具有集成固态断路器的可调速驱动及其操作方法与流程

背景技术：

1、本发明整体涉及可调速驱动(asd)电路，并且更具体地讲，涉及具有集成在其中的固态断路器的asd及其操作方法。

2、工业中常使用的执行功率转换的一种类型的系统是asd电路，也称为变频驱动(vfd)电路。asd是一种工业控制装置，其为驱动系统诸如ac感应电动机提供可变频率、可变电压操作。图1中示出了典型的asd电路10。asd或vfd电路10包括设置在驱动输入14和输入整流器端子16之间的电磁干扰(emi)滤波器12。端子连接到整流器桥18，该整流器桥将驱动输入14处提供的ac输入功率转换为dc功率，其中整流器桥18为包括六个二极管20的布置的“无控制”整流器桥的形式，其中一对二极管20串联布置在三个输入相中的每一个上。asd电路10还包括接收来自整流器桥18的dc功率的dc链路22；在整个dc链路22上具有一个或多个电容器26、28的dc链路电容器组24；与dc链路22上的整流器桥18的任一侧串联耦接并在其上的两个电感器30(即，dc扼流板)；用于对所述dc链路电容器组24放电的制动斩波器32；用于将所述dc功率转换为ac功率的逆变器34；耦接到所述逆变器34的输出36；以及电阻器38，其与电容器26、28平行布置在整个dc链路22上，以便平衡电容器26、28的电压并在电源断开之后对它们放电。虽然图1中未示出，但已知asd电路还可包括预充电电路，以在上电期间控制并限制浪涌电流进入dc链路电容器组24中。

3、关于asd电路的运行，已认识到关于asd电路的安全性和功能已阐述了多种测试和标准，并且必须通过此类测试才能将电路判断为符合此类标准。标准ul61800-5-1是美国asd电路的管理安全标准，用于验证针对驱动的任何已声明的短路额定值，诸如例如100ka。标准ul61800-5-1要求部件故障测试下的asd电路不会着火或遇到另一种不可接受的故障。即，认识到部件故障测试可导致横跨电容器的短路，该短路将导致asd电路失效，并且如果当一个电容器具有短路时允许功率继续流向电容器组，则过压条件将存在于非短路的电容器上。在电解电容器中，这种过压状况可使非短路电容器发生火灾并且可能爆炸。

4、传统上，使用asd电路10外部(即，其外壳42的外部)的保险丝或断路器40以及专门用于测试的单独开关(例如接触器)41来执行用于确定与ul61800-5-1的一致性的asd电路的部件故障测试，如图1所示。在测试期间发生短路的情况下，接触器41用于使+/-dc链路短路，以便根据ul61800-5-1中的要求引入故障。然而，已认识到，传统的断路器具有有限的响应时间，并且当驱动内的部件短路发生时，将使能量从源传递到asd电路。因此，即使在存在断路器的情况下，也可能由于压力过大的部件(诸如整流二极管或电容器故障)而发生对asd电路的损坏，因为在断路器响应时间期间流向驱动的额外能量可能足以引起此类部件故障。

5、最近，已开发出用于替代传统断路器的固态断路器，此类固态断路器有利地具有与传统断路器相比更短的响应时间。因此，在用于确定与ul61800-5-1的一致性的asd电路的部件故障测试中使用固态断路器，与用传统断路器执行的测试相比呈现了改进。然而，应当认识到，使用固态断路器来为asd电路提供保护仍然不会妨碍最佳的解决方案。即，由于固态断路器仍在asd电路外部，因此引入更高的布线和安装成本以及更多的实际产业。另外，现有的固态断路器在较高的持续电流水平下可能不提供保护，诸如可能发生在电动机/负载启动期间存在的浪涌电流中，因为断路器中的固态开关总是完全栅极导通，并且可能经历过长的热应力。因此，固态断路器可能不适于保护电动机启动应用中的持续浪涌电流，其可比额定电流高6-7倍。

