CN109149525A - 一种对地短路保护装置及逆变器系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种对地短路保护装置及逆变器系统，包括隔离运算放大器、采样模块、控制器和电源模块；采样模块的输出端与隔离运算放大器的输入端连接，隔离运算放大器的输出端与控制器连接，隔离运算放大器与电源模块连接；采样模块用于采集逆变回路的电压，得到采样电压；隔离运算放大器用于将采样电压放大得到运放电压；控制器用于在运放电压大于预设阈值时控制逆变回路断开。本申请在对逆变回路进行监测时，实时采集逆变回路的电压得到采样电压，将采样电压放大后输出给控制器，控制器确定发生对地短路时，控制逆变回路断开以保护逆变器。由于控制器的响应快，可在3us内完成保护动作，能有效地起到保护逆变器的作用，降低了起火风险。

Description

一种对地短路保护装置及逆变器系统

技术领域

本申请涉及电气自动化技术领域，特别是涉及一种对地短路保护装置及逆变器系统。

背景技术

随着技术的发展，逆变器已被广泛应用于很多领域。逆变器在使用过程中会因器件老化或损坏、高温以及接线错误等发生对地短路的情况，如果缺少对地短路保护装置会造成逆变器损坏，甚至会引起火灾，因此，对地短路保护装置是非常重要的。

目前，常见的对地短路保护方式是在逆变回路输入前端连接保险丝，发生对地短路时保险丝熔断，进而切断逆变回路来保证不发生重大安全事故。但是，这种方式由于要等保险丝熔断导致保护时响应时间过长，而逆变器的功率模块在超过10us后就会由于发热造成逆变器损坏，可见，现有的对地短路保护方式不能有效地起到保护逆变器的作用，也无法降低起火风险。

因此，如何提供一种能解决上述技术问题的方案，是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种对地短路保护装置，能有效地起到保护逆变器的作用，降低了起火风险；本申请的另一目的是提供一种逆变器系统，与上述对地短路保护装置具有相同的有益效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种对地短路保护装置，包括隔离运算放大器、采样模块、控制器和电源模块；

所述采样模块的输出端与所述隔离运算放大器的输入端连接，所述隔离运算放大器的输出端与所述控制器连接，所述隔离运算放大器与所述电源模块连接；

所述采样模块用于采集逆变回路的电压，得到采样电压；所述隔离运算放大器用于将所述采样电压放大得到运放电压；所述控制器用于在所述运放电压大于预设阈值时控制所述逆变回路断开。

优选地，该对地短路保护装置还包括用于对所述采样电压滤波的第一滤波模块；

所述第一滤波模块的输入端与所述采样模块的输出端连接，所述第一滤波模块的输出端与所述隔离运算放大器的输入端连接。

优选地，所述第一滤波模块包括第一电阻、第二电阻和第一电容；

所述第一电阻的第一端和所述第二电阻的第一端作为所述第一滤波模块的输入端，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第二端作为所述第一滤波模块的输出端，所述第一电容的第一端和所述第一电阻的第二端连接，所述第一电容的第二端与所述第二电阻的第二端连接。

优选地，所述采样模块为第三电阻；

则所述第三电阻的第一端和所述第三电阻的第二端作为所述采样模块的输出端。

优选地，所述隔离运算放大器的型号为AMC1200；

则所述AMC1200的第二引脚和所述AMC1200的第三引脚作为所述隔离运算放大器的输入端，所述AMC1200的第六引脚和所述AMC1200的第七引脚作为所述隔离运算放大器的输出端。

优选地，该对地短路保护装置还包括：

与所述隔离运算放大器连接、用于保护所述隔离运算放大器的保护模块。

优选地，所述保护模块包括二极管；

所述二极管的阴极与所述电源模块连接，所述二极管的阳极接地。

优选地，该对地短路保护装置还包括：

与所述AMC1200连接、用于滤除所述AMC1200的输出端的干扰信号的第二滤波模块。

优选地，该对地短路保护装置还包括：

与所述控制器连接、用于当所述运放电压大于所述预设阈值时发出告警的报警模块。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种逆变器系统，包括逆变回路，还包括如上任一项所述的对地短路保护装置。

本申请提供了一种对地短路保护装置，包括隔离运算放大器、采样模块、控制器和电源模块；采样模块的输出端与隔离运算放大器的输入端连接，隔离运算放大器的输出端与控制器连接，隔离运算放大器与电源模块连接；采样模块用于采集逆变回路的电压，得到采样电压；隔离运算放大器用于将采样电压放大得到运放电压；控制器用于在运放电压大于预设阈值时控制逆变回路断开。

