CN110686360B - 一种电机相间短路检测方法、控制电路、空调器检测方法及空调器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机相间短路检测方法、控制电路、空调器检测方法及空调器。在该检测方法和控制电路的配合下，能够使得在空调电机运转之前，先对电机进行短路检测，若检测电机无相间短路则驱动电机正常运转，若检测电机有相间短路则触发故障停机，有效保护电机和控制电路不受损伤。

Description

一种电机相间短路检测方法、控制电路、空调器检测方法及空 调器

技术领域

本发明涉及空调技术领域，具体而言，涉及一种电机相间短路检测方法、控制电路、空调器检测方法及空调器。

背景技术

目前变频空调压缩机、直流风机普遍采用永磁同步电机驱动，交流输入电流整流滤波后的直流电经逆变器逆变成三相交流电后输入永磁同步电机。实际使用时，永磁同步电机可能因为安装或者设计问题导致相间短路或者匝间短路，可能造成电机控制器在输出时短路或者电感饱和，进而损坏电机控制器，并且会带来安全隐患。目前电机控制器驱动电机运转之前，没有专门的电机短路检测环节，发生电机短路时，仍然驱动电机异常运转，直至多个大电流冲击触发过电流保护或者触发电机失步保护，此时可能已对电机控制器或者电机本身造成不同程度的损坏。

发明内容

为解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供一种电机相间短路检测方法，其中，直流电经U、V、W三相逆变器控制电路变成三相交流电后输入所述电机；其特征在于，所述方法包括：在所述电机运转之前对其进行相间短路检测的步骤：

(1)在检测脉冲时序的一个检测脉冲期间，所述直流电由所述U相流入，由所述V、W相流出，若检测到UV相间短路或者UW相间短路，则退出所述检测脉冲时序并执行故障停机；否则，进入步骤(2)；

(2)在所述检测脉冲时序的一个所述检测脉冲期间，所述直流电由所述V相流入，由所述U、W相流出，若检测到VU相间短路或者VW相间短路，则退出所述检测脉冲时序并执行故障停机；否则，进入步骤(3)；

(3)在所述检测脉冲时序的一个所述检测脉冲期间，所述直流电由所述W相流入，由所述U、V相流出，若检测到WU相间短路或者WV相间短路，则退出所述检测脉冲时序并执行故障停机；否则，进入步骤(4)；

(4)退出所述检测脉冲时序，控制所述电机正常开机运转。

本发明能够在电机运转前实施电机短路检测环节，从而有效避免了在运转后发生异常才采取的保护措施所带来的电机损伤。并且，本发明依序地、遍历地对U、V、W三相输入分别进行了相间短路检测，从而确保检测的完整性和全面性。

进一步的，在所述步骤(1)-(3)中检测到相间短路后，还包括触发过流保护的步骤。

进一步的，所述检测脉冲期间为PWM脉冲占空比。

进一步的，所述PWM脉冲占空比＝max{T_{过流检测min}，T_{IPM模块脉宽min}}，即所述PWM脉冲占空比取T_{过流检测min}与T_{IPM模块脉宽min}之间的最大值；其中，T_{过流检测min}为执行过流检测所需的最小检测时间，所述过流检测用于检测所述电机是否发生相间短路；T_{IPM模块脉宽min}为所述电机中IPM模块的最小脉宽。

本发明的第二方面，提供一种电机相间短路检测控制电路，其特征在于，所述控制电路为上述的U、V、W三相逆变器控制电路，并且所述控制电路应用于上述的电机相间短路检测方法；所述控制电路包括：

直流输入部，用于提供所述直流电；

开关切换部，包括可受控断通且可与所述直流输入部正负两端电连通的开关SW1-SW6；

微处理器MCU，用于控制所述开关SW1-SW6的断通；

三相线圈部，包括一端共连另一个端分置的三个线圈，所述三个线圈的分置端分别对应所述U相、V相和W相；

所述三个线圈的分置端与所述开关切换部相连，当所述微处理器MCU控制所述开关SW1-SW6在断通状态之间切换时，所述直流电能够流经所述开关SW1-SW6中处于导通状态的开关，以由所述U相对应线圈的分置端流入，由所述V、W相对应线圈的分置端流出；或者，由所述V相对应线圈的分置端流入，由所述U、W相对应线圈的分置端流出；或者，由所述W相对应线圈的分置端流入，由所述U、V相对应线圈的分置端流出。

