变频器的过电流保护装置及保护方法
【专利摘要】本发明提供一种变频器的过电流保护装置，电流互感器1的二个一次绕组分别串联在功率单元的A相、C相输入回路中，二次绕组1a、1b分别连接到电流采集处理板2。电流采集处理板2中的采样电路2a通过电流互感器1（1a、1c）对功率单元的A相、C相输入电流进行采样，信号处理电路2b根据采样得到的采样值在变频器的不同工作状态，使用不同的比较通道与比较值进行比较，判断功率单元是否过流。过流时的过流信号通过端口2c输入到变频器控制器3，变频器控制器3根据过流信号，控制设置在移相变压器YB输入回路中的高压断路器4断开，停止对功率单元的供电。
【专利说明】变频器的过电流保护装置及保护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及变频器的过电流保护装置及保护方法。
【背景技术】
[0002]变频器在使用中，由于一些故障会引起功率单元的过电流，为了保护功率单元，需要采取一定的过电流保护措施，通常是用熔断器进行保护。但用熔断器保护存在一个弊端，由于功率单元在上电时冲击电流很大(有启动电阻能达到5倍的额定电流；无启动电阻能达到10倍的额定电流)，为了避免上电时冲击电流造成的误动作，熔断器的选型(熔断电流)往往需要偏大，而运行过程中需要进行保护的电流值往往只有2倍以内的额定电流。所以就出现一个矛盾，熔断器的熔断电流选择小了，在变频器上电时容易被冲击电流熔断产生误动作；熔断器的熔断电流选择大了，虽可以避免在变频器上电时被冲击电流熔断，但在运行时无法有效的对功率单元进行保护，容易造成较大的经济损失。
[0003]解决这一问题比较常用的方法是，在输入电源侧加一个启动电阻，在启动时启动电阻串联到输入侧，当母线电压稳定后，通过开关把启动电阻去掉，这种方法虽可以在一定程度上限制启动电流，避免熔断器被冲击电流被熔断，但结构复杂，而且要将启动电流限定在2倍额定电流以内，需要的电阻阻值和功率都非常大，不能从根本上解决问题。而且熔断器属于一次性器件，其本身的价格又较贵，使用成本也较高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种变频器的过电流保护装置及保护方法，具有结构简单，经济性好，不仅能够在功率单元上电时避免因冲击电流造成的误动作，还能在过电流时有效地保护功率单元。
[0005]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]第一技术方案为一种变频器的过电流保护装置，其特征在于，
[0007]包括，
[0008]电流采样模块，由其对功率单元的输入电流进行采样，
[0009]整流模块，由其将采样电流或采样电压整流成直流的检测值，
[0010]第一比较模块，由其将所述检测值与第一比较值进行比较，在检测值大于第一比较值时，输出过电流信号，第一比较值根据功率单元上电时的启动电流设定，
[0011]第二比较模块，由其将所述检测值与第二比较值进行比较，在检测值大于第二比较值时，输出过电流信号，第二比较值根据功率单元的最大工作电流设定，
[0012]比较通道选择模块，其根据变频器的运行信号，在有运行信号输入时选择第二比较模块进行比较，没有运行信号时选择第一比较模块进行比较，
[0013]断路器控制器，其根据所选择的第一或第二比较模块输出的过电流信号，控制变频器或功率单元的断路器，切断对功率单元的供电。
[0014]第二技术方案是在第一技术方案的基础上构成，其特征在于，[0015]还包括电流互感器，电流互感器的一次绕组串接在功率单元的输入回路中，所述电流采样模块通过二次绕组对功率单元的输入电流进行采样。
[0016]第三技术方案是在第二技术方案的基础上构成，其特征在于，
[0017]所述电流互感器为两相电流互感器，所述电流采样模块通过两相电流互感器对功率单元的两相输入电流进行采样，根据采样电流计算出第三相输入电流的采样电流。
[0018]第四技术方案是在第三技术方案的基础上构成，其特征在于，
[0019]所述电流互感器与所述电流采样模块之间设置有电压跟随器。
