CN111426887A - 一种关于脉冲电流脉宽比较的方法 - Google Patents

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陈君强
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Abstract

本发明公开了一种关于脉冲电流脉宽比较的方法，该方法包括采集脉冲电源输出端与试样间导线上的脉冲电流信号，并按比例缩小后反馈到控制板；将缩小后的脉冲电流信号匹配取压电阻后转换为脉冲电压信号；脉冲电压信号再经控制板上的运算放大电路做跟随和放大处理；经运算放大电路处理后的电压信号通过电压比较器进行比较后输出分别代表正、负极性的高电平或低电平；输出的高电平或低电平将具有幅值非线性变化的电压脉冲信号转换为线性的方波信号并输入到FPGA的IO口；FPGA根据输入的方波信号判断短路前后的方波信号的脉宽变化并确定是否启动短路保护。通过上述方案，本发明达到了系统和人员安全的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种关于脉冲电流脉宽比较的方法
技术领域
本发明属于电机绝缘耐电晕测试的短路保护技术领域，具体地讲，是涉及一种关于脉冲电流脉宽比较的方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，变频电机广泛应用于风力发电、高速铁路、新能源汽车和舰船驱动等领域。然而变频电机工作在脉宽调制(PWM)电压下，变频电机的绝缘承受着与PWM开断频率相同的高频重复脉冲方波的冲击，由于定子端部阻抗不匹配等原因，容易产生过电压，由此承受更加严酷的电应力，当电应力超过局部放电起始电压(PDIV)时，易发生局部放电，从而加快变频电机绝缘的老化，减少变频电机的使用寿命。
为避免变频电机过早失效，国际电工委员会(IEC)提出变频电机在投入使用前，需对其在重复脉冲电压下分别测试PDIV和耐电晕性能，以确保I型电机不会发生局部放电而过早失效，II型电机在发生局部放电时绝缘寿命满足运行要求。
在对绝缘试样进行耐电晕性能测试时，实时监测并判断试样是否击穿，以及击穿后及时关断脉冲电源等设备是保证实验设备安全及测试人员人身安全的关键。监测试样的击穿状态即等效于监测高压脉冲电源的输出负载短路状态，并将此短路状态反馈给脉冲电源使其快速关断输出。
目前国内外对脉冲电源进行耐电晕测试的短路保护措施报道较少，多集中在对电力电子器件的短路保护，已有的短路保护方案无法适用于电力电子器件封装完整的模块式设备，且短路后实施保护措施的时间较长，不利于保护器件和人身安全。
发明内容
为了克服现有技术中的上述不足，本发明提供一种关于脉冲电流脉宽比较的方法，能够实时监测试样击穿状态并在击穿后的微秒级时间内启动短路保护，保护设备和人身安全。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种关于脉冲电流脉宽比较的方法，包括如下步骤：
(S1)采集脉冲电源输出端与试样间导线上的脉冲电流信号，并按比例缩小后反馈到控制板；
(S2)将缩小后的脉冲电流信号匹配取压电阻后转换为脉冲电压信号；
(S3)脉冲电压信号再经控制板上的运算放大电路做跟随和放大处理；
(S4)经运算放大电路处理后的电压信号通过电压比较器进行比较后输出分别代表正、负极性的高电平或低电平；
(S5)输出的高电平或低电平将具有幅值非线性变化的电压脉冲信号转换为线性的方波信号并输入到FPGA的IO口；
(S6)FPGA根据输入的方波信号判断短路前后的方波信号的脉宽变化并确定是否启动短路保护。
进一步地，所述步骤(S1)的比例为1000:1。
进一步地，所述步骤(S3)中脉冲电压信号做跟随和放大处理具体包括同相跟随与放大处理，以及反相跟随与放大处理。
进一步地，所述步骤(S4)中当电压信号高于运算放大器的比较阈值时，则输出高电平；当电压信号低于运算放大器的比较阈值时，则输出低电平。
