc.，2004中找到。
a b c U<sub>a</sub> U<sub>b</sub> U<sub>c</sub> U<sub>AB</sub> U<sub>BC</sub> U<sub>CA</sub> 向量
0 0 0 0 0 0 0 0 0 O<sub>000</sub>
1 0 0 2U<sub>DCBus</sub>/3 -U<sub>DCBus</sub>/3 -U<sub>DCBus</sub>/3 U<sub>DCBus</sub> 0 -U<sub>DCBus</sub> U<sub>0</sub>
1 1 0 U<sub>DCBus</sub>/3 U<sub>DCBus</sub>/3 -2U<sub>DCBus</sub>/3 0 U<sub>DCBus</sub> -U<sub>DCBus</sub> U<sub>60</sub>
0 1 0 -U<sub>DCBus</sub>/3 2U<sub>DCBus</sub>/3 -U<sub>DCBus</sub>/3 -U<sub>DCBus</sub> U<sub>DCBus</sub> 0 U<sub>120</sub>
0 1 1 -2U<sub>DCBus</sub>/3 U<sub>DCBus</sub>/3 U<sub>DCBus</sub>/3 -U<sub>DCBus</sub> 0 U<sub>DCBus</sub> U<sub>240</sub>
0 0 1 -U<sub>DCBus</sub>/3 -U<sub>DCBus</sub>/3 2U<sub>DCBus</sub>/3 0 -U<sub>DCBus</sub> U<sub>DCBus</sub> U<sub>300</sub>
1 0 1 U<sub>DCBus</sub>/3 -2U<sub>DCBus</sub>/3 U<sub>DCBus</sub>/3 U<sub>DCBus</sub> -U<sub>DCBus</sub> 0 U<sub>360</sub>
1 1 1 0 0 0 0 0 0 O<sub>111</sub>
表格1：图3的逆变器根据图4的电压矢量投影的开关状态和电压
为了说明本发明，图5a、5b、5c和5d分别示出了用于切换逆变器5(图3)的开关SAt、SAb、SBt、SBb、SCt、SCb的控制电压或控制信号在电压矢量角为0°、15°、60°和120°时(在静止的定子坐标系中)的时间曲线的示意图。三个上方的曲线中的每一个在此属于三个开关对(索引A、B、C)中的一个。如果一个开关对的两个开关中的一个(索引t或b)断开，则另一个开关闭合，反之亦然。下方的曲线是三个曲线的(反向)总信号，然而，总信号仅为了说明最佳的检测时间点(参见图6a和6b)而示出。可以清楚地看出，在不同的时间点切换各个开关(索引A、B、C)，以便从直流电压产生三相旋转场。
图6a示出了用于确定最佳的检测时间点的状态识别单元10(参见图2)的控制信号23和总信号Σ(图5a、5b、5c、5d)的时间曲线的示意图。为了清楚起见，图6b示出了图6a的放大的片段。
控制信号23向过电压检测单元预先给定其何时采集相应的测量参量，何时不采集，即何时存在最佳的检测时间点13，何时不存在。在所示出的实施例中，以如下方式在时间上定位控制信号23：逆变器5(参见图2和图3)的各个开关的过渡状态持续时间22已经结束，并且在电压中出现的暂态18已经完全终止。在最简单的情况下，可以借助死区时间ttot等待这种过渡状态持续时间22过去。然后，控制信号23通过控制脉冲19在死区时间ttot之后定义一个时间段，在该时间段中，过电压检测单元采集用于检测过电压的至少一个测量参量。优点在于，用于检测过电压的至少一个测量参量的采集在已知不存在人为影响、即干扰(EMV)，采集的测量参量反映电气设备的实际状态的状态下进行。因此，可以更快地、也就是用更短的测量时间进行至少一个测量参量的采集。因此，可以明显更快地执行过电压的检测，因为不必在几个周期内进行平均。
但是在此应当注意，选择用于控制逆变器的功率晶体管的开关模式，使得上述8个开关状态中的单个开关状态存在足够长的时间，从而可以在切换到下一个开关状态之前经过死区时间ttot以及采集测量参量所需的测量时间。此外，还根据当前的开关频率确定死区时间。在一般的几kHz的开关频率的情况下，死区时间在几十μs的范围内。
