CN104813573B - 用于电力变换器的输入保护的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
根据该发明的系统和方法提供一种电力变换器(12)，包括：输入信号终端(26)、第一输出信号终端(28)处的第一输出信号、和控制器(32)。该控制器(32)适于将该第一输出信号从第一值切换到第二值，作为时间的函数来测量该输入信号终端(26)处的电压，如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的电压落到预定值之下，则将标记设置为第一标记值，否则就将标记设置为第二标记值，并在存储器中保存该标记。还提供了多个其他方面。
Description
技术领域
本发明涉及电力变换器。更具体地，本发明涉及用于电力变换器的输入保护的设备和方法，诸如DC-DC变换器、AC-DC变换器、DC-AC逆变器、可变频率驱动器、和其他类似电力变换器。
背景技术
发明内容
在该发明的第一方面中，提供了一种电力变换器，包括输入信号终端、第一输出信号终端处的第一输出信号、和控制器。该控制器适于：(a)将该第一输出信号从第一值切换到第二值，(b)作为时间的函数来测量该输入信号终端处的电压，(c)如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的电压落到预定值之下，则将标记设置为第一标记值，(d)如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的电压没有落到预定值之下，则将标记设置为第二标记值，和(e)在存储器中保存该标记。
在该发明的第二方面中，提供了一种用于操作电力变换器的方法，该电力变换器包括输入信号终端、第一输出信号终端和第二输出信号终端。该方法包括：(a)在该第一输出信号终端处提供第一输出信号，(b)将该第一输出信号从第一值切换到第二值，作为时间的函数来测量该输入信号终端处的电压，(c)如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的电压落到预定值之下，则将标记设置为第一标记值，(d)如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的电压没有落到预定值之下，则将标记设置为第二标记值，和(e)在存储器中保存该标记。
通过以下详细描述、所附权利要求和附图，本发明的其他特征和方面将变得更充分清楚。
附图说明
根据结合下图考虑的以下详细描述，本发明的特征能更清楚地理解，其中相同的附图标记始终表示相同的元件，并且其中：
图1是根据该发明的包括电力变换器的示例实施例的系统的框图；
图2是根据该发明的示例测试处理的流程图；和
图3是根据该发明的示例驱动故障处理的流程图。
具体实施方式
诸如DC-DC变换器、AC-DC变换器、DC-AC逆变器、可变频率驱动器(“VFD”)、或其他类似电力变换器的电力变换器典型地安装有输入保护装置(例如，电路断路器)，所述输入保护装置被设计为在某些条件(例如，短路、过流等)下中断或切断来自电力变换器的电力。一些输入保护装置包括控制输入，其可耦接到电控制信号，以即使还没有发生短路或过流条件，也使得输入保护装置开路，并切断来自受保护电路的电力。
由此，一些电力变换器提供控制信号输出，其被规定为连接到输入保护装置的控制输入，并且在电力变换器中的预定条件下可被触发。例如，在VFD中，该预定条件可以是灾难性内部失灵，诸如VFD中的过分电力损耗、到VFD的反应输入电流的过分级别、VFD内的电弧放电(arcing)等。
不幸的是，一些安装者可能没有正确利用VFD安装保护装置。例如，缺乏经验的安装者可能没有安装任何输入保护装置，可安装不包括控制输入的不正确类型的输入保护装置，或者可以不将VFD的控制信号输出连接到输入保护装置的控制输入。
此外，即使初始正确安装了输入保护装置，但是作为随后篡改的结果，VFD的控制信号输出可变得从输入保护装置的控制输入切断。在这样的情况下，VFD不能控制输入保护装置，并由此不能从电源切断VFD。
为了客服这些问题，根据该发明的系统和方法提供包括输入保护测试功能和驱动故障功能的VFD。可由用户在任何时间开启的输入保护测试功能执行测试以使得该输入保护装置开路，以从VFD切断电力。驱动运行禁止(“DRI”)标记基于测试结果(例如，合格＝FALSE(假)，并且失败＝TRUE(真))来设置，并被保存在非易失性存储器中。仅当保存的DRI标记值为假时，才允许VFD运行，而如果保存的DRI标记值为真，则不允许VFD运行。在这方面，仅当VFD能使得输入保护装置开路以切断到VFD的电力时，VFD可操作。
可在发生VFD中的预定条件时(例如，VFD中的灾难性内部失灵，诸如过分电力损耗、反应输入电流的过分级别、内部电弧放电、或一些其他条件)开启驱动故障功能。驱动故障功能还执行上述测试，以使得输入保护装置开路以切断来自VFD的电力，并且还在存储器中存储DRI标记。另外，如果测试失败，则VFD使得上游输入保护装置开路以切断到VFD的电力。
