专利名称：检测一个故障晶体闸流管的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测一个故障晶体闸流管(thyristor)，尤其涉及检测降压固态电机起动器中的一个出故障时打开(failed-open)的晶体闸流管。
背景技术：
电动机经常使用“晶体闸流管”，也称之为“硅可控整流器”(“SCRs”)，作为电机控制电路的一部分。晶体闸流管可被认为是一个可换向的二极管，具有三个端子栅极、阳极和阴极。如果在该晶体闸流管的阳极和阴极之间施加一个小于击穿电压的供电电压，而不施加给栅极“触发”电流或电压(触发信号)，则该晶体闸流管“截止”，即，从阳极到阴极没有电流流过。如果施加栅极一个触发信号，则该晶体闸流管的阳极和阴极之间的电压下降到一个比供电电压低很多的值，而且该晶体闸流管“导通”，即，电流通过该晶体闸流管从阳极流到阴极。如果通过该晶体闸流管的电流保持高于一个保持电流的话，晶体闸流管一旦导通就能保持导通，而不论栅极有无触发信号。为使该晶体闸流管截止，阳极到阴极的电流必须降低到一个低于该设备的保持电流值的值。
在技术上众所周知的是，固态起动器或控制器，控制电机起动时从电源到该电机的电流流量。这些起动器具有晶体闸流管开关，能逐渐增大供给电机的电流。利用这些晶体闸流管开关，起动器调节晶体闸流管导电和通电的时间周期。换言之，起动器控制何时供给电机来自电源的电流。通过控制起动期间供给电机的电流，电机逐渐到达满工作速度。
当不用这种起动器起动电动机时，电动机获取的电流可能过大，典型地是稳态电流的6倍，即，到达满工作速度的电流。这种大电流涌入可造成功率分配系统的电压下降，导致光线暗淡和闪烁以及扰乱临近设备。另外，电机的转矩可能急速上升而且振荡，这些将对电机的机械部件或与之相连的任何器件产生负面影响。
起动器中的晶体闸流管故障也可能导致电机功能失常。晶体闸流管故障一般导致电源状态不稳定，这可能引起大的转矩振荡，能损坏电机驱动的机械耦合和传动装置。当前的一些晶体闸流管故障检测器使用电子电路来检测开路(open)晶体闸流管故障，即，晶体闸流管何时预定导通但又无法导通。这些晶体闸流管故障检测器通过测量电源线上的变流器生成的三个电压间接测量通过三根电源线的三个电流。这些三个电压被整流和相加。这个和信号在理想情况下落入一定范围，这个范围是系统工作正常的特征范围。如果和信号没有落入这个预定范围，而且这种情形持续了一个预定的时间周期，那么检测器通知有故障。这个检测器电路假设，在晶体闸流管故障的情况下，通过使该和信号出现过多波动的方式使电机电流波形失真。然而，这个假设有两个问题可能引起检测器故障。
首先，可能因晶体闸流管故障外的其他原因导致电机电流波形失真。例如，电机可能工作于磁饱和。在这种情况下，影响和信号的波动可能使得故障检测器错误地检测到一个故障状态。第二，如果晶体闸流管无法开路，失真的和信号可能持续一段比预定时间短得多的时间周期，而且该故障变得无法检测。缩短该预定时间将不仅增大检测电路的灵敏性，而且可能导致误检测。
因此，在电机工作期间需要快速检测一个出故障时打开的晶体闸流管，而不会引起误检测。
发明内容
一种与本发明一致的方法检测在一个通过输入为负载提供功率的固态控制器或起动器中，一个晶体闸流管是否出故障打开。本方法包括测量在该输入的一个周期期间提供给该负载的瞬时功率，确定该输入周期内提供给该负载的峰值功率，计算该输入周期内提供给该负载的平均功率，以及通过比较该峰值功率和平均功率的大小确定是否该晶体闸流管出故障时打开。
与本发明一致的装置检测在一个通过输入为负载提供功率的固态控制器中，一个晶体闸流管是否出故障打开。该装置包括一个用于测量在该输入的一个周期期间提供给该负载的瞬时功率的功率计，包含一个程序，用于确定该输入周期内提供给该负载的峰值功率，计算该输入周期内提供给该负载的平均功率，以及通过比较该峰值功率和平均功率的大小确定该晶体闸流管是否出故障打开的存储器；以及一个用于运行该程序的处理器。
