一种大功率NPC三电平逆变器短路电流在线检测系统的制作方法

本发明涉及电力电子器件检测领域，尤其涉及一种大功率npc三电平逆变器短路电流在线检测系统。

背景技术：

中点钳位型（npc）三电平逆变器是应用最为广泛的三电平拓扑结构，短路故障是影响系统可靠运行的重要因素，当系统发生短路故障时，传统的控制系统根据igbt模块的驱动板检测短路故障，随后进行相应的停机操作。然而仅根据某一模块发出的短路故障是很难快速诊断引起短路故障的原因，尤其是在系统发生二次故障的情况下，所带来的故障连带效应妨碍了对短路故障因素的正确判断。

传统的短路检测方法诸如退饱和法，di/dt检测法，门极电荷法等都只是为了实现快速的短路保护，无法提供具体的短路信息。目前可以通过提取igbt模块的电流来检测短路状况，然而npc型三电平单相拓扑共有4个igbt模块和2个钳位二极管模块，若同时对每个模块电流进行独立检测，则对于常规三相大功率npc三电平拓扑结构来说共需要18个电流检测单元，无疑增加了系统检测的成本。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种大功率npc三电平逆变器igbt模块电流在线检测系统，旨在解决上述问题。本发明既能够减少电流检测单元，还能够在发生短路故障时，准确判断发生短路故障的电流路径。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种大功率npc三电平逆变器短路电流在线检测系统，包括：di/dt检测单元，电流还原单元，短路检测单元，短路路径识别单元，电流状态显示单元；di/dt检测单元第一输出端与电流还原单元第一输入端相连，di/dt检测单元第二输出端与短路检测单元第一输入端相连，电流还原单元第一输出端与短路检测单元第二输入端相连，电流还原单元第二输出端与电流状态显示单元第一输入端相连，短路检测单元第一输出端与短路路径识别单元第一输入端相连，短路路径识别单元第一输出端与电流状态显示单元第二输入端相连；其中：

di/dt检测单元，用于检测流过单相正母线电流变化速率di+/dt、负母线电流变化速率di-/dt和负载的电流变化速率dil/dt；

电流还原单元，用于将di/dt检测单元检测到的电流变化速率还原为所测的电流值；

短路检测单元，用于检测短路状态，将所测得的电流信号以及电流变化速率信号与参考值进行比较，以判断是否发生短路故障，并向短路路径识别单元输出比较结果的输出信号；

短路路径识别单元，用于判断短路路径，短路路径识别单元存有短路路径与比较输出信号的关系表，可通过查表得到短路路径；

电流状态显示单元，用于显示每相输出正、负母线和负载电流，并在短路时显示短路路径。

作为本发明的一种改进，所述di/dt检测单元采用柔性罗氏线圈，分别套在a相拓扑的正母线、负母线和负载处。

作为本发明的一种改进，所述的电流还原单元采用积分电路分别对di/dt检测单元输出的正、负母线和负载电流变化率进行积分还原。

作为本发明的一种改进，所述积分电路为复合式积分电路。

作为本发明的一种改进，所述比较电路分别对负载处的正向电流和反向电流分别进行短路检测，对正母线和负母线的正向电流及其正向电流变化速率进行短路检测。

作为本发明的一种改进，所述短路检测单元中正母线和负母线电流变化速率的比较电路前端应增设放大器。

作为本发明的一种改进，所述短路路径识别单元将短路路径分为两类，一类是桥臂间短路路径，二类是桥臂内短路路径。所述桥臂间短路为逆变器负载发生短路，短路电流流经负载。所述桥臂内短路为桥臂中功率器件的击穿或者误导通引起的短路，短路电流不经过负载。

作为本发明的一种改进，所述电流状态显示单元采用ad芯片将电流还原单元的输出信号vil，vi+和vi-转化为数字信号，并与短路路径识别单元输出信号一并存储在计算机中。