为了简明，剩余文本将描述所发明的使用VFD电力变换器的方法和设备。然而，本领域技术人员将理解，可与其他电力变换器(诸如DC-DC变换器、AC-DC变换器、DC-AC逆变器、或其他类似电力变换器)一起使用所发明的方法和设备。
现在参考图1，描述根据该发明的包括VFD的示例系统。具体地，系统10包括VFD12、AC电源14、第一电路断路器16、第二电路断路器18和AC电动机2。本领域技术人员将理解的是，系统10可包括除了图1中图示的组件之外的组件或连同图1中图示的组件的组件。
AC电源14可以是电气设施、发电机、或其他类似的AC电源。在图示的实施例中，AC电源14提供三相(φ1-φ3)电力。本领域技术人员将理解AC电源14作为选择可提供一相、两相或多于三相电力。
第一电路断路器16和第二电路断路器18中的每一个可包括跳闸机构，其响应于过流或短路故障使得电触头(未示出)开路，以停止电流向VFD 12和AC电动机20的流动。另外，第一电路断路器16包括控制输入终端22，适于当控制输入终端22处的电信号从第一值(例如，0V或“断开”)切换到第二值(例如，5V或“接通”)时，促使该跳闸机构将第一电路断路器16中的电触头开路。同样，第二电路断路器18包括控制输入终端24，适于当控制输入终端22处的电信号从第一值切换到第二值时，促使该跳闸机构将第二电路断路器18中的电触头开路。
例如，第一电路断路器16和第二电路断路器18中的每一个可以是SiemensIndustry,Inc.,Wendell,NC的类型GMSG真空电路断路器。本领域技术人员将理解，可使用其他电路断路器，并且第一电路断路器16和第二电路断路器18两者可以是相同类型的电路断路器，或者可以是不同类型的电路断路器。另外，本领域技术人员将理解，第一电路断路器16和/或第二电路断路器18作为选择可以是用来将到VFD 12的电力切换接通和断开的开关。
第一电路断路器16典型地位于VFD 12附近，并可被统称为“驱动输入断路器”。因此，第一电路断路器16在这里也将被称为驱动输入断路器16。本领域技术人员将理解，第一电路断路器16可与VFD 12分离(如图1中所示)，或者可被包括为VFD 12的一部分。
第二电路断路器18典型地位于驱动输入断路器16和VFD 12的“上游”，并可被统称为“上游断路器”。因此，第二电路断路器18在这里也将被称为上游断路器18。第二电路18典型地可向除了包括驱动输入断路器16和VFD12的电路之外的多个电路提供保护。
VFD 12包括与驱动第一电路断路器16的输出终端耦接的输入终端26(a)-26(c)、与第一电路断路器16的控制输入终端22耦接的提供输出信号TRIP的第一输出终端28、和与第二电路断路器18的控制输入终端24耦接的提供输出信号FAULT的第二输出终端30。另外，VFD 12包括控制器32、驱动电子电路34和存储器36。控制器32耦接到输入终端26(a)-26(c)、第一输出终端28、第二输出终端30、驱动电子电路34和存储器36。本领域技术人员将理解，VFD 12可包括除了图1中图示的组件之外的组件或连同图1中图示的组件的组件。
控制器32可以是微处理器控制器、可编程逻辑控制器、主计算机、个人计算机、手持计算机、和可用来控制驱动电子电路34的操作的其他类似处理器。驱动电子电路34可包括传统VFD电子电路，其将输入终端26(a)-26(c)的AC输入信号变换为耦接到AC电动机20的AC输出信号。存储器36可以是非易失性存储器，诸如磁盘存储器、光盘存储器、硬盘驱动器、软盘、闪存、或其他类似存储器。
根据该发明，控制器32包括输入保护测试处理和驱动故障处理。可由VFD 12的用户在任意时间开启的输入保护测试处理执行测试，以使得第一电路断路器16开路，来切断来自VFD 12的电力。如果测试成功，则控制器32将DRI标记值设置为假。然而，如果测试不成功，则控制器32将DRI标记值设置为真。将DRI标记存储在存储器36中。如果DRI＝FALSE，则允许VFD 12运行，这指示VFD 12能够使得第一电路断路器16开路。如果DRI＝TRUE，则控制器32将不允许VFD 12运行
在发生使得驱动输入断路器16开路以切断来自VFD 12的电力的预定条件(例如，灾难性内部失灵，诸如VFD 12中的过分电力损耗、到VFD 12的反应输入电流的过分级别、VFD内的电弧放电、或一些其他条件)时，控制器32可开启该驱动故障处理。该驱动故障处理还执行上述测试处理，以使得第一电路断路器16开路而切断来自VFD 12的电力，并且还在存储器36中存储DRI标记。另外，如下面更详细描述的，如果测试不成功，则控制器32可使得第二电路断路器18开路而切断来自第一电路断路器16和VFD 12的电力。
现在参考图1和2，描述根据该发明的示例测试处理40。用户可通过向控制器32发布测试命令(诸如经由硬件和/或软件开关)或通过其他类似方法，来开启测试处理40。在步骤42，响应于该测试命令，控制器32将第一输出终端28处的TRIP信号从第一值(诸如断开(例如，0V))切换到第二值(诸如接通(例如，5V))。TRIP信号耦接到第一电路断路器16的控制终端22，并由此当TRIP信号从断开切换到接通时，第一电路断路器16应开路以切断来自VFD 16的电力。
