專利名稱：線路換向轉(zhuǎn)換器中零電流水平的探測(cè)方法與系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及用于控制與調(diào)節(jié)由交流電源傳送至負(fù)載的功率轉(zhuǎn)換的裝置和系統(tǒng)，典型地負(fù)載通常指直流馬達(dá)。更具體地，本發(fā)明涉及控制可控的整流器，例如置于電源與馬達(dá)之間的晶閘管，電橋的導(dǎo)通以及用于監(jiān)視該裝置的方法，以防止電橋中的整流器非正常觸發(fā)引起的線間故障。
上述類型的馬達(dá)控制系統(tǒng)典型地包含至少一個(gè)連接馬達(dá)線圈至交流電源線的整流器電橋。在常規(guī)三相馬達(dá)中，各交流相導(dǎo)線與馬達(dá)的耦合通常是通過(guò)連接的一對(duì)晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)三相馬達(dá)要用六個(gè)晶閘管傳送電源功率至負(fù)載。對(duì)每一相來(lái)說(shuō)，一只晶閘管擔(dān)負(fù)一半的傳送任務(wù)。晶閘管如可控硅整流器(SCR)的一般定義是由門元件控制的開(kāi)關(guān)二極管。各整流器對(duì)電流施加一個(gè)相對(duì)高的阻塞阻抗。當(dāng)門元件受到外加觸發(fā)電流正偏時(shí)，被阻塞的電流才能夠通過(guò)。通常由數(shù)字控制電路來(lái)確定在電源線電壓的各個(gè)半周期內(nèi)觸發(fā)晶閘管的合適的時(shí)間。一旦晶閘管被加在晶閘管門上的預(yù)設(shè)電流觸發(fā)，就會(huì)降低正向阻塞阻抗，使電流以通過(guò)二極管方式的晶閘管。一旦晶閘管實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，它就將一直處于導(dǎo)通狀態(tài)直到流經(jīng)的電流降低為零(即實(shí)施零跨越)。當(dāng)負(fù)載電流降低為零時(shí)，出現(xiàn)上述情況。通過(guò)改變各晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間可調(diào)節(jié)馬達(dá)接收的功率。改變導(dǎo)通時(shí)間可以由控制各晶閘管觸發(fā)角來(lái)實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)角是指交流波形中晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通的點(diǎn)。從一個(gè)晶閘管到另一個(gè)晶閘管之間的切換過(guò)程被稱為換向。
在可逆系統(tǒng)或再生系統(tǒng)，就是交替地既可以從電源接受電能也可以向電源發(fā)送電能的系統(tǒng)中，典型地采用背靠背晶閘管電橋，每個(gè)電橋有多個(gè)連接陰極與陽(yáng)極以及連接陽(yáng)極與陰極的背靠背晶閘管對(duì)。在上述系統(tǒng)中必須準(zhǔn)確測(cè)定負(fù)載電流是否為零的狀態(tài)，以便控制從正向到反向偏置模式的切換。如果無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定負(fù)載電流是否為零，則有可能出現(xiàn)以下情況在電橋中一只晶閘管導(dǎo)通而此刻恰好反向電橋中的某一只晶閘管也導(dǎo)通，導(dǎo)致電路兩條交流導(dǎo)線之間短路，這種故障有可能損壞甚至嚴(yán)重毀壞每個(gè)導(dǎo)通的晶閘管。并且如果無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定負(fù)載的零電流水平，會(huì)在電流反向時(shí)出現(xiàn)不連續(xù)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
如上所述，通過(guò)測(cè)定負(fù)載的零電流水平就可以確定晶閘管的斷開(kāi)點(diǎn)。并且，因?yàn)闊o(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量零電流水平，可能會(huì)產(chǎn)生不良影響，所以應(yīng)當(dāng)盡快完成零電流水平的測(cè)量。常規(guī)情況下，測(cè)量零電流水平要么是采用交流互感器對(duì)至少兩條線電流進(jìn)行測(cè)量或者采用直流傳感器直接測(cè)量負(fù)載電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如三菱公司專利，其美國(guó)專利號(hào)為4567408。不幸的是許多采用這種控制功率裝置系統(tǒng)的電流/扭矩范圍都非常寬，即電流可以從1000安培的高端變化至0.02安培的低端。而且，普通傳感器一般生成的信號(hào)為模擬信號(hào)，為了能夠?qū)y(cè)量值輸入到數(shù)字控制器中，必須要進(jìn)行數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換，而在數(shù)/模轉(zhuǎn)換過(guò)程中通常會(huì)出錯(cuò)和產(chǎn)生時(shí)間延遲。另外，由于受到常規(guī)電流傳感器成本的限制，其產(chǎn)品質(zhì)量很可能會(huì)抑制零電流水平的測(cè)量精度。由于電流變化范圍寬、數(shù)模轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤以及傳感器質(zhì)量等因素的影響，很難100％測(cè)定零電流水平。常規(guī)控制器通常會(huì)給出一個(gè)接近零電流水平值的零電流水平帶寬(即值的范圍)。
