專利名稱：逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)，屬于逆變器狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域，尤其涉及逆變器運行狀態(tài)監(jiān) 控及故障在線診斷技術(shù)。
背景技術(shù)：
能源危機(jī)是人類21世紀(jì)面臨的重大問題。我國人均能源短缺，而單位GDP的能卻 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)達(dá)國家，節(jié)能減排是我們實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項重要國策。變頻器或逆變器 能夠提高電能利用率，減少能耗，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，它被廣泛應(yīng)用于機(jī)車牽引、工 業(yè)控制以及電機(jī)驅(qū)動中。變頻器也可以看成由整流電路和逆變器組成，其中故障率最高 的是逆變器里價格昂貴的可控功率半導(dǎo)體元器件，而且單個器件的故障往往會帶來連鎖 效應(yīng)，將多個器件甚至控制電路燒毀。盡早發(fā)現(xiàn)可能存在的故障隱患對于提高逆變器可 靠性具有非常重要的意義。目前依靠減小電壓、電流變化率等方式來降低功率器件故障 率的電路較多，但是對于器件潛在故障監(jiān)控，出現(xiàn)輕微故障后快速鎖定故障單元的方法 比較少。文獻(xiàn)《基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動機(jī)逆變驅(qū)動系統(tǒng)故障診斷》，崔博文、任章，儀器 儀表學(xué)報，2007， 28 (3) ， 473-478中提到一種利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測電壓電流信號中的諧 波分量來診斷功率變換器故障的方法，但是其實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，需要精確的電壓電流 監(jiān)測，還要減小傳感器延時，避免其影響診斷結(jié)果。(還有多篇文獻(xiàn)采用類似方法監(jiān)測 逆變器故障)。文獻(xiàn)《功率模塊的過電流保護(hù)》，林勇，電源技術(shù)應(yīng)用，2005， 8 (7)， 36-40中提到用測量用分流器、測量用電流互感器等實現(xiàn)功率模塊保護(hù)的方法，該方法原 理比較簡單，但是其使用的儀器成本較高。本發(fā)明提出了一種主要依靠硬件電路，簡單、 可靠、直觀、靈敏的逆變器運行狀態(tài)顯示與故障監(jiān)測電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一個原理簡單、成本低廉、靈敏度高的監(jiān)測電路，直觀顯示 逆變器的運行狀態(tài)，便于現(xiàn)場及時發(fā)現(xiàn)運行不正常的橋路，該電路還可以發(fā)出預(yù)警信號， 提高逆變器的可靠性。
為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路，包括三相橋式整流電路和接在三相 橋式整流電路兩端的限流電阻，在所述三相橋式整流電路的三個橋臂上，均串聯(lián)有陰極 和陽極互連的兩個單向?qū)ü怆姍z測器件，每個橋臂的兩個單向?qū)ü怆姍z測器件的陰 極和陽極相連形成的三個中點分別外接在逆變器的三相輸出端上，各個單向?qū)ü怆姍z測器件之間結(jié)構(gòu)相同，性能相同或相近。
上述的逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路中單向?qū)ü怆姍z測器件可以為發(fā) 光二極管，也可以由陰極和陽極互連的發(fā)光二極管和耐壓二極管串聯(lián)而成，還可以是線 性光耦或非線性光耦。
對于帶有光耦的運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路，最好還包括微處理器，各個線 性光耦或各個非線性光耦的輸出接在微處理器的輸入端，所述微處理器根據(jù)輸入信號對 逆變器運行狀態(tài)和是否發(fā)生故障進(jìn)行判斷，并及時給出故障信號控制逆變器主回路排除 故障，同時在主回路斷開或整個電路斷電的情況下顯示故障類型和故障位置。
本發(fā)明的有益效果有
1. 本發(fā)明可以在不影響逆變器運行的情況下發(fā)現(xiàn)逆變橋路的潛在問題，在發(fā)生更嚴(yán)重的 事故前預(yù)先給出預(yù)警信號，減小功率半導(dǎo)體元器件故障帶來的損失，提高逆變器的可 靠性。
2. 本發(fā)明中采用價格低廉的元件實現(xiàn)了較高的靈敏度，特別在逆變器輸出各線電壓差別 較小時，靈敏度明顯高于價格昂貴的AD芯片。
3. 本發(fā)明可以直觀顯示逆變器的運行狀態(tài)。用微處理器和電池可以實現(xiàn)掉電后記憶并顯