进一步的，所述开关SW1和SW2串联组成第一开关组，所述开关SW3和SW4串联组成第二开关组，所述开关SW5和SW6串联组成第三开关组，所述第一、第二、第三开关组与所述直流输入部并联；

所述U相对应线圈的分置端连接于所述开关SW1与SW2之间，所述V相对应线圈的分置端连接于所述开关SW3与SW4之间，所述W相对应线圈的分置端连接于所述开关SW5与SW6之间，使得：

当所述开关SW2、SW3和SW5关断，所述开关SW4和SW6一直导通，所述开关SW1导通一个所述检测脉冲期间时，所述直流电由所述U相对应线圈的分置端流入，由所述V、W相对应线圈的分置端流出；

当所述开关SW1、SW4和SW5关断，所述开关SW2和SW6一直导通，所述开关SW3导通一个所述检测脉冲期间时，所述直流电由所述V相对应线圈的分置端流入，由所述U、W相对应线圈的分置端流出；

以及，当所述开关SW1、SW3和SW6关断，所述开关SW2和SW4一直导通，所述开关SW5导通一个所述检测脉冲期间时，所述直流电由所述W相对应线圈的分置端流入，由所述U、V相对应线圈的分置端流出。

进一步的，所述控制电路还包括电流采样放大电路部分和过流保护电路部分；

所述微处理器MCU控制所述电流采样放大电路部分以分别对所述U、V、W相对应线圈的分置端流出的直流电电流进行采样并与预设的过流保护值进行比较，若所述采样的电流大于所述预设的过流保护值，则由所述微处理器MCU控制所述过流保护电路部分触发过流保护。

进一步的，所述电流采样放大电路部分包括第一采样电阻、第二采样电阻、第三采样电阻、运算放大器和比较器；

所述第一、第二、第三采样电阻分别与所述第一、第二、第三开关组串联；

对所述第一、第二、第三采样电阻两端的电压信号进行采样，并将所述第一、第二、第三采样电阻分别与所述运算放大器连接以对采样到的电压信号进行放大，放大后的电压信号经计算后得到的所述采样的电流，所述比较器将所述采样的电流与所述预设的过流保护值进行比较，若所述采样的电流大于所述预设的过流保护值则由所述微处理器MCU控制所述过流保护电路部分触发过流保护。

本发明的第三方面，提供一种空调器检测方法，所述空调器具有压缩机、直流风机以及驱动所述压缩机和/或直流风机的永磁同步电机，其特征在于：所述方法包括在所述电机运转之前对其进行相间短路检测，所述相间短路检测采用上述的电机相间短路检测方法。

本发明的第四方面，提供一种空调器，具有压缩机、直流风机、驱动所述压缩机和/或直流风机的永磁同步电机以及一控制电路，所述控制电路为上述的电机相间短路检测控制电路。

本发明的有益之处至少包括：

(1)本发明能够在电机运转前实施电机短路检测环节，从而有效避免了在运转后发生异常才采取的保护措施所带来的电机损伤。

(2)本发明依序地、遍历地对U、V、W三相输入分别进行了相间短路检测，从而确保检测的完整性和全面性。

(3)本发明能够在检测电机有相间短路时，触发退出检测序列、故障停机、电流保护等多项措施，从而更为全面的保护电机和控制电路不受损伤。

(4)本发明优选小占空比的PWM脉冲作为检测脉冲，能够在满足有效检测到电机短路状态和IPM模块最小脉宽要求的前提下，避免流经电机线圈的电流容易过大，造成电机振动或者过流保护。

