CN114914887B - 应用于apf的三相过流检测保护系统及过流保护设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于APF的三相过流检测保护系统，包括：逆变模块；电流采样单元，与逆变模块连接，用于采集逆变模块输出的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；过流检测单元，与电流采样单元连接，用于对电压信号进行计算得到电流信号的电流值，当电流值在设定值以上，过流检测单元输出过流故障信号，并将驱动输出使能信号转换为低电平；DSP单元，与过流检测单元和电流采样单元连接，用于根据过流故障信号关断PWM信号输出；驱动单元，用于驱动逆变模块，根据PWM信号和低电平的驱动输出使能信号限制逆变模块的输出电流。本申请能够结合硬件和软件系统快速判断该电流是否超出限值，能够有效避免IGBT因过热而损坏。

Description

应用于APF的三相过流检测保护系统及过流保护设备
技术领域
本发明涉及过流检测保护技术领域，尤其是涉及一种应用于APF的三相过流检测保护系统及过流保护设备。
背景技术
近年来，随着工业电源、汽车充电桩、变频器等电力电子装置的大量使用，给电网引入了很多非线性负荷，导致系统电压、电流发生畸变，这对供电系统和用户设备都会产生危害。因此，治理供电系统中谐波的有源电力滤波器(Active power filter简称APF)得到越来越多的应用。
有源电力滤波器一般由信号采样、直流储能(电解电容)、整流逆变(IGBT)、LCL滤波以及控制系统几个部分组成。谐波电流具有变化快速，峰值高的特点，所以对控制算法和硬件有较高的要求。在实际应用中，时常发生IGBT因过流损坏的情况，严重威胁自身及其它设备的安全，因此，过流保护需要得到更多的重视。
当前应用较多的通过软件进行过流保护，但是其具有滞后性。通过电流传感器采集输出电流信号，经采样电阻转换为电压信号后送至DSP，由软件判断该电流是否超出限值，若超出，则关断PWM。该动作过程一般要上百us以上，IGBT很可能因过热而损坏，因此这种方式无法有效保护IGBT。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种应用于APF的三相过流检测保护系统及过流保护设备，解决现有技术中无法有效保护IGBT的技术问题。
为达到上述技术目的，第一方面，本发明的技术方案提供一种应用于APF的三相过流检测保护系统，包括：
逆变模块；
电流采样单元，与所述逆变模块连接，所述电流采样单元用于采集所述逆变模块输出的电流信号，并将所述电流信号转换为电压信号；
过流检测单元，与所述电流采样单元连接，所述过流检测单元用于对所述电压信号进行计算得到所述电流信号的电流值，当所述电流值在设定值以上，所述过流检测单元输出过流故障信号，并将驱动输出使能信号转换为低电平；
DSP单元，与所述过流检测单元和所述电流采样单元连接，所述DSP单元用于根据所述过流故障信号关断PWM信号输出；
驱动单元，与所述逆变模块、所述过流检测单元和所述DSP单元连接，所述驱动单元用于驱动所述逆变模块，所述驱动单元根据所述PWM信号和低电平的所述驱动输出使能信号限制所述逆变模块的输出电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明的技术方案提供的应用于APF的三相过流检测保护系统，包括：逆变模块、电流采样单元、过流检测单元、DSP单元和驱动单元，电流采样单元实时采集逆变模块输出的电流，并转换为电压信号；当输出电流低于设定值，过流检测单元无故障信号输出，驱动输出使能信号为高电平；DSP将此电压信号处理为数字信号，通过计算，调整PWM信号的脉宽，并通过驱动单元驱动逆变模块；当逆变模块输出电流超出设定值时，过流检测单元将驱动单元的使能信号拉低，先封锁驱动信号的输出，同时将故障信号传递给DSP，进一步通过软件关断PWM信号输出，达到限制输出电流、保护设备的目的。本申请能够结合硬件和软件系统快速判断该电流是否超出限值，能够有效避免IGBT因过热而损坏，具有很好的实用价值。
根据本发明的一些实施例，应用于APF的三相过流检测保护系统，还包括：电平转换模块，与所述过流检测单元连接，当所述电流值小于所述设定值，所述电平转换模块输出高电平的所述驱动输出使能信号；
当所述电流值在所述设定值以上，所述电平转换模块输出低电平的所述驱动输出使能信号。
根据本发明的一些实施例，所述过流检测单元包括：
开关二极管模块，与所述电流采样单元连接，所述电压信号通过所述开关二极管模块输入；
运放模块，与所述开关二极管模块连接；
比较器模块，与所述运放模块连接；
分压回路，与所述比较器模块连接，所述分压回路用于设定过流保护点阈值。
根据本发明的一些实施例，所述分压回路包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻一端与电源线连接，另一端与所述第二电阻和所述比较器模块连接；所述第二电阻一端与地线连接，另一端与所述第一电阻和所述比较器模块连接。
