CN112583243A

CN112583243A - 一种用于变频器的硬件限流方法、装置及存储介质

Info

Publication number: CN112583243A
Application number: CN202011397963.1A
Authority: CN
Inventors: 吴伟华; 崔海现; 刘国鹰
Original assignee: Jiaxing Dannahe Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Jiaxing Dannahe Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2040-12-04
Also published as: CN113964797A; CN113964797B; CN112583243B

Abstract

本发明提供了一种用于变频器的硬件限流方法、装置及存储介质，属于硬件限流技术领域。它解决了现有硬件现流不精确等问题。本硬件限流方法包括以下步骤：a）采集变频器三相输出电流，判断三相输出电流是否达到或超过硬件限流阈值；b）若三相输出电流达到或超过硬件限流阈值时，检测当前输出IGBT状态；c）判断当前电机运行状态处于电动状态还是发电状态；d）根据当前变频器采用的电流采样配置模式，输出对应的变频器状态使三相输出电流回落；e)达到或超过硬件限流阈值时，对限流状态进行计时，并获得硬件限流状态持续时间，如果硬件限流状态持续时间达到预设阈值，则关断所有变频器IGBT输出，并报硬件限流故障。发明具有限流精确等优点。

Description

一种用于变频器的硬件限流方法、装置及存储介质

技术领域

本发明属于硬件限流技术领域，特别涉及一种用于变频器的硬件限流方法、装置及存储介质。

背景技术

变频器驱动电机时，当电机负载过大时，电流可能会超过变频器中IGBT的电流耐受值，导致变频器有损坏的风险。对于此种情况，变频器一般会采取过流保护的方法，一旦检测到变频器输出电流超过一定限值，变频器会直接封锁所有IGBT驱动信号，起到阻断变频器输出电流的作用，从而保护变频器。但是很多情况下，过电流的出现是偶然的，通常持续时间也是瞬间的，如果采用过流故障的方法封锁IGBT驱动后，通常需要手动复位，重启变频器才可以继续运行，这样会增加用户操作的工作量。

对此，一般变频器会提供2种方法来解决这种状况，一种是软件限流，另外一种是硬件限流，可以减少变频器报过流故障的机率，保障变频器更顺畅的使用。软件限流一般通过软件调整方式进行限流，但是软件方式的调节需要周期，滞后时间通常为1个PWM周期。此时，如果电流波动变化太快，当前检测到的电流过大时，软件限流需要在下一个PWM周期才能做出调整，而这之间电流很可能继续上升直到超过流故障阈值，此时依然有可能激活过流保护故障。为此，需要在软件限流的基础上，增加硬件限流。硬件限流是通过硬件设定限流阈值，当采样的变频器输出电流超过硬件限流阈值时，产生硬件限流信号，该信号会立即调整IGBT驱动输出状态，限制变频器输出电流，使电流回落。通常，软件限流设定在1.6倍额定电流，硬件限流设置在2倍额定电流(峰值)左右。

目前采用的硬件限流方式一般主要以传统的逐波限流的方式，其流程简单概述为：变频器采样输出电流，输出电流和硬件电流限幅阈值比较生成限流保护信号，限流保护信号封锁当前周期下所有IGBT的驱动信号以关断所有IGBT，关断IGBT后电流开始回落。变频器IGBT状态在下个PWM周期自动复位正常PWM输出，同时继续采样输出电流，如果电流回落到限幅值以下，则继续输出正常PWM调制信号驱动IGBT，否则再次封锁所有IGBT。由于是通过对每个周期依次进地的检测和封锁，达到限流的目的，因此硬件封锁也称为逐波限流。

但是传统的逐波限流方法采用了关断所有IGBT方式来限制电流增长的方式，在IGBT关断前后电机端电压变化量大，会造成变频器硬件限流期间输出电流波形差，电机限流时转速不稳及噪声问题，对此，专利CN201611245744-一种变频器及其限流方法、***提出一种基于载波检测的主动短路方法来达到硬件限流效果，有效的改善了传统硬件限流方式所存在的问题。然而，同样的，该方法依然存在以下不足：第一，该方法没有考虑电流传感器和变频器运行象限的问题（电动态象限或发电态想象的问题），在某些工况和硬件条件下，可能会导致***不能可靠运行。第二，没有考虑开关损耗的问题，其硬件限流方式开关损耗会增大。第三，没有考虑传感器位置安装问题，适用有一定局限性。