[0020]第五技术方案是在第四技术方案的基础上构成，其特征在于，
[0021 ] 所述第一比较模块由运算放大电路和比较器构成，所述第二比较模块由运算放大电路和比较器构成，所述第一比较模块的比较器的设定比较值根据功率单元上电时的启动电流设定，所述第二比较模块的比较器的设定比较值根据功率单元的最大工作电流设定。
[0022]第六技术方案是在第五技术方案的基础上构成，其特征在于，所述第一比较模块和第二比较模块通过光耦电路与所述比较通道选择模块连接。
[0023]第七技术方案是在第六技术方案的基础上构成，其特征在于，
[0024]所述比较通道选择模块包括与变频器控制器连接，用于接收运行信号的端口电路，三个反相器，两个与门电路，一个或门电路，第一反相器的输入端通过光耦电路与第一比较模块连接，第二反相器的输入端通过光耦电路与第二比较模块连接，第一反相器的输出端与第一与门电路的一输入端连接，第二反相器的输出端与第二与门电路的一输入端连接，端口电路与第二与门电路的另一输入端连接，并通过第三反相器与第一与门电路的另一输入端连接，第一与门电路、第二与门电路的输出端分别与或门电路的两个输入端连接，或门电路的输出端与断路器控制器连接。
[0025]第八技术方案是在第一至七中任一项的技术方案的基础上构成，其特征在于，
[0026]所述变频器为级联式高压变频器，所述断路器设置在移相变压器的输出或输入回路，所述断路器控制器设置在变频器控制器中。
[0027]第九技术方案为一种变频器的过电流保护方法，其特征在于，
[0028]包括，
[0029]电流采样步骤，由其对功率单元的输入电流进行采样，采样电流或采样电压由整流模块整流成直流的检测值，
[0030]第一比较步骤，由其将所述检测值与第一比较值进行比较，在检测值大于第一比较值时，输出过电流信号，第一比较值根据功率单元上电时的启动电流设定，
[0031]第二比较步骤，由其将所述检测值与第二比较值进行比较，在检测值大于第二比较值时，输出过电流信号，第二比较值根据功率单元的最大工作电流设定，
[0032]比较通道选择步骤，其根据变频器的运行信号，在有运行信号输入时选择第二比较步骤进行比较，没有运行信号时选择第一比较步骤进行比较，
[0033]断路器控制步骤，由其根据所选择的第一或第二比较步骤输出的过电流信号，控制变频器或功率单元的断路器，切断对功率单元的供电。
[0034]第十技术方案是在第九技术方案的基础上构成，其特征在于，
[0035]所述电流采样步骤中，对功率单元的两相输入电流进行采样，根据采样电流计算出第三相输入电流的米样电流。[0036]本发明的有益效果在于:设置两个比较通道，一个比较通道的比较值根据功率单元上电时的启动电流设定，另一个比较通道的比较值根据运行时的最大输出电流设定，在功率单元的不同阶段选用不同的比较通道的输出信号，判断功率单元的过电流，在过电流时，控制断路器，切断对功率单元或变频器的供电。
[0037]因此，不仅能够在功率单元上电时避免因冲击电流造成的误动作，还能在过电流时有效地保护功率单元。并且相比于一次性的熔断器，还具有结构简单，经济性好的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为高压级联式变频器的拓扑图；
[0039]图2为高压级联式变频器中的功率单元的电路图；
[0040]图3为用于高压级联式变频器的过电流保护装置的结构示意图。
[0041]图4为图3中电流采集处理板的采样电路和信号处理电路的模块图；
[0042]图5为电流采集处理板中的比较选择逻辑图。
【具体实施方式】
[0043]图1为高压级联式变频器的拓扑图，输入电流(三相电流)经移相变压器YB降压后对各个功率单元供电。变频器的每一相(A、B、C)由5个相同的功率单元(Al?A5、B1?B5、Cl?C5)串联而成，每一相中各个功率单元的输出电压叠加而形成高压的相电压对负载供电。各个功率单元由未图示的变频器控制器控制。
[0044]在移相变压器YB的输入回路中安装有高压断路器K，通过控制高压断路器K能够切断对功率单元的供电。
