專利名稱：逆變器輸入電流的檢測裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明用于檢測逆變器的輸入電流，尤其涉及不使用用于檢測輸入電流 的傳感器，而是利用指令電壓和電機相電流來估算輸入電流的一種逆變器輸 入電流的檢測裝置及其方法。
背景技術：
通常，逆變器是將直流電轉換為具有任意可變頻率的三相交流電(u，v,w)的電力變換裝置。由于該裝置具有節(jié)省能源、易于控制輸出功率的特性，因此被越來越多地用于驅動洗衣機、水箱、空調機等電器產品中采 用的電機。這種逆變器由于額定電壓和額定電流的最大容許功率^c限定，因而當輸 入超過額定電壓或額定電流的電壓、電流時，逆變器會無法正常工作或發(fā)生 故障。由此，為了在所輸入的電流為非額定電流時保護逆變器，相繼開發(fā)出了 實時測定逆變器輸入電流大小的各種裝置。作為其一例，為了測定輸入逆變器的電流，將電流互感器(CT: Current Transformer)連接到常用電源的電源端一側，并對電流互感器的二次繞組一 側產生的交流信號通過電阻在整流器進行整流，從而測定輸入到逆變器中的電源的flr入電流。但是，這種現有的電機驅動用逆變器的輸入電流測定裝置，為了直接檢 測逆變器的輸入電流需要使用專門的電流互感器，這不僅導致制造成本上升； 而且，為了對從電流互感器檢測出的電流進行信號處理，需要設置由整流器、 平滑電容器及電阻構成的低通濾波器(LPF)的附加電路，因此存在電路復 雜的缺點。發(fā)明內容本發(fā)明是為了解決如上所述的問題而提出的，其目的在于不需構成用于檢測輸入電流的專門復雜電路，而是利用逆變器旋轉控制中所使用的信息來 估算電源輸入電流，從而提供可以檢測逆變器輸入電流的一種逆變器輸入電 流的檢測裝置及其方法。為了實現上述目的，本發(fā)明提供一種逆變器輸入電流的檢測裝置，該逆變器用來對電機進行旋轉控制，所述裝置包含檢測所述電機相電流的電流 檢測部；檢測所述逆變器直流電壓的電壓檢測部；及控制部，該控制部為從 所檢測的直流電壓算出指令電壓，并由算出的指令電壓和檢測的相電流演算 輸出功率而估算所述逆變器的輸入電流。并且，所述電流檢測部包含用于檢測電機相電流的電流傳感器，而所述 控制部對電流傳感器檢測出的相電流進行坐標變換求出電流值，并利用所述 電流值和指令電壓演算輸出功率。并且，所述控制部將由逆變器的三相輸出電壓和三相輸出電流求出輸出 功率P。變換到同步坐標系并按式2計算，其中式2為式中，^和^分別表示同步坐標系中的指令電壓，^和；分別表示同 步坐標系中的實際電 流。并且，所述控制部由相當于逆變器三相輸出電壓的指令電壓和相當于逆變器三相輸出電流的相電流演算輸出功率，并由演算的輸出功率利用式5估算輸入所述逆變器電源的相電流，其中式5為 ;= 尸。=3 (7血'^+^';)式中，^和^分別表示同步坐標系中的指令電壓，4和、分別表示同 步坐標系中的實際電流，^和/,分別為輸入電壓和輸入電流的有效值，PF表 示功率因數。并且，所述式5中功率因數PF數值為才艮據釆用逆變器的系統(tǒng)運行條件預 先設定。并且，還包含用于改善功率因數的電抗器，而所述控制部預先存儲輸出 功率與功率因數之間關系的表格化數據。并且，本發(fā)明提供一種逆變器輸入電流的^r測方法，該逆變器用來對電 機進行旋轉控制，所述方法包含步驟檢測所述電機的相電流；檢測所述逆變器直流電壓；從所檢測的直流電壓算出指令電壓，并由算出的指令電壓和 檢測的相電流演算輸出功率而估算所述逆變器的輸入電流。


圖1為依據本發(fā)明實施例所提供的用于檢測逆變器輸入電流的電路圖； 圖2為本發(fā)明所提供的逆變器中用于檢測輸入電流的矢量控制結構圖； 圖3為依據本發(fā)明所提供的逆變器中，當忽略功率半導體元件電耗損失時的仿真結果波形圖；圖4為依據本發(fā)明所提供的逆變器中，當考慮功率半導體元件電耗損失時的仿真結果波形圖；圖5為比較本發(fā)明所提供的逆變器的估算電流與實測輸入電流之間誤差的波形圖。主要符號i兌明20為常用電源，22為整流器，24為電抗器，26為開關 電源，28為平滑電容器，30為逆變器，32為電機，34為電流傳感器，36為 電壓傳感器，40為控制部，54為矢量功率演算器，56為電壓估算器，58為 電流估算器。