针对上述两种方法的不足，本发明提出一种新的用于变频器的硬件限流方法，有效的解决了以上方法的不足。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种用于变频器的硬件限流方法、装置及存储介质。

本发明的第一个目的可通过下列技术方案来实现：一种用于变频器的硬件限流方法，其特征在于，包括以下步骤：a）采集变频器三相输出电流，判断三相输出电流是否达到或超过硬件限流阈值；b）若三相输出电流达到或超过硬件限流阈值时，检测当前输出IGBT状态；c）判断当前电机运行状态处于电动状态还是发电状态；d）根据当前变频器采用的电流采样配置模式，输出对应的变频器状态使三相输出电流回落；e)达到或超过硬件限流阈值时，对限流状态进行计时，并获得硬件限流状态持续时间，如果硬件限流状态持续时间达到预设阈值，则关断所有变频器IGBT输出，并报硬件限流故障。

在上述的一种用于变频器的硬件限流方法中，所述的变频器设置有检测模块，所述的检测模块用于检测当前输出IGBT状态的输出状态。

在上述的一种用于变频器的硬件限流方法中，所述的检测模块包括电流传感器，所述的电流传感器配置模式分为采样配置模式A和采样配置模式B，配置模式B三相电流传感器位置放置在下桥臂IGBT和直流负母线之间，传感器配置模式A三相电流传感器放置在变频器交流输出上。

在上述的一种用于变频器的硬件限流方法中，当电机运行处于发电状态时，若检测到的三相输出电流达到或超过硬件限流阈值时，变频器不考虑传感器配置模式及变频器当前输出状态，最终都通过输出指令使所有IGBT都关断来调整变频器电流回落。

在上述的一种用于变频器的硬件限流方法中，电动机运行在电动状态时，检测到三相输出相电流达到或超过硬件限流阈值时，且变频器为传感器配置模式B时，变频器不考虑当前变频器输出状态，最终都输出指令使所有下桥臂IGBT开通并使所有上桥臂IGBT关断来调整变频器电流回落。

在上述的一种用于变频器的硬件限流方法中，电动机运行在电动状态时，检测到三相输出相电流达到或超过硬件限流阈值时，变频器需要根据当前输出状态来调整最终输出状态来调整变频器输出电流，具体如下：如果检测当前输出状态对应的三相上桥臂IGBT有等于或超过2个为导通状态，则输出指令使所有下桥臂IGBT关断并使所有上桥臂IGBT开通来调整电流回落，否则输出指令使所有下桥臂IGBT开通并使所有上桥臂IGBT关断来调整电流回落。

在上述的一种用于变频器的硬件限流方法中，硬件限流故障计算策略如下：给定一个硬件限流计数器用于对硬件限流状态持续时间进行计时，每隔固定周期T对变频器的硬件限流状态进行一次检测，当检测到变频器进入到硬件限流状态时，计数器累加增量dt1，当检测到变频器退出硬件限流状态时，计数器累减增量dt2，最后当计数器超过预设阈值N时，触发变频器硬件限流故障保护。

本发明的第二个目的可通过下列技术方案来实现：一种用于变频器硬件限流装置，其特征在于，包括：变频器逆变器主电路，所述变频器逆变器主电路包括直流母线电容Cbus、功率开关器件IGBT和电流传感器；一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行上述的一种用于变频器的硬件限流方法。

本发明的第三个目的可通过下列技术方案来实现：一种存储介质，其特征在于，存储有可被读取的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以完成上述的一种用于变频器的硬件限流方法。

与现有技术相比，本发明具有控制精确的优点。

附图说明

图1是本发明中用于变频器的硬件限流方法的流程示意图。

图2是本发明中采用的硬件限流输出状态策略的流程示意图。

图3是本发明中变频器逆变主电路和电流采样位置配置模式的结构示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1-图3所示，本发明的第一实施方式涉及一种变频器逆变器主电路，变频器逆变器主电路主要由直流母线电容Cbus、功率开关器件IGBT（T1～T6）及电流传感器组成。综合变频器成本及功率等级考虑，可以采用不同形式的电流传感器，且可以将电流传感器可以放在电流采样位置A或电流采样位置B对变频器输出UVW的三相电流进行采样，分别称为采样配置模式A和采样配置模式B。

