电子保护电路的制作方法

本发明涉及一种用于中间电路制动电阻器的电子保护电路，该制动电阻器与制动晶体管串联，其中制动晶体管可根据通过触发信号切换状态，触发信号取决于施加至中间电路的电压。本发明进一步涉及一种用于操作电机的变频器，该变频器具有通过中间电路彼此互联的整流器和逆变器，其中中间电路包括制动电阻器和与制动电阻器串联的制动晶体管。

背景技术：

通常的转换器以及特别是变频器本身已经从现有技术中已知，故而本文中不再单独进行说明。因此，仅参考欧洲专利文献ep2680421b1作为示例，该文献涉及一种具有中间电路电容器的变频器和用于给变频器预充电的方法。

变频器通常包括通过中间电路彼此互联的整流器和逆变器。根据先前已知的设计，中间电路包括两个串联的中间电路电容器单元。在该设计中，每个中间电路电容器单元可设置有多个串联和/或并联连接的中间电路电容器。

从现有技术进一步已知的是装配有制动晶体管(也称为制动斩波器)的变频器，以防止连接至变频器的电机(尤其是马达)在制动操作期间可发生的在中间电路中的不允许的高电压。

在连接至变频器的电机的制动操作期间，能量反馈至变频器的中间电路中，导致施加至中间电路的电压增加。如果此时中间电路电压超过变频器特定值，则存在损坏变频器的风险，包括损坏该设备所产生的对在损坏的设备的附近的财产和/或人身的损害。

为了避免上述问题，已知将所谓的制动晶体管使用为与制动电阻器串联。一旦达到中间电路电压的预定值，与中间电路并联的这样的制动晶体管导通，使得电流流过制动电阻器和制动晶体管。制动电阻器将中间电路中储存的部分能量转换为热量，导致施加至中间电路的电压降低，因此避免了不期望发生的过载情况。

一旦连接至变频器的电机的制动操作结束，施加至中间电路的电压将降低至低于预定的参考值。结果，制动晶体管将被阻断，导致制动电阻器断电。

根据欧洲专利文献ep2736159a1，从现有技术进一步已知一种转换器系统和具有这样的转换器系统的风能或水能设备。其中，转换器系统包括整流器和至少两个逆变器，其中整流器由交流电源供应能量。为了向两个逆变器供应能量，整流器通过共同的直流电路连接至每个逆变器，并且每个逆变器都可连接至电力消费者，以向各自的消费者供电。在直流(dc)电路和其中一个逆变器之间的至少一个连接中，布置有去耦装置，其中去耦装置防止来自逆变器的电能在直流(dc)电路中传输。

从德国专利文献de102016005986a1进一步得知一种转换器，该转换器包括ac/dc转换器和dc/ac转换器。ac/dc转换器包括直流电压侧的连接件，并联于该连接件布置有包括制动电阻器和可控制开关的串联连接电路。转换器进一步包括电压感测单元和触发单元。触发单元又包括比较器单元，比较器单元监测由触发单元生成的触发信号，以防止不可接受的偏差。

尽管装配有制动电阻器和与制动电阻器串联的制动晶体管的变频器已经在日常实践使用中证明有效，仍存在改进的需要，因为由于老化、过载、和/或其他故障的原因，制动晶体管可能是有缺陷的，导致制动晶体管短路。在这种短路情况下，与中间电路并联的制动电阻器将永久关断，导致一直有电流流过制动电阻器。然而，制动电阻器并不是设计为用于这样的永久性负载，因此会损坏。由于电阻器的这种损坏，可能会形成火焰和火花，可能导致人员和财产的损害。必须要避免这种损害。因此，本发明的目的在于提出一种保护电路，该保护电路在这方面提供对人员和财产的改进的保护。