上述的概述和下面的详细描述不应限制本发明的权利要求范围。它们只是为使其他人实施本发明提供例子和说明。构成本发明具体描述一部分的附图示出了本发明的一个实施例，这些附图与这些描述一起说明本发明的原理。
包含于内而且构成本说明书一部分的附图示意了本发明的实施例，而且与这些描述一起用于说明本发明的原理。在这些附图中，图1为与本发明一致的，由带有固态起动器或控制器、对负载供电的三相交流电源构成的电路的原理图；图2的曲线图表示电源线上的电流以及在图1的三相交流电源112的电源线之间的电压；图3为用于检测在一个固态电动机起动器中一个晶体闸流管是否出故障时打开的过程的流程图；以及图4描绘了适合使用与本发明一致的方法和系统的数据处理系统。
具体实现方式下面对本发明实施例的描述参考附图。
图1为与本发明一致的，带有降压固态控制器150、对负载102供电的三相交流电源112的原理图。如上所述，起动器150在起动期间以一种众所周知的方式降低提供给负载102的电流。负载102可包括一个三相电动机，它可驱动一个致冷系统的各个部件。该致冷系统可包括一个压缩机，一个冷凝器，一个热交换器以及一个蒸发器。
三相交流电源112通过第一电源线130、第二电源线132以及第三电源线136给负载102供电。每根电源线传输交流电流，但均具有不同的相位角。线130具有第一对晶体闸流管104，包括第一晶体闸流管142和第二晶体闸流管144。晶体闸流管142和144“背对背”连接，即，晶体闸流管142的阳极连接晶体闸流管144的阴极，反之亦然。类似于电源线130，电源线132具有第二对背对背连接的晶体闸流管106，而电源线136具有第三对背对背连接的晶体闸流管108。用于定时和触发晶体闸流管对104、106和108的控制电路是众所周知的，因此没有示出。
三相电源112在电源线130、132和163上输出具有正半周期和负半周期的正弦曲线电压，每个电压有不同的相位角。图2的曲线图表示在图1的三相电源112的电源线130、132和136之间的电压。曲线201表示电源线130和132之间的线间电压Vab。曲线205表示电源线130和136之间的线间电压Vac。曲线203表示电源线130和地之间的线间电压Van。电源线130上点a的电压超前电源线132上点b的电压120°，点b的电压又超前电源线136上点c的电压120°(a-b-c旋转)。当电压Vab在正半周期时，晶体闸流管144可早在30°后触发(a-b-c旋转)，而且直到电流的整个正半周期通过电源线130的电流为Ia，当电压Vab为负半周期时，晶体闸流管142可早在30°后触发(a-b-c旋转)，而且直到电流的整个负半周期通过电源线130的电流为Ia。这个众所周知的过程同样适用于晶体闸流管对106和108。
然而如果负载102为一个电机在启动期间加速，晶体闸流管142和144以延迟方式被触发，以便控制供给电机102的电流。再参考图2，曲线202和204表示当负载102为电阻性，在晶体闸流管对104以延迟方式被触发时通过电源线130的电流Ia。为示意起见，选择阻性负载以简化曲线202和204。尽管三相电机不是电阻性的，但在负载102为电机时本发明的操作也是类似的。曲线202表示正常操作，而曲线204表示晶体闸流管无法传导时的操作。
对于曲线202，当电压Vab在正半周期而且晶体闸流管144以角α被触发时，那么晶体闸流管144导通，而且电流Ia增大并在其正导通周期的前半部分跟随(follow)电压Vab，而在其正导通周期的后半部分跟随电压Vac，如区域206所示。当电压Vab在负半周期而且晶体闸流管142以角α被触发时，那么晶体闸流管142导通，而且电流Ia降低并在其负导通周期的前半部分跟随电压Vab，而在其负导通周期的后半部分跟随电压Vac。该周期接着重复进行。从曲线202可看出，电流Ia的DC分量在正常操作期间为0。这个分析是众所周知的，而且对晶体闸流管对106和108也适用。