具體實施方式
下面參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。圖1為依據本發(fā)明實施例所提供的用于檢測逆變器輸入電流的電路圖。 如圖1所示，用于檢測逆變器30輸入電流的電路由逆變系統(tǒng)(inverter system)包含用于檢測電機32相電流的電流傳感器34和電壓傳感器36而構 成，其中逆變系統(tǒng)包含整流器22,用于對以220V、 60Hz等交流電供應的 常用電源20進行全波整流；位于所述整流器22后端的電抗器(reactor) 24， 以用于改善功率因it( power factor);連接于所述整流器22的開關電源(SMPS: Switching Mode Power Supply )26，以用于輸出預定大小的基準電壓；連接于 所述整流器22的平滑電容器28,以用于對整流器22輸出的電壓進行平流將 其轉換為直流電；逆變器30,以用于由所述平滑電容器28輸出的直流電壓 通過脈沖寬度調制(PWM)變換為具有任意可變頻率的脈沖形態(tài)的三相交流 電(U,V,W)來驅動無刷直流電機32 (以下稱為電機)；控制部40,以用于 通過輸出供應于所述逆變器30的PWM信號圖形(pattern)來控制逆變器30。所述逆變器30是由6個開關元件(IGBT)和6個二極管(FRD)連接 成三相全橋電路(Full Bridge)而將直流電壓轉換為三相交流電，是一種將該 三相交流電供應于電機32的通常的開關電路。所述電流傳感器34是在通常的逆變系統(tǒng)中用于控制電機32轉速而被采 用，可由某一7>知方式構成。例如，其構成可以為在電機32的三相上分別利用電流互感器或串聯(lián)的 分流(shunt)電阻而直4如險測三相電流的方式；或者通過兩個電流互感器或 串聯(lián)分流電阻檢測兩相電流，而剩余一相電流根據檢測出的兩相電流值估算 的方式。所述電壓傳感器36連接于平滑電容器28，以用于將所檢測的所述平滑 電容器28兩端的直流環(huán)節(jié)電壓(DC link voltage ) P^傳送到控制部40。該電 壓傳感器36可以利用通常的電壓傳感器來實現。所述控制部40是控制逆變器30的6個開關元件的開/關(on/off),并產生 具有任意電壓及任意頻率三相交流電的微型計算機(MCU)。由于這是使用 PWM控制的一般方式，故在此省略其詳細說明。并且，所述控制部40為了逆變器30的旋轉控制，通過電壓傳感器36 監(jiān)測平滑電容器28兩端的直流電壓^，并通過電流傳感器34監(jiān)測電機32 相電流，以此輸出供應于逆變器30的PWM信號圖形。圖2為本發(fā)明所提供的逆變器中用于檢測輸入電流的矢量控制結構圖。如圖2所示，用來測定逆變器30輸入電流的控制部40包含速度指令 發(fā)生器42;根據所述速度指令發(fā)生器42的速度指令和速度估算值輸出電流 指令的速度控制器44;根據所述速度控制器44的電流指令輸出電壓的電流 控制器46;電壓坐標變換器48，用于對所述電流控制器46的輸出電壓進行 坐標變換以輸出供應于電機32的電壓；電流坐標變換器50,用于對供應于 所述電機32的由所述電流監(jiān)測器34檢測出的電流進行坐標變換；轉子位置 檢測器52，用于使用所述電流坐標變換器50輸出的電流值和所述電流控制 器46輸出的電壓值檢測所述電機32的轉子位置，并將速度估算值傳送到所 述速度控制器44、將位置估算值傳送到電流坐標變換器50;矢量功率演算器 54，以用于利用所述電流坐標變換器50輸出的相電流和所述電流控制器46 輸出的指令電壓演算輸出到電機32的功率尸。；從直流電壓^估算輸入電壓的 電壓估算器56;電流估算器58,以用于從所述矢量功率演算器54演算的功率和/或所述電壓估算器56輸出的輸入電壓估算值估算出輸入到逆變器30的 一次電流。