除了上面所述問(wèn)題以及測(cè)量的不精確性外，負(fù)載電感的大小也會(huì)對(duì)電流衰減產(chǎn)生影響，形成很長(zhǎng)的尾巴。這樣將增加測(cè)量實(shí)際負(fù)載電流降低為零過(guò)程的時(shí)間，從而延遲反向電橋的開(kāi)始時(shí)間。上述諸多限制因素的綜合影響會(huì)降低系統(tǒng)可獲得的最大帶寬，另外也會(huì)增大兩個(gè)電橋的短路風(fēng)險(xiǎn)，這里所說(shuō)的電橋短路發(fā)生在電流反向并且同時(shí)第一電橋還處于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)刻。
Miller專利，其美國(guó)專利號(hào)為5115387公布了一種利用額外電壓傳感裝置而不是常規(guī)電流傳感裝置來(lái)測(cè)量晶閘管導(dǎo)通的方法。其中額外電壓傳感裝置工作于測(cè)定跨在晶閘管的正向偏壓是否超出預(yù)設(shè)的閾值電壓。如果超出預(yù)設(shè)的偏壓閾值，則認(rèn)為此時(shí)晶閘管導(dǎo)通而且所有反向電橋上的晶閘管處于不能被觸發(fā)的狀態(tài)。與該方法相類似，Kelley Jr.專利，其美國(guó)專利號(hào)為3654541公開(kāi)了另一種測(cè)定晶閘管導(dǎo)通的方法。其中的電壓探測(cè)裝置工作于測(cè)定跨晶閘管的電壓的瞬時(shí)幅度是否超出預(yù)設(shè)的閾值水平，該閾值水平高于晶閘管導(dǎo)通時(shí)兩端的電壓降。如果跨在晶閘管的電壓幅度超出預(yù)設(shè)的電壓閾值，則會(huì)發(fā)出信號(hào)表明晶閘管沒(méi)有導(dǎo)通。
解決上述問(wèn)題的其它現(xiàn)有技術(shù)嘗試包括在系統(tǒng)中增加高增益?zhèn)鞲衅鳎@些傳感器僅用于測(cè)定負(fù)載零電流水平。另外，其他的嘗試包括利用高頻電流測(cè)定各電橋上跨在各個(gè)晶閘管上的電壓，從而可精確地測(cè)定什么時(shí)候電橋通過(guò)探測(cè)增加的電流的歸零而停止導(dǎo)通。不幸的是，上述的兩種方法都需要額外在系統(tǒng)中增加硬件，從而提高了成本和增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
所以，有必要在功率控制系統(tǒng)建立一套測(cè)量系統(tǒng)和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載零電流水平的精確與快速測(cè)量，使得在不增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性的條件下降低交叉電橋故障的發(fā)生幾率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明不僅解決了上述問(wèn)題而且還具備另外的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明所提供的解決方法和系統(tǒng)可以測(cè)定可逆功率轉(zhuǎn)換器的零電流水平，同時(shí)也不會(huì)增加部件的成本和復(fù)雜性。數(shù)字控制器有選擇地測(cè)定大多數(shù)剛觸發(fā)的晶閘管對(duì)的線到線電壓。該線到線電壓被確認(rèn)為電橋重建電壓并且將它與導(dǎo)通電橋的實(shí)際橋輸出電壓相比較。兩個(gè)電壓之差是橋誤差電壓，其幅度差的符號(hào)是負(fù)載零電流水平出現(xiàn)的指示。當(dāng)橋誤差電壓落到零以下時(shí)出現(xiàn)零電流水平。這一指示是確實(shí)和是瞬時(shí)的，它使功率流能夠安全地反向而不會(huì)發(fā)生交叉短路所導(dǎo)致的線故障。


通過(guò)閱讀對(duì)以下實(shí)施方案舉例的詳細(xì)描述以及相關(guān)附圖可以對(duì)本發(fā)明有更加完整的了解。對(duì)各附圖的說(shuō)明列舉如下圖1是采用現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)的保護(hù)電路方框圖，該電路采用了負(fù)載電流探測(cè)；圖2是功率轉(zhuǎn)換器方框圖，該轉(zhuǎn)換器結(jié)合了本發(fā)明的零電流水平探測(cè)系統(tǒng)；圖3是本發(fā)明的測(cè)定零電流水平方法流程圖；圖4是用于測(cè)定Vbr_Recon信號(hào)和生成相關(guān)的Vbrg_Error信號(hào)的方法的一個(gè)實(shí)施方案邏輯示意5描述兩個(gè)不同零電流水平發(fā)生的橋誤差電壓與時(shí)間的代表性曲線。
發(fā)明詳述請(qǐng)參看附圖，圖1給出了采用現(xiàn)有技術(shù)的保護(hù)系統(tǒng)實(shí)例，系統(tǒng)的總標(biāo)號(hào)為100。如上所述，兩個(gè)晶閘管102和104以背靠背方式連接用以控制發(fā)送至負(fù)載106和從負(fù)載106發(fā)出的能量流。橋102和104中的晶閘管的門由觸發(fā)脈沖觸發(fā)，該觸發(fā)脈沖是由來(lái)自兩個(gè)觸發(fā)脈沖發(fā)生器108和110的命令啟動(dòng)的。108和110觸發(fā)脈沖發(fā)生器依次從橋反向邏輯電路112接受相位命令。電流傳感器114被耦合于晶閘管電橋(102和104)與負(fù)載106之間，向電流變換器116發(fā)出指示負(fù)載電流的信號(hào)。然后，該電流變換器116通過(guò)零電流窗探測(cè)器118，探測(cè)器118用來(lái)確定測(cè)量的電流是否處于預(yù)設(shè)的零電流窗內(nèi)。零電流窗探測(cè)器118接著又與反向延遲電路120耦合，延遲電路120向橋反向邏輯電路112發(fā)送指示負(fù)載電流零狀態(tài)的允許反向(PERMITREVERSAL)信號(hào)。