变频器逆变主电路由3相桥臂组成，每个桥臂由上下两个IGBT组成，定义上桥臂IGBT开通(ON)，下桥臂IGBT关断 (OFF) 时，相应桥臂输出状态为’1’；定义上桥臂IGBT关断，下桥臂IGBT开通，相应桥臂输出状态为’0’；定义上桥臂和下桥臂IGBT都关断时，相应桥臂输出状态为’z’，上下桥臂IGBT都开通的状态是不允许的，因为该状态会导致正负直流母线直通。以U相为例，U相桥臂输出状态和相应桥臂的IGBT状态关系如表1。

T1	T4	U相输出状态
			ON	OFF	1
OFF	ON	0
			OFF	OFF	z
ON	ON	非法状态，禁用

表1

根据以上定义，当变频器三相UVW输出zzz时，称为自由停机状态(FreeWheel)。当U-V-W输出000或111时，称为主动短路状态(ASC)。变频器三相电流最大值达到或超过变频器硬件限流电流阈值时，变频器进入硬件限流态，此时变频器应调整3相输出，调整电流回落。

通常，当变频器输出为自由停机状态(zzz)时，变频器施加在UVW的端电压和输出zzz前的状态电压相反，可以使变频器电流下降。当变频器输出主动短路状态(000或111)时，变频器施加在UVW的端电压变为0，也可以使变频器电流下降。因此，当变频器发生过流时，可用于调整电流回落的硬件限流输出状态有三种：000，111和zzz。硬件限流的策略最后集中在应该选择三种状态的哪一种来调整电流回落。

选择哪种输出状态来进行硬件限流调整，需要考虑以下几个原则：

1）硬件限流处于输出状态时，电流传感器依然可以正确采样获得输出三相电流的最大值。这样即使硬件限流输出期间，如果还发生了其他更严重的电流问题（如输出短路，接地等），变频器可以监测到，并进一步激活短路和接地故障故障，关断所有IGBT以保护变频器。

2）硬件限流输出状态切换时，选用的输出状态，应尽量保证所有IGBT用开通到关断或由关断到开通的个数（状态翻转次数）最少，以此减少变频器开关损耗。

3）硬件限流采用的输出状态，不能导致其他问题，如电机自激发电，电流振荡等。

本发明采用的硬件限流输出状态策略如下。

第一步：检测变频器三相电流值，判断当前三相电流是否有电流达到或超过给定硬件限流阈值。如果所有相都在硬件限流阈值以下时，无操作。否则进入第二步。

第二步：检测电机是运行在电动状态或发电状态，如果是发电状态，变频器UVW直接输出zzz状态（所有IGBT都关断）。否则进入第三步。

第三步：确认变频器电流传感器是否为采样配置模式B，如果是，变频器UVW输出000状态（所有上桥IGBT关断，下桥臂IGBT开通）。否则进入第四步。

第四步：检测变频器当前输出状态，如果检测当前输出状态对应的三相上桥臂IGBT有等于或超过2个为导通状态，则输出111（所有下桥臂IGBT关断，所有上桥臂IGBT开通）来调整电流回落，否则输出000（所有下桥臂IGBT开通，所有上桥臂IGBT关断）来调整电流回落，最终输出关系如表2。

当前UVW输出态	硬件限流UVW输出态
		000	000
100	000
		110	111
010	000
		011	111
001	000
		101	111
111	111

表2

以下具体说明采用上述策略的原因和好处：

先看发电状态下：如果在发电机状态下发生某相电流达到或超过硬件限流阈值时，此时如果切换为主动短路状态(000或111)，考虑到异步电机剩磁，主动状态相当于将电机三相绕组输出短路。此时，由于电机三相绕组存在电流回路，在外部原动负载拖动下，有使异步电机工作在自激发电状态的风险，使输出电流值不能顺利回落（甚至可能会增大电流）。因此，为了变频器可靠运行，通常在发电状态下，采用输出zzz的方式，使三相绕组断开，来保证硬件限流输出态调整后，电流能顺利回落。

