CN111697540A - 基于微分电路的变频器逆变igbt短路检测保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种基于微分电路的变频器逆变IGBT短路检测保护系统，包括：检测器件、信号调理电路、第一信号判断电路、第二信号判断电路、或运算电路以及处理电路；第一信号判断电路和第二判断电路向或运算电路输出故障信号，或运算电路判断第一信号判断电路和第二信号判断电路任一具有故障信号输出，则向处理电路输出故障确定信号，所述处理电路接收或运算电路输出的故障确定信号并输出关断控制信号关断变频器的IGBT逆变桥，能够快速且准确检测出变频器IGBT的短路故障，大大缩短故障输出时间，从而能够快速有效地执行IGBT过流保护，从而有效防止IGBT烧损而影响整个变频器的使用寿命，而且无需提高IGBT的热容量，确保变频器具有较高的热效率。

Description

基于微分电路的变频器逆变IGBT短路检测保护系统
技术领域
本发明涉及一种检测保护系统，尤其涉及一种变频器逆变IGBT短路检测保护系统。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是变频器的逆变桥即为重要的器件，其具有具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点；但是，IGBT也具有耐过流能力和耐过压能力差，一旦出现过流过压则容易损坏。
短路电流是IGBT最严重的的过电流，可能高达IGBT额定电流的10倍甚至更高，在此电流下IGBT会在几微妙的瞬间内烧坏。现有技术中，为了对IGBT进行保护，在变频器对IGBT选型时放大容量，另一方面，还采用电流检测法来判定是否过流并执行保护。
在电流检测中，采用霍尔元件对电流瞬时值进行检测，当检测电流大于设定参考值，则判定为短路故障并执行保护，但是，现有的技术手段存在以下技术缺陷：首先，增大IGBT的容量，则是加大了IGBT允许发热量，从而降低了变频器的热效率，从而需要增加变频器(尤其是防爆变频器)散热器、箱体的体积、重量等，从而不便于使用，更为重要的是：变频器的逆变桥输出的电流是频率可变的正弦电流，霍尔元件所检测的电流为瞬时值，因此，霍尔元件所输出的电流值可能处于正弦电流的波峰位置，也可能处于零点附近，短路故障发生时电流以很高的斜率快速上升，当短路故障发生于正常的正弦波电流的零点附近时，检测的电流I从零点位置上升到设定值所需时间会明显大于从波峰位置上升到设定值所需时间，从而导致故障判定延时加长，不能及时输出故障信号，而这延时完全可能使IGBT产生严重的发热甚至烧损。
因此，为了解决上述技术问题，本发明提出一种新的技术手段。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于微分电路的变频器逆变IGBT短路检测保护系统，能够快速且准确检测出变频器IGBT的短路故障，大大缩短故障输出时间，从而能够快速有效地执行IGBT过流保护，防止IGBT烧损而影响整个变频器的使用寿命，而且无需提高IGBT的热容量，确保变频器具有较高的热效率。
本发明提供的一种基于微分电路的变频器逆变IGBT短路检测保护系统，包括：检测器件、信号调理电路、第一信号判断电路、第二信号判断电路、或运算电路以及处理电路；
所述检测器件用于检测变频器的IGBT逆变桥输出的电流信号并将电流信号输出至信号调理电路，所述信号调理电路用于对电流信号进行处理并输出；
所述第一信号判断电路接收信号调理电路输出的电流信号并与设定阈值比较，当电流信号大于设定阈值时输出故障信号；
所述第二信号判断电路，用于接收电流信号并判断电流信号的变化率，当电流信号的变化率大于设定阈值时，则输出故障信号；
所述或运算电路用于接收第一信号判断电路和第二信号判断电路输出的故障信号，当第一信号判断电路和第二信号判断电路任一输出故障信号，或运算电路输出故障确定信号；
所述处理电路用于接收或运算电路输出的故障确定信号并输出关断控制信号关断变频器的IGBT逆变桥。
进一步，所述第二信号判断电路包括微分电路和微分比较电路；
所述微分电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，用于将信号调理电路输出的电流信号转换成电流变化率信号并输出，
所述微分比较电路的输入端与微分电路的输出端连接，用于接收电流变化率信号并根据电流变化率信号判断变频器的IGBT是否发生短路故障并输出故障信号。
进一步，所述微分电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2；
