CN105515407B - 三相pwm整流电路的缺相故障检测方法和检测装置 - Google Patents

三相pwm整流电路的缺相故障检测方法和检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开三相PWM整流电路的缺相故障检测方法。步骤1，设定中断周期TP，清零计数器T1、T2、T3。步骤2，采样母线电压、三相输入电流，计数器T1、T2加1。步骤3，三相输入电流输入电流控制环进行电流PI调节。步骤4，判断T1＝k1TP是否成立，成立执行步骤5，否则进入步骤6。步骤5，直流母线电压输入电压控制环进行电压调节，计数器T1清零。步骤6，判断T2≥k2TP是否成立，成立，执行步骤7，否则，进入步骤9。步骤7，封锁PWM整流电路，计数器T3加1。步骤8，进行缺相判断。步骤9，判断T3＝k3TP是否成立，成立，进入步骤10，否则，经过步骤12，13，返回步骤2，重复下一中断周期的控制。步骤10，执行PWM整流电路(2)功率开关解除封锁操作，出PWM中断，进入步骤12。

Description

三相PWM整流电路的缺相故障检测方法和检测装置
技术领域
本发明涉及三相PWM整流电路的缺相故障检测方法和检测装置。
背景技术
三相PWM整流电路在工业及新能源发电领域有着广泛的应用。在矿山、油田、港口等工业现场需要应用大功率四象限变频器，而如今的四象限变频器大多应用三相PWM整流技术；在风力发电、太阳能发电等领域，三相PWM整流电路也是其中重要的技术环节。这些应用领域中都需要对缺相故障进行快速、准确定位并报警，因而要求三相PWM整流电路具备缺相故障检测及报警停机的能力。
目前三相PWM整流电路中的缺相故障检测大多沿用传统变频器和电力系统的方法，这些方法基本分为两类:直接相电压检测法；间接检测法。
直接相电压检测法具有检测直接、故障定位准确的优点。其中最具代表性的即为传统变频器所采用的高阻隔离整流法。该方法通过整流桥将三相交流电整流为直流电压，三相交流电正常和缺相故障时，整流后的直流电压值将不同，根据该直流电压值的大小即可判断缺相故障是否发生。然而三相PWM整流电路中，由于直流侧电容的储能作用，在缺相故障发生时，直流母线电压将维持短时恒定，根据三相PWM整流电路的工作原理易知，该恒定的直流母线电压将会被逆变为三相交流电压施加于三相PWM整流电路的交流输入端，且逆变而来的三相交流电压与原电网电压只有细微的相角与幅值差异，易造成电网未发生缺相故障的假象。
因此在三相PWM整流电路中，包括高阻隔离整流法在内的所有直接相电压检测法都无法有效的对缺相故障进行检测。
间接检测法主要是通过对三相PWM整流电路的直流母线纹波电压和交流输入电流检测，当检测到纹波电压较高，且某相交流输入电流为零时，即可判断缺相故障发生。但是由于直流母线电压的纹波电压幅值较低，很难准确检测，同时相电流为零时，检测电路的干扰很难排除，所以间接检测法的检测精度较低，且误报率较高。
针对直接相电压检测法在三相PWM整流电路中检测失效，间接检测法检测精度较低，误报率较高的技术现状，本发明提供一种检测方法和利用该方法的检测装置，该检测方法可在保证三相PWM整流电路正常工作情况下，采用各种直接相电压检测法，有效避免传统直接相电压检测法在三相PWM整流电路失效的缺点，从而快速、准确定位缺相故障并报警。
发明内容
为了实现上述目的，本发明的第一技术方案为一种三相PWM整流电路的缺相故障检测方法，其特征在于包括以下步骤，进入PWM中断后，
步骤1，设定中断周期TP，清零计数器T1、T2、T3，
步骤2，采样直流母线电压、三相输入电流，得到采样信号序列计数器T1、T2的计数值增加1，