根据本发明的一些实施例，所述DSP单元包括：PWM信号脉宽调整模块，所述DSP单元将所述电压信号转换为数字信号，所述PWM信号脉宽调整模块根据所述数字信号对所述PWM信号脉宽进行调整。
根据本发明的一些实施例，所述电平转换模块包括：
肖特基二极管，一端与所述过流检测单元连接，所述过流检测单元的过流信号从所述肖特基二极管输入；
MOS管，与所述肖特基二极管串联连接；
延时电容，与所述MOS管并联连接，通过调整所述延时电容的大小以改变信号翻转的延迟时间。
根据本发明的一些实施例，所述驱动单元为驱动缓冲器，所述驱动缓冲器包括多路PWM输出接口，通过所述PWM输出接口输出PWM信号。
根据本发明的一些实施例，所述驱动缓冲器包括6路PWM输出接口。
第二方面，本发明的技术方案提供一种过流保护设备，包括如第一方面中任意一项所述的应用于APF的三相过流检测保护系统。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中摘要附图要与说明书附图的其中一幅完全一致：
图1为本发明一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的示意图；
图2为本发明另一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的过流检测单元的电路图；
图3为本发明另一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的电平转换模块的电路图；
图4为本发明另一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的驱动单元的电路图；
图5为本发明另一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的过流信号的实测波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明提供了一种应用于APF的三相过流检测保护系统，能够结合硬件和软件系统快速判断该电流是否超出限值，能够有效避免IGBT因过热而损坏，具有很好的实用价值。
下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
参照图1，图1为本发明一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的示意图。
在一实施例中，应用于APF的三相过流检测保护系统包括：逆变模块；电流采样单元，与逆变模块连接，电流采样单元用于采集逆变模块输出的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；过流检测单元，与电流采样单元连接，过流检测单元用于对电压信号进行计算得到电流信号的电流值，当电流值在设定值以上，过流检测单元输出过流故障信号，并将驱动输出使能信号转换为低电平；DSP单元，与过流检测单元和电流采样单元连接，DSP单元用于根据过流故障信号关断PWM信号输出；驱动单元，与逆变模块、过流检测单元和DSP单元连接，驱动单元用于驱动逆变模块，驱动单元根据PWM信号和低电平的驱动输出使能信号限制逆变模块的输出电流。
本实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统，包括：逆变模块、电流采样单元、过流检测单元、DSP单元和驱动单元，电流采样单元实时采集逆变模块输出的电流，并转换为电压信号；当输出电流低于设定值，过流检测单元无故障信号输出，驱动输出使能信号为高电平；DSP将此电压信号处理为数字信号，通过计算，调整PWM信号的脉宽，并通过驱动单元驱动逆变模块；当逆变模块输出电流超出设定值时，过流检测单元将驱动单元的使能信号拉低，先封锁驱动信号的输出，同时将故障信号传递给DSP，进一步通过软件关断PWM信号输出，达到限制输出电流、保护设备的目的。本申请能够结合硬件和软件系统快速判断该电流是否超出限值，能够有效避免IGBT因过热而损坏，具有很好的实用价值。
在一实施例中，应用于APF的三相过流检测保护系统包括：逆变模块；电流采样单元，与逆变模块连接，电流采样单元用于采集逆变模块输出的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；过流检测单元，与电流采样单元连接，过流检测单元用于对电压信号进行计算得到电流信号的电流值，当电流值在设定值以上，过流检测单元输出过流故障信号，并将驱动输出使能信号转换为低电平；DSP单元，与过流检测单元和电流采样单元连接，DSP单元用于根据过流故障信号关断PWM信号输出；驱动单元，与逆变模块、过流检测单元和DSP单元连接，驱动单元用于驱动逆变模块，驱动单元根据PWM信号和低电平的驱动输出使能信号限制逆变模块的输出电流。电平转换模块，与过流检测单元连接，当电流值小于设定值，电平转换模块输出高电平的驱动输出使能信号；当电流值在设定值以上，电平转换模块输出低电平的驱动输出使能信号。
