专利名称：检测故障晶闸管的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测故障晶闸管，并且更具体地涉及检测在降压固态电动机的起动器或控制器中的故障晶闸管。
背景技术：
电气电动机经常使用“晶闸管(thyristor)”作为电动机控制电路的一部分，晶闸管也被称作“可控硅整流器(SCR)”。晶闸管可被看作是具有门极、阳极、阴极这三极的开关二极管。如果低于击穿电压的电源电压施加于晶闸管的阳极与阴极之间，并且没有“触发(trigger)”电流或电压(触发信号)施加于门极，则晶闸管“截止”，即，没有电流从阳极流向阴极。如果触发信号施加于门极，则晶闸管上阳极与阴极之间的电压会下降到一个比电源电压低很多的值，并且该晶闸管变为“导通”，即，电流从阳极到阴极流过晶闸管。一旦晶闸管导通，不论门极上是否有触发信号，该晶闸管将保持导通，所提供的穿过晶闸管的电流保持在维持(holding)电流之上。要使晶闸管变为“截止”，阳极到阴极的电流必须降到该元件的维持电流以下的电平。
本领域所公知的，当电动机正在起动时，固态起动器或控制器控制从电源到电动机的电流。这些起动器具有可逐渐增加输送到电动机的电流的晶闸管开关。使用这些晶闸管开关，起动器调节晶闸管传导电荷与通过电流的时间周期。换句话说，这些起动器控制何时把来自电源的电流输送到电动机。通过在起动期间控制提供给电动机的电流，渐渐地将该电动机提升到额定工作转速。
当不靠这样的起动器起动电气电动机时，该电动机引入的电流可能通常超过稳态电流六倍，稳态电流即曾经达到额定工作转速的电流。这样大的冲击电流会引起电能传输系统的电压下降，从而引起灯光变暗和闪烁以及干扰邻近的设备。另外，电动机扭矩会迅速上升并颤动，这对电动机的机械部件或联接在它上的任何物件都会有不利的影响。
起动器中晶闸管的故障还会导致电动机运转不良。晶闸管故障一般造成电源供电条件不平衡，这将导致大扭矩振颤，从而能够损坏被该电动机驱动的多个机械配接件和齿轮。
所以，需要能够在电动机工作期间检测故障晶闸管。
发明内容
本发明中的方法和系统检测在固态控制器中短路故障的晶闸管，该固态控制器用于在降压工作期间向负载供电。本发明中的方法检测晶闸管的跨接电压，并在该晶闸管的跨接电压的绝对值在预定时间周期内保持低于阈值时，指示短路故障的晶闸管。本发明中的系统包括电压检测电路，其包括电阻、电容、和用于检测晶闸管的跨接电压的发光二级管；以及微处理器，其耦合在该电压检测电路上，用于在该晶闸管的跨接电压的绝对值在预定时间周期内保持低于阈值时，指示短路故障的晶闸管。
本发明中的方法和系统检测在固态控制器中开路故障的晶闸管，该固态控制器用于在满载电压工作期间向负载供电。本发明中的方法检测晶闸管的跨接电压，并在该晶闸管的跨接电压的绝对值超过阈值时，指示开路故障的晶闸管。本发明中的系统包括电压检测电路，其包括电阻、电容、和用于检测晶闸管的跨接电压的发光二级管；以及微处理器，其光耦合在该电压检测电路上，用于在该晶闸管的跨接电压的绝对值超过阈值时，指示开路故障的晶闸管。
本说明及以下所述不应限制本发明权利要求所要求的范围。所提供的例子和解释都能使本领域的一般技术人员实现本发明。下面结合作为详细描述的一部分的附图，示出了本发明的一个实施例，并用该描述解释本发明的基本原理。
下面结合附图，详细描述本发明的实施例，用来解释本发明的基本原理。其中图1是本发明中包含三相交流电源的电路示意图，该电源用于为带有固态起动器或控制器的负载供电；图2是波形图，表示在正常和故障情况下，图1所示的晶闸管对104的跨接电压、流过晶闸管对104的电流、和电源112的输出电压；
图3是计算机的方框图，和晶闸管对104的更详细的电路图，该晶闸管对104如图1所示并联在第一故障检测器上；以及图4是本发明中用于在晶闸管对中检测故障晶闸管的处理的流程图。
下面将参照这些图描述本发明的实施例。
具体实施例方式
图1是本发明中包含三相交流电源112的电路示意图，该电源用于为带有降压固态起动器或控制器150的负载102供电。负载102可包括三相电动机，该三相电动机可驱动制冷系统中的部件。该制冷系统可包括压缩机、冷凝器、热交换器、和蒸发器。如上面提到的，在起动或加速期间，起动器150以公知的方式减少对负载102的电流供应。