在運(yùn)行過(guò)程中，橋反向邏輯電路112要么選擇控制電橋102控制的觸發(fā)脈沖發(fā)生器110的相位命令，要么選擇控制電橋B控制的觸發(fā)脈沖發(fā)生器108的相位命令。如果橋反向邏輯電路112發(fā)出反向請(qǐng)求，該反向?qū)⒈谎舆t，直到負(fù)載電流變換器116、零電流窗探測(cè)器118、反向延遲電路120共同確定和指示負(fù)載電流處于零窗限定的范圍內(nèi)。此時(shí)，反向延遲電路120發(fā)出允許反向(PERMIT REVERSAL)信號(hào)，該信號(hào)被傳送到橋反向邏輯電路112并發(fā)生電橋反向。
如上所述，圖1給出的采用現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)存在明顯的缺點(diǎn)，即電流傳感器114并不是一個(gè)完美的器件。對(duì)高性能驅(qū)動(dòng)而言，控制從一個(gè)電橋傳到另一個(gè)電橋之前，供給負(fù)載106的峰值電流可能會(huì)超過(guò)1000安培，該電流強(qiáng)度必須降低到0.1安培以下以防止出現(xiàn)電路短路造成損壞。如果電流強(qiáng)度大于0.1安培的電流出現(xiàn)，則有可能發(fā)生線到線故障損壞電橋102和104上的晶閘管。因此，為了能有效運(yùn)行圖1所示的系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理電流傳感器114輸出的電流變換器116必須精確地將其零點(diǎn)維持在10000∶1的分辯率范圍以保證處于最佳工作狀態(tài)。另外，零電流窗探測(cè)器118具有局限性的，因?yàn)樗?jiǎn)單地確定電流變換器114的輸出處于預(yù)設(shè)的零窗范圍內(nèi)，也就是說(shuō)電流變換器114的輸出接近零點(diǎn)。一般情況下，零電流窗探測(cè)器118的探測(cè)范圍應(yīng)留得足夠?qū)捯员憧紤]由于電流傳感器114和電流變換器116漂移和其它因素造成的誤差。由于上述公差的影響，零電流窗探測(cè)器118只能指出負(fù)載電流已經(jīng)降到一個(gè)低的值而不能指明負(fù)載電流是否已經(jīng)降到零點(diǎn)值。結(jié)果，根據(jù)負(fù)載106上電流在降低到118零電流探測(cè)器窗范圍內(nèi)之后仍然繼續(xù)下降的假定并且它實(shí)際上經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間期滿以后才會(huì)降低到零，所以還應(yīng)增加一個(gè)反向延遲電路118來(lái)減少測(cè)量的不確定性。不幸的是這種延遲增加了總的反向時(shí)間而且降低了系統(tǒng)的工作效率。此外，安全延遲時(shí)間在一定程度上依賴于電路的公差以及上面所述負(fù)載106的電感。所以要經(jīng)常對(duì)反向延遲電路118進(jìn)行調(diào)整以便獲得安裝相關(guān)的折衷的延遲時(shí)間，由此產(chǎn)生令人滿意的、平穩(wěn)的電橋間控制轉(zhuǎn)換，而不會(huì)發(fā)生由于電橋故障燒斷保險(xiǎn)絲的故障。但是，隨著電路的老化必須對(duì)延遲電路定期進(jìn)行調(diào)整。另外，由于電流傳感器114的漂移還必須定期對(duì)電流變換器116的零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。
為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的測(cè)量不精確和效率低的問(wèn)題，本發(fā)明提出了測(cè)定零電流水平的新方法，該方法僅利用已測(cè)得的轉(zhuǎn)換器輸入的線到線電壓(Vab、Vac、Vbc)，而這些電壓對(duì)線同步已經(jīng)是必需的。常規(guī)情況下，電橋輸出電壓對(duì)電壓線性化和控制以及單元觸發(fā)時(shí)間是必要的。在以下詳細(xì)描述的方法中，控制器基本上能夠瞬時(shí)辨認(rèn)零電流水平并且相應(yīng)地進(jìn)行功率方向切換而不破壞延遲或故障條件。
因?yàn)閮?yōu)選的控制器實(shí)際上是數(shù)字型的，所以接收的信號(hào)被測(cè)量的時(shí)間與晶閘管實(shí)際被觸發(fā)時(shí)刻之間存在一個(gè)必要的時(shí)間延遲。該時(shí)間延遲在零電流水平探測(cè)方法中被優(yōu)先考慮；并且在給定采樣時(shí)間條件下，它是限制可獲得的最大帶究的主要因素。