下面說明如上所述的逆變器輸入電流檢測裝置及其方法的工作過程及作 用效果。在圖1中，當投入常用電源20時，以220V、 60Hz等交流電方式供應的 常用電源20在整流器22被整流，再由連接于整流器22的平滑電容器28進 行平流而轉換為輸出直流。所述平滑電容器28輸出的直流電壓在逆變器30通過脈寬調制變換為具 有任意可變頻率的三相交流電而供應到電片幾32，并由此驅動電才幾32。此時，控制部40為了逆變器30的旋轉控制，通過電壓傳感器36監(jiān)測連 接于平滑電容器28的直流電壓^，通過電流傳感器34監(jiān)測電機32的相電 流，以此控制供應到逆變器30的PWM信號圖形。為了控制供應到所述逆變器30的PWM信號圖形，需要實時測定輸入到 逆變器30的電流大小，對此參照圖2予以說明。在圖2中，從逆變器30供應到電機32的功率^如下式1所示。尸。=乙V。 + K.A+K乂 (1) 式中，K、 K、 ^為逆變器30的三相輸出電壓，/。、 /6、 /6為逆變器30 的三相輸出電流。如果將式1變換到同步坐標系，則如下式2所示。尸。=》。)式中，^和^分別為同步坐標系中的指令電壓，^和；分別表示同步 坐標系中的實際電流。并且，逆變器30的輸出功率P。還可以由逆變器30的直流環(huán)節(jié)電壓和直 流環(huán)節(jié)的電流有效值(RMS值)求出。求直流環(huán)節(jié)電流有效值需要復雜的演 算過程。因此，對于圖2所示的矢量控制方式的逆變器30應用上述式2計算 輸出功率P。較為方便。由逆變器30將交流變換為直流的二極管整流器22的 損失與構成逆變器30的6個開關元件上發(fā)生的損失相比非常小。如上所述， 式2中使用指令電壓，并非實際輸出電壓。因此，可以認為由式2計算出的輸出功率戶。包含逆變器30損失。如果可 以忽略二極管整流器22的損失，如下式3輸入功率尸,和輸出功率尸。數值相同。<formula>formula see original document page 9</formula>(3) 上式3以單相電源系統(tǒng)為基準，J^和/,分別為輸入電壓和輸入電流的有 效值，戶F (Power Factor)表示功率因數。對于三相電源系統(tǒng)，可導出下式4。<formula>formula see original document page 9</formula> (4) 上式4中，^表示線間電壓的有效值。對于單相電源系統(tǒng)，可以由上式3推導出計算一次電流(輸入電流)的 下式5。如果已知直流環(huán)節(jié)電壓的瞬時值和功率因數，則上式5中可以由直流環(huán) 節(jié)電壓的瞬時值得到F,。對于本發(fā)明的逆變系統(tǒng)，由于在電源輸入端增設有電抗器24,因此除了 低負載區(qū)域之外大部分區(qū)域維持較高的功率因數。為了使用更加準確的功率 因數值，可以將輸出功率和功率因數之間的關系表格化，以便查表(look-up) 使用。并且，在除了逆變器30之外還存在風扇等耗電設備時，上式5改為下式6。<formula>formula see original document page 9</formula> (6)上式6中，P。是除逆變器30之外其他部件消耗電力的總和，同樣可以表 格化而便于查表(look-up)使用。為了檢驗本發(fā)明所提出的一次電流估算方法的有效性，利用PSIM對輸 出功率Pout和所計算的輸出功率Pin—est之間是否發(fā)生誤差進行了仿真處理， 其結果如圖3和圖4所示。圖3為忽略構成逆變器30的6個開關元件(功率半導體元件)電耗時的 仿真結果波形，圖4為考慮構成逆變器30的6個開關元件(功率半導體元件) 電耗時的仿真結果波形。比較圖3和圖4可知，所計算的輸出功率Pin—est不受開關元件電力損失 的影響。因此，如上所述當使用指令電壓計算輸出功率時，由于逆變器30損失包 含在計算的輸出功率中，因而即使不考慮逆變器30效率也能較準確地估算一次電流。