技术实现要素：

为解决该目的，本发明提出一种用于中间电路制动电阻器的电子保护电路，该制动电阻器与制动晶体管串联，其中制动晶体管通过触发信号可切换状态，触发信号依赖于施加至中间电路的电压，该电子保护电路具有：测量装置，测量装置用于测量施加至制动电阻器的集电极-发射极电压并且发出相应的测量信号；第一比较器装置，该第一比较器装置将测量信号与预定参考值比较并且发出相应的比较信号；第二比较器装置，该第二比较器装置将比较信号与用于制动电阻器的触发信号比较并且在出现差异的情况下发出控制信号；以及关断装置，该关断装置一旦检测到由比较器装置发出的控制信号，将中断流入中间电路的电流，其中关断装置包括整流器和用于中间电路的预充电电路。

根据本发明的保护电路使流入中间电路的电流在制动晶体管出现故障的情况下立即中断。从而有效地抵消了对制动电阻器的损坏，同时实现了对人员和财产的有效保护。

电子保护电路包括测量装置。通过该测量装置，可以感测到施加至制动晶体管的集电极-发射极电压。集电极-发射极电压表示制动晶体管的集电极和发射极之间的电压降。只要晶体管被完全阻断，整个工作电压就会在集电极-发射极通路上降低。另一方面，如果制动晶体管完全导通，则仅有一小部分工作电压在集电极-发射极通路上降低。因此，通过测量施加至制动晶体管的集电极-发射极电压，可以确定晶体管是否被阻断，从而确定与制动晶体管串联连接的制动电阻器是否断电，或者可以确定相应的电压是否施加至晶体管，从而确定制动电阻器是否断电。

为此，电子保护电路包括第一比较器装置，第一比较器装置将测量装置的测量信号和预定参考值进行比较。在这种情况下，参考值设计为使得利用阻断的制动晶体管，所施加的集电极-发射极电压将高于参考值。另一方面，如果发射极接通，即导通，则施加至制动晶体管的集电极-发射极电压将低于预定参考值。

因此，测量装置和第一比较器电路相结合，能够确定制动晶体管的实际状态，即制动晶体管是阻断的还是导通的)。以这种方式确定的制动晶体管的状态可以被指定为其实际状态。

制动晶体管由触发信号触发。该信号是根据施加至中间电路的电压来进行切换的。如果连接至变频器的电机进行制动操作，则施加至中间电路的电压将升高。如果超出特定的参考值，则制动晶体管将通过触发信号触发，以保护中间电路。

根据本发明的电子保护电路包括第二比较器装置。该第二比较器装置的作用是将第一比较器装置的比较信号和用于制动晶体管的触发信号进行比较。在该过程中，触发信号指示出制动晶体管所需的状态，即制动晶体管是否应根据施加至中间电路的电压切换至阻断状态或导通状态。

如果由第二比较器装置进行的信号比较的结果表明，比较信号和触发信号相匹配，这意味着感测到的制动晶体管的实际状态和所需的制动晶体管的状态彼此相对应。然而，如果该比较结果表明比较信号和触发信号之间存在差异，这意味着制动晶体管具有例如短路之类的缺陷。在这种情况下，比较器单元将发出相应的控制信号。

根据本发明的保护电路进一步包括开关装置。该关断装置与第二比较器装置通信连接并用于在检测到第二比较器装置的相应控制信号时立即断开流入中间电路的电流。这是为了避免变频器在有缺陷的制动晶体管的情况下继续操作，因此，确保了制动电阻器、同时还有变频器免受进一步的损坏。这也确保了对人员和财产的有效保护。

总之，本发明创造了一种保护电路，该保护电路易于实现并且能够以一种有效的方式保护人员和财产，因为在制动晶体管存在缺陷的情况下，该保护电路能够立即中断流入中间电路的电流，从而防止了对制动电阻器的损坏。该电路提供了两个比较器装置。通过第一比较器装置，可以确定制动晶体管的实际状态。通常，取决于连接至变频器的电机的制动操作发生与否，制动晶体管可以是阻断的或导通的。将感测到的实际状态与制动晶体管所需的状态进行比较。如果制动晶体管所需的状态和实际状态不匹配，则可以认为制动晶体管是有缺陷的。在这种情况中，根据本发明提供的保护电路因此导致流入中间电路的电流立即中断。