所述电阻R2和电阻R3的阻值相等；所述电容C2的一端通过电阻R1接地，电容C2和电阻R1的公共连接点通过电容C1接地，电容C2和电阻R1的公共连接点作为微分电路的输入端，电容C2的另一端通过电阻R3接地，电容C2和电阻R3的公共连接点通过电阻R2与电源VCC连接，电容C2和电阻R3之间的公共连接点作为微分电路的输出端。
进一步，所述微分比较电路包括比较器U1、比较器U2以及或门电路U3；
比较器U1的同相端连接于微分电路的输出端，比较器U1的反相端输入比较参考信号；比较器U2的反相端连接于微分电路的输出端，比较器U2的同相端输入比较参考信号，比较器U1和比较器U2的输出端与或门电路U3的输入端连接，或门电路U3的输出端与或运算电路的输入端连接。
进一步，所述第一信号判断电路为比较器。
进一步，所述检测器件为霍尔元件。
本发明的有益效果：通过本发明，能够快速且准确检测出变频器IGBT的短路故障，大大缩短故障输出时间，从而能够快速有效地执行IGBT过流保护，从而有效防止IGBT烧损而影响整个变频器的使用寿命，而且无需提高IGBT的热容量，确保变频器具有较高的热效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的第二信号判断电路原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明：
本发明提供的一种基于微分电路的变频器逆变IGBT短路检测保护系统，包括：检测器件、信号调理电路、第一信号判断电路、第二信号判断电路、或运算电路以及处理电路；其中，处理电路包含控制器和驱动电路，控制器采用现有的单片机、微控制器均可，所述驱动电路用于对控制器输出控制信号进行放大处理。
所述检测器件用于检测变频器的IGBT逆变桥输出的电流信号并将电流信号输出至信号调理电路，所述信号调理电路用于对电流信号进行处理并输出；其中，检测器件采用现有的霍尔元件，比如霍尔传感器；
所述第一信号判断电路接收信号调理电路输出的电流信号并与设定阈值比较，当电流信号大于设定阈值时输出故障信号；其中，第一信号判断电路采用现有的比较器，当然，在输入第一信号判断电路之前，需要将电流信号转换成电压信号，比如通过在比较器的输入端通过一个接地电阻实现；
所述第二信号判断电路，用于接收电流信号并判断电流信号的变化率，当电流信号的变化率大于设定阈值时，则输出故障信号；
所述或运算电路用于接收第一信号判断电路和第二信号判断电路输出的故障信号，当第一信号判断电路和第二信号判断电路任一输出故障信号，或运算电路输出故障确定信号；
所述处理电路用于接收或运算电路输出的故障确定信号并输出关断控制信号关断变频器的IGBT逆变桥，通过本发明，当第一信号判断电路采用传统的比较形式，如检测器件输出的电流信号是否大于设定的参考阈值，如是，则发生短路故障，如否，则没有发生短路故障，第一信号判断电路输出故障信号；并且同时，第二信号判断电路判断电流的变化率是否大于设定值，即
Figure BDA0002548512900000041
是否大于设定的参考值，如是，则判断发生短路故障，第二信号判断电路输出故障信号，由于通过电流变化率进行故障判断，则大大缩短判断时间，尤其当短路故障发生于正常的正弦波电流的零点附近时，其响应速度更快，从而能够迅速的执行过流保护。通过两路判断，能够有效确保故障检测的可靠性；或运算电路只要判断第一信号判断电路和第二信号判断电路任一电路输出故障信号，则向处理电路输出故障确定信号，这里的故障信号以及故障确定信号可以采用高低电平的形式，比如：第一信号判断电路和第二信号判断电路在过流时均输出高电平，否则输出低电平，而或运算电路只要输入端任一为高电平，则输出高电平的故障确定信号，否则为低电平，表示无短路过流故障。通过本发明，能够快速且准确检测出变频器IGBT的短路故障，大大缩短故障输出时间，从而能够快速有效地执行IGBT过流保护，从而有效防止IGBT烧损而影响整个变频器的使用寿命，而且无需提高IGBT的热容量，确保变频器具有较高的热效率。
本实施例中，所述第二信号判断电路包括微分电路和微分比较电路；
所述微分电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，用于将信号调理电路输出的电流信号转换成电流变化率信号并输出，
所述微分比较电路的输入端与微分电路的输出端连接，用于接收电流变化率信号并根据电流变化率信号判断变频器的IGBT是否发生短路故障并输出故障信号。
具体地：
所述微分电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2；
所述电阻R2和电阻R3的阻值相等；所述电容C2的一端通过电阻R1接地，电容C2和电阻R1的公共连接点通过电容C1接地，电容C2和电阻R1的公共连接点作为微分电路的输入端，电容C2的另一端通过电阻R3接地，电容C2和电阻R3的公共连接点通过电阻R2与电源VCC连接，电容C2和电阻R3之间的公共连接点作为微分电路的输出端。