[0045]功率单元的过电流保护，现有技术中如图2所示是通过在功率单元的输入回路中串联高压熔断器FU来进行。由于高压熔断器FU具有经济性差，容易被启动时的上电电流熔断，不能有效地保护功率单元，在本发明中，不采用高压熔断器FU进行保护。取而代之在A相，C相输入回路中串联电流互感器，通过电流互感器对功率单元的A相、C相输入电流进行采样，通过信号处理判断功率单元过流，在过电流时，通过控制高压断路器K，切断对移相变压器YB的供电来保护功率单元。
[0046]以下对本发明的过电流保护装置的【具体实施方式】进行说明。
[0047]图3为用于高压级联式变频器的过电流保护装置的结构示意图。如图3所示，电流互感器I的二个一次绕组分别串联在功率单元的A相、C相输入回路中，二次绕组la、lb分别连接到电流采集处理板2。电流采集处理板2中的采样电路2a通过电流互感器I (la、lc)对功率单元的A相、C相输入电流进行采样，信号处理电路2b根据采样得到的采样值在变频器的不同工作状态，使用不同的比较通道与比较值进行比较，判断功率单元是否过流。过流时的过流信号通过端口 2c输入到变频器控制器3，变频器控制器3根据过流信号，控制设置在移相变压器YB输入回路中的高压断路器4 (图1中的K)断开，停止对功率单元的供电。
[0048]图4为图3中电流采集处理板的采样电路和信号处理电路的模块图。如图4所示，A相电流采样电路21a、C相电流采样电路21c分别通过并接在电流互感器I的二次绕组la、lb两端的精密采样电阻对功率单元的A相、C相输入电流进行采样。A相电流采样电路21a、C相电流采样电路21c与后续电路之间设置有电压跟随器22a、22c，使采样值不受后续电路的影响。计算B相电流电路22b例如为减法电路，根据A相电流、C相电流的采样值，计算出B相电流的采样值。各个采样值通过(三相)精密整流电路23，得到三相电流六个相互交错的峰值，然后将其经过两个放大倍数不同的放大电路24a、24b，分别将启动与正常运行时候的电流阈值放大到3V左右，然后在经过比较器25a、25b与3V基准源(设定比较值)进行比较，得到脉冲信号，即，放大电路24a、24b的输出电压大于3V时，此时，功率单元启动与正常运行时候的电流已超过电流阈值，比较器25a、25b输出正的过电流信号。
[0049]图5为电流采集处理板中的比较选择逻辑图。比较选择逻辑利用FPGA(现场可编程门阵列)实现。其逻辑为，第一反相器28a的输入端通过光耦电路26a与比较器25a连接，第二反相器28b的输入端通过光稱电路26b与比较器25b连接,第一反相器28a的输出端与第一与门电路30a的一输入端连接,第二反相器28b的输出端与第二与门电路30b的一输入端连接，与变频器控制器3连接，输入运行信号的端口电路27与第二与门电路30b的另一输入端连接，并通过第三反相器29a与第一与门电路30a的另一输入端连接，第一与门电路30a、第二与门电路30b的输出端分别与或门电路31的两个输入端连接，或门电路31的输出端通过图3所示的端口电路2c与变频器控制器3的连接。
[0050]这样在没有运行信号输入时，比较器25a的过流信号被输出；有运行信号输入时，比较器25b的过流信号被输出。因此不论是启动还是正常运行时，变频器控制器3能够根据各个阶段通过不同阈值检测到过流信号，控制设置在移相变压器YB输入回路中的高压断路器4 (图1中的K)断开，保护对功率单元。
[0051 ] S卩，本发明中，通过设置两个比较通道，一个比较通道的比较值根据功率单元上电时的启动电流设定，另一个比较通道的比较值根据运行时的最大输出电流设定，因此，能够根据启动和正常运行的两种不同工作状态分别对过电流进行判断，这样不仅能够在功率单元上电时避免因冲击电流造成的误动作，还能在过电流时有效地保护功率单元。相比于一次性的熔断器，具有结构简单，经济性好的特点。
