CN210693443U

CN210693443U - 一种变频器母线短路保护装置

Info

Publication number: CN210693443U
Application number: CN201921726211.8U
Authority: CN
Inventors: 张江涛; 喻杰; 沈开雄
Original assignee: Mcquay Air Conditioning and Refrigeration Wuhan Co Ltd
Current assignee: Mcquay Air Conditioning and Refrigeration Wuhan Co Ltd
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2029-10-15

Abstract

本实用新型提供了一种变频器母线短路保护装置，包括设置在变频器中的母线短路检测模块、分励脱扣器和断路器；通过在常规变频器配置的储能滤波单元中增加用于检测电容电压是否低于设定值的采样电路，由控制电路根据检测到的短路电压在最短的时间内发送断开信号，实现了对叠层母线发生短路状况的快速保护功能。本实用新型在短路最开始的阶段通过电压检测出短路故障，短路电流并未上升到较大的值，避免了短路造成的大面积烧毁的后果。本实用新型仅通过简单电路实现保护功能，不需要增设复杂模块，且短路后恢复原有状态时不需要更换器件，降低了制造维护成本。

Description

一种变频器母线短路保护装置

技术领域

本实用新型属于短路检测保护技术领域，具体涉及一种变频器母线短路保护装置。

背景技术

在变频调速领域用到的变频器一般由整流模块、上电缓冲模块、滤波储能模块、逆变模块、控制模块、驱动模块等不同模块组成。根据多个变频器现场损坏的案例分析发现：当整流模块、上电缓冲模块、逆变模块、控制模块、驱动模块这些模块的内部器件发生损坏时只会集中在本模块内部损坏，不会引起相邻模块的损坏，而一旦滤波储能模块发生短路时，相应的整流模块、上电缓冲模块及逆变模块等都会受到致命的破坏，整个变频器都需要进行更换。因此当滤波储能模块发生短路时情况最为恶劣，产生的损失最大。

滤波储能模块为能量与高电压的集中单元，主要由母线、电解电容及均压电阻三大部件组成。电解电容、均压电阻在结构形式设计了较大的安规距离与空间来规避短路的情况，且电解电容与均压电阻在除接线端子以外的其它地方作了加强绝缘的处理，所以电解电容与均压电阻不会在生产、运输或者恶劣环境中产生短路。而母线则不同，由于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)在关断时尖峰电压的要求母线的寄生电感越小越好，而减小寄生电感的方法只能对母线采用层叠式的结构设计。参见图3，这种层叠式的结构设计导致母线内部线之间的安规距离非常小，母线的正线、中线与负线之间完全靠绝缘纸进行绝缘隔离。在生产、运输、接线、维护的过程中存在绝缘纸被割破、划伤、破裂的可能性，一旦绝缘纸损坏，则绝缘失效产生短路现象，所以滤波储能模块短路的最大风险点在于叠层母线的短路。因此变频器如何在叠层母线短路的情况下快速保护成为一个重要的研究点。

针对母线短路的情况，现在一般采用如下方法进行保护：

1.配电断路器过流断开的方法。现有通用变频器一般没有针对母线短路设计专门的电路或者保护逻辑，当母线发生短路时只能依靠用户配置的配电断路器的瞬时过流进行保护。此方法存在明显的缺陷：母线短路在初期阶段电流并不大，只有短路经过一定的时间之后短路越来越严重时才能达到短路电流导致断路器跳开，这个时间均在400毫秒以上。断路器的瞬时保护值达到额定电流的8倍，当输入电流值达到断路器的8倍保护值时，变频器内的电解电容、整流桥等已经完全损坏，短路时可能产生的高压电弧又会将IGBT损坏，所以断路器保护的方法只能针对火灾、人身安全等进行保护，不能对变频器自身的器件进行保护。

2.通过IGBT的饱和特性来判断是否存在电容短路的方法。如专利号为CN102957133A的专利中，在负母线上串联一个过流保护的IGBT，通过IGBT 的饱和特性来判断母线是否过流。此方法的优点是响应速度快，过流保护值合理准确，远远优于前述的通过断路器过流的方法。但是此方法的缺点非常明显：增加的这个过流保护的IGBT成本很高，并且配合此IGBT工作的驱动器、散热系统、连接铜排等都会给系统增加额外的成本，相应的体积也会增加；另一方面，此方法能有效的保护在机器的运行过程中发生的电容短路问题，但是如果机器在待机状态下电容内部发生短路，即使电容自身开始燃烧，流过母线的电流值也不大，此方法却无法进行保护。

3.直接在母线上串联熔断器的方法。当电容发生短路时通过熔断器断开来保护电容，此方法响应快，不需要软件参与判断和控制。但此方法的缺点非常明显：熔断器及连接铜排等会给系统增加额外的成本，并且熔断器断开之后需要进行更换才能正常运行，增加了维护成本。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种变频器母线短路保护装置，用于实现对叠层母线发生短路状况的快速保护功能。