如根据本发明的，电流在电源侧被切断，交流电在制动晶体管短路的情况下被切断，从技术角度看，实现起来相对容易。由现有技术已知的解决方案在制动晶体管通路中提供保险丝。该解决方案不仅需要额外的组件，而且由于有直流电在此流过，还比较复杂、具有较高的成本。

关于方法，本发明进一步提出一种方法，用于在与制动电阻器串联的制动晶体管短路的情况下使中间电路断电，制动晶体管通过触发信号关断，该触发信号依赖于施加至中间电路的电压，通过该方法，可以测量施加至制动晶体管的集电极-发射极电压并与预定参考值进行比较，发出相应的比较信号，在该方法中，比较信号与用于制动晶体管的触发信号进行比较，其中，在比较信号和触发信号之间存在差异的情况下，流入中间电路的电流中断，其中电流通过晶闸管流入中间电路，通过阻断晶闸管来中断流入中间电路的电流。

实施根据本发明的该方法有若干益处，基于根据本发明的保护电路，这些益处在如上已经解释。

在装置侧，根据本发明的另一个特征提出第一比较器装置包括光耦合器。当按预期操作时，根据第一比较器装置确定的比较结果触发光耦合器。因此，根据电压比较结果，电流被施加至光耦合器，这导致在光耦合器的输出侧产生了相应的信号。光耦合器输出信号作为用于第二比较器装置的比较信号使用。

作为该电路的结果，实现了当按预期使用时，电流将流过光耦合器的二极管，该电流将导致光耦合器的输出的切换。在该过程中，光耦合器与第二比较器装置通信连接，从而能够通过第二比较器装置确定制动晶体管的实际状态。

该实施例的一个特别的益处在于对第二比较器装置的简单信号传输。当然，也可以使用其他将信号传输至第二比较器装置的电子元器件，还可以使用可能需要自身供应电压的元器件。

根据本发明，根据本发明的保护电路的关断装置包括整流器和用于中间电路的预充电电路。整流器连接在中间电路的上游，并且优选地具有作为整流半导体的晶闸管。预充电电路与其中一相的晶闸管并联连接，并且包括二极管和为此与预充电电路串联的热变电阻。

在按预期应用的情况下，电流从供电干线(mainsupplys)经整流器流入中间电路，再从中间电路流向其他消费者。在这种情况下，整流器的晶闸管被触发，以确保能量通过整流器电路流入中间电路。

预充电电路的预充电支路与晶闸管并联连接，该晶闸管连接至供电干线的其中一相。预充电电路的电阻器与二极管(为实现这一目的电阻器串联连接到二极管)承担中间电路的电压预充电。在中间电路达到足够的电压水平时，晶闸管将接通。预充电电路的目标和目的在于防止供电干线在接通时产生较大的电流。

如果此时以上述方式检测到制动晶体管是有缺陷的(例如由于短路)，则关断属于关断装置的整流器的晶闸管。为此目的，关断装置包括晶闸管触发单元，即使触发晶闸管的信号无效的装置。一旦连接至各自的相的三个晶闸管被阻断，通过整流器流入中间电路的电流就被中断。随后，跟着生成流经预充电电路、即流经预充电电路的二极管和电阻器(为此目的预充电电路的电阻器与二极管串联连接)的电流。

预充电电路的电阻器为热变电阻，随着电流增加，该电阻器将进入高阻抗状态，该状态即为前面描述的制动晶体管短路的故障状况。一旦电阻器由于大电流进入高阻抗状态，中间电路就与供电干线断开。因此，没有能量能够经晶闸管或经预充电电路流入中间电路，由此防止了电流进一步流过制动电阻器，从而保护了制动电阻器免受损坏。预充电电路的热变电阻因此必须设计成使得在制动电阻器发生损坏之前，中断流入中间电路的电流。