同样地，对于曲线204，当Vab在正半周期而且晶体闸流管144以角α被触发时，那么晶体闸流管144导通，而且电流Ia增大并在其正导通周期的前半部分跟随电压Vab，而在其正导通周期的后半部分跟随电压Vac，如区域210所示。当电压Vab在负半周期而且晶体闸流管142在角α期间无法触发或无法导通时，那么电流Ia在Van的负半周期期间仍为0，如曲线204的212部分所示。从曲线204可看出，电流Ia的DC分量在晶体闸流管无法导通时不为0。同样地，这个众所周知的分析也同样适用于晶体闸流管对106和108。
在与本发明一致的方法和系统中，第一电压计110检测第三电源线136和第一电源线130之间的瞬时电压Vca，而第二电压计111检测第二电源线132和第三电源线136之间的瞬时电压Vbc。在与本发明一致的方法和系统中，第一磁耦合的安培计114检测第一电源线130上的瞬时电流Ia，而第二磁耦合的安培计116检测第二电源线132上的瞬时电流Ib。
第一安培计114包括变流器118、电阻器120以及电压计122。断开第一电源线130来测量电流Ia很方便，这样第一安培计114能检测磁感应电流Ia。通过电源线130的交流电流Ia产生一个时变磁场，它在变流器118中感应一个电流，流过电阻120。电压计122测量电阻器120之间的电压，这个电压确定通过电阻器120的电流，由此确定通过第一电源线130的电流Ia。同样，第二安培计116也包括变流器124、电阻器126和电压计128。应注意的是，安培计114和116无法检测通过第一电源线130和第二电源线132的直流电流，这是因为直流电流生成静态磁场，这个磁场无法在诸如变流器118或变流器124的固定线圈中感应电流。
如果在任何电源线130、132或136中的晶体闸流管对104、106或108的任何一个晶体闸流管142-148出故障时打开，或无法导通，那么有故障的电源线只传输具有AC和非0 DC分量的单向电流。此外，如果任何一个晶体闸流管142-148出故障时打开，那么所有三根电源线的电流Ia、Ib和Ic都有AC和非0 DC分量。如上所述，安培计114和116无法检测稳态时电流的DC分量，但它们在故障事件后的转换期间能检测DC分量30～130ms。这个转换时间周期由变流器设计和变流器电阻值确定。因此，在出故障时打开状态后的30～130ms，安培计114和116仅能检测电流的AC分量，这个分量的值几乎不受该故障的影响。
电机稳态速率期间的晶体闸流管故障如果负载102为电机，而且如果在该电机正运行于或约等于其额定速率时任何一个晶体闸流管142-148出故障时打开，电机继续运转，但该电机的转矩包含叠加到一个正平均值上的大振荡。如上所述，这些振荡可能导致该系统出现机械或电气故障。这些振荡是具有非0 DC和AC分量的所有三个电流Ia、Ib和Ic导致的。电流Ia中的DC分量指示这个故障，但由于安培计114、116磁耦合，因此很难检测该DC分量。
与本发明一致的方法和系统测量第一瞬时线电流Ia，第二瞬时线电流Ib，第一瞬时线电压Vca，以及第二瞬时线电压Vbc。安培计114、116以及电压计110、111每隔160ms或每周期约100次分别测量或抽样电流Ia、Ib以及电压Vca、Vbc。与本发明一致的方法或系统接着计算瞬时功率P为P＝Ia Vca+Ib Vbc。通过这种方式测量供给负载102的功率通常称为“2-瓦特计”方法。