作为本发明的一种改进，为进一步减少电流检测单元的数量，降低检测系统成本，仅需测量任意两相负载电流可得出另一相的负载电流，另一相的负载电流为其他两相负载电流之和的负数。

作为本发明的一种改进，所述电流还原单元由两个复合式积分电路和一个加法器组成。

与现有短路检测方法相比，本发明无需对每一个模块进行电流检测，仅需检测每一相的正母线、负母线和负载处的电流，其不仅减少了电流检测单元，同时也减少了检测单元内罗氏线圈的个数。本发明不仅能够识别短路故障，还能确定短路电流流通的路径，为工程人员在诊断发生短路故障原因时，提供更为详细的参考，有助于提高短路故障诊断的效率。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为短路电流检测系统；

图2为本发明npc三电平逆变器拓扑及罗氏线圈安放位置；

图3为桥臂间短路电流路径；

图4为桥臂内短路电流路径；

图5为复合式积分电路；

图6a相负载电流检测电路；

图7改进的a相负载电流检测电路；

图8短路路径识别规则表。

具体实施方式：

为了能够更清楚地理解本发明内容，下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。

实施例1：

参见图1，一种大功率npc三电平逆变器短路电流在线检测系统，本发明的短路电流检测系统包括：di/dt检测单元，电流还原单元，短路检测单元，短路路径识别单元，电流状态显示单元。di/dt检测单元第一输出端与电流还原单元第一输入端相连，di/dt检测单元第二输出端与短路检测单元第一输入端相连，电流还原单元第一输出端与短路检测单元第二输入端相连，电流还原单元第二输出端与电流状态显示单元第一输入端相连，短路检测单元第一输出端与短路路径识别单元第一输入端相连，短路路径识别单元第一输出端与电流状态显示单元第二输入端相连；其中：

di/dt检测单元用于检测流过单相正母线电流变化速率di+/dt、负母线电流变化速率di-/dt和负载的电流变化速率dil/dt；

电流还原单元，用于di/dt检测单元检测到的电流变化速率还原为所测的电流值；

短路检测单元，用于检测短路状态，将所测得的电流信号以及电流变化速率信号与参考值进行比较，以判断是否发生短路故障，并向短路路径识别单元输出比较结果的输出信号；

短路路径识别单元，用于判断短路路径，所述的短路路径识别单元存有短路路径与比较输出信号的关系表，可通过查表得到短路路径；

电流状态显示单元，用于存储每相输出的正、负母线和负载电流，并在短路时显示对应的短路路径。

di/dt检测单元采用柔性罗氏线圈，柔性罗氏线圈由于其形状是可变的，适用于安装并测量表面积较大的导体的电流。将罗氏线圈分别套在a相拓扑的正母线、负母线和负载处，罗氏线圈的安放位置参照图2，qa1~qa3为a相罗氏线圈安放位置，qb1~qb3为b相罗氏线圈安放位置，qc1~qc3为c相罗氏线圈安放位置，由于npc三电平拓扑三相对称，仅对一相分析即可，以a相拓扑为例进行分析。

电流还原单元，采用三个复合式积分电路分别对罗氏线圈输出的正、负母线和负载电流变化率进行积分还原。复合式积分电路包括无源积分电路和有源积分电路，既可以通过无源积分电路还原高频电流也可以通过有源积分电路还原低频电流，有助于提高短路电流测量精度。如本实施例图5所示，该复合式积分电路包括放电电阻rs，五个电阻r1~r5，两个电容c1~c2，两个运算放大器u1~u2。放电电阻rs一端与电阻r2一端连接并接收柔性罗氏线圈输出信号，放电电阻rs另一端接地；电阻r2一端、电容c2一端和运算放大器u1正输入端相连；电容c2另一端接地；电阻r1一端、电容c1一端、电阻r3一端与运算放大器u1负输入端相连；电阻r1另一端接地；电容c1另一端、电阻r3另一端、运算放大器u1输出端与放大器u2正输入端相连；电阻r4一端、电阻r5一端与放大器u2负输入端相连；电阻r4接地；电阻r5另一端与放大器u2输出端相连并输出电流还原信号。