如上描述的关断装置的一个特别的益处在于关断装置使用已经提供的预充电电路来预充电中间电路，以便在故障状况(即制动晶体管短路的状况)下实现中间电路与供电干线的立即断开。因此，预充电电路在故障状况下具有保护功能。在这种情况下，另一个益处在于处于高阻抗状态的预充电电路的热变电阻时，可以在发生故障状况时防止意外的重新接通，这对用户提供了额外的安全保障。

关于方法，本文提出了一种方法，其中电流经由晶闸管流入中间电路，其中通过阻断晶闸管来防止电流流入中间电路。进一步提出的是，在晶闸管阻断的情况下，电流将经由具有热变电阻的预充电电路流入中间电路，其中热变电阻进入高阻抗状态，因此可以防止电流流入中间电路。

以此种方式实施该方法，在根据本发明的保护电路的基础上，产生了已经说明的优点。

根据本发明的另一个特征，并且其自身本身是可保护的，本发明进一步提出一种用于操作电机的变频器，该变频器具有通过中间电路彼此互联的整流器和逆变器，其中中间电路包括制动电阻器和与制动电阻器串联连接的制动晶体管，该变频器的特征在于如上描述的电子保护电路。

根据本发明的保护电路特别适合于在变频器中使用。本文中，已经提供的变频器的整流器和同样已经提供的变频器的预充电电路可作为根据本发明提供的关断装置的电路元件使用。这使得根据本发明的实施例的实施尤其简单和节约，同时改善了对人员和财产的保护，如在故障状况下(即特别是在制动晶体管短路的状况下)，根据本发明提供的电路能够确保中间电路与供电干线立即断开连接。由此可有效防止制动电阻器的损坏，从而防止变频器的损坏。

附图说明

从基于附图的描述可知本发明的其他特征和益处，在这些附图中：

图1示出了根据本发明的(即具有根据本发明的保护电路)的变频器的框图，以及

图2示出了主要的整流器电路。

附图标记

1变频器

2整流器

3逆变器

4中间电路

5中间电路电容器单元

6中间电路电容器单元

7中间电路电容器

8中间电路电容器

9中间电路电容器

10中间电路电容器

11保护电路

12制动电阻器

13制动晶体管

14关断装置

15晶闸管单元

16晶闸管单元

17晶闸管单元

18晶闸管触发单元

19预充电电路

20预充电电路分支电路

21二极管

22电阻器

23测量信号

24第一比较器装置

25参考值

26比较信号

27触发信号

28控制信号

29信号处理单元

30晶闸管

31晶闸管

32晶闸管

33第二比较器装置

具体实施方式

在图1中，可以在框图中看到变频器1。该变频器1的作用为操作电机，该电机(例如马达)在附图中未详细示出，变频器1包括整流器2和逆变器3，其方式本身是已知的。此外，整流器2和逆变器3经由中间电路4彼此互联。

从图1可以进一步看出，变频器1的功率输入侧与供电干线的相l1、相l2和相l3连接。

变频器1的中间电路4包括两个串联连接的中间电路电容器单元5和6。在示出的实施例中，中间电路电容器单元5和6分别包括两个电容器7和8以及两个电容器9和10，电容器7和8、电容器9和10并联连接。因此提供了两个电容器通路，其中电容器7和9串联连接，电容器8和10串联连接。

中间电路4进一步包括制动电阻器12和与制动电阻器12串联连接的制动晶体管13(也称为制动斩波器)。制动电阻器12和制动晶体管13与中间电路电容器单元5和6并联连接。

制动电阻器12用于确保在连接至变频器1的电机的制动的情况中，由于电流回流而导致的施加至中间电路4的电压不会超过预定的限值。为此，制动晶体管13将在先前确定的中间电路电压值处切换至导通状态，导致电流流过制动电阻器12和制动晶体管13。制动电阻器12将储存的部分能量转换为热量，导致施加至中间电路4的电压降低。在连接至变频器1的电机处于非制动状态下，制动晶体管13设置为阻断，使得与制动晶体管13串联连接的制动电阻器12断电。