步骤3，将三相输入电流输入电流控制环(32)，进行电流PI调节，
步骤4，判断T1＝k1TP是否成立，如成立执行步骤5，如不成立，进入步骤6，其中，k1为决定电压控制环(31)控制周期的系数,
步骤5，将直流母线电压输入电压控制环(31)，进行电压调节，同时计数器T1清零,
步骤6，判断T2≥k2TP是否成立，如成立，执行步骤7，如不成立，进入步骤9，其中系数k2为决定PWM整流电路(2)封锁周期系数，
步骤7，对PWM整流电路(2)的功率开关执行封锁操作，同时计数器T3的计数值加1，
步骤8，进行缺相判断，
步骤9，判断T3＝k3TP是否成立，如成立，进入步骤10，如不成立，出PWM中断，执行主程序循环代码，等待进入下次PWM中断，其中，k3为决定PWM整流电路(2)封锁时长的系数，根据缺相检测所需要的时长确定，
步骤10，执行PWM整流电路(2)功率开关解除封锁操作，出PWM中断，执行主程序循环代码，等待进入下次PWM中断。
第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于，还具有步骤11，步骤11中，保存本中断周期的采样值用作下一中断周期控制的初始状态值，出PWM中断，执行主程序循环代码，等待进入下次PWM中断。
第三技术方案基于第二技术方案，其特征在于，系数k1优选5～10，系数k2优选(2～5)k1。
第四技术方案基于第1至3中任一技术方案，其特征在于，步骤8中，采用高阻隔离整流电路，由整流桥将三相交流电整流为直流电压后采样，根据采样电压与基准电压的比较检测缺相。
第五技术方案为一种三相PWM整流电路的缺相故障检测装置，其特征在于，包括，电压控制环(31)、电流控制环(32)、PWM信号发生器(33)、PWM整流电路(2)、缺相检测器(34)、缺相检测控制器(35)，
进入PWM中断后，所述缺相检测控制器(35)和缺相检测器(34)按照第1至4中任一技术方案记载的方法检测缺相。
附图说明
图1为采用直接相电压检测法检测缺相故障的本发明实施方式的
三相PWM整流电路的结构框图；
图2为三相PWM整流电路交流端的电压说明图；
图3为图1中控制器的结构框图；
图4为本发明缺相故障检测方法的流程图。
标号说明
1-交流供电电路 2-PWM整流电路
3-控制器 31-电压控制环
32-电流控制环 33-PWM信号发生器
34-缺相检测器 35-缺相检测控制器
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。图1为采用直接相电压检测法检测缺相故障的本发明实施方式的三相PWM整流电路的结构框图。
如图1所示，星性连接的三相交流电网1通过电感L(LU、LV、LW)连接在PWM整流电路2的三相交流输入端。在三相PWM整流电路2的直流端并接有串联的电容C1和C2。三相交流电网1的供电经PWM整流电路2整流后，在电容C1和C2的两端形成直流母线电压Udc。控制器3控制PWM整流电路2中功率开关的的开和关。PWM整流电路2中的功率开关为IGBT，具体结构为现有技术，在此不再赘述。
由PWM整流电路的工作原理可知，在图1中的a、b、c点处产生与电网电压U、V、W相位、幅值差异很小的电压R、S、T，其示意图如图2所示，由于R、S、T与U、V、W的差异较小，当U、V、W的某相发生缺相故障时，由于R、S、T的作用，在图1中的A、B、C点处依然可测得与原电压基本相同的相电压的存在，因而通过检测交流端的电压来判断缺相故障的直接检测法会失效。
本发明通过周期性控制PWM整流电流2功率开关器件的IGBT封锁一定时间，为缺相检测电路开辟有效窗口时间，在此窗口时间内不会产生R、S、T电压，因而传统的直接相电压检测方法将不会失效，可快速、准确检测出三相PWM整流电路的缺相故障。