r2和c2构成无源积分电路，u1、r1、r3和c1构成有源积分电路。

电流还原单元中的三个复合式积分电路输出还原信号分别为正母线电流信号via+，负母线电流信号via-和负载电流信号vila。

短路检测单元原理图如图6所示，本实施例采用比较电路分别对di/dt检测单元和电流还原单元的输出值进行检测，通过设置阈值参数来判断是否产生短路。采用双比较器对负载正向电流和反向电流分别进行比较。由于短路时正母线和负母线上的电流以及电流变化速率为正方向，因而仅需对正母线电流和负母线的正向电流及其正电流变化速率进行短路检测。由于di/dt检测单元输出值过小，因而正母线和负母线电流变化速率的比较电路前端增设运算放大器对检测值进行放大。

短路检测单元包括：八个运算放大器u3~u10，八个电阻r6~r13。运算放大器u3负输入端连接参考值vref1，正输入端与运算放大器u4负输入端相连并接收负载电流信号vila，输出端输出信号为vx1；运算放大器u4正输入端连接参考值vref2，输出端输出信号为vx2；运算放大器u5正输入端接收正母线电流信号via+，负输入端连接参考值vref3，输出端输出信号为vx3；运算放大器u8正输入端接收负母线电流信号via-，负输入端连接参考值vref5，输出端输出信号为vx4；电阻r8一端、电阻r9一端与运算放大器u6正输入端连接；电阻r8另一端接收正母线电流变化速率信号dia+/dt，电阻r9另一端接地；电阻r6一端与电阻r7一端、运算放大器u6负输入端相连，电阻r6另一端接地；电阻r7另一端与运算放大器u6输出端、运算放大器u7正输入端相连，运算放大器u6输出信号为vdia+；运算放大器u7负输入端连接参考值vref4，输出端输出信号为vdi1；电阻r12一端、电阻r13一端与运算放大器u9正输入端连接；电阻r12另一端接收正母线电流变化速率信号di-/dt，电阻r13另一端接地；电阻r10一端与电阻r11一端、运算放大器u9负输入端相连，电阻r10另一端接地；电阻r11另一端与运算放大器u9输出端、运算放大器u10正输入端相连，运算放大器u9输出信号为vdia-；运算放大器u10负输入端连接参考值vref6，输出端输出信号为vdi2。

vx1为高电平1时表示负载处出现正向短路电流，vx2为高电平1时表示负载处出现反向短路电流，vx3为高电平1时表示正母线出现短路电流，vx4为高电平1时表示负母线处出现短路电流，vdi1为高电平1时表示正母线短路电流变化速率较高，vdi2为高电平1时表示负母线短路电流变化速率较高。

短路路径识别单元采用fpga或cpld数字芯片，在芯片中设置逻辑程序进行路径识别。其本发明将短路路径分为两类，一类是桥臂间短路路径，设为路径1~路径4，如图3所示；二类是桥臂内短路路径，设为路径5~路径9，如图4所示。

在桥臂间短路路径中，路径1为短路电流从正母线流过a相第一igbt模块t1，第二igbt模块t2和负载la；路径2为电流从零母线流过第一钳位二极管模块d1，第二igbt模块t2和负载la；路径3为电流从负载la流过第三igbt模块t3，第二钳位二极管模块d2到达零母线；路径4为电流从负载la流过第三igbt模块t3，第四igbt模块t4到达负母线。

在桥臂内短路路径中，路径5为电流从正母线流过第一igbt模块t1，第二igbt模块t2，第三igbt模块t3和第二钳位二极管d2。路径6为电流从正母线流过第一igbt模块t1和第一钳位二极管d1。路径7为电流从零母线流过第一钳位二极管d1，第二igbt模块t2，第三igbt模块t3和第四igbt模块t4。路径8为电流从零母线流过第二钳位二极管d2和第四igbt模块t4。路径9为电流从正母线流过第一igbt模块t1，第二igbt模块t2，第三igbt模块t3和第四igbt模块t4。

