專利名稱：變頻器中使用的方法及變頻器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及根據獨立權利要求的前序部分的與變頻器相關的方法，以及變頻器。
背景技術：
在變頻器的某些應用中，變頻器受到的熱應力周期性的變化。這樣的應用包括離心機、起重機、金屬輥和升降機。循環(huán)載荷通常表現為加速、平穩(wěn)駕駛、制動和空載狀態(tài)，由此變頻器的有功部分(powercomponent)在加速和制動期間受到相當大的應力。
設計(dimensioning)變頻器傳統(tǒng)上根據最高臨時溫度或者循環(huán)溫度變動來進行。功率半導體的溫度不會降低到超過某一限度，因為存在肯定會毀壞功率半導體器件的危險。對周期性載荷的設計利用部件廠商提供的一組曲線、關于周期性載荷中單個載荷的持續(xù)時間的估值，以及當時的載荷密度進行。這樣的設計可實現設備運行的可靠性，而不會在載荷密度和載荷曲線(profile of a load)基本上保持在計劃限額內時使設備的設計過大。
當前變頻器的問題在于，當變頻器中功率半導體的溫度在使用中超過容許的最大限額時，雖然變頻器在使用中，也會中斷其操作以防止破壞變頻器。于是，變頻器所控制的過程由于太頻繁的反復(recurrent)周期性使用或者變頻器中冷卻被破壞所造成的升溫而引起不想要的停止。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供與變頻器有關的方法和變頻器，以解決上述問題。本發(fā)明的目的將用一種方法和一種設備來實現，特征在于獨立權利要求所公開的內容。本發(fā)明的優(yōu)選實施例在從屬權利要求公開。
本發(fā)明基于在周期性使用中觀測變頻器中功率半導體溫度的思想。在新載荷周期前基于設計或計算的溫度變化可以確定的是，是否允許啟動裁荷而在下一個載荷周期期間沒有功率半導體溫度過度上升的危險。
根據本發(fā)明的方法和設備的優(yōu)點在于由變頻器所控制的周期性載荷不可能在常規(guī)使用中因過熱跳閘而停止，因為不允許變頻器進入這樣的狀態(tài)。接近于過載時該方法和設備可以改變設備的運行以保證變頻器的無誤運行。因此，如果預計該過程會在臨界狀態(tài)中斷，則，例如，新的載荷周期根本不被啟動或者簡化負載曲線。


下面將通過優(yōu)選實施例參照附圖更詳細地描述本發(fā)明，其中圖1和3表示與周期性載荷相關的轉矩的示意性曲線形狀。
圖2和4表示與周期性載荷相關的功率半導體溫度的示意性曲線形狀。
具體實施例方式
在根據本發(fā)明的方法中，變頻器在周期性反復使用中周期性地執(zhí)行一特定操作。圖1表示這樣的載荷周期的示意性轉矩曲線。在起始狀態(tài)t0該過程被停止或者提供不太大的載荷，而且變頻器提供的轉矩接近于零。從時刻t1向前該過程以相當大的轉矩Tnim加速直到時刻t2。在t2到t3之間該過程的速度保持恒定，并且轉矩通常比加速和制動轉矩小。在時刻t3該過程開始慢下來，從而轉矩再次達到其最大值，并且維持在這樣的值直到時刻t4，這時轉矩再次減少接近于零。
變頻器的電流與變頻器產生的轉矩成正比。電流反過來使功率半導體升溫(heating)，在圖2中這樣的升溫與對應于圖1的載荷變化相關地表示。當發(fā)動機在時刻t1以全轉矩控制時，功率半導體的溫度開始上升。溫度在整個轉矩步進期間升高，但在時刻t2開始下降，這時該過程已經達到其恒定速度。溫度下降直到時刻t3，其后在制動轉矩期間溫度再次上升直到時刻t4。當轉矩在時刻t4下降接近于零時，溫度開始迅速下降。
圖2中的曲線形狀是實際溫度變動非常簡化的描述，溫度變動受幾個相互連接的熱質量的溫度時間常數影響。因此，圖2中的曲線形狀表示在一個時間常數下溫度的變化。然而，這不影響對根據本發(fā)明的方法運行的理解。
溫度優(yōu)選通過測量冷卻元件的溫度來確定，并且由溫度以已知的方法本身所進一步產生的是使用半導體元件熱模型的半導體元件芯片溫度。