(5)本发明控制电路采用结构简单、便于控制的6开关断通结构，能够实现对三相输入的高速切换。

(6)本发明通过三采样电阻共用运算放大器和比较器的设置，能够以简单的电路结构实现对三相电流的采样与比较，从而降低了整个系统的复杂度。

(7)本发明的检测方法和控制电路应用到空调器中，能够有效保护空调器的电机、控制电路以及压缩机、直流风机等相关联器件不受损伤。

附图说明

图1为本发明电机相间短路检测方法的流程示意图

图2为本发明电机相间短路检测控制电路的结构示意图

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

空调器中电机多通过交流输入电流整流滤波后的直流电，经U、V、W三相逆变器控制电路变成三相交流电后输入所述电机以开机运转。参见附图1，为本发明电机相间短路检测方法的流程示意图、如图1所示，在电机运转之前接收到运转指令，先不直接执行电机运转操作，而是首先对电机进行相间短路检测，主要包括：

(1)U相检测，包括：在检测脉冲时序的一个检测脉冲期间，直流电由U相流入，由V、W相流出，若检测到UV相间短路或者UW相间短路则认为是短路故障，进而退出检测脉冲时序并执行故障停机；否则(无短路故障)，进入步骤(2)中的V相检测；

(2)V相检测，包括：在检测脉冲时序的一个检测脉冲期间，直流电由V相流入，由U、W相流出，若检测到VU相间短路或者VW相间短路则认为是短路故障，进而退出检测脉冲时序并执行故障停机；否则，进入步骤(3)中的W相检测；

(3)W相检测，包括：在检测脉冲时序的一个检测脉冲期间，直流电由W相流入，由U、V相流出，若检测到WU相间短路或者WV相间则认为是短路故障，进而退出检测脉冲时序并执行故障停机；否则，退出所述检测脉冲时序，控制所述电机正常开机运转。

优选地，在所述步骤(1)-(3)中检测到相间短路后，可进一步触发过流保护，以有效保护电机和控制电路不受损伤。

优选地，所述检测脉冲期间为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)脉冲占空比。本发明发现：如果占空比选取过小，当电机短路时，大电流流经采样电阻的时间过短，过流信号经过电流采样电路的RC滤波，无法满足过流检测的最小检测时间，则无法有效检测到电机短路状态。同时，占空比需满足IPM模块(Intelligent Power Module，智能功率模块)的最小脉宽要求，否则将导致电机的IPM模块无法正常工作。如果占空比选取过大，当电机正常运转时，流经电机线圈的电流容易过大，造成电机振动或者过流保护。

因此本发明提出：在保证能够有效检测到电机短路状态和IPM模块最小脉宽要求的前提下，检测PWM脉冲可以尽可能的选择小的占空比。优选地，PWM脉冲占空比满足下式关系：

PWM脉冲占空比＝max{T_{过流检测min}，T_{IPM模块脉宽min}}，即所述PWM脉冲占空比取T_{过流检测min}与T_{IPM模块脉宽min}之间的最大值；其中，T_{过流检测min}为执行过流检测所需的最小检测时间，所述过流检测用于检测所述电机是否发生相间短路；T_{IPM模块脉宽min}为所述电机中IPM模块的最小脉宽。例如，过流检测的最小检测时间为1us，IPM模块最小脉宽为2.5us，则可选取2.5us作为电机短路检测PWM脉冲的占空比。

此外，本发明还提供一种电机相间短路检测控制电路，所述控制电路即为上述的U、V、W三相逆变器控制电路，并应用于上述的电机相间短路检测方法。

参见附图2，为本发明电机相间短路检测控制电路的结构示意图。所述控制电路包括：

a.直流输入部Vdc，用于提供所述直流电，所述Vdc两端电压可以为电解电容两端的电压；

b.开关切换部，包括可受控断通且可与直流输入部Vdc正负两端电连通的开关SW1-SW6；其连接关系如附图2所示，电机的U、V、W三相导通是通过SW1-SW6的6个通断开关实现的，开关SW1和SW2串联组成第一开关组，开关SW3和SW4串联组成第二开关组，开关SW5和SW6串联组成第三开关组，第一、第二、第三开关组与直流输入部Vdc并联。SW1、SW2分别是U相的上桥臂和下桥臂，SW3、SW4分别是V相的上桥臂和下桥臂，SW5、SW6分别是W相的上桥臂和下桥臂。

c.微处理器MCU，用于控制所述开关SW1-SW6的断通；在具体实施时可分别对开关SW1-SW6对应配置1个开关控制器件，使得微处理器MCU通过6个开关控制器件控制开关SW1-SW6的断通。

d.三相线圈部，参见附图2，包括一端共连另一个端分置的三个线圈，三个线圈的分置端分别对应U相、V相和W相。U相对应线圈的分置端连接于开关SW1与SW2之间，V相对应线圈的分置端连接于开关SW3与SW4之间，W相对应线圈的分置端连接于开关SW5与SW6之间，使得：