当电机工作于稳态没有晶体闸流管故障时，P为恒定值。任何一个晶体闸流管142-148出故障时打开后，P保持为正值，但值改变而且有波动。因此，晶体闸流管故障将改变利用2-瓦特计方法测量的功率信号。
与本发明一致的方法和系统接着计算每个周期期间的峰值功率Ppeak和平均功率Pavg。通过由电压计110和111的测量计算的电压Vab的正斜率零交叉确定一个周期。接着利用与本发明一致的方法或系统计算功率比＝(Ppeak-Pavg)/Pavg。
表I示出了峰值功率Ppeak，平均功率Pavg，峰值功率Ppeak和平均功率Pavg之差，以及在有晶体闸流管故障的电机全速工作期间的功率比。通过模拟790Hp(马力)的电机得到该数据，其中晶体闸流管142-148中有一个闸流管在不同负载的电机全速工作时出故障打开。
表I电机全速期间的晶体闸流管故障从表I可看出，有出故障打开的晶体闸流管时，功率比的范围从14.38％到114.29％。另一方面，当电机在任何负载全速运行而没有出故障打开的晶体闸流管时，功率比接近0而且总是远小于10％。因此，与本发明一致的方法和系统在功率比超过一个第一预定门限时检测到一个出故障打开的晶体闸流管。在这个模拟中，当功率比的值(Ppeak-Pavg)/Pavg超过例如10％时识别一个出故障打开的晶体闸流管。
在试图启动电机前的晶体闸流管故障如果负载102为电机，而且如果在启动器150试图启动电机时任何一个晶体闸流管142-148已经发生故障，则该电机将不转动。同样，与本发明一致的方法和系统测量第一瞬时线电流Ia，第二瞬时线电流Ib，第一瞬时线电压Vca以及第二瞬时线电压Vbc。电压计110、111以及安培计114、116每隔160ms或每个周期约100次分别测量电压Vca、Vbc以及电流Ia、Ib。与本发明一致的方法和系统接着计算瞬时功率P为P＝Ia Vca+Ib Vbc。如果在启动之前任何一个晶体闸流管142-148发生故障，则提供给电机的功率平均值很小，引起电机损耗。
类似于前一情况，与本发明一致的方法和系统接着确定每个周期期间的峰值功率Ppeak和平均功率Pavg。通过由电压计110和111的测量计算的电压Vab的正斜率零交叉确定一个周期。接着，与本发明一致的方法和系统计算功率比＝(Ppeak-Pavg)/Pavg。
表II示出了峰值功率Ppeak、平均功率Pavg，峰值功率Ppeak与平均功率Pavg之差，以及当启动器150试图启动电机而且任何一个晶体闸流管142-148之前已出故障打开的功率比。
表II电机启动前的晶体闸流管故障从模拟790马力的电机可得到表II数据，其中一个晶体闸流管142-148在启动器150试图启动电机前出故障打开。在该模拟中，峰值电机线电流被限制为一个预定值以控制电机的涌入电流。如上所述，当启动器150试图启动电机时，该电机得到的涌入电流可能过大，典型地为稳态电流的6倍。因此，电机控制系统常限制所获电流为一个预定值，这个预定值在此情况下为0.45 LRA√(2)，LRA为“锁定转子安培数”，即防止转子转动时电机得到的电流。
从表II可看出，晶体闸流管142-148中有一个闸流管出故障打开时，功率比范围在739.8％～1064.7％。另一方面，当没有出故障打开的晶体闸流管而且借助晶体闸流管142-148限制电流时，如表III所示，功率比显著降低。表III示出了峰值功率Ppeak、平均功率Pavg，峰值功率Ppeak与平均功率Pavg之差，以及当启动器150试图而且成功启动电机以及所有晶体闸流管142-148工作正常时的功率比。表III数据是从模拟790马力的电机得到的，其中所有晶体闸流管142-148工作正常，峰值线电流被限制为0.45 LRA√(2)。从表III可看出，功率比在正常操作期间范围在207.5％～440.63％。