再来考虑电动状态下，首先需要考虑电流传感器的安装位置。

当逆变主电路采用的是电流采样位置配置B模式时，如果发生大电流是，采用输出zzz状态来限流时，有以下几个不利点：zzz的开关损耗比较大；在下溢中断PWM复位到来前，有不能正确检测输出相电流最大值的风险；UVW输出端电压变化大。而如果采用输出111状态下限流时，有以下不利点：硬件限流期间变频器无法正确监测电机相电流。因为出现最大电流的相的电流可能没有流过下桥臂下的电流传感器，从而采样不到相应的电流。此时，必须采用输出000状态，这种输出状态下相当于UVW绕组通过下桥臂3个IGBT短接，电机的3相电流一定会流过变频器桥臂下的采样电阻，变频器在硬件限流输出期间，能保证监测到三相电流的最大值，达到即使在硬件限流输出期间，依然可以监控和保护变频器的电流类型故障，防止在该期间出现更严重的故障损坏变频器。

当逆变主电路采用的是采样配置模式A时，用于电流采样传感器放在输出UVW上，所以无论电机输出处于任何一种状态，变频器都能检测出电机三相电流最大值。因此可以在输出策略上，多一个输出状态选择，此时只需要考虑的是减少开关次数。采用不同用于变频器的硬件限流方法下对应的状态调整策略和需要开关IGBT的个数（状态翻转次数）如下表说列。通过表可以看出，以所有切换态下产生的开关损耗求和作为开关损耗指数时，可见最优的方法是本方法，开关损耗指数为2*6=12，其次是方法A，开关损耗指数为3*8=24，开关损耗最差的方法是B，因为该方法最坏的情况一个周期需要反转2次，开关损耗指数为48 。

表3

对表3做出解释如下：

1）方法A是传统的通过输出zzz的硬件逐波限流方法，方法B指的是专利<CN201611245744-一种变频器及其限流方法、***>提出的硬件逐波限流策略。

2）开关次数表征的是开关损耗，假设IGBT的开通损耗和关断损耗是一样的，且一次开关对应损耗指数为1，假设上述开关在一个周期内都出现，可能出现的开关损耗用求和的方式来表征开关损耗性能指标。

本方法分别和方法A、方法B的区别：

1）方法A实现最简单，所需资源最少（不需要检测PWM状态，不需要检测电动状态或发电状态）。适用于电动状态和发电状态。但是方法A没有考虑硬件限流输出切换状态前后的输出电压变化率（不是最优），开关次数也没有考虑（不是最优）。

2）方法B有考虑传感器位置配置模式，在传感器配置模式A下，有可能出现相电流达到硬件限流幅值而没有检出的情况，需要其他的过流措施弥补次出不足。

3）方法B在考虑了输出端电压的变化率，但没有考虑优化开关次数，其开关损耗较高。（减少开关次数，有利于减少开关损耗，就可以减少变频器温升，进而变频器体积可以做小，进而降低成本）。

4）方法B是将一个对称三角载波分成2个半周期，做2次检测，2次调整。（可以理解为半波限流，调整检测次数多，对主控单片机资源需求大），本篇专利是一个对称三角载波只检1次，调整1次，对主控单片机资源需求小。

5）方法B需要检测当前处于PWM对称三角波是的增计数或减计数阶段，本方法检测的是实际输出UVW状态或6个PWM引脚输出状态。

6）方法B有区分传感器位置不同：只考虑电流采样位置方式A，但出现采样配置模式B时，方法B时不能适用的。

7）方法B没有区分电动状态和发电状态。发电状态下，由于剩磁的作用，在外部原动机械拖动下，如果采用三相短接的方式进行硬件限流，有可能会导致异步电机的自激发电现象，无法实现电流的顺利回落，所以方法B可靠性方面有缺陷。