6、如上所述，应当认识到，asd电路外部的现有机电断路器设计在驱动的持续操作期间不能在部件故障期间向asd电路提供足够和全面的保护。此外，现有的固态断路器在电动机启动器应用期间未能提供足够的保护。此外，应当认识到，asd电路10自身的架构缺乏向dc电容器组24中的一个或多个dc电容器26、28中的短路提供足够保护的装置，该短路可损坏asd电路并且对抗其他各种内部和外部故障状况。即，不能控制asd电路10中的故障电流或过电压状况，因为不能控制整流器桥18的二极管20关闭，使得功率可经由路径在电容器短路时继续穿过整流器桥18至dc电容器组24，如图1所示，沿此路径，短路电流流过asd电路10，即通过二极管整流器电路18，然后通过电容器组24。在另一个故障情况下，非短路电容器26、28上的过压状况将导致asd电路10损坏，使得损坏的asd电路10将不可用，并且用户将不得不对asd电路进行昂贵的修理或者替换asd电路。在不使用asd电路10的停机期间，用户将遭受额外的经济损失。虽然可修改图1的asd电路架构以将无源二极管整流器电路18替换为其中除了二极管20之外还包括固态开关46的有源整流器电路44，诸如图2的实施方案中所示，但有源整流器电路44仍不能防止故障电流通过二极管20，如其中所示的短路电流路径所示。

7、因此，根据标准ul61800-5-1的要求，期望提供一种用于在部件故障测试期间保护asd电路的系统和方法，以防止电路由于其中的故障状况而着火或遇到其他故障。还期望此类系统和方法以在其瞬时和/或稳态操作期间保护asd电路免受可能损坏asd电路的故障状况的影响。

8、发明简要描述

9、本发明的实施方案涉及具有集成固态断路器的asd电路及其操作方法。asd电路和集成固态断路器消除了安装外部断路器的需要，实现了系统灵活性，提供了更大的保护，并降低了总体拥有成本。

10、根据本发明的一个方面，功率转换电路包括可连接到ac源的输入、连接到输入以将ac功率输入转换为dc功率的整流器电路，以及耦接到整流器电路以从其接收dc功率的dc链路。所述整流器电路包括多个相脚，每个相脚上均包括上切换单元和下切换单元，其中每个相脚上的所述上切换单元和所述下切换单元中的至少一个包括双向切换单元，所述双向切换单元选择性地控制电流并且承受两个方向上的电压，以便提供选择性地中断流过所述整流器电路的电流的断路能力。

11、根据本发明的另一方面，一种在功率转换电路中提供断路的方法包括：在功率转换电路的输入处接收ac功率，以及经由所述功率转换电路的检测电路和逻辑电路来测量或确定提供给所述功率转换电路或存在于所述功率转换电路中的功率的一个或多个电流和电压参数。该方法还包括经由检测电路或逻辑电路将一个或多个电流和电压参数与一个或多个相应的电流和电压阈值进行比较，并且如果所述一个或多个测量或确定的电流和电压参数超过所述一个或多个相应的电流和电压阈值，则经由所述逻辑电路来识别所述功率转换电路中的故障状况。该方法还包括经由所述逻辑电路来控制集成到所述功率转换电路中的固态断路器，以在识别到所述故障状况时中断流过所述功率转换电路的电流。

12、根据本发明的又一个方面，asd电路包括可连接到ac源的输入、具有集成固态断路器的并连接到输入以将ac功率输入转换为dc功率的整流器桥，以及耦接到整流器桥以从其接收dc链路电压的dc链路。具有集成固态断路器的整流器桥包括多个相脚，每个相脚在其上包括上切换单元和下切换单元，其中每个相脚上的上切换单元和下切换单元中的至少一个被配置为控制电流并且承受两个方向上的电压并且允许选择性地中断流过相应切换单元的电流。

13、根据以下具体实施方式和附图，本发明的各种其他特征和优点将变得显而易见。

技术实现思路