表III无晶体闸流管故障时启动电机由于即使在成功启动期间，即所有晶体闸流管142-148都正常转换而且涌入电流受控时，功率比远大于0，因此必需小心谨慎。功率比大是由非正弦曲线的电机电流造成的，而这又是与启动电机相关的非0点弧角导致的。当启动器150试图启动电机时，与本发明一致的方法和系统在功率比超出第二预定门限时检测到一个故障时打开的晶体闸流管。在这个模拟例子中，600％的第二预定门限将足以用于检测一个故障时打开的晶体闸流管，全速工作时这个第二预定门限与第一预定门限不同。
图3为用于检测在固态启动器150中是否有任何一个晶体闸流管142-148故障时打开的过程的流程图。首先，与本发明一致的方法和系统测量在该输入的一个周期期间供给负载102的瞬时功率(步骤302)。接着，与本发明一致的方法和系统确定峰值功率(步骤304)并计算该周期内供给负载102的平均功率(步骤306)。接着，与本发明一致的方法和系统确定该电机是否工作于稳态速率(步骤308)。如果该电机工作于稳态速率，与本发明一致的方法和系统利用第一预定门限确定是否任何一个晶体闸流管142-148故障时打开(步骤310)。如果该电机不是工作于稳态速率，那么与本发明一致的方法和系统确定该电机是否正启动或加速(步骤312)。如果启动器150试图启动该电机，与本发明一致的方法和系统利用第二预定门限确定是否任何一个晶体闸流管142-148故障时打开(步骤314)。
图4描绘了是适合使用与本发明一致的方法和系统的数据处理系统。计算机402包括存储器404、辅助存储设备406、诸如中央处理器(CPU)或微处理器的处理器408、输入设备410、显示设备414以及输出设备412。输入设备410可以是键盘、鼠标或二者。显示设备414可以是能显示图形用户接口的阴极射线管(CRT)。存储器414和辅助存储416可存储处理器408执行和使用的应用程序和数据。尤其是存储器404存储用于实现过程300的应用416。处理器408连接第一电压计110、第二电压计111、第一安培计114以及第二安培计116。因此，处理器408可输入瞬时电压Vca、瞬时电压Vbc、瞬时电流Ia以及瞬时电流Ib。
本领域的技术人员认识到，可对前面的例子进行各种修正和改进而不偏离本发明的范围或精神。例如，即使最通用的受控整流器为晶体闸流管，但任何类型的受控整流器都能满足要求。而且，尽管上面使用了两个安培计和电压计，但也可能使用两个以上的安培计和电压计，或只使用一个。此外，负载可能不是电机；与本发明一致的方法和系统适用任何类型的负载。当负载不是电机时，该固态启动器可称之为固态控制器。
在题目为“用于检测一个故障的晶体闸流管的方法和装置”，代理人卷号04646.0167-00000，同一天申请且转让给同一受让人的专利申请中，公开了用于检测故障晶体闸流管的另一种方法和装置，在此作为参考。在题目为“固态开关的高效驱动器电路”，代理人卷号04646.0166-00000，同一天申请且转让给与这个申请相同的受让人的专利申请中，公开了一种用于触发或驱动一个晶体闸流管或固态开关的方法和装置，在此作为参考。
本发明的描述并不限制本发明。相反，提供了允许普通技术人员理解实现本发明的不同方式的例子和说明。下面的权利要求书定义了本发明的真正的范围和精神。
权利要求
1.一种在一个通过输入为负载提供功率的固态控制器中，用于检测一个晶体闸流管是否出故障打开的方法，所述方法包括测量在该输入的一个周期期间提供给该负载的瞬时功率；确定在该输入周期提供给该负载的峰值功率；计算在该输入周期提供给该负载的平均功率；以及通过比较该峰值功率和平均功率的大小来确定是否该晶体闸流管出故障打开。
2.根据权利要求1的方法，其中确定晶体闸流管是否出故障打开的步骤包括通过从峰值功率中减去平均功率来计算功率差；以及通过将该功率差除以平均功率确定功率比。