三相交流电源112经由第一输电线路130、第二输电线路132及第三输电线路136，对负载102供电。每条线路传输交流电，但是每条线路上的电流有不同的相位角。线路130带有第一晶闸管对104，晶闸管对104包括第一晶闸管142和第二晶闸管144。晶闸管142和晶闸管144是“背对背”连接的，即晶闸管142的阳极连接到晶闸管144的阴极，反之亦然。与线路130类似，线路132带有第二“背对背”晶闸管对106，和线路136带有第三“背对背”晶闸管对108。用于晶闸管对104、106及108的定时和触发的控制电路是公知的，而未被显示。
电阻152和电容154串联在一起，与晶闸管对104并联。电阻152和电容154提供第一“阻尼网络(snubber network)”以抑制晶闸管对104的跨接电压的高速变化。同样地，电阻156和电容158提供用于晶闸管对106的第二阻尼网络。也同样地，电阻160和电容164提供用于晶闸管对108的第三阻尼网络。
在本发明的系统中，第一故障检测器110并联于第一晶闸管对104，第二故障检测器114并联于第二晶闸管对106，以及第三故障检测器116并联于第三晶闸管对108。每个检测器110、114及116分别在晶闸管对104、106及108中检测故障。
图3是晶闸管对104更详细的电路图，该晶闸管对104如图1所示并联在第一故障检测器110上。在本发明的系统中，第一故障检测器110包括串联在电阻320和电容314上的双向光耦合器310。双向光耦合器310包括“背对背”结构的发光二极管(LED)对316及318，和光敏双极结型晶体管(BJT)308。晶体管308的发射极连接到微处理器326的输入端。下拉电阻306连接在地与晶体管308的发射极之间。晶体管308的集电极连接到分立电源B+上。
图3还描述了一种数据处理系统，包括适于使用本发明中的方法和系统的计算机332。计算机332包括微处理器326、存储器334、和第二存储设备330。存储器334和第二存储设备330可以存储应用程序，诸如应用程序328、和由微处理器326执行和使用的数据。
当流经晶闸管对104的电流Ia非零时，故障检测电路110的运行首先被分析；当电流Ia为零时，故障检测电路110的运行再次被分析。
在第一种情况中，当电流Ia非零时，或是晶闸管142导通、或是晶闸管144导通，并且晶闸管对104的跨接电压Vad是晶闸管的正向电压降，正向电压降理论上应为零。在这种情况下，电压Vad不足以允许电流通过检测器110，并且LED对316、318不发射光线322。结果，光耦合晶体管308不导通，并且晶体管308向微处理器326输出一个逻辑低电平。当恰当地触发或导通晶闸管142及144之一时，或者当晶闸管142及144之一短路时，电流Ia是非零。
在第二种情况中，当电流Ia为零时，晶闸管142和晶闸管144都不导通，并且与第一种情况不同，晶闸管对104的跨接电压理论上不需要为零。如果负载102是三相电动机，假设电动机正在旋转，晶闸管对104的跨接电压Vad等于在电源112于点a提供的电压与电动机的反电动势(EMF)之间的差值。因为输入电压源112在a点提供一个交流源，晶闸管104的跨接电压Vad的绝对值每个周期有两次显著地大于零。
非零电压Vad引发电流流经第一故障检测器110，即流经电阻314、电容320、和LED316或LED318。当电流流经检测器110时，LED对316、318之一导通并发射光线322。光线322使晶体管308的基极饱和，晶体管308导通，向微处理器326输出一个逻辑高电平。由于交流电源112，在a点上每个电压周期有两个逻辑脉冲。
电容320具有相对于电阻314的高阻抗，它限制了通过LED对316及318、电阻314、和电容320的电流。因而，电容320的存在，通过防止不必要的大量电流流过故障检测器110，以使电阻314的额定功率变小。
第二故障检测电路114，和第三故障检测电路116的工作类似于第一故障检测电路110。如下文描述，微处理器326分析来自故障检测电路110、114及116的逻辑脉冲，以检测晶闸管142至147中的任何晶闸管是否有故障。
(电动机稳态速度期间开路故障的晶闸管的检测)三相电源112在线路130、132及136上输出正弦波电压，正弦波电压具有正半周和负半周，每个半周有不同的相位角。图2是波形图，各波形表示线路130与132之间的电压Vab的波形图，和线路130与三相电源112的地(见图1)之间的电压Van的波形图。波形201表示线路130与132在a、b两点(见图1)之间的线对线电压Vab。波形203表示线路130与地之间的线对零线电压Van。线路130上点a的电压(的相位角)超前线路132上点b的电压120°，线路132上点b的电压超前线路136上点c的电压120°(a-b-c循环)。