当开关SW2、SW3和SW5关断，开关SW4和SW6一直导通，开关SW1导通一个检测脉冲期间时，直流电由U相对应线圈的分置端流入，由V、W相对应线圈的分置端流出；

当开关SW1、SW4和SW5关断，开关SW2和SW6一直导通，开关SW3导通一个检测脉冲期间时，直流电由V相对应线圈的分置端流入，由U、W相对应线圈的分置端流出；

以及，当开关SW1、SW3和SW6关断，开关SW2和SW4一直导通，开关SW5导通一个检测脉冲期间时，直流电由W相对应线圈的分置端流入，由U、V相对应线圈的分置端流出。

e.电流采样放大电路部分和f.过流保护电路部分(图中未示出)，电流采样放大电路部分包括：第一采样电阻RS1、第二采样电阻RS2、第三采样电阻RS3、运算放大器IC1和比较器IC2；第一、第二、第三采样电阻分别与第一、第二、第三开关组串联；对第一、第二、第三采样电阻两端的电压信号进行采样，并将第一、第二、第三采样电阻分别与运算放大器IC1连接以对采样到的电压信号进行放大，放大后的电压信号经计算后得到的采样的电流，比较器IC2将采样的电流与预设的过流保护值进行比较，若采样的电流大于预设的过流保护值则由微处理器MCU控制过流保护电路部分触发过流保护。

此外，本发明还提供一种空调器检测方法，所述空调器具有压缩机、直流风机以及驱动所述压缩机和/或直流风机的永磁同步电机，所述方法包括在所述电机运转之前对其进行相间短路检测，所述相间短路检测采用上述的电机相间短路检测方法。以及一种空调器，具有压缩机、直流风机、驱动所述压缩机和/或直流风机的永磁同步电机以及一控制电路，所述控制电路为上述的电机相间短路检测控制电路。

在应用上述检测方法和控制电路的空调器中，能够有效保护空调器的电机、控制电路以及压缩机、直流风机等相关联器件不受损伤。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种电机相间短路检测方法，其中，直流电经U、V、W三相逆变器控制电路变成三相交流电后输入所述电机；其特征在于，所述方法包括：在所述电机运转之前对其进行相间短路检测的步骤：(1)在检测脉冲时序的一个检测脉冲期间，所述直流电由所述U相流入，由所述V、W相流出，若检测到UV相间短路或者UW相间短路，则退出所述检测脉冲时序并执行故障停机；否则，进入步骤(2)；(2)在所述检测脉冲时序的一个所述检测脉冲期间，所述直流电由所述V相流入，由所述U、W相流出，若检测到VU相间短路或者VW相间短路，则退出所述检测脉冲时序并执行故障停机；否则，进入步骤(3)；(3)在所述检测脉冲时序的一个所述检测脉冲期间，所述直流电由所述W相流入，由所述U、V相流出，若检测到WU相间短路或者WV相间短路，则退出所述检测脉冲时序并执行故障停机；否则，进入步骤(4)；(4)退出所述检测脉冲时序，控制所述电机正常开机运转；

其中，所述检测脉冲期间为PWM脉冲占空比，

所述PWM脉冲占空比＝max{T_{过流检测min}，T_{IPM模块脉宽min}}，即所述PWM脉冲占空比取T_{过流检测min}与T_{IPM模块脉宽min}之间的最大值；其中，T_{过流检测min}为执行过流检测所需的最小检测时间，所述过流检测用于检测所述电机是否发生相间短路；T_{IPM模块脉宽min}为所述电机中IPM模块的最小脉宽。

