CN103746344A - 一种带漏电保护功能的正弦波逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带漏电保护的正弦波逆变器。该逆变器包括直流斩波电路，升压电路，全桥逆变电路，交流滤波电路，漏电保护电路及其他各种保护电路。逆变器由2个微控制器分别控制指控直流斩波升压部分及交流逆变部分。微控制器1产生斩波信号，驱动斩波电路将直流电转变成交流电，然后经高频升压变压器，将低压交流电这成高频高压交流电。微控制器1同时控制直流电压低压保护，高压保护，直流过流，斩波电路超温等保护功能。微控制器2产生SPWM信号，驱动全桥逆变电路，将高压高频交流电逆变成工频交流电。漏电保护电路是根据基尔霍夫原理，流出交流相线的电流与流入交流N线的电流完全相等，通过电流检测电路检测交流相线及N线的电流差，实现漏电判断，进而启动保护功能，能够有效保护人身安全，防止触电事故发生。

Description

一种带漏电保护功能的正弦波逆变器

技术领域

本专利涉及电力变换技术领域，为将低压直流电逆变成常规220V正弦交流电的正弦逆变技术，具体为一种具有漏电保护的正弦波逆变器。按照国际专利目录索引（IPC）属于电学部（H部），电力的发电、变电及配电分部（H02部），交流和交流之间，交流和直流之间，或直流和直流之间以及用于电源或类似的电力系统的变换设备；直流或交流输入功率转变为浪涌功率输出；以及它们的控制或调节（H02M）。

背景技术

近年由于汽车等蓄电池储能设备的大量普及应用，导致直流储能场所的电力应用广泛。但由于常规电力电子设备基本都是使用交流电源供电，因此，推动了直流电到交流电变换技术的飞速发展，由此产生的正弦波逆变器已经广泛应用在车载移动办公，野外电力工程，太阳能独离发电系统等领域。

现有的正弦波逆变器（如附图1示意），包括直流斩波电路，升压电路，全桥逆变电路，滤波输出电路，电压检测电路，温度检测电路及保护电路组成。通常由一个微控制器产生直流斩波波形，驱动斩波电路将直流电转换成高频的交流电，然后经高频变压器升压，将低压的交变电转换成高压的交流电。另一个微控制器产生SPWM波驱动全桥整流电路，输出符合正弦规律的工频交流电，然后经滤波电路过滤谐波信号，输出纯净的交流工频电。

但是这类逆变器通常应用于汽车车载设备，野外电力工程，太阳能家庭独立发电系统等，使用环境比较恶劣，如汽车上到处都有金属导电部分，而且汽车的金属导体部分都是与蓄电池的负极连接的，当发生设备漏电，或者人身误触电时，由于逆变器自身没有漏电保护装置，使用时存在一定的安全隐患。

与本发明最接近的技术是美固电子（深圳）有限公司申请的，公告号为 202586293U的“一种车载逆变器的漏电保护电路及相应的车载逆变器”，其中漏电检测电路部分采用并联于交流输出端AC1、AC2之间的绝缘电阻检测电路检查绝缘电阻，然后将检测得到的绝缘电阻值传送到比较器于预先设定的标准绝缘电阻进行比较，当比较到检测的绝缘电阻值发生变化时，比较电路输出故障信号驱动后面的保护电路动作。

发明内容

本发明要解决的问题是，针对现有的正弦波逆变器不具有交流输出漏电保护的缺陷，提供一种性能可靠的，具有高灵敏度的正弦波逆变器。

本发明区别于最接近技术的是，由于绝缘电阻受使用环境湿度，环境温度的变化存在一定幅度的波动，由此检测的绝缘电阻也会产生偏差，但比较器预先设计的参考值却不回变化同，由此可能会存在误动作或者保护实效等问题。本发明采取比较交流输出流过相线，N线上的电流来判断是否有漏电情况发生。具体方式是在传统的正弦波逆变器电路拓扑结构上，增加交流输出的相线与N线之间的电流检测电路，正常情况下，由于交流输出的相线及N线之间构成环型通路，流过相线与N线间的电流是完全相等的。根据继而基尔霍夫电流定律，相线流出电流与N线的流入电流完全相等，方向相反，电流的矢量和为零。当发生漏电时，流过相线和N线上的电流不完全相等，通过检测相线和N线之间的电流差，并经微控制器2采集这个信号，与微控制器内部设定值进行比较判断，从而启动保护功能，停止逆变电路，完全停止交流输出，可有效保护人身安全。

附图说明

附图1，带漏电保护功能逆变器拓扑框图。

附图2，电流检测电路示意图。

附图3，漏电信号转换电路原理示意图。

附图4，国际电工委员会人体安全电流极限值曲线图。

具体实施方式

 参考附图1，本逆变器由2个微控制器组成，微控制器分配为直流控制单元，当蓄电池电压正常进，微控制器1的11脚，14脚输出互补的一对高频方波型号，驱动斩波电路交替工作，实现将直流电转这成高频交变的低压交流电。

高频交变的低压交流电，通过高频升压变压器，转换成高频高压的交流电，且实现与蓄电池直流信号的完全隔离。变压器副绕组为交流部分微控制器2的供电电源，实现蓄电池直流信号的完全隔离。