現(xiàn)在請(qǐng)參看圖2，該方框圖展示了結(jié)合本發(fā)明零電流水平探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施方案的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。具體地說(shuō)，正向和反向晶閘管電橋202和204按照上述方式連接于交流電源(單相或多相電源)與負(fù)載之間。電橋觸發(fā)控制器206和監(jiān)視控制器208與系統(tǒng)電連接以控制電橋202和204的觸發(fā)。按照本發(fā)明的實(shí)施方案，電橋觸發(fā)控制器206接收來(lái)自表示電橋電壓輸出的系統(tǒng)、電流窗測(cè)量以及線到線輸入電壓的信號(hào)。此外，電橋觸發(fā)控制器還接收表示電橋202和204中加到各晶閘管門的信號(hào)的信號(hào)。在以下詳述的方法中，電橋觸發(fā)控制器利用上述信號(hào)精確和快速地確定系統(tǒng)中零電流水平的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)從一個(gè)電橋到其它電橋安全和有效的電流反向。
現(xiàn)在請(qǐng)參看圖3，該流程圖描述了本發(fā)明對(duì)負(fù)載零電流水平的測(cè)定方法。在步驟300中，用于觸發(fā)功率轉(zhuǎn)換器反向的數(shù)字控制器接收代表測(cè)量的輸入信號(hào)各相的線到線電壓的信號(hào)。如上所述，該控制器在常規(guī)情況下接收這些線到線電壓信號(hào)以幫助進(jìn)行線同步。在步驟302中，控制器利用所測(cè)電壓根據(jù)以上的PLL角的相位和單元觸發(fā)時(shí)序生成重建橋輸出電壓信號(hào)Vbr_Recon。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，重建的橋電壓由三相系統(tǒng)的三個(gè)線到線電壓之一(或者如果一對(duì)晶閘管中的一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)它的反電壓)構(gòu)成，該線到線電壓的選擇是基于哪一對(duì)晶閘管最近被控制器發(fā)出的命令所觸發(fā)。該線到線電壓的具體選擇方法將在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述。在步驟304中，控制器接收代表實(shí)際橋輸出電壓的Vbrg_Fbk信號(hào)。
一旦控制器產(chǎn)生Vbr_Recom信號(hào)并且接收了Vbrg_Fbk信號(hào)，在步驟306中，控制器從Vbr_Rccom信號(hào)中減去Vbrg_Fbk信號(hào)。下一步，在步驟308，控制器產(chǎn)生橋電壓誤差信號(hào)Vbrg_Error，該電壓值等于上述兩信號(hào)之差，必要時(shí)可反向。關(guān)于該反向步驟，應(yīng)當(dāng)理解，Vbrg_Error信號(hào)的符號(hào)依賴于通過(guò)系統(tǒng)的電流方向。正向橋?qū)ㄆ陂g，該Vbrg_Error信號(hào)主要為正，反向橋?qū)ㄆ陂g，該Vbrg_Error信號(hào)主要為負(fù)。符號(hào)變換的影響將在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述。在步驟310中，控制器確定Vbrg_Error信號(hào)值是正還是負(fù)號(hào)。對(duì)正向電橋?qū)?，由于通常由短時(shí)短路(short durationshort circuit)，或電壓陷波引起的單元換向(cell commutation)效應(yīng)，在負(fù)載上存在電流時(shí)，Vbrg_Error為正或者為零，所述短時(shí)短路，或電壓陷波發(fā)生在單元換向過(guò)程中，而不會(huì)存在于重建電橋電壓信號(hào)中，其典型地導(dǎo)致實(shí)際電橋輸出電壓比重建電橋電壓低。與此相類似，反向電橋?qū)〞r(shí)，在負(fù)載上存在電流的情況下，單元換向效應(yīng)通常會(huì)導(dǎo)致一個(gè)為負(fù)或者為零Vbrg_Error信號(hào)。在負(fù)載電流為零的時(shí)刻，即電橋不再導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓(在有荷負(fù)載如馬達(dá)的情況下，該負(fù)載電壓由反向電動(dòng)勢(shì)，即BEMF感應(yīng)產(chǎn)生。)將出現(xiàn)在電橋輸出中而不會(huì)像在電橋?qū)〞r(shí)那樣出現(xiàn)在線到線電壓之一中。因此，生成的Vbrg_Error信號(hào)會(huì)立即發(fā)生變化指明出現(xiàn)零電流水平。該負(fù)載電壓變化基本上是瞬時(shí)的，它的探測(cè)只受控制器采樣速度的限制，因而避免了現(xiàn)有的保護(hù)系統(tǒng)中存在的有害延遲。簡(jiǎn)化與解決電橋方向變化的控制器有關(guān)的編程或硬件邏輯的一個(gè)方法包括根據(jù)反向電橋?qū)▉?lái)對(duì)Vbrg_Error信號(hào)進(jìn)行反向。這樣不管功率流方向如何，對(duì)不為零的負(fù)載電流，Vbrg_Error信號(hào)一直不為負(fù)值；而當(dāng)零電流水平出現(xiàn)時(shí)，Vbrg_Error信號(hào)才為負(fù)。與現(xiàn)有的測(cè)量系統(tǒng)不同，Vbrg_Error信號(hào)的值既不受負(fù)載電感大小也不受馬達(dá)反向電動(dòng)勢(shì)的影響。存在于Vbrg_Error中的誤差主要來(lái)源簡(jiǎn)單地歸因于跨在晶閘管的電壓降中。因此，可以通過(guò)在系統(tǒng)初級(jí)自調(diào)時(shí)測(cè)量電壓降幅度對(duì)上述誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