如果负载102是以稳态速度运转的电动机，起动器150从电源112输送额定电流到电动机。当电压Vab位于正半周时，晶闸管144可以在30°以后(a-b-c循环)就触发，并且负载电压Vde跟随电压Vab的正半周。当电压Vab位于负半周时，晶闸管142可以在30°以后(a-b-c循环)就触发，并且负载电压Vde跟随电压Vab的负半周。晶闸管对106及108类似地工作。
在以稳态速度正常工作期间，在任何时间或者晶闸管142导通、或者晶闸管144导通。接着，晶闸管对104的跨接电压Vad理论上保持为零。如果晶闸管142及144之一开路故障，则在输入电压Van的每个周期内，晶闸管对104的跨接电压Vad的绝对值在某些点上显著地大于零，即电压Vad是脉动的。电压Vad中的脉冲产生输送到微处理器326的逻辑脉冲。微处理器326，在应用程序328的指令下，检测一个或多个逻辑脉冲，并发送信号指出晶闸管对104中开路故障的晶闸管。
在电动机稳态工作期间，本发明的方法和系统检测晶闸管的跨接电压，并在该晶闸管的跨接电压在预定时间周期内不保持低于阈值时，指示开路故障的晶闸管。该预定时间周期可能是在其它值之间的电压Van的一个或半个周期。
在正常电动机稳态工作期间，因为电流Ia是一直连续的，所以没有电流流经故障检测器110。因而LED对316及318不发光，而微处理器326在正常工作期间接收不到逻辑脉冲。
在本发明的方法和系统中，不需要知道晶闸管对104的跨接电压Vad的精确值。唯一重要的是电压Vad是否一直在0伏左右，或是否电压Vad在一个大于阈值的值上脉动。
微处理器326可以使用在应用程序328实现的数字滤波来确定由光耦合器310产生的电压平均值。如果该平均值上升到给定阈值之上，则对于晶闸管对104的开路晶闸管指示信号会发出。
故障检测器114及116类似于故障检测器110进行工作，分别检测晶闸管对106及108的故障。同样地，微处理器326连接到故障检测器114及116，以在电动机稳态工作期间检测开路故障的晶闸管。
(在电动机加速期间短路故障的晶闸管的检测)如果负载102是在起动时加速的电动机，则晶闸管142及144被延迟触发以控制输送到电动机的电流。再参见图2，波形202和204表示流经线路130的电流Ia，此时晶闸管对104在α角被延迟触发以减少输送到负载102的电流，这里假定负载102是有阻抗的。波形206和208表示晶闸管对104的跨接电压Vad，此时晶闸管对104在α角被延迟触发。波形202和206表示正常工作，和波形204和208表示在晶闸管的短路故障期间工作。
当电压Van位于正半周，并且晶闸管144在α角期间未被触发，则电流Ia保持为零，如波形202的212部分所示。当晶闸管144在α角以后被触发，则晶闸管144导通，并且电流Ia增加，如波形202的区域220所示。当电压Van位于负半周，并且晶闸管142在α角期间未被触发，则电流Ia为零，如波形202的214部分所示。当晶闸管142在α角被触发，则晶闸管142导通，并且电流Ia减少，如波形202的区域210所示。在延迟α角期间，晶闸管对104的跨接电压Vad等于电压Van，因为负载102有阻抗的。如果负载102是三相电动机，Vad将等于电压Van减去在延迟α角期间的电动机的反电动势(EMF)。
在图2中，波形204表示当晶闸管144短路故障时的电流Ia，此时晶闸管对104被在α角延迟触发以减少输送到负载102的电流。波形208表示当晶闸管142短路故障时的晶闸管对104的跨接电压Vad，此时晶闸管对104在α角被延迟触发以减少输送到负载102的电流。当Van位于它的正半周时，不管晶闸管142及144之一是否被触发，电流Ia是非零且为正值，如波形204的区域216所示。类似地，当Van位于它的负半周时，不管晶闸管142及144之一是否被触发，电流Ia是非零且为负值，如波形204的区域218所示。因为晶闸管144短路，晶闸管对104的跨接电压Vad在任何时候都等于零，如波形208所示。
如上所示，在电动机加速期间，当晶闸管对104以大α角适当地工作，电流Ia是不连续的。换句话说，电流Ia在它变换极性之前瞬时为零。应注意到波形201至208是针对负载102有阻抗的时候。选择阻抗负载是为了说明目的。如果负载102是电动机，这些波形将不相同，但即使相同，本发明的这个工作也不会改变。
