CN108414880A - 一种用于变频器启动前相间短路检测方法 - Google Patents

一种用于变频器启动前相间短路检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于变频器启动前相间短路检测方法，属于变频器控制技术领域，主要涉及一种用于变频器启动前相间短路检测方法；本发明包括并联连接的U相采样电路、V相采样电路和W相采样电路，所述U相采样电路、V相采样电路和W相采样电路均包括上桥臂和下桥臂，三相下桥臂均串联有一个采样电阻；本发明同时公开一种用于变频器启动前相间短路检测方法，包括控制V/W相下桥臂全载波周期开通、控制U/W相下桥臂全载波周期开通和检测相间电流三个步骤。本发明结构合理，用低成本采样电阻的方式进行准确的电流采样，可检测三相输出相间短路，且不需要增加额外的硬件而导致成本增加，使用寿命长，易于实现。

Description

一种用于变频器启动前相间短路检测方法
技术领域
一种变频器短路检测方法，属于变频器控制技术领域，主要涉及一种用于变频器启动前相间短路检测方法。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，变频器控制技术行业得到了大力发展， 在高性能的变频器中，电流检测是一个关系到成本和可靠性的关键问题，不同的检测方式有不同的优缺点。CT(Current Transformer)是一种常用的电流采样方式，它价格昂贵且体积庞大。另一种低成本的电流采样方式是在直流母线负端串联一个采样电阻采样电流，但这种方案需要复杂的软件控制，且无法实现相间短路保护。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种用于变频器电流采样电路及启动前相间短路检测方法，电流采样方式成本较低且实施方式相对简单，并且可以实现相间短路检测，系统稳定性和可靠性高，使用寿命长。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于变频器电流采样电路，包括并联连接的U相采样电路、V相采样电路、W相采样电路和电机，所述U相采样电路包括串联连接的U相上桥臂、U相下桥臂和U相采样电阻，V相采样电路包括串联连接的V相上桥臂、V相下桥臂和V相采样电阻，W相采样电路包括串联连接的W相上桥臂、W相下桥臂和W相采样电阻，所述U相上桥臂和U相下桥臂中点、V相上桥臂和V相下桥臂中点、W相上桥臂和W相下桥臂中点分别与电机的U、V、W相建立连接关系。
进一步地，U相采样电阻、V相采样电阻和W相采样电阻的阻值比为1:1:1。
进一步地，U相上桥臂、U相下桥臂、V相上桥臂、V相下桥臂、W相上桥臂和W相下桥臂均包括开关管和与开关管并联连接的体二极管。
进一步地，旋转电动机的变频器的启动通常需要特别的测量，以防止未受控制的过电流脉冲损坏变频器或者电机。为了更好的保护电机和变频器，本发明会在变频器启动前会进行相间短路检测。
进一步地，使用三相采样电阻采样电流时的变频器实现相间短路检测，在变频器启动运转前会输出特殊的电压，并同时检测此时流经采样电阻的电流是否达到相间短路的电流准位，特殊电压值由三相桥臂的导通时间和当前母线电压决定。
一种用于变频器启动前相间短路检测方法，包括以下步骤：
S1. 搭建逆变器电流采样电路，包括并联连接的U相采样电路、V相采样电路、W相采样电路和电机，控制V/W相下桥臂全载波周期开通，U相上桥臂的开通时间由T0逐载波周期递增△T，最大开通时间T1，在此过程中持续检测V/W相的电流是否达到相间短路的电流准位，检测电机UV相，UW相否有短路现象。