本申请中，在对逆变回路进行监测时，采样模块可以实时采集逆变回路的电压得到采样电压，利用隔离运算放大器将逆变回路与短路保护的控制器隔离开来，提高安全性；然后将采样电压放大后输出给控制器，控制器通过比较隔离运算放大器放大后的采样电压与预设阈值的大小，确定是否发生对地短路，如果发生对地短路，控制器控制逆变器的逆变回路断开，以达到保护逆变器的目的。由于控制器的响应时间快，可在3us内完成保护动作，不会出现由于响应时间长而导致逆变器损坏的问题，能有效地起到保护逆变器的作用，降低了起火风险。

本申请还提供了一种逆变器系统，与上述对地短路保护装置具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请所提供的一种对地短路保护装置的结构示意图；

图2为本申请所提供的另一种对地短路保护装置的结构示意图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种对地短路保护装置，能有效地起到保护逆变器的作用，降低了起火风险；本申请的另一核心是提供一种逆变器系统，与上述对地短路保护装置具有相同的有益效果。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为本申请所提供的一种对地短路保护装置的结构示意图，包括隔离运算放大器2、采样模块1、控制器3和电源模块4；

采样模块1的输出端与隔离运算放大器2的输入端连接，隔离运算放大器2的输出端与控制器3连接，隔离运算放大器2与电源模块4连接；

采样模块1用于采集逆变回路的电压，得到采样电压；隔离运算放大器2用于将采样电压放大得到运放电压；控制器3用于在运放电压大于预设阈值时控制逆变回路断开。

具体地，为了解决现有技术中存在的问题，本申请提供了一种响应时间快、结构简单、成本低且能够应用在高压场合的对地短路保护装置，包括采样模块1、隔离运算放大器2、控制器3和电源模块4，其中，本申请的采样模块1实际采集的是逆变回路的电流，当逆变器发生对地短路时，对地短路电流一般是5～10倍的额定工作电流，根据电流的明显变化来判断是否发生对地短路，因此，采集模块可以串联在逆变回路中。

相应地，采集模块采集的电流需要转换为电压信号，即采样电压输入隔离运算放大器2，这里的隔离运算放大器2具有较大的绝缘等级，所以可以在高电压等级的产品中使用，采用隔离放大器后，EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)环境适应性更好，更适合工业这类强干扰场合使用。而且，隔离运算放大器2目前已有多种成熟的产品，均能实现隔离与放大的功能，本申请中的隔离运算放大器2并不需要额外的功能，只需将逆变回路与控制器3隔离开来以及对采样电压放大的功能，以解决高压电场合的电气隔离问题，提高安全性且实现方式简单。

相应地，本申请的控制器3可以为成本较低，响应较快的MCU(Micro ControllerUnit，微控制单元)，隔离运算放大器2将采样电压放大以及整型后变为差分信号输入至MCU短路专用中断进行处理，判断是否发生对地短路，达到对地短路保护的目的。此处的短路专用中断可以设置为优先级最高的中断，以保证响应时间最快。

还需要说明的是，电源模块4用来给隔离运算放大器2提供电能，例如可以为5V的稳定电压，可以根据选择的隔离运算放大器2的型号来选择所需的电源模块4，本申请在此不做特别的限定。

此外，这里的控制器3可以为MCU，还可以为其他，本申请在此不做特别的限定。

本申请提供了一种对地短路保护装置，包括隔离运算放大器、采样模块、控制器和电源模块；采样模块的输出端与隔离运算放大器的输入端连接，隔离运算放大器的输出端与控制器连接，隔离运算放大器与电源模块连接；采样模块用于采集逆变回路的电压，得到采样电压；隔离运算放大器用于将采样电压放大得到运放电压；控制器用于在运放电压大于预设阈值时控制逆变回路断开。

本申请中，在对逆变回路进行监测时，采样模块可以实时采集逆变回路的电压得到采样电压，利用隔离运算放大器将逆变回路与短路保护的控制器隔离开来，提高安全性；然后将采样电压放大后输出给控制器，控制器通过比较隔离运算放大器放大后的采样电压与预设阈值的大小，确定是否发生对地短路，如果发生对地短路，控制器控制逆变器的逆变回路断开，以达到保护逆变器的目的。由于控制器的响应时间快，可在3us内完成保护动作，不会出现由于响应时间长而导致逆变器损坏的问题，能有效地起到保护逆变器的作用，降低了起火风险。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，该对地短路保护装置还包括用于对采样电压滤波的第一滤波模块5；