示故障單元的功能。


圖1和圖2為三相全橋逆變電路運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路原理圖。 圖中1為光耦，2為發(fā)光二極管，3為耐壓二極管，4為限流電阻。 圖3和4是半橋逆變電路運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路的原理圖。 圖5和圖6為兩種實施方式下三相全橋逆變電路運行狀態(tài)顯示電路原理圖。
具體實施例方式
變頻器中常見故障有負(fù)載開路、功率元件斷路、功率元件短路等。本發(fā)明適用于各 種功率變換器常見故障的監(jiān)測，為了敘述的方便不妨以常見的三相全橋逆變電路為例來 說明故障顯示電路的原理及實現(xiàn)方式。
本發(fā)明利用整流的原理通過發(fā)光二極管、光耦等元件構(gòu)成的單向?qū)ü怆姍z測器件 檢測整流橋臂通過的電流從而比較出逆變器各輸出線之間電壓上的細(xì)微差異，從而監(jiān)控 逆變器的運行狀態(tài)。為提高該整流電路的耐壓值，可以串聯(lián)耐壓二極管。
實施例1:
三相全橋逆變電路運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路原理圖如圖1和圖2所示，其 中1是將導(dǎo)通信號傳送給微處理器或相關(guān)硬件電路的光耦，可以是非線性光耦或線形光
耦，2是直接顯示故障狀態(tài)的發(fā)光二極管，3是提高發(fā)光二極管和光耦耐壓能力的耐壓二 極管，4是故障指示電路的限流電阻， 一般可以根據(jù)流過電流為4 20mA的原則來選擇。 5是給出故障報警信號的微處理器或硬件電路。圖3和4是半橋逆變電路運行狀態(tài)顯示與 故障在線診斷電路的原理圖。
如果三相全橋逆變電路工作在三三導(dǎo)通模式下，同時有三個功率元件開通，ABC三 相分別被接通到電源正極或負(fù)極，各相之間電壓差會使故障顯示電路相應(yīng)橋臂導(dǎo)通，整 流橋?qū)ǖ脑c逆變橋開通的功率元件序號相同。例如AB正導(dǎo)通，C負(fù)導(dǎo)通，即功 率元件T1、 T3、 T2導(dǎo)通，那么整流橋的電流檢測元件D1、 D3、 D2也會隨著功率元件 的開通而導(dǎo)通，其它檢測元件關(guān)斷。此時如果某個元件工作不正?！_通不能迅速達(dá) 到飽和，不能及時關(guān)斷，發(fā)生直通或無法導(dǎo)通等故障——A、 B、 C三點電壓差無法像正 常的那樣交替變化，各路橋臂導(dǎo)通的時間不相等，直觀上二極管的發(fā)光強(qiáng)度差別較大， 最亮的或最暗的就是發(fā)生故障的橋臂；非線性光耦不能按照正常時序?qū)?，發(fā)生跳變， 或者發(fā)出的脈沖寬度差別較大，其發(fā)出的脈沖信號經(jīng)特定硬件電路或微處理器進(jìn)行比較， 可以很容易顯示出發(fā)生故障的橋臂并發(fā)出故障信號和聲音警報；線形光耦發(fā)出的信號正 比于流過電流的大小，經(jīng)AD單元轉(zhuǎn)換后用微處理器進(jìn)行計算能更加準(zhǔn)確的顯示電壓的 不對稱，從而及早發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障的橋臂。.'
如果是兩兩導(dǎo)通模式，當(dāng)功率元件開通時ABC三相中的一相接通到電源正極，另外 一相接通到電源負(fù)極，懸空相電壓一般介于它們兩者之間。不妨假設(shè)AB相導(dǎo)通，即功 率元件T1、 T6開通，則整流橋的D1、 D6隨之導(dǎo)通，C相端電壓介于AB相電壓之間因 而D5導(dǎo)通且亮度逐漸變暗，其它管關(guān)斷。接下來AC相導(dǎo)通，即功率元件T1、 T2開通， .則Dl、 D2導(dǎo)通，D3導(dǎo)通且亮度遂漸變暗。總體而言，穩(wěn)態(tài)下各二級管開通關(guān)斷的平均 時間應(yīng)一致，而且開通關(guān)斷遵守一定時序。按照這個原則很容易判斷是否發(fā)生故障，以 及具體是哪個橋臂發(fā)生了故障。
特別的對于電機(jī)這類帶有反電勢的感性負(fù)載，電肆、和反電勢會對故障檢測電路產(chǎn)生 一定影響。由于電感的作用，當(dāng)逆變橋突然由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，順著功 率元件反并聯(lián)的續(xù)流二極管維持電流的導(dǎo)通，影響各相之間的電壓。當(dāng)逆變橋上所有功 率元件全部關(guān)斷后，如果電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而且轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成或者還有剩磁，就會在定 子上感應(yīng)出反電勢，影響各相電壓差。上述兩種情況下，功率元件關(guān)斷時，運行狀態(tài)顯 示與故障在線診斷電路可能還會繼續(xù)導(dǎo)通，時序可能發(fā)生變化，不過根據(jù)具體情況對微 處理器的程序進(jìn)行調(diào)整就不會引起誤動作。