圖5為對本發(fā)明的逆變器施加9Nm負荷時，比較所估算的一次電流和實 際測定的輸入電流(實測電流)誤差的波形圖。由此可知，無需考慮逆變器 30效率及電機32效率等因素，即使在弱磁通運行下的估算輸入電流也在誤 差范圍之內。由此可知，本發(fā)明的逆變系統(tǒng)不使用測定輸入電流的復雜電路而求出的 結果與實際測定結果幾乎一致。另外，雖然本發(fā)明實施例中說明了由逆變器30直流電壓和電機32相電 流演算輸出功率尸。，并利用輸出功率尸。估算逆變器20輸入相電流的方式，但 本發(fā)明并不限定于此，也可以由逆變器30直流環(huán)節(jié)的電流有效值演算輸出功 率尸。，并利用輸出功率P。估算逆變器30輸入相電流。綜上所述，依據本發(fā)明所提供的逆變器輸入電流檢測裝置及其方法，無 需構成用于檢測輸入電流的專門復雜電路，而是利用逆變器旋轉控制中所使 用的信息來估算電源的輸入電流，從而具有便于準確測定所述逆變器輸入電 流的效果。
權利要求
1. 一種逆變器輸入電流的檢測裝置，該逆變器用來對電機進行旋轉控制，所述裝置包含檢測所述電機相電流的電流檢測部；檢測所述逆變器直流電壓的電壓檢測部；及控制部，該控制部為從所檢測的直流電壓算出指令電壓，并由算出的指令電壓和檢測的相電流演算輸出功率而估算所述逆變器的輸入電流。
2、 根據權利要求1所述的逆變器輸入電流的檢測裝置，其特征在于所述 電流檢測部包含用于檢測電機相電流的電流傳感器，而所述控制部對電流傳 感器檢測出的相電流進行坐標變換求出電流值，并利用所述電流值和指令電 壓演算輸出功率。
3、 根據權利要求1所述的逆變器輸入電流的檢測裝置，其特征在于所述 控制部將由逆變器的三相輸出電壓和三相輸出電流求出輸出功率尸。變換到同 步坐標系并按式2計算，其中式2為式中，^和^分別表示同步坐標系中的指令電壓，/&和/^分別表示同 步坐標系中的實際電流。
4、 根據權利要求3所述的逆變器輸入電流的檢測裝置，其特征在于所述控制部由相當于逆變器三相輸出電壓的指令電壓和相當于逆變器三相輸出電流的相電流演算輸出功率，并由演算的輸出功率利用式5估算輸入所述逆變器電源的相電流，其中式5為 <formula>formula see original document page 2</formula>式中，^和^分別表示同步坐標系中的指令電壓，^和；,分別表示同 步坐標系中的實際電流，r,和/,分別為輸入電壓和輸入電流的有效值，PF表 示功率因數。
5、 根據權利要求4所述的逆變器輸入電流的檢測裝置，其特征在于所述 式5中功率因數/^數值為根據采用逆變器的系統(tǒng)運行條件預先設定。
6、 根據權利要求1所述的逆變器輸入電流的檢測裝置，其特征在于還包含用于改善功率因數的電抗器，而所述控制部預先存儲輸出功率與功率因數 之間關系的表格化數據。
7、 一種逆變器輸入電流的檢測方法，該逆變器用來對電機進行旋轉控制， 所述方法包含步驟檢測所述電機的相電 流; ;險測所述逆變器直流電壓；從所檢測的直流電壓算出指令電壓，并由算出的指令電壓和檢測的相電 流演算輸出功率而估算所述逆變器的輸入電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及逆變器輸入電流的檢測裝置及其方法，其目的在于不需構成用于檢測逆變器輸入電流的專門復雜電路，而是利用逆變器的旋轉控制中所使用的信息來估算其輸入電流。為此，本發(fā)明所提供的逆變器輸入電流的檢測裝置，包含檢測所述電機相電流的電流檢測部；檢測所述逆變器直流電壓的電壓檢測部；控制部，該控制部為從所檢測的直流電壓算出指令電壓，并由算出的指令電壓和檢測的相電流演算輸出功率而估算所述逆變器的輸入電流。
文檔編號H02P27/06GK101227168SQ20071009049
公開日2008年7月23日 申請日期2007年4月12日 優(yōu)先權日2007年1月18日
發(fā)明者李光云, 李浚煥 申請人:三星電子株式會社