第一滤波模块5的输入端与采样模块1的输出端连接，第一滤波模块5的输出端与隔离运算放大器2的输入端连接。

具体地，请参考图2，图2为本申请所提供的另一种对地短路保护装置的结构示意图，考虑到采样电压中可能存在干扰信号，造成控制器3误动作的情况，本申请在采样电压输入至隔离运算放大器2之前，对采样电压先进行滤波处理，以滤除干扰信号，保证动作的准确性。

作为一种优选的实施例，第一滤波模块5包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1；

第一电阻R1的第一端和第二电阻R2的第一端作为第一滤波模块5的输入端，第一电阻R1的第二端和第二电阻R2的第二端作为第一滤波模块5的输出端，第一电容C1的第一端和第一电阻R1的第二端连接，第一电容C1的第二端与第二电阻R2的第二端连接。

具体地，请参考图2，考虑到对地短路保护装置的成本，第一滤波模块5可以为由第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1组成的结构。这种滤波结构简单且成本低，降低了对地短路保护装置的成本。

此外，本申请的第一滤波模块5可以为上述的结构，也可以为其他结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，采样模块1为第三电阻R3；

则第三电阻R3的第一端和第三电阻R3的第二端作为采样模块1的输出端。

具体地，为了进一步降低对地短路保护装置的成本，本申请的采样模块1可以为第三电阻R3，如图2所示，第三电阻R3串联在逆变回路中，即逆变器的电源输入端(POWER IN)经过第三电阻R3连接到逆变变换电路(POWEROUT)，逆变器发生对地短路后，短路电流会在第三电阻R3转换为电压信号，即在第三电阻R3的第一端和第三电阻R3的第二端输出采样电压，经过滤波后，连接到隔离运算放大器2。

此外，采用电阻和隔离运算放大器2来进行对地短路保护时，可以根据逆变器的功率选择采样电阻的阻值，逆变器功率越大，第三电阻R3的阻值越小，这种结构的对地短路保护装置可以适用很大的功率范围；另外，相比分立器件滤波参数等导致的响应时间问题，本实施例的这种结构可以保证较小的响应时间，更利于器件选型时余量的管控，达到降低成本的目的，还可以在低成本的情况下满足高电压工况的使用条件。采用本实施例的方案，可以在发生接地短路后3us以内响应，达到保护逆变器的目的，一般地，逆变器发生接地短路时，逆变器中最薄弱的功率器件耐短路时间在5～10us，采用本实施例的方案可以实现短路保护功能常态化，不需要在发生对地短路后更换逆变器内部器件(任何器件均不会损坏)，只需要排查触发对地短路的原因，改善后即可继续工作，减少了售后维护，缩短了客户的等待时间，也可以增强产品的市场竞争力。

另外，由于采用了第三电阻R3作为采样模块1，所以会带来额外的功率损耗，但是由于发生对地短路时必然导致母线电流急剧增加，所以串接的第三电阻R3一般都在几个毫欧以下，因此并不会造成大的功率损失，基本可以忽略。

需要说明的是，本申请的采样模块1可以为上述结构，也可以为其他的结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，隔离运算放大器2的型号为AMC1200；

则AMC1200的第二引脚和AMC1200的第三引脚作为隔离运算放大器2的输入端，AMC1200的第六引脚和AMC1200的第七引脚作为隔离运算放大器2的输出端。

具体地，为了进一步降低对地短路保护装置的成本，本申请的隔离运算放大器2可以为AMC1200型号的隔离运算放大器2，如图2所示，为了便于描述，可以用U1表示AMC1200隔离运算放大器2，此时，U1的第二引脚与第三引脚跨接第一电容C1，U1的第一引脚接到一次侧5V的电源，U1的第四引脚接一次侧的地GND，U1的第八引脚接到二次侧的电源A5V，U1的第五引脚接二次侧的地AGND，采样电压经过隔离运算放大器U1处理后，U1的第六引脚和第七引脚的信号输入到MCU短路专用中断，发生对地短路时，MCU会在3us完成短路保护动作。

本申请利用采样电阻来采集短路电流可以大幅优化对地短路保护装置的成本，由于电阻工艺技术成熟，价格和制作更易把控，利于产品批量生产。而且采用隔离运算放大器2，可以隔离强弱电，对电磁干扰优化明显，有利于市场应用。

此外，本申请的隔离运算放大器2可以为上述的型号，也可以为其他的型号，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，该对地短路保护装置还包括：

与隔离运算放大器2连接、用于保护隔离运算放大器2的保护模块6。

具体地，为了保护隔离运算放大器2的安全，在隔离运算放大器2的二次侧还设置了保护模块6，如图2所示，为了防止二次侧的电源直接接地，烧坏隔离运算放大器2的情况，可以在二次侧连接电源处设置保护模块6。