溫度如上所述與載荷相關地周期性變動。根據本發(fā)明的方法確定標準的功率半導體升溫，即圖2所示例子中的最大值和最小值的差。為了可靠地得到升溫的標準值，最低溫度和最高溫度之間的差在幾個載荷周期期間確定。還可從采集的最低值和最高值的量值中獲得描繪值(describing value)，計算出它們之間的差值，該差值表示標準升溫。最低值和最高值可直接依據算術平均值計算。如果不需要采用多次測量來確定升溫的值，那么描繪實際情況的量值可利用均方根值獲得，這降低了平均的單個不同值的相關性。因此，升溫非常優(yōu)選依據最高值的幾個測量平均值和幾個測量最低值之間的差計算。測量還可以這樣的方式進行，最低值的量值為循環(huán)載荷啟動的時刻即圖1和2中所示例子中的時刻t1的溫度。例如，第一載荷循環(huán)的10到30可用于確定平均升溫ΔT，因此計算該平均值并存儲在變頻器的存儲器中。
另一種形成和存儲平均升溫的可能是把其作為使用者提供的參數直接送入變頻器的存儲器中。該參數可基于經驗計算或者估計。通過把升溫作為一個參數值送入變頻器，該設備可啟動預期的保護而沒有上述的辨別。
根據本發(fā)明的方法由功率半導體的所產生的升溫和最高容許溫度確定溫度限額。部件廠商標明半導體器件的最高容許溫度Tmax，正常情況下其不會被超過以使設備保持在正常運轉狀態(tài)。根據本發(fā)明的溫度限額Tlim是指一個溫度，當載荷步驟啟動時，在載荷步驟期間超越該溫度將大大提高半導體部件的溫度。溫度限額因此依據最高容許溫度和平均升溫之間的差計算(Tlim＝Tmax-ΔT)。優(yōu)選地，當通過對平均升溫加上溫度裕度(margin)計算溫度限額時可以考慮小誤差。這樣的裕度可觀測溫度限額的可能誤差。
還根據本發(fā)明確定功率半導體的溫度。功率半導體的半導體芯片或芯片的溫度是半導體中最關鍵的溫度。芯片的溫度可如下獲得，通過測量與半導體元件熱相關部分的溫度，和通過利用熱模型計算芯片的溫度。要測量的溫度例如可以是冷卻元件的溫度。還可能直接測量芯片的溫度，如果有這樣做的可能性的話。
根據本發(fā)明的方法，變頻器的工作模式在功率半導體的溫度超過溫度限額時也被改變，這時轉換到載荷周期。工作模式可通過延遲載荷周期的開始或者減輕載荷周期(例如通過降低設備的轉矩限額或者最大速度)而被改變。
圖3和4表示該過程的慢化。圖3中實線表示圖1所示的轉矩曲線，而虛線表示與減慢的過程相關的轉矩。因此，在圖4中實線表示圖2中所示的溫度曲線，而虛線表示與慢化的過程相關的溫度曲線。
圖4還有表示溫度限額Tlim和最高溫度Tmax的水平線。兩個溫度之間的差(加上可能的裕度)指上面定義的升溫。如圖4所示半導體元件的溫度在轉矩步進的開始高于溫度限額，即元件的最大容許起始溫度。這樣，以標準轉矩基準執(zhí)行的載荷周期可造成有功部分的溫度超過最高溫度。這一點在附圖中以箭頭表示。
平均循環(huán)的升溫還可用于確定變頻器的工作壽命。部件廠商提供功率半導體的關于在特定的平均升溫下部件可以承受的循環(huán)載荷的平均估計。當升溫已知時，變頻器中設備的工作壽命可以基于臨時的載荷循環(huán)密度進行估計。這條信息對設備的操作人員是有益的，并且操作人員基于所述信息能夠估計設備在使用中出故障之前要何時更新設備。估計的工作壽命可直接顯示年月給操作人員，顯示在變頻器的操作面板上，或者可能顯示在與變頻器通訊的上部控制系統(tǒng)的顯示單元中。
還影響變頻器載荷能力的是冷卻系統(tǒng)的狀況。冷卻系統(tǒng)通常包括與功率半導體熱連接的冷卻元件，和通過把熱量從元件散向周圍空氣來強化冷卻元件操作的風扇。當冷卻系統(tǒng)出故障時，冷卻不會按希望的運行，并且溫度比預先想要的升高得多?？赡艿墓收峡赡苁怯蓳p壞的風扇或者由冷卻板中不干凈的散熱片造成的。
冷卻系統(tǒng)的狀況可在設備保持靜止時或者在載荷變化之后通過確定冷卻元件的溫度來監(jiān)控，例如冷卻板。冷卻板的測量溫度例如可與根據準備的冷卻板模型以及與之相關的熱元件的溫度相比較。如果根據模型的溫度比實際測量的溫度下降得快，那么可以認為冷卻系統(tǒng)出了故障。故障還可以下面的方式觀測，當啟動設備時確定冷卻板的溫度時間常數。如果使用期間測量的溫度與溫度時間常數表現不一致，那么冷卻系統(tǒng)失效。關于這樣的失效，變頻器可以對操作人員產生警報，或者可選擇地阻止設備被載荷。冷卻設備的狀況關于本發(fā)明的預期保護是非常重要的，因為當冷卻不充分時平均升溫變化的量值發(fā)生變化且溫度緩慢恢復到溫度限額以下。