因此，在电动机加速期间，LED对316及318在来自电源112的输入电流的每个整周期内发出两次光脉冲322。因而，在电动机加速期间，如果晶闸管142及144适当地工作，则在线路130上的输入电源112的每个周期内，微处理器326应该接收到两次逻辑脉冲。
如果负载102是电动机，则在电动机加速期间晶闸管对104的跨接电压是脉动的，也就是说，当晶闸管对104导通时，该电压保持为零；当晶闸管对104未导通时，该电压保持为非零。当晶闸管142及144之一短路故障时，脉动停止，并且电路输出理论上保持为零，指示晶闸管142或144中的短路晶闸管。
所以，本发明中的方法和系统检测晶闸管对104的跨接电压。本发明中的方法和系统在当微处理器326确定在电动机起动的时间周期内晶闸管对的跨接电压不脉动时，指示短路晶闸管。本发明中的方法和系统在电动机起动的时间周期内晶闸管的跨接电压保持低于阈值时，指示短路故障的晶闸管。该时间周期可能是在其它值之间的一个或半个周期。
脉冲的持续时间是延迟角α造成的。微处理器326使用在应用程序328实现的数字滤波来确定由光耦合器310产生的电压平均值。如果该平均值下降到给定阈值之下，则晶闸管对104的短路晶闸管指示信号会发出。
故障检测器114及116类似于故障检测器110进行工作，分别检测晶闸管对106及108的故障。同样地，微处理器326连接到故障检测器114及116，以在电动机加速期间检测短路故障的晶闸管。
(电动机起动之前短路故障的晶闸管的检测)如果负载102是电动机，电动机起动之前，该电动机在关闭状态，即没有晶闸管导通。该电动机表现为来自起动器150的三条电源线130、132及136中每两条之间的低阻抗。虽然第一阻尼网络的阻抗比故障检测器110的阻抗要低很多，但是第一阻尼网络的阻抗比停转时的电动机阻抗要高很多。因而，在电动机起动之前，故障检测器110的跨接电压Vad是正弦波，且等于电压Van除以3的平方根。因而，LED对316及318之一导通，并且晶体管308输出逻辑高电平。
如果晶闸管142及144之一短路故障，则电压Vad理论上为零，并且晶体管308输出逻辑低电平。对于晶闸管对106及108的晶闸管故障检测也类似地进行。
本发明中的方法和系统检测晶闸管对104的跨接电压Vad。如果电压Vad连续地小于Van，则短路晶闸管的信号发出。类似地，本发明中的方法和系统还检测晶闸管对106的跨接电压Vbe、和晶闸管对108的跨接电压Vcf，以检测在电动机起动之前晶闸管145至148是否有短路故障。
图4是本发明中用于检测在晶闸管对104中的故障晶闸管的处理400的流程图。在图3中，存储器334存储用于实现处理400的应用程序328。
首先，本发明中的方法和系统确定电动机是否处于稳态(步骤402)。如果电动机处于稳态，本发明中的方法和系统检测晶闸管对104的跨接电压Vad(步骤404)，并确定电压Vad是否脉动(步骤406)。如果该电压是脉动的，则发出信号指示开路故障的晶闸管(步骤408)。如果该电压不是脉动的，则没有故障指示信号发出(步骤410)。
本发明中的方法和系统确定电动机是否处于加速状态(步骤412)。如果电动机正在加速，本发明中的方法和系统检测晶闸管对104的跨接电压Vad(步骤414)，并确定电压Vad是否脉动(步骤416)。如果该电压是脉动的，则没有故障指示信号发出(步骤418)。如果该电压不是脉动的，则发出信号指示短路故障的晶闸管(步骤420)。
本发明中的方法和系统确定电动机是否已关闭(步骤412)。如果电动机已关闭，本发明中的方法和系统检测晶闸管对104的跨接电压Vad(步骤424)，并确定电压Vad是否非零，或小于Van(步骤426)。如果该电压非零，则没有检测到故障(步骤428)。如果该电压为零，则发出信号指示短路故障的晶闸管(步骤430)。
本发明中的方法和系统将处理400的各步骤应用于电源线132上的晶闸管对106的跨接电压Vbe和电源线136上的晶闸管对108的跨接电压Vcf。
本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，可以对前述实施例进行各种修改和变化。例如，即使最常用的受控整流器是晶闸管，但是任何受控整流器都可满足要求。此外，负载也可能不是电动机；本发明中的方法和系统可用于任何类型的负载。
本发明不限于本发明的描述。而是，提供了多个例子和解释，以使本领域的技术人员使用不同的途径实现本发明。下述权利要求限定了本发明真正的实质和范围。