为了确定第一电路断路器16是否已开路，在步骤44，控制器32作为时间的函数来监视输入终端26(a)、26(b)和26(c)的输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)。如果TRIP信号正确连接到第一电路断路器16的控制端22，并且如果第一电路断路器16正确起作用，则输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)的每一个应在TRIP信号已从断开切换到接通之后的相对短时间间隔内降低到0V。
由此，在步骤46，控制器32确定在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)的每一个是否小于或等于预定值VMIN。该预定值VMIN可以在大约15V和大约0V之间，或者可以是可用来确定第一电路断路器16已切断来自VFD 12的电力的一些其他值。第一预定时间间隔TMAX可以在大约1秒和大约1微秒之间，或者可以是在TRIP信号已从断开切换到接通之后、第一电路断路器16切断来自VFD12的电力的一些其他时间间隔。
如果在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内、输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的每一个小于或等于预定值VMIN，则处理前进到步骤48，并且控制器32将DRI标记值设置为假。在步骤50，控制器32在存储器36中存储DRI标记。在步骤52，控制器32可选地可向用户显示指示测试已通过的消息。处理40然后结束，输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的每一个小于或等于预定值VMIN，并且在存储器36中保存DRI＝FALSE。结果，控制器32不能基于输入保护测试结果来防止VFD 12运行。
再次参考步骤46，如果控制器32确定在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内、输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的一个或多个不小于或等于预定值VMIN，则处理前进到步骤54，并且控制器32将DRI标记值设置为真。在步骤50，控制器32在存储器36中存储DRI标记。在步骤56，控制器32可选地可向用户显示指示测试已失败的消息。处理40然后结束，在存储器36中保存DRI＝TRUE。结果，控制器32基于输入保护测试结果来防止VFD 12运行。
在上述示例处理40中，控制器32监视输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的每一个以确定在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内、所有三个输入电压是否小于或等于预定值VMIN。本领域技术人员将理解，控制器32作为选择可监视少于所有输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)。
例如，在步骤44，控制器32可监视输入电压VIN(φ2)，并且在步骤46，控制器32作为选择可确定在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内、输入电压VIN(φ2)是否小于或等于预定值VMIN，并且可因此设置DRI标记值。也可以使用其他替换方案。
现在参考图1和3，描述根据该发明的示例驱动故障处理60。该驱动故障处理60可在出现预定条件(例如，灾难性内部失灵，诸如VFD 12中的过分电力损耗、到VFD 12的反应输入电流的过分级别、VFD 12中的内部电弧放电、或一些其他条件)时由控制器32开启。
在步骤62，响应于驱动故障命令，控制器32将第一输出终端28处的TRIP信号从第一值(例如断开(例如0V))切换到第二值(例如接通(例如5V))。当TRIP信号从断开切换到接通时，第一电路断路器16应开路以切断来自VFD 16的电力。
为了确定第一电路断路器16是否已开路，在步骤64，控制器32作为时间的函数分别监视输入终端26(a)、26(b)和26(c)的输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)。如果TRIP信号正确连接到第一电路断路器16的控制终端22，并且如果第一电路断路器16正确起作用，则输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)的每一个应在TRIP信号已从断开切换到接通之后的相对短时间间隔内降低到0V。