[0052]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭示的技术范围内，能进行各种替换和改变，其都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种变频器的过电流保护装置，其特征在于， 包括， 电流采样模块，由其对功率单元的输入电流进行采样， 整流模块，由其将采样电流或采样电压整流成直流的检测值， 第一比较模块，由其将所述检测值与第一比较值进行比较，在检测值大于第一比较值时，输出过电流信号，第一比较值根据功率单元上电时的启动电流设定， 第二比较模块，由其将所述检测值与第二比较值进行比较，在检测值大于第二比较值时，输出过电流信号，第二比较值根据功率单元的最大工作电流设定， 比较通道选择模块，其根据变频器的运行信号，在有运行信号输入时选择第二比较模块进行比较，没有运行信号时选择第一比较模块进行比较， 断路器控制器，其根据所选择的第一或第二比较模块输出的过电流信号，控制变频器或功率单元的断路器，切断对功率单元的供电。
2.根据权利要求1所述的变频器的过电流保护装置，其特征在于， 还包括电流互感器，电流互感器的一次绕组串接在功率单元的输入回路中，所述电流采样模块通过二次绕组对功率单元的输入电流进行采样。
3.根据权利要求2 所述的变频器的过电流保护装置，其特征在于， 所述电流互感器为两相电流互感器，所述电流采样模块通过两相电流互感器对功率单元的两相输入电流进行采样，根据采样电流计算出第三相输入电流的采样电流。
4.根据权利要求3所述的变频器的过电流保护装置，其特征在于， 所述电流互感器与所述电流采样模块之间设置有电压跟随器。
5.根据权利要求4所述的变频器的过电流保护装置，其特征在于， 所述第一比较模块由运算放大电路和比较器构成，所述第二比较模块由运算放大电路和比较器构成，所述第一比较模块的比较器的设定比较值根据功率单元上电时的启动电流设定，所述第二比较模块的比较器的设定比较值根据功率单元的最大工作电流设定。
6.根据权利要求5所述的变频器的过电流保护装置，其特征在于，所述第一比较模块和第二比较模块通过光耦电路与所述比较通道选择模块连接。
7.根据权利要求6所述的变频器的过电流保护装置，其特征在于， 所述比较通道选择模块包括与变频器控制器连接，用于接收运行信号的端口电路，三个反相器，两个与门电路，一个或门电路，第一反相器的输入端通过光耦电路与第一比较模块连接，第二反相器的输入端通过光耦电路与第二比较模块连接，第一反相器的输出端与第一与门电路的一输入端连接，第二反相器的输出端与第二与门电路的一输入端连接，端口电路与第二与门电路的另一输入端连接，并通过第三反相器与第一与门电路的另一输入端连接，第一与门电路、第二与门电路的输出端分别与或门电路的两个输入端连接，或门电路的输出端与断路器控制器连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的变频器的过电流保护装置，其特征在于， 所述变频器为级联式高压变频器，所述断路器设置在移相变压器的输出或输入回路，所述断路器控制器设置在变频器控制器中。
9.一种变频器的过电流保护方法，其特征在于， 包括，电流采样步骤，由其对功率单元的输入电流进行采样，采样电流或采样电压由整流模块整流成直流的检测值， 第一比较步骤，由其将所述检测值与第一比较值进行比较，在检测值大于第一比较值时，输出过电流信号，第一比较值根据功率单元上电时的启动电流设定， 第二比较步骤，由其将所述检测值与第二比较值进行比较，在检测值大于第二比较值时，输出过电流信号，第二比较值根据功率单元的最大工作电流设定， 比较通道选择步骤，其根据变频器的运行信号，在有运行信号输入时选择第二比较步骤进行比较，没有运行信号时选择第一比较步骤进行比较， 断路器控制步骤，由其根据所选择的第一或第二比较步骤输出的过电流信号，控制变频器或功率单元的断路器，切断对功率单元的供电。
10.根据权利要求9所述的变频器的过电流保护方法，其特征在于， 所述电流采样步骤中，对功率单元的两相输入电流进行采样，根据采样电流计算出第三相输入电流的米样 电流。
【文档编号】H02H7/12GK103762555SQ201410002192
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】徐云龙, 李瑞英 申请人:北京合康亿盛变频科技股份有限公司