所述U相采样电路包括串联连接的U相上桥臂、U相下桥臂和U相采样电阻，V相采样电路包括串联连接的V相上桥臂、V相下桥臂和V相采样电阻，W相采样电路包括串联连接的W相上桥臂、W相下桥臂和W相采样电阻，所述U相上桥臂和U相下桥臂中点、V相上桥臂和V相下桥臂中点、W相上桥臂和W相下桥臂中点分别与电机的U、V、W相建立连接关系。
进一步地，U相采样电阻、V相采样电阻和W相采样电阻的阻值比为1:1:1。
进一步地，U相上桥臂、U相下桥臂、V相上桥臂、V相下桥臂、W相上桥臂和W相下桥臂均包括开关管和与开关管并联连接的体二极管。
进一步地，旋转电动机的变频器的启动通常需要特别的测量，以防止未受控制的过电流脉冲损坏变频器或者电机。为了更好的保护电机和变频器，本发明会在变频器启动前会进行相间短路检测。
进一步地，使用三相采样电阻采样电流时的变频器实现相间短路检测，在启动前会输出特殊的电压，并同时检测此时流经采样电阻的电流是否达到相间短路的电流准位，特殊电压值由三相桥臂的导通时间和当前母线电压决定，桥臂的导通时间控制方式参考图3，图中U相上桥臂起始开通时间为T0，U相上桥臂导通时间逐载波周期递增△T，最大开通时间为T1。U1为U相上桥臂、U2为U相下桥臂、V1为V相上桥臂、V2为V相下桥臂、W1为W相上桥臂、W2为W相下桥臂，图中V1和W1为全周期关断，低电平输出，V2和W2为全周期导通，输出为高电平。若当前母线电压为600V，相间短路检测时载波周期为200us，则相间短路检测过程中的变频器输出电压范围约为0.6V~30V。
S2. 控制U/W相下桥臂全载波周期开通，V相上桥臂的开通时间由T0逐载波周期递增△T，最大开通时间T1，在此过程中持续检测U/W相的电流是否达到相间短路的电流准位，检测电机VU相和VW相是否有短路现象。
S3. 依次执行S1和S2步骤，执行过程中只要检测到一次电流达到相间短路的电流准位，变频器立刻停止输出并报出相间短路异警；若上述步骤执行过程中未触发相间短路异警，则正常启动。
进一步地，检测方法中每一个采样时刻U相下桥臂、V相下桥臂和W相下桥臂中至少有两相下桥臂同时开通。
进一步地，S1和S2步骤中，每个电流采样时刻为U相下桥臂、V相下桥臂和W相下桥臂开通的中间时刻。
进一步地，下桥臂的开通时间非常短，导致采样电阻无法采集到有效数据，因此三相采样电阻的采样值还需要进行筛选,以剔除一些无效数据，提高电流计算的精度。
进一步地，筛选电流的条件包括：
a. 电流采样值换算为电流之后，三相之和为零；
b. 基于当前PWM调制的SVPWM调制方式筛选。
进一步地，SVPWM调制算法的原理为：当逆变器对电机供电时，定子电压由逆变器三组（6个）开关管的开关状态确定，逆变器可以输出8个电压空间矢量如图4所示，扇区分布如下表1所示，其中，6个非零电压矢量（U1，U2，…，U6）按每区60°将磁链圆分成6个区间，每个矢量长度均等于。以及两个零电压矢量（U0，U7），矢量长度为0。SVPWM是基于伏秒平衡原则，任意电压矢量都可以由相邻的两个电压矢量以及零矢量合成：
表1 扇区分布
进一步地， SVPWM调制方式筛选电流采样值的原理如图4所示说明。以电压矢量U1为例，001表示U相下桥臂、V相下桥臂和W 相上桥臂开通。每一个采样时刻至少要有两相下桥臂同时开通，采样电阻才有机会采集到有效的电流值。在电压矢量U3、U5、U6作用的载波周期，仅有一相下桥臂开通；U7电压矢量作用的载波周期，没有下桥臂开通，这两种状况均无法计算出有效的电流值。因此，根据当前采样时刻的前一时刻三相开关管的导通时间来判断当前作用的电压矢量所在区域，若电压矢量所在区域非常接近U3、U5、U6、U7，则当前周期的采样值丢弃，电流采样值保持上一周期的值不变。其他电压矢量作用的载波周期内，将当前采样时刻前一时刻的U、V、W三相下桥臂驱动时间进行比较，将驱动时间最短的一相电流由另外两相电流合成。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果，本发明的结构合理，用低成本采样电阻的方式进行准确的电流采样，可检测三相输出相间短路，且不需要增加额外的硬件而导致成本增加，系统稳定性和可靠性高，使用寿命长，易于实现。