由此，在步骤66，控制器32确定在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内、输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的每一个是否小于或等于预定值VMIN。如果在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内、输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的每一个小于或等于预定值VMIN，则处理前进到步骤68，并且控制器32将DRI标记值设置为假。在步骤70，控制器32在存储器36中存储DRI标记。处理60然后结束，输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的每一个小于或等于预定值VMIN，并且在存储器36中保存DRI＝FALSE。
再次参考步骤66，如果控制器32确定在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内、输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的一个或多个不小于或等于预定值VMIN，则处理前进到步骤72，并且控制器32将DRI标记值设置为真。在步骤74，控制器32在存储器36中存储DRI标记。
在一些实例中，驱动输入断路器16可以不能在TMAX内切断到VFD 12的电力，而是可以能够在较长时间间隔内进行该操作。因此，在步骤76，控制器32继续作为时间的函数分别监视在输入终端26(a)、26(b)和26(c)的输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)，并确定在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第二预定时间间隔TFLT内、输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的每一个是否小于或等于预定值VMIN。第二预定时间间隔TFLT可以在大约1秒和大约5秒之间，或者可以是比TMAX长的一些其他时间间隔。如果是的话，则处理60结束，输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的每一个小于或等于预定值VMIN，并且在存储器36中保存DRI＝TRUE。
然而，如果在步骤76控制器32确定在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第二预定时间间隔TFLT内、输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的一个或多个不小于或等于预定值VMIN，则处理前进到步骤78，并且控制器32将第二输出终端30处的FAULT信号从第一值(例如断开(例如0V))切换到第二值(例如接通(例如5V))，这促使第二电路断路器18开路，以切断到第一电路断路器16和VFD 12的电力。
在这方面，如果第一电路断路器16在较长时间间隔TFLT内不能切断到VFD 12的电力，则这可指示严重的安全问题。结果，控制器32使得第二电路断路器18开路，以防止严重损坏或伤害。另外，在步骤80，控制器32发布驱动故障输入断路器开路故障警告，以指示该故障的本性。处理60然后结束，在存储器36中保存DRI＝TRUE。
在上述示例处理60中，控制器32监视输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)中的每一个，并确定在TRIP信号已从断切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内、每个输入电压是否小于或等于预定值VMIN。本领域技术人员将理解，根据该发明的驱动故障功能作为选择可监视少于全部输入电压VIN(φ1)、VIN(φ2)和VIN(φ3)。例如，在步骤64，控制器32作为选择可监视输入电压VIN(φ1)和VIN(φ3)，并且在步骤66，控制器32作为选择可确定在TRIP信号已从断开切换到接通之后的第一预定时间间隔TMAX内、输入电压VIN(φ1)和VIN(φ3)中的每一个是否小于或等于预定值VMIN，并且可因此设置DRI标记值。相同的替换示例应用到步骤76。也可使用其他替换方案。
前述仅图示了该发明的原理，并且本领域技术人员可进行各种修改，而不脱离该发明的范围和精神。
Claims (24)
1.一种电力变换器，包括：
输入信号终端；
第一输出信号终端处的第一输出信号；和
控制器，适于：
将该第一输出信号从第一值切换到第二值；
作为时间的函数来测量该输入信号终端处的电压；
如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的电压落到预定值之下，则将标记设置为第一标记值；
如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的电压没有落到预定值之下，则将标记设置为第二标记值；和
在存储器中保存该标记。
2.根据权利要求1所述的电力变换器，其中：
该输入信号终端耦接到第一电路断路器的输出信号；
该第一输出信号终端耦接到该第一电路断路器的控制输入端；和
当该第一输出信号从第一值切换到第二值时，该第一电路断路器适于开路。
3.根据权利要求1所述的电力变换器，其中：
该输入信号终端耦接到多相输入信号；和
该控制器适于作为时间的函数来测量该输入信号的每一相的电压。