3.根据权利要求2的方法，包括通知一个出故障打开的晶体闸流管，该功率比超过一个预定门限时的晶体闸流管状态。
4.根据权利要求2的方法，包括当控制器不降低施加到负载的电压时，通知一个出故障打开的晶体闸流管该功率比超过一个预定门限时的状态。
5.根据权利要求2的方法，包括当负载正启动时，通知一个出故障打开的晶体闸流管该功率比超过一个预定门限时的状态。
6.根据权利要求1的方法，其中测量瞬时功率包括将该负载的第一输入功率与该负载的第二输入功率相加。
7.根据权利要求1的方法，其中负载为电机，而且其中测量瞬时功率包括测量该电机的瞬时功率。
8.一种在一个通过输入为负载提供功率的固态控制器中，用于检测一个晶体闸流管是否出故障打开的装置，所述装置包括用于测量在该输入一个周期期间提供给该负载的瞬时功率的装置；用于确定在该输入周期提供给该负载的峰值功率的装置；用于计算在该输入周期提供给该负载的平均功率的装置；以及通过比较该峰值功率和平均功率的大小来确定该晶体闸流管是否出故障打开的装置。
9.根据权利要求8的装置，其中确定晶体闸流管是否出故障打开的装置包括通过从峰值功率中减去平均功率来计算功率差的装置；以及通过将该功率差除以平均功率来确定功率比的装置。
10.根据权利要求9的装置，包括用于通知一个出故障打开的晶体闸流管，该功率比超过一个预定门限时的晶体闸流管状态的装置。
11.根据权利要求9的装置，包括当控制器不降低施加到负载的电压时，用于通知一个出故障打开的晶体闸流管功率比超过一个预定门限时的状态的装置。
12.根据权利要求9的装置，包括当负载正启动时，用于通知一个出故障打开的晶体闸流管功率比超过一个预定门限时的状态的装置。
13.根据权利要求8的装置，其中测量瞬时功率的装置包括用于将该负载的第一输入功率与该负载的第二输入功率相加的装置。
14.根据权利要求8的装置，其中负载为电机。
15.一种在一个通过输入为负载提供功率的固态控制器中，用于检测一个晶体闸流管是否出故障打开的装置，所述装置包括用于测量在该输入一个周期期间提供给该负载的瞬时功率的功率计；一个存储器，包含一个程序，用于确定在该输入周期提供给该负载的峰值功率，计算在该输入周期提供给该负载的平均功率，以及通过比较该峰值功率和平均功率的大小来确定是否该晶体闸流管出故障打开；以及用于运行该程序的处理器。
16.根据权利要求15的装置，其中该程序还用于通过从峰值功率中减去平均功率计算功率差，以及通过将该功率差除以平均功率确定功率比，来确定该晶体闸流管是否出故障打开。
17.根据权利要求16的装置，其中该程序还用于通知一个出故障打开的晶体闸流管，该功率比超过一个预定门限时的晶体闸流管状态。
18.根据权利要求16的装置，其中该程序还用于当控制器不降低施加到负载的电压时，通知一个出故障打开的晶体闸流管该功率比超过一个预定门限时的状态。
19.根据权利要求16的装置，其中该程序还用于当负载正启动时，通知一个出故障打开的晶体闸流管该功率比超过一个预定门限时的状态。
20.根据权利要求15的装置，其中功率计测量瞬时功率为该负载的第一输入功率与该负载的第二输入功率之和。
21.根据权利要求15的装置，其中负载为电机。
全文摘要
一种用于检测在一个负载的交流输入相位中,一个晶体闸流管是否出故障打开的与本发明一致的方法或系统,包括测量在该输入的一个周期期间提供给该负载的瞬时功率,确定该输入周期内提供给该负载的峰值功率,计算该输入周期内提供给该负载的平均功率,以及通过比较该峰值功率和平均功率的大小确定是否该晶体闸流管出故障时打开。
文档编号G01R19/00GK1369064SQ00811512
公开日2002年9月11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·加德里克, 哈罗德·R·施内特兹卡 申请人:约克国际有限公司