图7示出了在通过空间矢量调制进行控制时定子电压在静止的定子坐标系中的圆形轨迹20的示意图，图8示出了在以块运行进行控制时定子电压在静止的坐标系中的六边形轨迹21。空间矢量本身可以通过已知的3/2坐标变换(Blaschke、Novotny、Clark、Park等)来计算。这种计算例如可以通过硬件来执行。如果在电动机上产生或施加的电压增大，则空间矢量调制(图7)的情况下的轨迹的半径或者块运行中的六边形的外接圆的半径也增大。空间矢量调制或块运行的细节在文献T.H.Nguyen等，“Control Mode Switching ofInduction Machine Drives between Vector Control and V/f Control inOvermodulation Range”,Journal of Power Electronics,Vol.11,No.6,November 2011中找到。
为了检测过电压，分别基于轨迹定义最大轨迹24(在图7和8中分别仅示意性地示出)。然后将定子电压空间矢量作为测量参量进行分析。如果定子电压空间矢量超过所定义的最大轨迹24，即最大半径，则存在过电压，并且过电压检测单元11将关闭信号15传输到关闭单元12(参见图2)。
作为定子电压空间矢量的绝对值的备选，也可以采集或计算定子电压空间矢量的梯度、定子电流空间矢量的绝对值和/或定子电流空间矢量的梯度作为测量参量并且进行分析。
尽管这里仅借助使用逆变器的实施例描述了本发明，但使用变换器、开关电源和具有旋转场的其他电气设备的实施例也类似地构造。
附图标记列表
1 过电压保护设备
2 电气设备
3 电压源
4a 直流电压路径
4b 直流电压路径
5 逆变器
6a 相线
6b 相线
6c 相线
7 电动机
8a 接触器
8b 接触器
9 控制电压
10 状态识别单元
11 过电压检测单元
12 关闭单元
13 检测时间点
14 测量参量
15 关闭信号
16 控制信号
17 控制信号
18 暂态
19 控制脉冲
20 圆形轨迹
21 六边形轨迹
22 过渡状态持续时间
23 控制信号
24 最大轨迹
SAt 开关
SAb 开关
SBt 开关
SBb 开关
SCt 开关
SCb 开关
A 开关对的控制信号
B 开关对的控制信号
C 开关对的控制信号
Σ 总控制信号
ttot 死区时间

Claims (10)

1.一种用于保护具有旋转场的电气设备(2)的过电压保护设备(1)，其包括：
状态识别单元(10)，
过电压检测单元(11)，以及
关闭单元(12)，
其中，状态识别单元(10)构造为，用于确定至少一个最佳的检测时间点(13)，并且
其中，过电压检测单元(11)构造为，用于基于在至少一个检测时间点(13)采集的至少一个测量参量(14)来检测过电压，并且
其中，关闭单元(12)构造为，用于在识别出过电压的情况下使得电气设备(2)关闭。
2.根据权利要求1所述的过电压保护设备(1)，其特征在于，状态识别单元(10)还构造为，用于基于变换器或者逆变器(5)的开关时间点来确定至少一个检测时间点(13)。
3.根据权利要求2所述的过电压保护设备(1)，其特征在于，状态识别单元(10)还构造为，用于在确定至少一个检测时间点(13)时考虑在切换变换器或逆变器(5)时出现的过渡状态持续时间(22)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的过电压保护设备(1)，其特征在于，所采集的至少一个测量参量(14)是中间电路中的电压的梯度。
5.根据上述权利要求中任一项所述的过电压保护设备(1)，其特征在于，所采集的至少一个测量参量(14)是中间电路中的电压的积分。
6.根据上述权利要求中任一项所述的过电压保护设备(1)，其特征在于，所采集的至少一个测量参量(14)是定子电压空间矢量的绝对值。
7.根据上述权利要求中任一项所述的过电压保护设备(1)，其特征在于，所采集的至少一个测量参量(14)是定子电压空间矢量的梯度。
8.根据上述权利要求中任一项所述的过电压保护设备(1)，其特征在于，所采集的至少一个测量参量(14)是定子电流空间矢量的绝对值。
9.根据上述权利要求中任一项所述的过电压保护设备(1)，其特征在于，所采集的至少一个测量参量(14)是定子电流空间矢量的梯度。
10.一种用于保护具有旋转场的电气设备(2)的方法，其包括如下步骤：
借助状态识别单元(10)确定至少一个最佳的检测时间点(13)，
借助过电压检测单元(11)基于在至少一个检测时间点(13)采集的至少一个测量参量(14)检测过电压，
在检测到过电压时借助关闭单元(12)使得电气设备(2)关闭。
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