作为一种优选的实施例，保护模块6包括二极管D1；

二极管D1的阴极与电源模块4连接，二极管D1的阳极接地。

具体地，如图2所示，保护模块6可以为二极管D1，利用其反向截止，正向导通的原理来防止二次侧的电源直接接地，从而烧坏隔离运算放大器2这种情况的发生，采用二极管D1作为保护模块6可以进一步降低对地短路保护装置的成本。

当然，除了本实施例介绍的结构外，保护模块6还可以采用其他的结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，该对地短路保护装置还包括：

与AMC1200连接、用于滤除AMC1200的输出端的干扰信号的第二滤波模块7。

具体地，为了防止误操作，在隔离运算放大器2AMC1200的二次侧还设置了第二滤波模块7，如图2所示，可以滤除高频干扰信号，保证输出信号的真实性，防止误动作。

相应地，第二滤波模块7可以为由第二电容C2组成的结构，连接关系请参照图2，当然，也可以采用其他的结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，该对地短路保护装置还包括：

与控制器3连接、用于当运放电压大于预设阈值时发出告警的报警模块。

具体地，为了在发生对地短路后及时提醒相关人员，本申请还可以通过对地短路保护装置的报警模块进行告警提示，当运放电压大于预设阈值时，控制器3控制报警模块发出告警，例如可以发出语音告警。

此外，本申请的报警模块可以通过声音报警，一般地，声音报警非常清楚直观，告警效果更理想。当然，报警模块可以通过声音报警，例如声光报警器或蜂鸣器，还可以通过其他方式进行报警，例如指示灯或者其他，本申请在此不做特别的限定。

本申请还提供了一种逆变器系统，包括逆变回路，还包括如上任一实施例所描述的对地短路保护装置。

本申请还提供了一种逆变器系统，与上述对地短路保护装置具有相同的有益效果。

对于本申请提供的一种逆变器系统的介绍请参照上述对地短路保护装置的实施例，本申请在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种对地短路保护装置，其特征在于，包括隔离运算放大器、采样模块、控制器和电源模块；

所述采样模块的输出端与所述隔离运算放大器的输入端连接，所述隔离运算放大器的输出端与所述控制器连接，所述隔离运算放大器与所述电源模块连接；

所述采样模块用于采集逆变回路的电压，得到采样电压；所述隔离运算放大器用于将所述采样电压放大得到运放电压；所述控制器用于在所述运放电压大于预设阈值时控制所述逆变回路断开。

2.根据权利要求1所述的对地短路保护装置，其特征在于，该对地短路保护装置还包括用于对所述采样电压滤波的第一滤波模块；

所述第一滤波模块的输入端与所述采样模块的输出端连接，所述第一滤波模块的输出端与所述隔离运算放大器的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的对地短路保护装置，其特征在于，所述第一滤波模块包括第一电阻、第二电阻和第一电容；

所述第一电阻的第一端和所述第二电阻的第一端作为所述第一滤波模块的输入端，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第二端作为所述第一滤波模块的输出端，所述第一电容的第一端和所述第一电阻的第二端连接，所述第一电容的第二端与所述第二电阻的第二端连接。

4.根据权利要求1所述的对地短路保护装置，其特征在于，所述采样模块为第三电阻；

则所述第三电阻的第一端和所述第三电阻的第二端作为所述采样模块的输出端。

5.根据权利要求1所述的对地短路保护装置，其特征在于，所述隔离运算放大器的型号为AMC1200；

则所述AMC1200的第二引脚和所述AMC1200的第三引脚作为所述隔离运算放大器的输入端，所述AMC1200的第六引脚和所述AMC1200的第七引脚作为所述隔离运算放大器的输出端。

6.根据权利要求5所述的对地短路保护装置，其特征在于，该对地短路保护装置还包括：

与所述隔离运算放大器连接、用于保护所述隔离运算放大器的保护模块。

7.根据权利要求6所述的对地短路保护装置，其特征在于，所述保护模块包括二极管；

所述二极管的阴极与所述电源模块连接，所述二极管的阳极接地。

8.根据权利要求5所述的对地短路保护装置，其特征在于，该对地短路保护装置还包括：

与所述AMC1200连接、用于滤除所述AMC1200的输出端的干扰信号的第二滤波模块。

9.根据权利要求1-8任一项所述的对地短路保护装置，其特征在于，该对地短路保护装置还包括：

与所述控制器连接、用于当所述运放电压大于所述预设阈值时发出告警的报警模块。

10.一种逆变器系统，其特征在于，包括逆变回路，还包括如权利要求1-9任一项所述的对地短路保护装置。