权利要求
1.一种用于检测在固态控制器中的短路故障的晶闸管的设备，该固态控制器用于在降压工作期间向负载供电，所述设备包括电压检测电路，其包括电阻、电容、和用于检测晶闸管的跨接电压的发光二级管；以及微处理器，其耦合在该电压检测电路上，用于在该晶闸管的跨接电压的绝对值在预定时间周期内保持低于阈值时，指示短路故障的晶闸管。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述负载是电动机。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述预定时间周期是控制器的输入电能的一个周期。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于包括并联到发光二级管的反相发光二级管，但其极性与发光二级管相反。
5.一种用于检测在固态控制器中的短路故障的晶闸管的方法，该固态控制器用于在降压工作期间向负载供电，所述方法包括检测晶闸管的跨接电压；以及当该晶闸管的跨接电压的绝对值在预定时间周期内保持低于阈值时，指示短路故障的晶闸管。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述预定时间周期是控制器的输入电能的一个周期。
7.一种用于检测在固态控制器中的短路故障的晶闸管的设备，该固态控制器用于在降压工作期间向负载供电，所述设备包括用于检测晶闸管的跨接电压的装置；以及用于在该晶闸管的跨接电压的绝对值在预定时间周期内保持低于阈值时指示短路故障的晶闸管的装置。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述负载是电动机。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述预定时间周期是控制器的输入电能的一个周期。
10.一种用于检测在固态控制器中开路故障的晶闸管的设备，该固态控制器用于在满载电压工作期间向负载供电，所述设备包括电压检测电路，其包括电阻、电容、和用于检测晶闸管的跨接电压的发光二级管；以及微处理器，其光耦合在该电压检测电路上，用于在该晶闸管的跨接电压的绝对值超过阈值时，指示开路故障的晶闸管。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述负载是电动机。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述预定时间周期是控制器的输入电能的一个周期。
13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于包括并联到发光二级管的反相发光二级管，但其极性与发光二级管相反。
14.一种用于检测在固态控制器中开路故障的晶闸管的方法，该固态控制器用于在满载电压工作期间向负载供电，所述方法包括检测晶闸管的跨接电压；以及当该晶闸管的跨接电压的绝对值超过阈值时，指示开路故障的晶闸管。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述预定时间周期是对控制器输入电能的一个周期。
16.一种用于检测在固态控制器中开路故障的晶闸管的设备，该固态控制器用于在满载电压工作期间向负载供电，所述设备包括用于检测晶闸管的跨接电压的装置；以及用于在该晶闸管的跨接电压的绝对值超过阈值时指示开路故障的晶闸管的装置。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于所述负载是电动机。
全文摘要
本发明中的方法和系统检测在固态控制器中短路故障的晶闸管,该固态控制器用于在降压工作期间向负载供电。本发明中的方法和系统检测晶闸管的跨接电压,并在该晶闸管的跨接电压的绝对值在预定时间周期内保持低于阈值时,指示短路故障的晶闸管。本发明中的方法和系统检测在满载电压工作期间固态控制器中开路故障的晶闸管。本发明中的方法和系统检测该晶闸管的跨接电压,并在该晶闸管的跨接电压的绝对值超过阈值时,指示开路故障的晶闸管。
文档编号H02H7/08GK1361935SQ00810643
公开日2002年7月31日 申请日期2000年8月9日 优先权日1999年8月13日
发明者伊凡·杰德里克, 哈罗德·R·施奈茨卡, 格雷戈里·K·比弗森 申请人:约克国际公司