2.根据权利要求1所述的电机相间短路检测方法，其特征在于：在所述步骤(1)-(3)中检测到相间短路后，还包括触发过流保护的步骤。

3.一种应用权利要求1或2所述的电机相间短路检测方法的电机相间短路检测控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：直流输入部，用于提供所述直流电；开关切换部，包括可受控断通且可与所述直流输入部正负两端电连通的开关SW1-SW6；微处理器MCU，用于控制所述开关SW1-SW6的断通；三相线圈部，包括一端共连另一个端分置的三个线圈，所述三个线圈的分置端分别对应所述U相、V相和W相；所述三个线圈的分置端与所述开关切换部相连，当所述微处理器MCU控制所述开关SW1-SW6在断通状态之间切换时，所述直流电能够流经所述开关SW1-SW6中处于导通状态的开关，以由所述U相对应线圈的分置端流入，由所述V、W相对应线圈的分置端流出；或者，由所述V相对应线圈的分置端流入，由所述U、W相对应线圈的分置端流出；或者，由所述W相对应线圈的分置端流入，由所述U、V相对应线圈的分置端流出。

4.根据权利要求3所述的电机相间短路检测控制电路，其特征在于：所述开关SW1和SW2串联组成第一开关组，所述开关SW3和SW4串联组成第二开关组，所述开关SW5和SW6串联组成第三开关组，所述第一、第二、第三开关组与所述直流输入部并联；所述U相对应线圈的分置端连接于所述开关SW1与SW2之间，所述V相对应线圈的分置端连接于所述开关SW3与SW4之间，所述W相对应线圈的分置端连接于所述开关SW5与SW6之间，使得：当所述开关SW2、SW3和SW5关断，所述开关SW4和SW6一直导通，所述开关SW1导通一个所述检测脉冲期间时，所述直流电由所述U相对应线圈的分置端流入，由所述V、W相对应线圈的分置端流出；当所述开关SW1、SW4和SW5关断，所述开关SW2和SW6一直导通，所述开关SW3导通一个所述检测脉冲期间时，所述直流电由所述V相对应线圈的分置端流入，由所述U、W相对应线圈的分置端流出；以及，当所述开关SW1、SW3和SW6关断，所述开关SW2和SW4一直导通，所述开关SW5导通一个所述检测脉冲期间时，所述直流电由所述W相对应线圈的分置端流入，由所述U、V相对应线圈的分置端流出。

5.根据权利要求4所述的电机相间短路检测控制电路，其特征在于：所述控制电路还包括电流采样放大电路部分和过流保护电路部分；所述微处理器MCU控制所述电流采样放大电路部分以分别对所述U、V、W相对应线圈的分置端流出的直流电电流进行采样并与预设的过流保护值进行比较，若所述采样的电流大于所述预设的过流保护值，则由所述微处理器MCU控制所述过流保护电路部分触发过流保护。

6.根据权利要求5所述的电机相间短路检测控制电路，其特征在于：所述电流采样放大电路部分包括第一采样电阻、第二采样电阻、第三采样电阻、运算放大器和比较器；所述第一、第二、第三采样电阻分别与所述第一、第二、第三开关组串联；对所述第一、第二、第三采样电阻两端的电压信号进行采样，并将所述第一、第二、第三采样电阻分别与所述运算放大器连接以对采样到的电压信号进行放大，放大后的电压信号经计算后得到的所述采样的电流，所述比较器将所述采样的电流与所述预设的过流保护值进行比较，若所述采样的电流大于所述预设的过流保护值则由所述微处理器MCU控制所述过流保护电路部分触发过流保护。

7.一种空调器检测方法，所述空调器具有压缩机、直流风机以及驱动所述压缩机和/或直流风机的永磁同步电机，其特征在于：所述方法包括在所述电机运转之前对其进行相间短路检测，所述相间短路检测采用权利要求1或2所述的电机相间短路检测方法。

8.一种空调器，具有压缩机、直流风机、驱动所述压缩机和/或直流风机的永磁同步电机以及一控制电路，所述控制电路为权利要求3-6中任一所述的电机相间短路检测控制电路。

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