CN100545669C - 逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于逆变器状态监控领域，涉及一种逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路，包括三相桥式整流电路和接在三相桥式整流电路两端的限流电阻，在所述三相桥式整流电路的三个桥臂上，均串联有阴极和阳极互连的两个单向导通光电检测器件，每个桥臂的两个单向导通光电检测器件的阴极和阳极相连形成的三个中点分别外接在逆变器的三相输出端上，各个单向导通光电检测器件之间结构相同，性能相同或相近。本发明提供的逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路，具有简单、可靠、直观、灵敏的优点。

Description

逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术，属于逆变器状态监控领域，尤其涉及逆变器运行状态监控及故障在线诊断技术。

背景技术

能源危机是人类21世纪面临的重大问题。我国人均能源短缺，而单位GDP的能却远远超出发达国家，节能减排是我们实现可持续发展的一项重要国策。变频器或逆变器能够提高电能利用率，减少能耗，随着相关技术的发展，它被广泛应用于机车牵引、工业控制以及电机驱动中。变频器也可以看成由整流电路和逆变器组成，其中故障率最高的是逆变器里价格昂贵的可控功率半导体元器件，而且单个器件的故障往往会带来连锁效应，将多个器件甚至控制电路烧毁。尽早发现可能存在的故障隐患对于提高逆变器可靠性具有非常重要的意义。目前依靠减小电压、电流变化率等方式来降低功率器件故障率的电路较多，但是对于器件潜在故障监控，出现轻微故障后快速锁定故障单元的方法比较少。文献《基于神经网络的电动机逆变驱动系统故障诊断》，崔博文、任章，仪器仪表学报，2007，28(3)，473-478中提到一种利用神经网络监测电压电流信号中的谐波分量来诊断功率变换器故障的方法，但是其实现起来比较复杂，需要精确的电压电流监测，还要减小传感器延时，避免其影响诊断结果。(还有多篇文献采用类似方法监测逆变器故障)。文献《功率模块的过电流保护》，林勇，电源技术应用，2005，8(7)，36-40中提到用测量用分流器、测量用电流互感器等实现功率模块保护的方法，该方法原理比较简单，但是其使用的仪器成本较高。本发明提出了一种主要依靠硬件电路，简单、可靠、直观、灵敏的逆变器运行状态显示与故障监测电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一个原理简单、成本低廉、灵敏度高的监测电路，直观显示逆变器的运行状态，便于现场及时发现运行不正常的桥路，该电路还可以发出预警信号，提高逆变器的可靠性。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路，包括三相桥式整流电路和接在三相桥式整流电路两端的限流电阻，在所述三相桥式整流电路的三个桥臂上，均串联有阴极和阳极互连的两个单向导通光电检测器件，每个桥臂的两个单向导通光电检测器件的阴极和阳极相连形成的三个中点分别外接在逆变器的三相输出端上，各个单向导通光电检测器件之间结构相同，性能相同或相近。

上述的逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路中单向导通光电检测器件可以为发光二极管，也可以由阴极和阳极互连的发光二极管和耐压二极管串联而成，还可以是线性光耦或非线性光耦。

对于带有光耦的运行状态显示与故障在线诊断电路，最好还包括微处理器，各个线性光耦或各个非线性光耦的输出接在微处理器的输入端，所述微处理器根据输入信号对逆变器运行状态和是否发生故障进行判断，并及时给出故障信号控制逆变器主回路排除故障，同时在主回路断开或整个电路断电的情况下显示故障类型和故障位置。

本发明的有益效果有：

1.本发明可以在不影响逆变器运行的情况下发现逆变桥路的潜在问题，在发生更严重的事故前预先给出预警信号，减小功率半导体元器件故障带来的损失，提高逆变器的可靠性。

2.本发明中采用价格低廉的元件实现了较高的灵敏度，特别在逆变器输出各线电压差别较小时，灵敏度明显高于价格昂贵的AD芯片。

3.本发明可以直观显示逆变器的运行状态。用微处理器和电池可以实现掉电后记忆并显示故障单元的功能。

附图说明

图1和图2为三相全桥逆变电路运行状态显示与故障在线诊断电路原理图。

图中1为光耦，2为发光二极管，3为耐压二极管，4为限流电阻。

图3和4是半桥逆变电路运行状态显示与故障在线诊断电路的原理图。

图5和图6为两种实施方式下三相全桥逆变电路运行状态显示电路原理图。

具体实施方式

变频器中常见故障有负载开路、功率元件断路、功率元件短路等。本发明适用于各种功率变换器常见故障的监测，为了叙述的方便不妨以常见的三相全桥逆变电路为例来说明故障显示电路的原理及实现方式。

本发明利用整流的原理通过发光二极管、光耦等元件构成的单向导通光电检测器件检测整流桥臂通过的电流从而比较出逆变器各输出线之间电压上的细微差异，从而监控逆变器的运行状态。为提高该整流电路的耐压值，可以串联耐压二极管。

实施例1：

三相全桥逆变电路运行状态显示与故障在线诊断电路原理图如图1和图2所示，其中1是将导通信号传送给微处理器或相关硬件电路的光耦，可以是非线性光耦或线形光耦，2是直接显示故障状态的发光二极管，3是提高发光二极管和光耦耐压能力的耐压二极管，4是故障指示电路的限流电阻，一般可以根据流过电流为4～20mA的原则来选择。5是给出故障报警信号的微处理器或硬件电路。图3和4是半桥逆变电路运行状态显示与故障在线诊断电路的原理图。