蓄电池电压经采集后，分别送入低压比较器和高压比较器，与比较器预先设定阀值比较，判断是否存在蓄电池欠电压或者过电压情况，如蓄电池电压异常，微控制器1得到比较器的异常信号后，启动相应的低压或者高压保护。

本逆变器采取直流、交流双重过载保护功能，其中微控制器1 作微控制核心的直流过载保护单元，还兼备根据直流电流大小启动并调节三热风扇转速的功能。

 微控制器2作为交流侧的核心单元，由其引脚9，11输出一对互补的SPWM信号，并由10脚输出的基频信号，经分频器检波分频，最后得到2对完全互补的SPWM信号，驱动全桥逆变的2组桥臂，实现高频交流电的工频逆变。

 SPWM信号驱动的逆变桥臂上管进行高速开关启动，并经由工频信号驱动的下管实现检波，但最终输出的交流电为接近正弦波的SPWM波性，需要滤波电路进行工频滤波，然后才能输出标准的工频交流电。

漏电保护电路是本逆变器的又一核心，漏电保护电路主要是一个磁环，交流输出的正、负极均从磁环中间穿过，磁环上绕有用于漏电流检测的副绕组。当逆变器工作时，流过磁环中心相线的电流I1，和流过磁环中心N线的电流I2大小相等，方向相反，此时I1+I2＝0。在磁环上2个电流产生的磁通Φ1和Φ2，也是大小相等，方向相反，故合成磁通也相互抵消为零，Φ1+Φ2＝0。在副绕组上流过的磁通为零，不能产生电压。当发生漏电时，假设漏电电流为Ii, 则Ii=I1+I2，Ii在磁环上产生的磁通为Φi, 相应在副绕组上产生感应电动势Ui. Ui经检波电路整定后输入微控制器2。

 根据国际电工委员会推荐安全电流极限值曲图，按照曲线B，即触电电流在30mA，触电时间为1秒以下，不会产生触电人身伤亡事故。按照30mA,1 触电时间1秒在微控制器2内部预先植入判断阀值，当微控制器检测到漏电电流大于30mA，时间持续1秒，即停止SPWM波形输出，切断逆变桥的驱动信号源，逆变器交流部分完全停止工作，可有效保护人身安全。当发生轻微漏电，漏电电流小于30mA时，微控制器不响应保护功能，逆变器正常工作。

由于逆变器自身没有接地，通常只是汽车金属部分与蓄电池的负极连接，汽车金属部分都相当于是蓄电池的负极，可能在轻微漏电时，不能很好检测漏电电流，为了增强轻微漏电电流的检测敏感度，同时兼顾EMC，交流输出相线与N线间跨接Y2电容，Y2电容的中点为交流输出的PE保护接口，同时将Y2电容中点与蓄电池负极连接，实现与地连接。

Claims (7)

1.一种带漏电保护功能的正弦波逆变器，其特征在于，包括直流控制单元，直流斩波电路，升压隔离电路，交流控制单元，整流电路，全桥逆变电路，交流滤波电路，交流漏电检测保护电路，以及直流低电压，高电压保护，直流过载，散热风扇驱动，交流过载，交流短路保护电路。

2.根据权利要求1所述的带漏电保护功能逆变器，其特征在于，漏电保护电路主要是一个磁环，交流输出的正、负极均从磁环中间穿过，磁环上绕有用于漏电流检测的副绕组，当逆变器工作时，流过磁环中心相线的电流I1，和流过磁环中心N线的电流I2大小相等，方向相反，此时I1+I2＝0，在磁环上2个电流产生的磁通Φ1和Φ2，也是大小相等，方向相反，故合成磁通也相互抵消为零，Φ1+Φ2＝0，在副绕组上流过的磁通为零，不能产生电压，当发生漏电时，假设漏电电流为Il, 则Il=I1+I2，Il在磁环上产生的磁通为Φl, 相应在副绕组上产生感应电动势Ul. 

 根据权利要求2所述的漏电保护功能，其特征在于，由漏电检测单元检测到的漏电电劝势，经滤波后送入微控制器2，并与微控制器2内部，预先按照国家电工委员会安全曲线30mA，1秒的安全电流计算设定的阀值进行比较，如果超过这个阀值，则由微控制器停止内部SPWM信号发生，停止逆变桥的驱动，完全停止逆变工作。

3.根据权利要求1所述的带漏电保护功能逆变器，其特征在于，其直流斩波，升压隔离与直流保护功能部分与交流逆变及逆变保护部分是完全电气隔离的，分别由不同的微控制器1和微控制器2控制。

4.根据权利要求1所述的带漏电保护功能逆变器，其特征在于，微控制器1 输出高频的互补方波信号，驱动推挽式斩波电路工作，实现将蓄电池低压直流电到低压交流电的转变。

5.根据权利要求1所述的带漏电保护功能逆变器，其特征在于，由斩波电路转变的低压交流电经过高频变压器，升压为高频的高压交流电，并实现对直流信号的完全隔离。

6.根据权利要求1所述的带漏电保护功能逆变器，其特征在于，由高频变压器输出的高频高压交流电，经整流后，由微控制器2产生的，并经分频器分频产生的2对完全互补的SPWM波，驱动全桥逆变电路，逆变为符合工频特性的交流电。

7.根据权利要求1所述的带漏电保护功能逆变器，其特征在于，全桥逆变的符合工频特性的交流电，经滤波电路滤波后输出标准的正弦波交流电。

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