短路路径识别原理为：由于短路电流势必会通过正母线、负母线和负载中的一处或两处，且短路电流变化速率会因流过功率器件数量的不同而不同，因而通过检测短路电流是否经过正母线，负母线和负载处，同时检测正母线和负母线短路电流变化速率的大小来判断短路路径。

当正母线和负载处同时检测到正向短路电流，即via+>vref3、vila>vref1时，短路电流流过路径1；当仅负载处检测到正向短路电流，即vila>vref1时时，短路电流流过路径2；当仅负载处检测到反向短路电流，即vila<vref2时，短路电流流过路径3；当负母线处检测到正向短路电流且负载处检测到反向短路电流，via->vref5、vila<vref2时，短路电流流过路径4。当仅正母线处检测到正向短路电流，即via+>vref3时，且短路电流变化率较小，即vdia+<vref4时，短路电流流过路径5，而当短路电流变化率较大，即vdia+>vref4时，短路电流流过路径6；当仅负母线处检测到正向短路电流,即via->vref5时，且短路电流变化率较小，即vdia-<vref6时，短路电流流过路径7，而当短路电流变化率较大，即vdia->vref6时，短路电流流过路径8；当i+和i-同时检测到短路电流,即via+>vref3且via->vref5时，短路电流流过路径9。

根据短路路径识别原理制定图8所示的路径识别规则表，短路路径识别单元输出值为4位二进制信号。当vx1-vx4，vdi1，vdi2为低电平0，为正常状态，对应的输出信号为0000；当vx1和vx3同时为高电平1时，为短路路径1，对应的输出信号为0001；当仅vx1为高电平1时，为短路路径2，对应的输出信号为0010；当vx2和vx4同时为高电平1时，为短路路径3，对应的输出信号为0011；当仅vx2为高电平1时，为短路路径4，对应的输出信号为0100；当仅vx3为高电平1时，为短路路径5，对应的输出信号为0101；当vx3和vdi1短时间内相继为高电平1时，为短路路径6，对应的输出信号为0110；当仅vx4为高电平1时，为短路路径7，对应的输出信号为0111；当vx4和vdi2短时间内相继为高电平1时，为短路路径8，对应的输出信号为1000；当vx3和vx4同时为高电平1时，为短路路径9，对应的输出信号为1001。

电流状态显示单元采用ad芯片将电流还原单元的输出信号vil，vi+和vi-转化为数字信号，与短路路径识别单元输出的4位二进制信号一并存储在计算机中，通过示波器显示每相正母线、负母线和负载电流的波形。当发生短路故障时，短路电流路径将以数码管的形式显示其对应的路径；工程人员可以根据计算机内存储的数据波形和数码管显示的电流路径判断引起短路故障的原因。

实施例2：

由于三相负载电流之和为零，为进一步减少电流检测单元的数量，降低检测系统成本，仅需测量任意两相负载电流，另一相的负载电流为其他两相负载电流之和的负数。因而可去掉图1中qa3、qb3、qc3任意位置的罗氏线圈及其复合式积分电路，以去掉qa3处的罗氏线圈为例，将a相电流还原单元检测负载电流ila的复合式积分电路代替为如图7所示的电路。

该电路为一加法器，可直接将输入信号相加并取负数。加法器包括：三个电阻r14~r16，一个运算放大器u11；其中电阻r14的一端接收b相负载电流信号vilb，电阻r15的一端接收c相负载电流信号vilc，运算放大器u11的负输入端与电阻r14另一端、电阻r15另一端、电阻r16一端相连，运算放大器u11的正输入端接地，运算放大器u11的输出端与电阻r16另一端相连，输出信号vila。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。