参照图2，图2为本发明另一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的过流检测单元的电路图。
在一实施例中，应用于APF的三相过流检测保护系统包括：逆变模块；电流采样单元，与逆变模块连接，电流采样单元用于采集逆变模块输出的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；过流检测单元，与电流采样单元连接，过流检测单元用于对电压信号进行计算得到电流信号的电流值，当电流值在设定值以上，过流检测单元输出过流故障信号，并将驱动输出使能信号转换为低电平；DSP单元，与过流检测单元和电流采样单元连接，DSP单元用于根据过流故障信号关断PWM信号输出；驱动单元，与逆变模块、过流检测单元和DSP单元连接，驱动单元用于驱动逆变模块，驱动单元根据PWM信号和低电平的驱动输出使能信号限制逆变模块的输出电流。
过流检测单元包括：开关二极管模块，与电流采样单元连接，电压信号通过开关二极管模块输入；运放模块，与开关二极管模块连接；比较器模块，与运放模块连接；分压回路，与比较器模块连接，分压回路用于设定过流保护点阈值。L1_CURRENT～L3_CURRENT为三相电流采样后的电压信号，IC_LIMILT为过流信号，IC_LIMIT_DSP为传递至DSP的过流故障信号。D101-D106为开关二极管，D107-D109为肖特基二极管，U101-A为通用运放(其和R101、R102组成反相器)，U102-B为比较器(各IC的供电电路省略)，R107为上拉电阻；R103与R104构成的分压回路可以用来设定过流保护点阈值，通过调节D109和R106可以设定滞回点(故障信号复位点)。实际三相电流为过零点的波形，经电流传感器和采样电阻转换后的电压信号也将过零点。信号路径：当电压信号为正时，经D101/D102/D103和D107所在回路；当电压信号为负时，经D104/D105/D106、运放组成的反相器和D108所在回路；若U102-B的4脚电压大于5脚预设定电压，则2脚输出低电平，否则为高电平。
分压回路包括：第一电阻和第二电阻，第一电阻一端与电源线连接，另一端与第二电阻和比较器模块连接；第二电阻一端与地线连接，另一端与第一电阻和比较器模块连接。
在一实施例中，应用于APF的三相过流检测保护系统包括：逆变模块；电流采样单元，与逆变模块连接，电流采样单元用于采集逆变模块输出的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；过流检测单元，与电流采样单元连接，过流检测单元用于对电压信号进行计算得到电流信号的电流值，当电流值在设定值以上，过流检测单元输出过流故障信号，并将驱动输出使能信号转换为低电平；DSP单元，与过流检测单元和电流采样单元连接，DSP单元用于根据过流故障信号关断PWM信号输出；驱动单元，与逆变模块、过流检测单元和DSP单元连接，驱动单元用于驱动逆变模块，驱动单元根据PWM信号和低电平的驱动输出使能信号限制逆变模块的输出电流。
DSP单元包括：PWM信号脉宽调整模块，DSP单元将电压信号转换为数字信号，PWM信号脉宽调整模块根据数字信号对PWM信号脉宽进行调整。
参照图3，图3为本发明另一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的电平转换模块的电路图。
在一实施例中，应用于APF的三相过流检测保护系统包括：逆变模块；电流采样单元，与逆变模块连接，电流采样单元用于采集逆变模块输出的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；过流检测单元，与电流采样单元连接，过流检测单元用于对电压信号进行计算得到电流信号的电流值，当电流值在设定值以上，过流检测单元输出过流故障信号，并将驱动输出使能信号转换为低电平；DSP单元，与过流检测单元和电流采样单元连接，DSP单元用于根据过流故障信号关断PWM信号输出；驱动单元，与逆变模块、过流检测单元和DSP单元连接，驱动单元用于驱动逆变模块，驱动单元根据PWM信号和低电平的驱动输出使能信号限制逆变模块的输出电流。
电平转换模块，与过流检测单元连接，当电流值小于设定值，电平转换模块输出高电平的驱动输出使能信号；当电流值在设定值以上，电平转换模块输出低电平的驱动输出使能信号。电平转换模块包括：肖特基二极管，一端与过流检测单元连接，过流检测单元的过流信号从肖特基二极管输入；MOS管，与肖特基二极管串联连接；延时电容，与MOS管并联连接，通过调整延时电容的大小以改变信号翻转的延迟时间。