步驟301中，如果控制器測(cè)定Vbrg_Error信號(hào)為正，控制器將返回到步驟300進(jìn)行另一次采樣。然而，如果控制器測(cè)定Vbrg_Error信號(hào)為負(fù)，在步驟312中控制器發(fā)出零電流水平出現(xiàn)(ZERO CURRENT LEVELOCCRRENCE)信號(hào)，表明負(fù)載電流降低到零級(jí)，可以安全地觸發(fā)未導(dǎo)通的反向晶閘管橋，以改變系統(tǒng)中功率流方向。
按照本發(fā)明，還可以采用額外的安全措施以確保到達(dá)零電流水平。具體說(shuō)來(lái)，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，控制器會(huì)要求在觸發(fā)轉(zhuǎn)換器反向之前滿足以下條件任何或以下所有條件1)控制器所控制的電流方向與控制器測(cè)量的電流方向相反(即已命令轉(zhuǎn)換器反向)；2)橋電壓誤差信號(hào)Vbrg_Error的數(shù)值為負(fù)并且有至少等于預(yù)設(shè)的幅度值；3)測(cè)量的負(fù)載電流低于一個(gè)最小值(該條件與現(xiàn)有技術(shù)所要求的零電流窗的條件相似)；以及4)對(duì)至少兩次連續(xù)采樣條件2和條件3為真(TRUE)，以保護(hù)系統(tǒng)免受由噪音、干擾等引發(fā)的虛假信號(hào)或者錯(cuò)誤信號(hào)的影響。
現(xiàn)在請(qǐng)參看圖3，圖3中的邏輯圖300展示了用于測(cè)定Vbrg_Recon信號(hào)和產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)的Vbrg-Error方法的一個(gè)實(shí)施方案。應(yīng)當(dāng)理解，圖300中展示的邏輯用本領(lǐng)域已知的方式結(jié)合到控制器硬件和軟件中。如上所述，本發(fā)明中的控制器確定三個(gè)線到線電壓信號(hào)(Vab、Vac和Vbc)中的哪一個(gè)信號(hào)應(yīng)該用作重建的橋電壓信號(hào)Vbrg_Recon。按照這一要求，本發(fā)明的控制器接收代表提供給電橋上每對(duì)晶閘管的線到線電壓的反饋信號(hào)及其反向信號(hào)(Vab_Fbk、Vac_Fbk、Vbc_Fbk、-Vab_Fbk、-Vac_Fbk以及-VbcFbk)。應(yīng)當(dāng)理解，反向反饋信號(hào)在第二半相區(qū)代表線到線電壓。
控制器還接收門信號(hào)(Gt_Fwd_10_Old，Gt_Fwd_20_Old，Gt_Fwd_30_Old，Gt_Fwd_40_Old，Gt_Fwd_50_Old，Gt_Fwd_60_Old，Gt_Rev_10_Old，Gt_Rev_20_Old，Gt_Rev_30_Old，Gt_Rev_40_Old，Gt_Rev_50_Old和Gt_Rev_60_Old)，這些門信號(hào)的每一個(gè)表示最近施加在存在于正向和反向電橋中12個(gè)晶閘管的各門元件上的門信號(hào)。各個(gè)門信號(hào)都是邏輯信號(hào)，它通過(guò)高位或者低位門信號(hào)的分別指明了對(duì)一特定的晶閘管的觸發(fā)命令的存在或不存在。應(yīng)當(dāng)理解，每一個(gè)門信號(hào)都被控制器延遲以便將門信號(hào)與測(cè)得的線到線電壓進(jìn)行同步。
在測(cè)定Vbrg_Recon信號(hào)的過(guò)程中，控制器對(duì)各晶閘管的門信號(hào)進(jìn)行了下列邏輯處理。正向電橋的觸發(fā)探測(cè)邏輯包括多個(gè)與門402、404、406、408、410和412，每一個(gè)門有一對(duì)輸入，這對(duì)輸入與對(duì)應(yīng)各晶閘管耦合的一對(duì)門信號(hào)相耦合1和2、2和3、3和4、4和5、5和6以及6和1。門402-412的輸出分別與邏輯開(kāi)關(guān)414、416、418、420、422和424耦合。各與門402-412輸出一個(gè)邏輯狀態(tài)信號(hào)給其關(guān)聯(lián)的邏輯開(kāi)關(guān)414-424，指明與操作的結(jié)果。只有當(dāng)晶閘管對(duì)中的兩個(gè)晶閘管的門信號(hào)都處于高位時(shí)，一個(gè)特定的與門402-412才產(chǎn)生高位邏輯狀態(tài)信號(hào)(即1)。否則，與門402-412將產(chǎn)生一個(gè)低位邏輯狀態(tài)信號(hào)(即0)。對(duì)每個(gè)產(chǎn)生低位邏輯狀態(tài)信號(hào)的402-412與門來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的邏輯開(kāi)關(guān)將返回一個(gè)0.0V信號(hào)。但是，如果與門產(chǎn)生高位邏輯狀態(tài)信號(hào)，該相應(yīng)的開(kāi)關(guān)將返回一個(gè)與導(dǎo)通晶閘管對(duì)相聯(lián)系的線電壓反饋信號(hào)。
反向電橋采用了相似的觸發(fā)探測(cè)邏輯，該邏輯包括多個(gè)與門426、428、430、432、434、436以及相應(yīng)的邏輯開(kāi)關(guān)438、440、442、444、446和448。在如上所述正向電橋的情形中，與門接收代表施加在每個(gè)晶閘管對(duì)的門元件上的高位或者低位門信號(hào)的門信號(hào)。如果晶閘管對(duì)中的兩個(gè)晶閘管都具有高位門信號(hào)，那么一個(gè)高位邏輯狀態(tài)將會(huì)賦給相應(yīng)的邏輯開(kāi)關(guān)，并且該開(kāi)關(guān)將返回一個(gè)與該管對(duì)相關(guān)的線電壓反饋信號(hào)。