图3为图1中控制器的结构框图。控制器3具有，电压控制环31、电流控制环32、PWM信号发生器33、缺相检测器34、缺相检测控制器35。
目标电压Uref和直流母线电压的差值作为控制量输入电压控制环31进行调节，如对控制量进行PI调节。电压控制环31输出的电流指令im和由传感器检测到的三相交流电流 的差值作为电流控制量输入电流控制环32，进行PI调节。电流控制量经PI调节后，输入到PWM信号发生器33产生PWM信号控制PWM整流电路2中的功率开关的IGBT的开和关，将三相交流整流成直流的母线电压。以下根据流程图对缺相故障的检测进行说明。
图4为本发明缺相故障检测方法的流程图。进入PWM中断后，缺相检测控制器35执行以下的步骤。
步骤1，设定中断周期TP，清零计数器T1、T2、T3。
步骤2，采样直流母线电压、三相输入电流，得到采样信号序列计数器T1、T2的计数值增加1。
步骤3，将三相输入电流输入电流控制环32，由电流控制环32对其与电压控制环31输出的电流指令im的差值进行PI调节。
步骤4，判断T1＝k1TP是否成立，如成立执行步骤5，如不成立，进入步骤6，其中，k1为决定电压控制环(31)控制周期的系数,在本实施方式中取值在5～10。
步骤5，将直流母线电压输入电压控制环31，进行电压调节，同时计数器T1清零。
因此，电流控制环32每进行k1Tp次PI调节后，电压控制环31进行一次调节，比如PI调节。
步骤6，判断T2≥k2TP是否成立，如成立，执行步骤7，如不成立，进入步骤9，其中系数k2为决定PWM整流电路2封锁周期系数，在本实施方式中取值在(2～5)k1，使PWM整流电路2的封锁周期在进行了多次电压调节后进行，避免直流母线两端的电容C1和C2处于放电状态下，执行对PWM整流电路2的功率开关IGBT的封锁操作。
步骤7，向PWM信号发生器33输出封锁信号，使PWM信号发生器33停止发出PWM信号，对PWM整流电路2的功率开关IGBT执行封锁操作，同时计数器T3的计数值加1。
由于，PWM整流电路2的功率开关IGBT被封锁(关断)，在图1中的a、b、c点处的电压为零或显著小于电网电压U、V、W，因此，可通过缺相检测器34直接检测交流端的电压来判断缺相故障。
步骤8，进行缺相判断。在本实施方式中，采样三相输入电压，得到采样信号序列UA(kTp)、UB(kTp)、UC(kTp)，缺相检测器34根据采样信号序列UA(kTp)、UB(kTp)、UC(kTp)，采用直接相电压检测法检测和判断缺相。
步骤9，缺相检测控制器35判断T3＝k3TP是否成立，如成立，进入步骤10，如不成立，进入步骤12，其中，k3为决定PWM整流电路2封锁时长的系数，根据缺相检测所需要的时长确定。
步骤10，因T3＝k3TP成立，缺相故障检测完毕，执行PWM整流电路2功率开关解除封锁操作。
步骤11，保存本中断周期的采样值用作下一中断周期控制的初始状态值，退出PWM中断。
步骤12，执行主程序循环代码。
步骤13，判断中断事件是否发生，如果没有发生，继续执行主程序循环代码，直至中断事件发生，进入步骤2，重复以上步骤，此时，直流母线电压、三相输入电流的初始状态值采用保存的
以上对本发明的具体实施方式进行了说明。在检测缺相故障时，由于封锁了PWM整流电路2，直流母线两端的的电容C1和C2中的电压不会对交流端的电压产生影响，即使采用直接相电压检测法也能有效的对缺相故障进行检测，与间接检测法相比，不仅检测精度高，能够快速、准确定位缺相故障并报警，而且容易实现。由于在封锁开始前，预先进行电流PI调节和电压调节，避免了在电容C1和C2放电的情况下，封锁PWM整流电路2，对电流电压特性的影响降低到最低。并且与电流PI调节相比，降低在电压调节的次数，提高了处理的效率，降低了对硬件的要求。由于在执行PWM整流电路2功率开关IGBT解除封锁操作，退出PWM中断时，本中断周期的采样值 被保存，用作下一中断周期控制的初始状态值，能够尽早的对电压和电流进行调节，降低因封锁PWM整流电路2对直流母线电压造成的影响。