附图说明
图1是本发明的电路原理图；
图2是本发明的三相电阻采样和PWM输出的示意图；
图3是本发明的相间短路检测过程三相桥臂导通时间控制方式示意图；
图4是本发明的SVPWM调制算法电压矢量图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
搭建电流采样电路，本实施例的一种用于变频器电流采样电路，包括并联连接的U相采样电路、V相采样电路和W相采样电路，所述U相采样电路、V相采样电路和W相采样电路均包括上桥臂和下桥臂，在每一相的下桥臂串联采样电阻Ru,Rv,Rw，分别用于采样每一相的电流。
U相采样电阻、V相采样电阻和W相采样电阻的阻值比为1:1:1。
U相上桥臂、U相下桥臂、V相上桥臂、V相下桥臂、W相上桥臂和W相下桥臂均包括开关管和与开关管并联连接的体二极管。
一种用于变频器启动前相间短路检测方法，包括以下步骤：
S1.控制V/W相下桥臂全载波周期开通，U相上桥臂的开通时间由T0，逐载波周期递增△T，最大开通时间T1，在此过程中持续检测V/W相的电流是否达到相间短路的电流准位，检测电机UV相和UW相是否有短路现象；
S2. 控制U/W相下桥臂全载波周期开通，V相上桥臂的开通时间由T0逐载波周期递增△T，最大开通时间T1，在此过程中持续检测U/W相的电流是否达到相间短路的电流准位，检测电机VU相和VW相是否有短路现象；
S3. 依次执行S1和S2步骤，执行过程中只要检测到一次电流达到相间短路的电流准位，所述相间短路的电流准位设定为当前变频器机种的额定输出电流，变频器立刻停止输出并报出相间短路异警；若上述步骤执行过程中未触发相间短路异警，则正常启动。
本实施例中，S1和S2步骤采用Freescale的MC56F84XX芯片，利用其自带的eFlexPWM模块的功能实现对AD电流采样的定时采样，检测方法中每一个采样时刻U相下桥臂、V相下桥臂和W相下桥臂中至少有两相下桥臂同时开通，如图2所示，其中a、b、c、d、e、f分别为U相上桥臂、U相下桥臂、V相上桥臂、V相下桥臂和W相上桥臂和W相下桥臂的波形，S1和S2为电流采样时刻，每个电流采样时刻为U相下桥臂、V相下桥臂和W相下桥臂开通的中间时刻。
本实施例采用SVPWM调制算法，如图4所示，为了加大三相下桥臂同时开通的几率，使用SVPWM调制算法中的两相调变插入000矢量的方式，实施原理：A、B、C三相电压都叠加上幅值为的电压，其中如下：
式中：。
所述采样电流通过SVPWM调制方式筛选，具体为：
当变频器输出电压出现过调制时，此时没有零矢量的作用时间，会有下桥臂完全关断的情况。在一个采样时刻至少要有两相下桥臂同时开通，采样电阻才有机会采集到有效的电流值。参考图4，在电压矢量U3，U5，U6作用的载波周期，仅有一相下桥臂开通。因此，根据当前采样时刻的前一时刻三相开关管的导通时间来判断当前作用的电压矢量所在区域。
具体判断方法为：以图4中电压矢量U6为例，若该电压矢量的U相上桥臂和V相上桥臂导通时间与载波周期的比值在80%以上，即认为当前作用的电压矢量为U6。若按照以上规则判定当前作用的电压矢量是U3，U5，U6其中任意一个时，当前周期的电流采样值丢弃，电流采样值保持上一周期的值不变。当电压矢量在其他区域时，将当前采样时刻前一时刻的U、V、W三相下桥臂驱动时间进行比较，将驱动时间最短的一相电流由另外两相电流合成，得到合成电流值。