PWM_EN为输出至驱动缓冲器的使能信号，Q101为MOS管，D110-D111为肖特基二极管，C104为延时电容，根据实际需要选取合适的容值。当IC_LIMIT为高电平时，D110截止，MOS管导通，PWM_EN为低电平；当IC_LIMIT为低电平时，D110导通，MOS管关断，PWM_EN变为高电平。以上实现了正负电平的转换，且可通过调节C104的大小来改变信号翻转的延迟时间。
参照图4，图4为本发明另一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的驱动单元的电路图。
在一实施例中，应用于APF的三相过流检测保护系统包括：逆变模块；电流采样单元，与逆变模块连接，电流采样单元用于采集逆变模块输出的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；过流检测单元，与电流采样单元连接，过流检测单元用于对电压信号进行计算得到电流信号的电流值，当电流值在设定值以上，过流检测单元输出过流故障信号，并将驱动输出使能信号转换为低电平；DSP单元，与过流检测单元和电流采样单元连接，DSP单元用于根据过流故障信号关断PWM信号输出；驱动单元，与逆变模块、过流检测单元和DSP单元连接，驱动单元用于驱动逆变模块，驱动单元根据PWM信号和低电平的驱动输出使能信号限制逆变模块的输出电流。
驱动单元为驱动缓冲器，驱动缓冲器包括多路PWM输出接口，通过PWM输出接口输出PWM信号。驱动缓冲器包括6路PWM输出接口。
U103为驱动缓冲器，PWM1_DSP～PWM6_DSP为DSP输出的PWM信号，PWM1～PWM6为输出至驱动模块的驱动信号。需要说明的是，驱动信号的数量可根据实际情况调整，本实施例只是以6路驱动为例。
当PWM_EN为低电平时，PWM1～PWM6可正常输出；当PWM_EN变为高电平，PWM1～PWM6立即被封锁，实现快速关断IGBT的功能。同时，DSP接收到故障信号IC_LIMIT_DSP后也会进一步将PWM1_DSP～PWM6_DSP关断。
参照图5，图5为本发明另一个实施例提供的应用于APF的三相过流检测保护系统的过流信号的实测波形图。
从过流信号IC_LIMIT(CH2)动作到PWM_EN(CH1)被拉高，仅需要不到1.4us，完全是硬件电路上的延迟，而一般IGBT允许的短路时间在6～10us。
本发明还提供了一种过流保护设备，包括如上述的应用于APF的三相过流检测保护系统。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种应用于APF的三相过流检测保护系统，其特征在于，包括：
逆变模块；
电流采样单元，与所述逆变模块连接，所述电流采样单元用于采集所述逆变模块输出的电流信号，并将所述电流信号转换为电压信号；
过流检测单元，与所述电流采样单元连接，所述过流检测单元用于对所述电压信号进行计算得到所述电流信号的电流值，当所述电流值在设定值以上，所述过流检测单元输出过流故障信号，并将驱动输出使能信号转换为低电平；
DSP单元，与所述过流检测单元和所述电流采样单元连接，所述DSP单元用于根据所述过流故障信号关断PWM信号输出；
驱动单元，与所述逆变模块、所述过流检测单元和所述DSP单元连接，所述驱动单元用于驱动所述逆变模块，所述驱动单元根据所述PWM信号和低电平的所述驱动输出使能信号限制所述逆变模块的输出电流；
还包括：电平转换模块，与所述过流检测单元连接，当所述电流值小于所述设定值，所述电平转换模块输出高电平的所述驱动输出使能信号；
当所述电流值在所述设定值以上，所述电平转换模块输出低电平的所述驱动输出使能信号；
所述过流检测单元包括：
开关二极管模块，与所述电流采样单元连接，所述电压信号通过所述开关二极管模块输入；
运放模块，与所述开关二极管模块连接；
比较器模块，与所述运放模块连接；
分压回路，与所述比较器模块连接，所述分压回路用于设定过流保护点阈值；
所述分压回路包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻一端与电源线连接，另一端与所述第二电阻和所述比较器模块连接；所述第二电阻一端与地线连接，另一端与所述第一电阻和所述比较器模块连接；
所述DSP单元包括：PWM信号脉宽调整模块，所述DSP单元将所述电压信号转换为数字信号，所述PWM信号脉宽调整模块根据所述数字信号对所述PWM信号脉宽进行调整；
所述电平转换模块包括：
肖特基二极管，一端与所述过流检测单元连接，所述过流检测单元的过流信号从所述肖特基二极管输入；
MOS管，与所述肖特基二极管串联连接；
延时电容，与所述MOS管并联连接，通过调整所述延时电容的大小以改变信号翻转的延迟时间；
所述驱动单元为驱动缓冲器，所述驱动缓冲器包括多路PWM输出接口，通过所述PWM输出接口输出PWM信号；
所述驱动缓冲器包括6路PWM输出接口；
2.一种过流保护设备，其特征在于，包括如权利要求1中所述的应用于APF的三相过流检测保护系统。
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