在实施方式中，封锁了PWM整流电路2后，即采样电压，检测缺相，但也可以间隔一定间隔，再执行缺相检测。这样能够在确保PWM整流电路2被封锁的情况下，检测缺相，进一步提高检测的正确性。
变形例
缺相检测器34采用高阻隔离整流电路，由整流桥将三相交流电整流为直流电压后采样，根据采样电压与基准电压的比较检测缺相。
以上只是本发明的较佳实施方式，并不用于限定本发明，根据以上公开的实施方式和实施例，本领域的技术人员可设计出不同的替换方式，这些方式也包含于本发明之内。

Claims (5)

1.一种三相PWM整流电路的缺相故障检测方法，其特征在于包括以下步骤，
步骤1，设定中断周期TP，清零计数器T1、T2、T3，
步骤2，进入PWM中断，采样直流母线电压、三相输入电流，得到采样信号序列计数器T1、T2的计数值增加1，
步骤3，将步骤2中经传感器检测到的三相输入电流 输入到电流控制环(32)，并以上一次执行电压控制环(31)得到的结果im作为本次电流控制环的给定，以im和三相交流电流的差值作为电流控制量进行电流PI调节，
步骤4，判断T1＝k1TP是否成立，如成立执行步骤5，如不成立，进入步骤6，其中，k1为决定电压控制环(31)控制周期的系数,
步骤5，将步骤2中经传感器检测到的直流母线电压输入到电压控制环(31)，以目标电压Uref作为电压环的给定，以目标电压Uref和直流母线电压的差值作为控制量进行电压环PI调节，电压控制环(31)输出的结果存入im，作为直至下次执行电压控制环(31)期间电流控制环(32)的给定，同时计数器T1清零，
步骤6，判断T2≥k2TP是否成立，如成立，执行步骤7，如不成立，进入步骤9，其中系数k2为决定PWM整流电路(2)封锁周期系数，
步骤7，对PWM整流电路(2)的功率开关执行封锁操作，同时计数器T3的计数值加1，
步骤8，进行缺相判断，
步骤9，判断T3＝k3TP是否成立，如成立，进入步骤10，如不成立，出PWM中断，执行主程序循环代码，等待进入下次PWM中断，其中，k3为决定PWM整流电路(2)封锁时长的系数，根据缺相检测所需要的时长确定，
步骤10，执行PWM整流电路(2)功率开关解除封锁操作，出PWM中断，执行主程序循环代码，等待进入下次PWM中断。
2.根据权利要求1记载的三相PWM整流电路的缺相故障检测方法，其特征在于，还具有步骤11，步骤11中，保存本中断周期的采样值用作下一中断周期控制的初始状态值，出PWM中断，执行主程序循环代码，等待进入下次PWM中断。
3.根据权利要求2记载的三相PWM整流电路的缺相故障检测方法，其特征在于，系数k1优选5～10，系数k2优选(2～5)k1。
4.根据权利要求1至3中任一项记载的三相PWM整流电路的缺相故障检测方法，其特征在于，步骤8中，采用高阻隔离整流电路，由整流桥将三相交流电整流为直流电压后采样，根据采样电压与基准电压的比较检测缺相。
5.一种三相PWM整流电路的缺相故障检测装置，其特征在于，包括，电压控制环(31)、电流控制环(32)、PWM信号发生器(33)、PWM整流电路(2)、缺相检测器(34)、缺相检测控制器(35)，
进入PWM中断后，所述缺相检测控制器(35)和缺相检测器(34)按照权利要求1至4中任一项记载的方法检测缺相。
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