來(lái)自正向和反向橋兩者的線到線電壓反饋輸出被提供給Brg-Select邏輯開(kāi)關(guān)450。由于只有一個(gè)電橋和該橋中的一對(duì)晶閘管在給定時(shí)間導(dǎo)通(發(fā)生故障的情況除外)，該Brg-Select邏輯開(kāi)關(guān)450工作中選擇具有非零值的線到線的反饋輸出信號(hào)。該信號(hào)然后作為如上所述Vbrg_Recon信號(hào)被通過(guò)。下一步，代表實(shí)際電橋輸出電壓的Vbrg_Fbk信號(hào)在加法器452中從Vbrg_Recon信號(hào)減去。所得到的信號(hào)作為Vbrg_Error信號(hào)輸出，控制器利用該信號(hào)按以上詳述的方式來(lái)確定零電流水平。如上所述，由于固有Vbrg_Error信號(hào)的符號(hào)按照反向電橋的導(dǎo)通來(lái)改變，因此必須考慮這個(gè)反向。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，加法器352的輸出被反向器354反向。一旦電流反向，控制器將在正向電橋狀態(tài)(0)和反向電橋狀態(tài)(1)之間切換邏輯開(kāi)關(guān)356，因而使加法器352的反向輸出變成Vbrg_Error信號(hào)。
現(xiàn)在請(qǐng)參看圖5，該圖展示了Vbrg_Error相對(duì)于時(shí)間曲線500，示出了兩個(gè)不同的零電流水平發(fā)生點(diǎn)502和504。如上所述，除負(fù)載電流為零的情況外，Vbrg_Error信號(hào)值為正。此時(shí)，由于負(fù)載電壓在電橋輸出中出現(xiàn)而不是象電橋?qū)〞r(shí)會(huì)發(fā)生的那樣出現(xiàn)在線到線電壓中的一個(gè)電壓上，因而Vbrg_Fbk值將增大。Vbrg_Fbk增加超出Vbrg_Recon會(huì)導(dǎo)致Vbrg_Error信號(hào)為負(fù)，從而表明安全地實(shí)施了功率方向的反向。
本發(fā)明為測(cè)定在反轉(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)換器中零電流水平的出現(xiàn)提供了精確和省時(shí)的測(cè)量系統(tǒng)與方法，該測(cè)量系統(tǒng)與方法不需要額外增加部件的成本與復(fù)雜性，本發(fā)明能夠安全地進(jìn)行功率流反轉(zhuǎn)而不會(huì)有由于交叉電橋短路引起的線故障的風(fēng)險(xiǎn)。在如上所述方法中，通過(guò)利用已選擇的線到線電壓中的一個(gè)電壓來(lái)重建橋輸出電壓并將該電壓與實(shí)際橋輸出電壓相比較，生成誤差信號(hào)，它肯定地和瞬時(shí)地指明零電流水平的出現(xiàn)，由此避免了現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題和缺陷。
應(yīng)當(dāng)理解雖然本發(fā)明的零電流水平探測(cè)系統(tǒng)是關(guān)于探測(cè)包括可控硅電橋在內(nèi)的直流電橋的電流反轉(zhuǎn)而描述的，但是同樣方法也可用于控制循環(huán)變換器的可控硅電橋，其中采用多個(gè)反轉(zhuǎn)直流電橋用來(lái)生成控制交流負(fù)載的交流電壓，這些交流負(fù)載包括馬達(dá)、發(fā)電機(jī)等。
雖然在上文中有許多詳盡細(xì)致的描述，但是這些描述只能被理解為是作為解釋之用，而不能將其解釋為是對(duì)本發(fā)明的限定?？梢詫?duì)上述的實(shí)施方案進(jìn)行修改而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)及范疇，因?yàn)槠溆梢韵聶?quán)利要求及其法律等同性所包括。
權(quán)利要求
1.一種用于在功率轉(zhuǎn)換器中探測(cè)零電流水平的出現(xiàn)的方法，所述功率轉(zhuǎn)換器有至少兩個(gè)晶閘管橋(202，204)，用于在電源與負(fù)載之間進(jìn)行功率流反向，該方法包括以下步驟接收多個(gè)線到線電壓信號(hào)，輸入信號(hào)的每一相有一個(gè)線到線電壓(300)；根據(jù)選出的上述多個(gè)線到線電壓信號(hào)中的一個(gè)電壓信號(hào)生成一個(gè)重建的橋電壓信號(hào)(302)；接收代表實(shí)際測(cè)得的橋電壓的實(shí)際橋電壓信號(hào)(304)；將所述重建橋電壓信號(hào)與所述實(shí)際橋電壓信號(hào)進(jìn)行比較(306)；根據(jù)所述比較生成橋電壓誤差信號(hào)(308)；確定所述橋電壓誤差信號(hào)的符號(hào)(310)；以及如果所述橋電壓誤差信號(hào)的符號(hào)與預(yù)設(shè)的符號(hào)相符合，則生成零電流水平出現(xiàn)信號(hào)(312)。
2.如權(quán)利要求1的方法，還包括步驟從電流傳感器接收負(fù)載電流信號(hào)，通常表明轉(zhuǎn)換器中負(fù)載電流的值。
3.如權(quán)利要求2的方法，還包括步驟當(dāng)所述負(fù)載電流信號(hào)落入到預(yù)設(shè)電流窗內(nèi)時(shí)，生成一個(gè)零電流窗內(nèi)信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3的方法，還包括步驟接收一個(gè)反向電橋命令以使電源與負(fù)載之間的功率流方向反向；以及僅根據(jù)接收到的所述零電流水平出現(xiàn)信號(hào)以及所述零電流窗內(nèi)信號(hào)而使所述功率流方向反向。