4.根据权利要求3所述的电力变换器，其中该控制器适于：
如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的该多相输入信号的每一相的电压落到预定值之下，则将该标记设置为第一值；和
如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的该多相输入信号的任一相的电压没有落到预定值之下，则将该标记设置为第二值。
5.根据权利要求1所述的电力变换器，其中该预定值在大约15V和大约0V之间。
6.根据权利要求1所述的电力变换器，其中该第一预定时间间隔在大约1秒和大约1微秒之间。
7.根据权利要求1所述的电力变换器，其中如果该标记具有第一标记值，则禁止该电力变换器运行，而如果该标记具有第二标记值，则不禁止该电力变换器运行。
8.根据权利要求1所述的电力变换器，其中该控制器响应于测试命令或驱动故障，将该第一输出信号从第一值切换到第二值。
9.根据权利要求1所述的电力变换器，进一步包括第二输出信号终端的第二输出信号，其中该控制器进一步适于，如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第二预定时间间隔内、测量的电压没有落到预定值之下，则将该第二输出信号从第一值切换到第二值。
10.根据权利要求9所述的电力变换器，其中：
该输入信号终端耦接到第二电路断路器的输出信号；
该第二输出信号终端耦接到该第二电路断路器的控制输入端；和
当该第二输出信号从第一值切换到第二值时，该第二电路断路器适于开路。
11.根据权利要求9所述的电力变换器，其中该第二预定时间间隔在大约1秒和大约5秒之间。
12.根据权利要求1所述的电力变换器，其中该电力变换器包括DC-DC变换器、AC-DC变换器、DC-DC逆变器、和可变频率驱动器(“VFD”)中的一个或多个。
13.一种用于操作电力变换器的方法，该电力变换器包括输入信号终端、第一输出信号终端和第二输出信号终端，该方法包括：
在该第一输出信号终端处提供第一输出信号；
将该第一输出信号从第一值切换到第二值；
作为时间的函数来测量该输入信号终端处的电压；
如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的电压落到预定值之下，则将标记设置为第一标记值；
如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的电压没有落到预定值之下，则将标记设置为第二标记值；和
在存储器中保存该标记。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
将该输入信号终端耦接到第一电路断路器的输出信号；
将该第一输出信号终端耦接到该第一电路断路器的控制输入，
其中当该第一输出信号从第一值切换到第二值时，该第一电路断路器适于开路。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将该输入信号终端耦接到多相输入信号，其中所述测量电压的步骤包括作为时间的函数来测量该输入信号的每一相的电压。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的该多相输入信号的每一相的电压落到预定值之下，则将该标记设置为第一值；和
如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第一预定时间间隔内、测量的该多相输入信号的任一相的电压没有落到预定值之下，则将该标记设置为第二值。
17.根据权利要求13所述的方法，其中该预定值在大约15V和大约0V之间。
18.根据权利要求13所述的方法，其中该第一预定时间间隔在大约1秒和大约1微秒之间。
19.根据权利要求13所述的方法，其中如果该标记具有第一标记值，则禁止该电力变换器运行，而如果该标记具有第二标记值，则不禁止该电力变换器运行。
20.根据权利要求13所述的方法，进一步包括响应于测试命令或驱动故障，将该第一输出信号从第一值切换到第二值。
21.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
在该第二输出信号终端处提供第二输出信号；和
如果在该第一输出信号已从第一值切换到第二值之后的第二预定时间间隔内、测量的电压没有落到预定值之下，则将该第二输出信号从第一值切换到第二值。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：
将该输入信号终端耦接到第二电路断路器的输出信号；
将该第二输出信号终端耦接到该第二电路断路器的控制输入，
其中当该第二输出信号从第一值切换到第二值时，该第二电路断路器适于开路。
23.根据权利要求21所述的方法，其中该第二预定时间间隔在大约1秒和大约5秒之间。
24.根据权利要求13所述的方法，其中该电力变换器包括DC-DC变换器、AC-DC变换器、DC-DC逆变器、和可变频率驱动器(“VFD”)中的一个或多个。
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