针对考虑到长时间硬件限流状态下的应对，本方法还还提出一种硬件限流故障保护方法，防止变频器长时间在硬件限流阈值附近反复震荡，导致变频器中的IGBT因为过热或过载而损坏。方法的思想是对变频器硬件限流状态进行反时限计数，每隔固定周期T对变频器的硬件限流状态进行一次检测，当检测到变频器进入到硬件限流状态时，计数器累加增量dt1，而当检测到变频器退出硬件限流状态时，计数器累减增量dt2。最后当计数器超过阈值N时，认为硬件限流状态持续时间过长，需要触发变频器硬件限流故障，关断所有IGBT，然后必须等变频器故障复位后，才可以继续运行，优选的，T为1ms，dt1为2，dt2为1，N=200，相当于允许硬件限流状态允许持续时间为100ms就必须触发变频器硬件限流故障。

本发明的第二实施方式涉及一种存储介质，用于存储计算机可读程序，所述计算机可读程序用于供计算机执行上述部分或全部的方法实施例。

即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备（可以是单片机，芯片等）或处理器（processor）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了大量术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims

1.一种用于变频器的硬件限流方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）采集变频器三相输出电流，判断三相输出电流是否达到或超过硬件限流阈值；

b）若三相输出电流达到或超过硬件限流阈值时，检测当前输出IGBT状态；

c）判断当前电机运行状态处于电动状态还是发电状态；

d）根据当前变频器采用的电流采样配置模式，输出对应的变频器状态使三相输出电流回落；

e)达到或超过硬件限流阈值时，对限流状态进行计时，并获得硬件限流状态持续时间，如果硬件限流状态持续时间达到预设阈值，则关断所有变频器IGBT输出，并报硬件限流故障。

2.根据权利要求1所述的一种用于变频器的硬件限流方法，其特征在于，所述的变频器设置有检测模块，所述的检测模块用于检测当前输出IGBT状态的输出状态。

3.根据权利要求2所述的一种用于变频器的硬件限流方法，其特征在于，所述的检测模块包括电流传感器，所述的电流传感器配置模式分为采样配置模式A和采样配置模式B，配置模式B三相电流传感器位置放置在下桥臂IGBT和直流负母线之间，传感器配置模式A指三相电流传感器放置在变频器交流输出上。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于变频器的硬件限流方法，其特征在于，当电机运行处于发电状态时，若检测到的三相输出电流达到或超过硬件限流阈值时，变频器不考虑传感器配置模式及变频器当前输出状态，最终都通过输出指令使所有IGBT都关断来调整变频器电流回落。

5.根据权利要求3所述的一种用于变频器的硬件限流方法，其特征在于，电动机运行在电动状态时，检测到三相输出相电流达到或超过硬件限流阈值时，且变频器为传感器配置模式B时，变频器不考虑当前变频器输出状态，最终都输出指令使所有下桥臂IGBT开通并使所有上桥臂IGBT关断来调整变频器电流回落。

6.根据权利要求1或 2或3所述的一种用于变频器的硬件限流方法，其特征在于，电动机运行在电动状态时，检测到三相输出相电流达到或超过硬件限流阈值时，变频器需要根据当前输出状态来调整最终输出状态来调整变频器输出电流，具体如下：如果检测当前输出状态对应的三相上桥臂IGBT有等于或超过2个为导通状态，则输出指令使所有下桥臂IGBT关断并使所有上桥臂IGBT开通来调整电流回落，否则输出指令使所有下桥臂IGBT开通并使所有上桥臂IGBT关断来调整电流回落。

7.根据权利要求1所述的一种用于变频器的硬件限流方法，其特征在于，硬件限流故障计算策略如下：给定一个硬件限流计数器用于对硬件限流状态持续时间进行计时，每隔固定周期T对变频器的硬件限流状态进行一次检测，当检测到变频器进入到硬件限流状态时，计数器累加增量dt1，当检测到变频器退出硬件限流状态时，计数器累减增量dt2，最后当计数器超过预设阈值N时，触发变频器硬件限流故障保护。

8.一种用于变频器的硬件限流装置，其特征在于，包括：

变频器逆变器主电路，所述变频器逆变器主电路包括直流母线电容Cbus、功率开关器件IGBT和电流传感器；一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求1至7任意一项所述的一种用于变频器的硬件限流方法。

9.一种存储介质，其特征在于，存储有可被读取的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以完成如权利要求1至7任意一项所述的一种用于变频器的硬件限流方法。