制动晶体管13通过相应的触发信号触发，即依照上述解释，根据施加至中间电路4的电压触发。

在存在例如由于短路导致的故障的情况下，制动晶体管13失效，制动电阻器12长时间与中间电路4并联连接。然而，制动电阻器12并不设计为用于这样的永久性负载(permanentload)，因此制动电阻器12将会损坏，甚至可能产生明火和/或火花。

根据本发明提供的保护电路11可防止由于制动晶体管13中的缺陷导致的对制动电阻器12的无意的损坏。

保护电路11包括测量装置。测量装置的作用为测量施加至制动晶体管13的集电极-发射极电压。测量装置发出相应的测量信号23，即发至第一比较器装置24。

第一比较器装置24将测量装置的测量信号23与预定参考值25比较。在本文中，参考值25优选地预先确定，使得在制动晶体管13处于阻断状态时，施加的集电极-发射极电压高于参考值。然而，在制动晶体管13处于导通的情况下，集电极-发射极电压低于预定参考值。

根据电压比较的结果，比较信号26(例如通过光耦合器)被发送至第二比较器装置33。该第二比较器装置33将比较信号26与用于制动晶体管13的触发信号27进行比较。在正常操作状态下，触发信号27和比较信号26相匹配，因为此时所需状态与实际状态相对应。

然而，如果比较器装置33检测到比较信号26和触发信号27之间的差异，这意味着制动晶体管13是有缺陷的。在该情况下，比较器装置33将相应的控制信号28通过信号处理单元29发送至关断装置14。

图2中详细示出关断装置。关断装置包括已经在前描述的整流器2、晶闸管触发单元18、以及预充电电路19。

整流器2包括三个晶闸管30、31、和32，这些晶闸管分别为晶闸管单元15、16和17各自的一部分，这些晶闸管单元连接至供电干线的相(phase)。第一晶闸管30分配至相l1，第二晶闸管31分配至相l2，第三晶闸管32分配至相l3。

根据图2所示还可以看出，预充电电路19连接至供电干线的相l1并与第一晶闸管30并联连接。可替代地，预充电电路19也可以与其他两个相中的其中一个并联连接。无论如何(连接)，预充电电路19包括由热变电阻22和二极管21组成的串联电路，热变电阻22在高温下进入高阻抗状态。代替仅有一个电阻器的情况，也可以提供串联和/或并联连接的多个电阻器。

根据本发明的保护电路11的工作原理如下所示：

在预期的操作状态下，晶闸管30、31和32通过晶闸管触发单元18触发，从而使得能量流(即电流)从供电干线通过整流器2流入中间电路4。在晶闸管30、31和32全部触发的情况下，由于预充电电路24连接至l1并与第一晶闸管30并联连接，预充电电路19的二极管21和电阻器22的影响可忽略不计。

当变频器1接通时，预充电电路19将对中间电路4进行电压预充电。只有在中间电路4中达到足够的电压水平时，晶闸管30、31和32才会通过晶闸管触发单元18接通。通过这样的预充电，防止了接通变频器1时供电干线中的大电流的产生。

如果此时制动晶体管13发生短路，由于第一比较器装置24传送的比较信号26与触发信号27不匹配，从而导致制动晶体管13的实际状态与制动晶体管13的所需状态存在差异，在这种情况下，第二比较器装置33发出相应的控制信号28，控制信号28被转发至关断装置14。随即，关断装置14使整流器2无效以防止能量流进一步流至变频器1。由于信号处理单元直接访问整流器2的触发单元，可以以一种有利的方式在没有控制的情况下进行。

将信号传输至关断装置14导致晶闸管30、31和32通过晶闸管触发单元18被关断。一旦三个晶闸管30、31和32全部被阻断，经由预充电电路19的预充电分支电路20的电流将流过二极管21和电阻器22。由于电阻器22为正温度系数(ptc)组件，该电阻器将在大电流下进入高阻抗状态，大电流发生在制动晶体管13短路的故障状态下。

一旦电阻器22进入高阻抗状态，中间电路4就与供电干线断开连接。因此，不会有电流通过晶闸管30、31和32，亦或是通过预充电电路19流入中间电路4。