正常情况下，任意时刻的三相电流之和为零，即，若当前周期U相驱动时间最短，则U相电流由V，W两相电流合成，合成电流值为 。
所述S1和S2步骤执行过程中，按当前变频器机种设置相应的死区时间。
所述S1和S2步骤执行过程中，使用三相采样电阻采样电流时的变频器实现相间短路检测，在启动前会输出特殊的电压，并同时检测此时流经采样电阻的电流是否达到相间短路的电流准位，特殊电压值由三相桥臂的导通时间和当前母线电压决定，桥臂的导通时间控制方式参考图3，图中U1为U相上桥臂、U2为U相下桥臂、V1为V相上桥臂、V2为V相下桥臂、W1为W相上桥臂、W2为W相下桥臂，图中V1和W1为全周期关断，低电平输出，V2和W2为全周期导通，输出为高电平，图3中，U相上桥臂其实开通时间为T0（当前机种的死区时间），U相上桥臂导通的时间逐载波周期递增△T（0.2us），最大开通时间T1（约10us）；若当前母线电压为600V，相间短路检测时载波周期为200us，则相间短路检测过程中的变频器输出电压范围约为0.6V~30V。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本发明的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于变频器启动前相间短路检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 搭建变频器电流采样电路，包括并联连接的U相采样电路、V相采样电路和W相采样电路，控制V/W相下桥臂全载波周期开通，U相上桥臂的开通时间由T0逐载波周期递增△T，最大开通时间T1，检测电机UV相，UW相否有短路现象；
S2. 控制U/W相下桥臂全载波周期开通，V相上桥臂的开通时间由T0逐载波周期递增△T，最大开通时间T1，检测电机VU相，VW相是否有短路现象；
S3. 依次执行S1和S2步骤，执行过程中只要检测到一次电流达到相间短路的电流准位，变频器立刻停止输出并报出相间短路异警；若上述步骤执行过程中未触发相间短路异警，则正常启动。
2.根据权利要求1所述的一种用于变频器启动前相间短路检测方法，其特征在于：所述检测方法中每一个采样时刻U相下桥臂、V相下桥臂和W相下桥臂中至少有两相下桥臂同时开通。
3.根据权利要求1所述的一种用于变频器启动前相间短路检测方法，其特征在于：所述S1和S2步骤中，每个电流采样时刻为U相下桥臂、V相下桥臂和W相下桥臂开通的中间时刻。
4.根据权利要求3所述的一种用于变频器启动前相间短路检测方法，其特征在于：所述采样电流通过SVPWM调制方式筛选。
5.根据权利要求1所述的一种用于变频器启动前相间短路检测方法，其特征在于：所述S1和S2步骤中，通过控制三相桥臂的导通时间输出特殊电压检测相间短路，特殊电压值由三相桥臂的导通时间和当前母线电压决定。
6.根据权利要求1所述的一种用于变频器启动前相间短路检测方法，其特征在于：所述变频器电流采样电路的U相采样电路、V相采样电路和W相采样电路均包括上桥臂和下桥臂，三相下桥臂均串联有一个采样电阻。
7.根据权利要求6所述的一种用于变频器启动前相间短路检测方法，其特征在于：所述U相采样电阻、V相采样电阻和W相采样电阻的阻值比为1:1:1。
8.根据权利要求6所述的一种用于变频器启动前相间短路检测方法，其特征在于：所述U相上桥臂、U相下桥臂、V相上桥臂、V相下桥臂、W相上桥臂和W相下桥臂均包括开关管和与开关管并联连接的体二极管。
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