發(fā)光二極管可以直觀顯示逆變橋運行狀態(tài)。當(dāng)逆變橋正常工作時，如果工作頻率很 低可以看到發(fā)光的二極管不斷切換，每個二極管發(fā)光時間、亮度相同，如果工作頻率較 高可以看到六個發(fā)光二極管發(fā)出均勻強(qiáng)度的光。使用前要注意選擇同型號同批次的發(fā)光 二極管，還要通入大小相同的電流檢查其亮度是否一致。
非線性光耦可以將換向情況變換成數(shù)字信號，可以將此信號送入單片機(jī)、DSP或其 他微處理器進(jìn)行處理得到逆變橋運行狀態(tài)、各功率開關(guān)導(dǎo)通時間并發(fā)出故障預(yù)警信號，
也可以將此信號送入邏輯比較電路直接輸出故障預(yù)警信號。
線形光耦除了能夠給出整流橋通斷信號外還能給出通過電流的大小，將此信號送到 單片機(jī)或DSP等微處理器可以用來判斷功率開關(guān)是否都工作在飽和工作區(qū)，是否有故障 隱患，電機(jī)類負(fù)載是否對稱負(fù)載，有沒有單相短路或斷相等事故。
由電池供電的微處理器能夠及時給出故障信號控制逆變器主回路排除故障，同時可 以在主回路斷開或整個電路斷電的情況下顯示故障類型和故障位置，為人工排除故障提 供依據(jù)。微處理器可以是單片機(jī)、DSP、 PLC或工控機(jī)等。
實施例2
本實施例是實現(xiàn)本發(fā)明的簡單實施例，如果圖5所示，故障顯示電路選用發(fā)光二極 管來搭建整流電路，整流電路的負(fù)載可以選1.5kQ左右的電阻。其中發(fā)光二極管可以直 觀顯示逆變橋運行狀態(tài)。當(dāng)逆變橋正常工作時，如果工作頻率很低可以看到發(fā)光的二極 管不斷切換，每個二極管發(fā)光時間、亮度相同，如果工作頻率較高可以看到六個發(fā)光二 極管發(fā)出均勻強(qiáng)度的光。使用前要注意選擇同型號同批次的發(fā)光二極管，還要通入大小 相詞的電流檢査其亮度是否一致。
實施例3
參見圖6，與實施例2不同的是，為了提高電路的耐壓性，由相串聯(lián)的發(fā)光二極管和 耐壓二極管作為 一個單向?qū)ü怆姍z測器件來搭建整流電路。
權(quán)利要求
1.一種逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路，包括三相橋式整流電路和接在三相橋式整流電路兩端的限流電阻，在所述三相橋式整流電路的三個橋臂上，均串聯(lián)有陰極和陽極互連的兩個單向?qū)ü怆姍z測器件，每個橋臂的兩個單向?qū)ü怆姍z測器件的陰極和陽極相連形成的三個中點分別外接在逆變器的三相輸出端上，各個單向?qū)ü怆姍z測器件之間結(jié)構(gòu)相同，性能相同或相近。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路，其特征在于，所述 的單向?qū)ü怆姍z測器件為發(fā)光二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路，其特征在于，所述 的單向?qū)ü怆姍z測器件為陰極和陽極互連的發(fā)光二極管和耐壓二極管串聯(lián)而成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路，其特 征在于，所述的單向?qū)ü怆姍z測器件為線性光耦或非線性光耦。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路，其特征在于，所述運 行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路還包括微處理器，各個線性光耦或各個非線性光耦的 輸出接在微處理器的輸入端，所述微處理器根據(jù)輸入信號對逆變器運行狀態(tài)和是否發(fā) 生故障進(jìn)行判斷，并及時給出故障信號控制逆變器主回路排除故障，同時在主回路斷 開或整個電路斷電的情況下顯示故障類型和故障位置。
全文摘要
本發(fā)明屬于逆變器狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域，涉及一種逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路，包括三相橋式整流電路和接在三相橋式整流電路兩端的限流電阻，在所述三相橋式整流電路的三個橋臂上，均串聯(lián)有陰極和陽極互連的兩個單向?qū)ü怆姍z測器件，每個橋臂的兩個單向?qū)ü怆姍z測器件的陰極和陽極相連形成的三個中點分別外接在逆變器的三相輸出端上，各個單向?qū)ü怆姍z測器件之間結(jié)構(gòu)相同，性能相同或相近。本發(fā)明提供的逆變器運行狀態(tài)顯示與故障在線診斷電路，具有簡單、可靠、直觀、靈敏的優(yōu)點。
文檔編號H02M7/00GK101201391SQ20071015091
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月11日
發(fā)明者夏長亮, 煒 陳 申請人:天津大學(xué)