所述微分比较电路包括比较器U1、比较器U2以及或门电路U3；
比较器U1的同相端连接于微分电路的输出端，比较器U1的反相端输入比较参考信号；比较器U2的反相端连接于微分电路的输出端，比较器U2的同相端输入比较参考信号，比较器U1和比较器U2的输出端与或门电路U3的输入端连接，或门电路U3的输出端与或运算电路的输入端连接。
上述电路中，电阻R1用于将电流信号转换成电压信号，电容C2和电阻R3组成微分电流，当检测器件输出的电流信号处于正弦电流的正半周时，则比较器U1工作，此时，
Figure BDA0002548512900000061
的数值介于
Figure BDA0002548512900000062
和Vcc之间，
Figure BDA0002548512900000063
越大，则输出电压越接近于Vcc，当电流信号处于正弦电流负半周时，
Figure BDA0002548512900000064
的数值介于0和
Figure BDA0002548512900000065
之间，
Figure BDA0002548512900000066
越大，则
Figure BDA0002548512900000067
的值越接近于0，因此，比较器U1在检测电流处于正半周时判断电容C2和电阻R3之间的公共连接点输出电压信号是否大于参考值REF3，如是，比较器U1输出高电平，比较器U2在检测电流处于负半周时判断电容C2和电阻R3之间的公共连接点输出电压信号是否小于设定参考值REF4,如是，则比较器U2输出高电平，或门电路U3的功能为任一输入为高电平，则输出为高电平，表征故障。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于微分电路的变频器逆变IGBT短路检测保护系统，其特征在于：包括：检测器件、信号调理电路、第一信号判断电路、第二信号判断电路、或运算电路以及处理电路；
所述检测器件用于检测变频器的IGBT逆变桥输出的电流信号并将电流信号输出至信号调理电路，所述信号调理电路用于对电流信号进行处理并输出；
所述第一信号判断电路接收信号调理电路输出的电流信号并与设定阈值比较，当电流信号大于设定阈值时输出故障信号；
所述第二信号判断电路，用于接收电流信号并判断电流信号的变化率，当电流信号的变化率大于设定阈值时，则输出故障信号；
所述或运算电路用于接收第一信号判断电路和第二信号判断电路输出的故障信号，当第一信号判断电路和第二信号判断电路任一输出故障信号，或运算电路输出故障确定信号；
所述处理电路用于接收或运算电路输出的故障确定信号并输出关断控制信号关断变频器的IGBT逆变桥。
2.根据权利要求1所述变频器逆变IGBT短路检测保护系统，其特征在于：所述第二信号判断电路包括微分电路和微分比较电路；
所述微分电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，用于将信号调理电路输出的电流信号转换成电流变化率信号并输出，
所述微分比较电路的输入端与微分电路的输出端连接，用于接收电流变化率信号并根据电流变化率信号判断变频器的IGBT是否发生短路故障并输出故障信号。
3.根据权利要求2所述变频器逆变IGBT短路检测保护系统，其特征在于：所述微分电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2；
所述电阻R2和电阻R3的阻值相等；所述电容C2的一端通过电阻R1接地，电容C2和电阻R1的公共连接点通过电容C1接地，电容C2和电阻R1的公共连接点作为微分电路的输入端，电容C2的另一端通过电阻R3接地，电容C2和电阻R3的公共连接点通过电阻R2与电源VCC连接，电容C2和电阻R3之间的公共连接点作为微分电路的输出端。
4.根据权利要求2或3所述变频器逆变IGBT短路检测保护系统，其特征在于：所述微分比较电路包括比较器U1、比较器U2以及或门电路U3；
比较器U1的同相端连接于微分电路的输出端，比较器U1的反相端输入比较参考信号；比较器U2的反相端连接于微分电路的输出端，比较器U2的同相端输入比较参考信号，比较器U1和比较器U2的输出端与或门电路U3的输入端连接，或门电路U3的输出端与或运算电路的输入端连接。
5.根据权利要求1所述变频器逆变IGBT短路检测保护系统，其特征在于：所述第一信号判断电路为比较器。
6.根据权利要求1所述变频器逆变IGBT短路检测保护系统，其特征在于：所述检测器件为霍尔元件。
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