本領域技術人員明白的是，隨著技術進步本發(fā)明的基本思想可以用各種方法實現。因此本發(fā)明及其優(yōu)選實施例不限于上述實施例，而是在權利要求的范圍內可以變化。
權利要求
1.一種關于變頻器的方法，變頻器設置為周期性反復使用，其特征在于，該方法包括如下步驟產生并在存儲器中存儲由一個載荷周期造成的變頻器中功率半導體器件的平均升溫；由功率半導體所產生升溫和最高容許溫度確定溫度限額；確定變頻器中功率半導體的溫度；以及當功率半導體溫度超過溫度限額時改變變頻器的工作模式，這時轉換到載荷周期。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，由一個載荷周期造成的平均升溫被提供作為變頻器的參數并存儲在變頻器的存儲器中。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，確定由一個載荷周期造成的平均升溫量值包括如下步驟在載荷周期啟動前確定溫度的量值；在載荷周期后確定溫度的量值；計算上述溫度差；重復并計算溫度差的平均值。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，依據算術平均值計算起始溫度和結束溫度之間差值的平均值。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，依據均方根值計算起始溫度和結束溫度之間差值的平均值。
6.如權利要求所述1到5中任一所述的方法，其特征在于，由功率半導體所產生的升溫和最高容許溫度確定溫度限額包括如下步驟從功率半導體的最高容許溫度減去所產生的升溫以提供溫度限額。
7.如權利要求所述1到6中任一所述的方法，其特征在于，由功率半導體所產生升溫和最高容許溫度確定溫度限額包括如下步驟從功率半導體器件的最高容許溫度減去所產生的升溫與安全裕度的總和，以提供溫度限額。
8.如權利要求所述1到7中任一所述的方法，其特征在于，確定變頻器中功率半導體的溫度包括如下步驟測量功率半導體冷卻板的溫度和由冷卻板的溫度計算功率半導體的溫度。
9.如權利要求所述1到8中任一所述的方法，其特征在于，改變變頻器的工作模式包括防止使用變頻器的步驟。
10.如權利要求所述1到8中任一所述的方法，其特征在于，改變變頻器的工作模式包括減慢要由變頻器控制的操作的執(zhí)行以減小溫度變化的步驟。
11.如權利要求所述1到10中任一所述的方法，其特征在于，該方法還包括如下步驟通過把冷卻板溫度變化和先前實現的溫度變化比較或者和由溫度模型計算的溫度變化比較，觀測變頻器中半導體器件的冷卻系統(tǒng)的工作狀況。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，該方法還包括根據冷卻系統(tǒng)的工作狀況的削弱提供警報信號的步驟。
13.一種變頻器，包括若干半導體并被設置為周期性反復使用，其特征在于，變頻器包括用于產生并存儲由一個載荷周期造成的變頻器中的功率半導體平均升溫的裝置；用于由功率半導體所產生的升溫和最高容許溫度確定溫度限額的裝置；用于確定變頻器中功率半導體溫度的裝置；以及用于當功率半導體溫度超過溫度限額時改變變頻器工作模式的裝置，這時轉換到載荷周期。
全文摘要
一種與變頻器相關的方法及變頻器，變頻器設置為周期性反復使用。該方法包括如下步驟產生并在存儲器中存儲由一個載荷周期造成的變頻器中的功率半導體平均升溫(heating)、由功率半導體所產生的升溫和最高容許溫度確定溫度限額、確定變頻器中功率半導體的溫度，以及當功率半導體溫度超過溫度限額時改變變頻器的工作模式，這時轉換到載荷周期。
文檔編號H02M1/32GK1988305SQ200610169058
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權日2005年12月20日
發(fā)明者A·赫德馬基, V·迪霍南 申請人:Abb有限公司