5.如權(quán)利要求3的方法，還包括步驟測(cè)定所述橋電壓誤差信號(hào)的幅度；將所述測(cè)定的幅度與預(yù)設(shè)的幅度相比較；以及如果所述測(cè)定的幅度符合或者超出所述預(yù)設(shè)幅度，則生成一個(gè)充分幅度信號(hào)。
6.如權(quán)利要求5的方法，還包括步驟接收一個(gè)反向電橋命令以使電源與負(fù)載之間功率流的方向反向；以及僅根據(jù)接收到的所述零電流水平出現(xiàn)信號(hào)、所述零電流窗內(nèi)信號(hào)以及所述充分幅度信號(hào)來(lái)使所述功率流的方向反向。
7.如權(quán)利要求5的方法，還包括步驟以預(yù)設(shè)的采樣速率測(cè)量各線到線電壓信號(hào)、所述實(shí)際橋電壓信號(hào)以及負(fù)載電流信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7的方法，還包括步驟接收一個(gè)反向電橋命令以使電源與負(fù)載間的功率流方向反向；以及僅根據(jù)接收到的至少兩個(gè)連續(xù)的采樣中的零電流水平出現(xiàn)信號(hào)、所述零電流窗內(nèi)信號(hào)，以及充分幅度信號(hào)而使所述功率流方向反向。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中根據(jù)所選定的多個(gè)線到線電壓信號(hào)(302)之一來(lái)生成一個(gè)重建的橋電壓信號(hào)的步驟還包括步驟接收用于包含于至少兩個(gè)晶閘管橋(202，204)中的多個(gè)晶閘管的每一個(gè)的多個(gè)門信號(hào)，其中所述門信號(hào)包括高位門信號(hào)和低位門信號(hào)，且其中在所述晶閘管橋的每一個(gè)中的所述多個(gè)晶閘管與每一個(gè)相鄰的晶閘管相耦合形成多個(gè)晶閘管對(duì)；基于通過(guò)所述多個(gè)晶閘管對(duì)的導(dǎo)通電流的相位，將特定的線到線電壓信號(hào)與所述多個(gè)晶閘管對(duì)的每一個(gè)對(duì)相關(guān)聯(lián)；基于所述接收到的門信號(hào)，確定導(dǎo)通的晶閘管對(duì)；以及與導(dǎo)通晶閘管對(duì)相關(guān)聯(lián)的特定的線到線電壓信號(hào)被確認(rèn)為重建的橋電壓信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9的方法，還包括步驟接收多個(gè)所述門信號(hào)進(jìn)入多個(gè)與門(402-412，426-436)，其中，多個(gè)與門的每一個(gè)都與一特定的晶閘管對(duì)相關(guān)聯(lián)；從所述多個(gè)與門(402-412，426-436)中的每一個(gè)門輸出一個(gè)邏輯狀態(tài)信號(hào)給多個(gè)關(guān)聯(lián)的邏輯開(kāi)關(guān)(414-424，438-448)；接收與所述特定的晶閘管對(duì)相關(guān)聯(lián)的線到線電壓信號(hào)進(jìn)入所述多個(gè)邏輯開(kāi)關(guān)(414-424，438-448)；并且只有當(dāng)來(lái)自與晶閘管對(duì)關(guān)聯(lián)的兩個(gè)所述晶閘管的高位門電流信號(hào)都被接收，才從所述與門(402-412，426-436)的每一個(gè)生成一個(gè)高位邏輯狀態(tài)信號(hào)，從而表明該導(dǎo)通的晶閘管對(duì)；以及根據(jù)接收到的高位邏輯狀態(tài)信號(hào)，從所述關(guān)聯(lián)的邏輯開(kāi)關(guān)(414-424，438-448)輸出一個(gè)代表與導(dǎo)通的晶閘管對(duì)相關(guān)聯(lián)的該特定的線到線電壓信號(hào)的信號(hào)。
11.一種用于控制電源與負(fù)載間功率流的功率轉(zhuǎn)換器，包括至少兩個(gè)晶閘管電橋(202，204)和一個(gè)用于使電源與負(fù)載間功率流方向反向的控制器(206)，其中控制器(206)包括用于接收線到線電壓信號(hào)的多個(gè)輸入，一個(gè)輸入用于輸入信號(hào)的每一相(300)；邏輯裝置(400)，其根據(jù)選定的所述多個(gè)線到線電壓信號(hào)中的一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)重建的橋電壓信號(hào)(302)；一個(gè)用于接收代表實(shí)際測(cè)得的橋電壓的實(shí)際橋電壓信號(hào)的輸入(304)；將所述重建的橋電壓信號(hào)與所述實(shí)際橋電壓信號(hào)相比較的處理裝置(306)；根據(jù)所述比較產(chǎn)生橋電壓誤差信號(hào)的處理裝置(308)；用于確定所述橋電壓誤差信號(hào)符號(hào)的處理裝置(310)；以及用于當(dāng)所述橋電壓誤差信號(hào)的符號(hào)與預(yù)設(shè)的符號(hào)相符合產(chǎn)生零電流水平出現(xiàn)信號(hào)的處理裝置(312)。
12.如權(quán)利要求11的控制器，還包括一個(gè)輸入，它用于接收來(lái)自一個(gè)電流傳感器的一個(gè)負(fù)載電流信號(hào)，其中該負(fù)載電流信號(hào)通常指明轉(zhuǎn)換器中負(fù)載電流的值。
13.如權(quán)利要求12的控制器，還包括用于當(dāng)所述負(fù)載電流信號(hào)落入預(yù)設(shè)電流窗內(nèi)時(shí)產(chǎn)生零電流窗內(nèi)信號(hào)的處理裝置。