具体地，所述步骤(S6)中当FPGA判断方波信号的脉宽长度超过设定的脉宽判断阈值即认为试样已发生击穿，则启动短路保护。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出电流保护方案是直接将霍尔传感器采集的电流信号转换为电压信号后经跟随放大处理后再经比较电路处理后直接输出周期性的高、低电平信号进入FPGA做判断，此操作将非线性变化的电流信号转化为线性变化的方波电平信号，便于FPGA处理。短路以前，电平信号的高电平持续时间较短，而短路后的高电平信号持续时间较长，FPGA只需判断高电平的脉宽变化即可判断是否发生短路，比原方案更加稳定可靠且简单，且本专利提出的方案对正、负极性都做了短路保护处理，能够实时监测试样击穿状态并在击穿后的微秒级时间内启动短路保护，可有效保护整个系统和测试人员的人身安全。
附图说明
图1为本发明的系统流程图。
图2为本发明短路保护所作用的高压脉冲电源的拓扑图。
图3为本发明试样击穿前后电压和电流信号的变化波形。
图4为本发明电流保护采集的电流信号转换为同步电压信号变换电路。
图5为本发明试样击穿瞬间电压脉冲波形的脉宽转换。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示，一种关于脉冲电流脉宽比较的方法，包括在脉冲电源输出端装电流传感器来采集流经试样的脉冲电流信号，将电流信号按1000:1比例缩小以后通过信号线传输到核心控制板；电流信号到达核心控制板后经取压电阻将脉冲电流信号转换为脉冲电压信号，再经过运算放大器电路对其进行同相跟随、放大及反相跟随、放大，得到了代表正极性和负极性的脉冲电压信号，将两个代表正负极性的脉冲电压信号分别通过设置了相应比较值的电压比较器处理，就得到了两个高低电平信号，输入到FPGA中做逻辑判断处理，通过对信号的高电平做脉宽计数，当计数大于设定的判定值时，认定试样已被击穿，启动短路保护。
其中，高压脉冲电源的拓扑图如图2所示，监测试样的击穿状态即等效于监测高压脉冲电源的输出负载短路状态。
试样击穿前后的电流信号变化如图3所示，击穿前的电流信号为持续时间很短的尖峰脉冲信号，击穿后的电流信号持续时间较长。
如图4所示，脉冲电流信号转换为脉冲电压信号输入到FPGA的变换电路，设置反相跟随的目的是为了保证试样在电压为负极性被击穿时，能够通过检测负极性电流的脉宽变化启动短路保护，而不必等到下一个正极性信号到来时再作出短路保护动作，加快反应速度。
如图5所示，试样击穿前的电压脉宽较窄，击穿以后，电压脉宽明显增大，通过FPGA对高电平信号的脉宽计数，并设定合适的脉宽比较值就能判断出短路前后的状态，从而在发生短路时启动保护。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种关于脉冲电流脉宽比较的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)采集脉冲电源输出端与试样间导线上的脉冲电流信号，并按比例缩小后反馈到控制板；
(S2)将缩小后的脉冲电流信号匹配取压电阻后转换为脉冲电压信号；
(S3)脉冲电压信号再经控制板上的运算放大电路做跟随和放大处理；
(S4)经运算放大电路处理后的电压信号通过电压比较器进行比较后输出分别代表正、负极性的高电平或低电平；
(S5)输出的高电平或低电平将具有幅值非线性变化的电压脉冲信号转换为线性的方波信号并输入到FPGA的IO口；
(S6)FPGA根据输入的方波信号判断短路前后的方波信号的脉宽变化并确定是否启动短路保护。
2.根据权利要求1所述的一种关于脉冲电流脉宽比较的方法，其特征在于，所述步骤(S1)的比例为1000:1。
3.根据权利要求2所述的一种关于脉冲电流脉宽比较的方法，其特征在于，所述步骤(S3)中脉冲电压信号做跟随和放大处理具体包括同相跟随与放大处理，以及反相跟随与放大处理。
4.根据权利要求3所述的一种关于脉冲电流脉宽比较的方法，其特征在于，所述步骤(S4)中当电压信号高于运算放大器的比较阈值时，则输出高电平；当电压信号低于运算放大器的比较阈值时，则输出低电平。
5.根据权利要求4所述的一种关于脉冲电流脉宽比较的方法，其特征在于，所述步骤(S6)中当FPGA判断方波信号的脉宽长度超过设定的脉宽判断阈值即认为试样已发生击穿，则启动短路保护。
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