如果三相全桥逆变电路工作在三三导通模式下，同时有三个功率元件开通，ABC三相分别被接通到电源正极或负极，各相之间电压差会使故障显示电路相应桥臂导通，整流桥导通的元件与逆变桥开通的功率元件序号相同。例如AB正导通，C负导通，即功率元件T1、T3、T2导通，那么整流桥的电流检测元件D1、D3、D2也会随着功率元件的开通而导通，其它检测元件关断。此时如果某个元件工作不正常——开通不能迅速达到饱和，不能及时关断，发生直通或无法导通等故障——A、B、C三点电压差无法像正常的那样交替变化，各路桥臂导通的时间不相等，直观上二极管的发光强度差别较大，最亮的或最暗的就是发生故障的桥臂；非线性光耦不能按照正常时序导通，发生跳变，或者发出的脉冲宽度差别较大，其发出的脉冲信号经特定硬件电路或微处理器进行比较，可以很容易显示出发生故障的桥臂并发出故障信号和声音警报；线形光耦发出的信号正比于流过电流的大小，经AD单元转换后用微处理器进行计算能更加准确的显示电压的不对称，从而及早发现发生故障的桥臂。

如果是两两导通模式，当功率元件开通时ABC三相中的一相接通到电源正极，另外一相接通到电源负极，悬空相电压一般介于它们两者之间。不妨假设AB相导通，即功率元件T1、T6开通，则整流桥的D1、D6随之导通，C相端电压介于AB相电压之间因而D5导通且亮度逐渐变暗，其它管关断。接下来AC相导通，即功率元件T1、T2开通，则D1、D2导通，D3导通且亮度逐渐变暗。总体而言，稳态下各二级管开通关断的平均时间应一致，而且开通关断遵守一定时序。按照这个原则很容易判断是否发生故障，以及具体是哪个桥臂发生了故障。

特别的对于电机这类带有反电势的感性负载，电感和反电势会对故障检测电路产生一定影响。由于电感的作用，当逆变桥突然由导通变为关断时会产生感应电势，顺着功率元件反并联的续流二极管维持电流的导通，影响各相之间的电压。当逆变桥上所有功率元件全部关断后，如果电机继续旋转而且转子由永磁体构成或者还有剩磁，就会在定子上感应出反电势，影响各相电压差。上述两种情况下，功率元件关断时，运行状态显示与故障在线诊断电路可能还会继续导通，时序可能发生变化，不过根据具体情况对微处理器的程序进行调整就不会引起误动作。

发光二极管可以直观显示逆变桥运行状态。当逆变桥正常工作时，如果工作频率很低可以看到发光的二极管不断切换，每个二极管发光时间、亮度相同，如果工作频率较高可以看到六个发光二极管发出均匀强度的光。使用前要注意选择同型号同批次的发光二极管，还要通入大小相同的电流检查其亮度是否一致。

非线性光耦可以将换向情况变换成数字信号，可以将此信号送入单片机、DSP或其他微处理器进行处理得到逆变桥运行状态、各功率开关导通时间并发出故障预警信号，也可以将此信号送入逻辑比较电路直接输出故障预警信号。

线形光耦除了能够给出整流桥通断信号外还能给出通过电流的大小，将此信号送到单片机或DSP等微处理器可以用来判断功率开关是否都工作在饱和工作区，是否有故障隐患，电机类负载是否对称负载，有没有单相短路或断相等事故。

由电池供电的微处理器能够及时给出故障信号控制逆变器主回路排除故障，同时可以在主回路断开或整个电路断电的情况下显示故障类型和故障位置，为人工排除故障提供依据。微处理器可以是单片机、DSP、PLC或工控机等。

实施例2

本实施例是实现本发明的简单实施例，如果图5所示，故障显示电路选用发光二极管来搭建整流电路，整流电路的负载可以选1.5kΩ左右的电阻。其中发光二极管可以直观显示逆变桥运行状态。当逆变桥正常工作时，如果工作频率很低可以看到发光的二极管不断切换，每个二极管发光时间、亮度相同，如果工作频率较高可以看到六个发光二极管发出均匀强度的光。使用前要注意选择同型号同批次的发光二极管，还要通入大小相同的电流检查其亮度是否一致。

实施例3

参见图6，与实施例2不同的是，为了提高电路的耐压性，由相串联的发光二极管和耐压二极管作为一个单向导通光电检测器件来搭建整流电路。

Claims (5)

1.一种逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路，包括三相桥式整流电路和接在三相桥式整流电路两端的限流电阻，在所述三相桥式整流电路的三个桥臂上，均串联有阴极和阳极互连的两个单向导通光电检测器件，每个桥臂的两个单向导通光电检测器件的阴极和阳极相连形成的三个中点分别外接在逆变器的三相输出端上，各个单向导通光电检测器件之间结构相同，性能相同或相近。

2.根据权利要求1所述的逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路，其特征在于，所述的单向导通光电检测器件为发光二极管。

3.根据权利要求1所述的逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路，其特征在于，所述的单向导通光电检测器件为阴极和阳极互连的发光二极管和耐压二极管串联而成。

4.根据权利要求1所述的逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路，其特征在于，所述的单向导通光电检测器件为线性光耦或非线性光耦。

5.根据权利要求4所述逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路，其特征在于，所述运行状态显示与故障在线诊断电路还包括微处理器，各个线性光耦或各个非线性光耦的输出接在微处理器的输入端，所述微处理器根据输入信号对逆变器运行状态和是否发生故障进行判断，并在发生故障时，及时给出故障信号控制逆变器主回路排除故障，同时在主回路断开或整个电路断电的情况下显示故障类型和故障位置。

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