14.如權(quán)利要求13的控制器，還包括一個(gè)用于接收一個(gè)反向電橋命令以使電源與負(fù)載間功率流方向反向的輸入；以及用于只有當(dāng)接收到所述零電流水平出現(xiàn)信號(hào)以及所述零電流窗內(nèi)信號(hào)時(shí)才將所述功率流方向反向的處理裝置。
15.如權(quán)利要求13的控制器，還包括測(cè)定所述電橋誤差電壓信號(hào)幅度的處理裝置；將所述測(cè)定的幅度與預(yù)設(shè)幅度進(jìn)行比較的處理裝置；以及用于在所述測(cè)定的幅度達(dá)到或者超出所述預(yù)設(shè)幅度產(chǎn)生一個(gè)充分幅度信號(hào)的處理裝置。
16.如權(quán)利要求15的控制器，還包括一個(gè)用于接收一個(gè)反向橋命令以使電源與負(fù)載間的功率流方向反向方向的輸入；以及用于只有當(dāng)接收到所述零電流水平出現(xiàn)信號(hào)、所述零電流窗內(nèi)信號(hào)、所述充分幅度信號(hào)時(shí)才使所述功率流方向反向的處理裝置。
17.如權(quán)利要求15的控制器，還包括處理裝置，用于以預(yù)設(shè)的采樣速率測(cè)量所述多個(gè)線到線電壓信號(hào)的每一個(gè)、所述實(shí)際橋電壓信號(hào)、所述負(fù)載電流信號(hào)。
18.如權(quán)利要求17的控制器，還包括一個(gè)用于接收一個(gè)反向電橋命令以使電源與負(fù)載間功率流方向反向的輸入；以及用于只有在接收到至少兩次連接的采樣中的所述零電流水平出現(xiàn)信號(hào)、所述零電流窗內(nèi)信號(hào)、所述充分幅度信號(hào)時(shí)才使所述功率流方向反向的處理裝置。
19.如權(quán)利要求11的控制器，其中所述處理裝置根據(jù)選定的多個(gè)線到線電壓信號(hào)(302)之一來(lái)產(chǎn)生重建的橋電壓信號(hào)，所述處理裝置還包括用于接收包含于所述至少兩個(gè)晶閘管橋中的多個(gè)晶閘管的每一個(gè)的多個(gè)門信號(hào)的處理裝置。其中所述多個(gè)門信號(hào)包括高位門信號(hào)和低位門信號(hào)，且其中所述在每個(gè)所述晶閘管橋中的所述多個(gè)晶閘管與每個(gè)相鄰晶閘管相耦合以形成多個(gè)晶閘管對(duì)；用于根據(jù)通過(guò)所述多個(gè)晶閘管對(duì)的每一個(gè)的電流導(dǎo)通的相位將特定的線到線電壓信號(hào)與所述多個(gè)晶閘管對(duì)的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的處理裝置；用于根據(jù)所述接收的門信號(hào)確定導(dǎo)通的晶閘管對(duì)的處理裝置；以及用于將與導(dǎo)通的晶閘管對(duì)相關(guān)聯(lián)的特定線到線電壓信號(hào)確認(rèn)為重建的橋電壓信號(hào)的處理裝置。
20.如權(quán)利要求19的控制器，還包括用于接收所述門信號(hào)的多個(gè)與門(402-412，426-436)，其中所述多個(gè)與門(402-412，426-436)中的每一個(gè)都與一個(gè)特定的晶閘管關(guān)聯(lián)；以及用于接收從所述多個(gè)與門(402-412，426-436)的每一個(gè)輸出的邏輯狀態(tài)信號(hào)的多個(gè)相關(guān)聯(lián)的邏輯開(kāi)關(guān)(414-418，438-448)。其中，所述多個(gè)邏輯開(kāi)關(guān)(414-424，438-448)接收與所述特定的晶閘管對(duì)相關(guān)聯(lián)的所述線到線電壓信號(hào)，其中，只有當(dāng)從相關(guān)聯(lián)的晶閘管對(duì)中的所述兩個(gè)晶閘管都接收到高位門信號(hào)時(shí)，所述的多個(gè)與門(414-424，426-436)才從多個(gè)與門(414-424，426-436)中的每一個(gè)產(chǎn)生高位邏輯狀態(tài)信號(hào)，從而指明導(dǎo)通的晶閘管對(duì)，以及其中，一旦接收到高位邏輯狀態(tài)信號(hào)，所述多個(gè)邏輯開(kāi)關(guān)(414-424，438-448)的每一個(gè)輸出一個(gè)代表與導(dǎo)通的晶閘管對(duì)相關(guān)聯(lián)的特定的線到線電壓信號(hào)的信號(hào)。
全文摘要
一種用于測(cè)定可逆功率轉(zhuǎn)換器中零電流水平出現(xiàn)的方法和系統(tǒng),采用該方法和系統(tǒng)不需要額外的部件復(fù)雜性和成本。數(shù)字控制器有選擇地對(duì)剛剛被觸發(fā)的晶閘管對(duì)(300)測(cè)定線到線電壓。選定的線到線電壓被確認(rèn)為橋重建電壓(302)并且與用于導(dǎo)通的電橋(306)的實(shí)際橋輸出電壓進(jìn)行比較。兩個(gè)電壓信號(hào)之差被確認(rèn)為橋誤差電壓,且該值的符號(hào)表明負(fù)載電流零電流水平的出現(xiàn)(308,310)。當(dāng)橋誤差電壓落到零以下(312),則出現(xiàn)零電流水平。該指示是確實(shí)和基本上是瞬時(shí)的,它能安全地使功率流反向而不會(huì)發(fā)生交叉橋短路引起的線故障。
文檔編號(hào)H02M7/12GK1354555SQ0113725
公開(kāi)日2002年6月19日 申請(qǐng)日期2001年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月1日
發(fā)明者L·J·加西斯, V·約翰, P·C·桑扎, P·M·蘇扎斯尼 申請(qǐng)人:通用電氣公司