本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种变频器母线短路保护装置，变频器包括依次串联的整流模块、上电缓冲模块、储能滤波模块和逆变模块，还包括设置在变频器中的用于检测变频器的直流母线的正端和负端之间的电压并根据检测电压发送断开信号的母线短路检测模块、用于在收到断开信号时分断断路器的分励脱扣器KT1和用于断开触点以断开流过变频器的直流母线的电流的断路器；母线短路检测模块通过检测输入端并联在储能滤波模块的直流母线的正端和负端之间；母线短路检测模块通过信号输出端分别与分励脱扣器 KT1和上电缓冲模块的接触器KM1的信号输入端连接；分励脱扣器KT1通过传动机构与断路器连接；断路器包括进线断路器QF1和第二断路器QF2，或断路器包括进线断路器QF1；进线断路器QF1的触点串联在变频器的进线三相交流电源主回路中，第二断路器QF2的触点串联在变频器的直流母线回路中；用于上电充电完成时闭合触点以旁路上电缓冲电阻R1和在收到断开信号时断开触点以断开直流母线电流的接触器KM1并联在上电缓冲电阻R1的两端；母线短路检测模块包括分别用于采样储能滤波电容两端的电压、转换为低压模拟信号并发送给控制电路的第一采样电路M1和第二采样电路M2，以及用于预设短路阈值电压和短路阈值时间、根据短路状态发送断开信号的控制电路；第一采样电路 M1和第二采样电路M2的检测输入端分别并联在变频器的储能滤波模块的第一串联电容C1和第二串联电容C2的两端，第一采样电路M1和第二采样电路M2 的信号输出端分别与控制电路的信号输入端连接。

按上述方案，第二断路器QF2与上电缓冲电阻R1依次串联在变频器的上电缓冲模块的直流母线的正端；用于接收母线短路检测模块发送的保护信号PC、分断第二断路器QF2以断开流过上电缓冲电阻R1的电流的分励脱扣器KT1通过传动机构与第二断路器QF2连接；用于接收母线短路检测模块发送的接触器信号CC并断开触点的接触器KM1的触点并联在第二断路器QF2与上电缓冲电阻R1的串联电路的两端。

按上述方案，进线断路器QF1包括分别串联在变频器的三相输入电源线L1、 L2、L3上的联动通断的三个开关；用于接收母线短路检测模块发送的保护信号 PC、分断进线断路器QF1以断开变频器的三相输入电源、最终断开流过变频器直流母线的电流的分励脱扣器KT1通过传动机构与进线断路器QF1连接。

本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型的一种变频器母线短路保护装置通过在常规变频器配置的储能滤波单元中增加电容电压的采样电路，检测电容电压是否低于设定值，由控制电路根据采样的电压判断母线是否发生短路并在最短的时间内做出判断是否发送断开信号，实现了对叠层母线发生短路状况的快速保护功能。

2.本实用新型在短路最开始的阶段通过电压检测出短路故障，并在1～10毫秒的时间内做出响应动作，在这段时间内短路电流并未上升到较大的值，不会对变频器内部其他器件造成大的损坏，避免了短路造成的大面积烧黑的恶劣影响。

3.本实用新型仅通过简单电路实现保护功能，不需要增设复杂模块，且短路后恢复原有状态时不需要更换器件，降低了制造维护成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的电路图。

图2是本实用新型实施例2的电路图。

图3是本实用新型实施例的叠层母线的内部组成和整体成型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

变频器包括依次串联的整流模块10、上电缓冲模块20、储能滤波模块30和逆变模块50。断路器包括进线断路器QF1和第二断路器QF2，进线断路器QF1 包括分别串联在变频器的三相输入电源线L1、L2、L3上的联动通断的三个开关，用于关合、承载和开断常和异常回路条件下的三相交流电源。整流模块10包括由D1～D6共六个二极管组成的三相二极管整流桥，用于将进线的三相交流电源转换为直流电源。上电缓冲模块20包括并联的上电缓冲电阻R1和接触器KM1；上电缓冲电阻R1用于缓冲上电过程中直流回路的冲击电流和对储能滤波模块30 的电容充能；接触器KM1的触点为常开，在上电完成后闭合触点从而旁路上电缓冲电阻R1。储能滤波模块30包括串联的第一串联电容C1和第二串联电容C2，以及分别并联在第一串联电容C1和第二串联电容C2两端的第一均压电阻R2和第二均压电阻R3；储能滤波模块30并联在直流母线的正端和负端之间，用于平滑滤波整流后的直流电源。逆变模块50包括由Q1～Q6共六个IGBT组成的三相逆变桥，用于将直流电压转换为等效的交流电压输出。

参见图1，本实用新型的实施例1中，母线短路检测模块40通过检测输入端并联在储能滤波模块30的直流母线的正端和负端之间，用于检测直流母线的正端和负端之间的电压并判断是否发生短路。母线短路检测模块40包括第一采样电路M1、第二采样电路M2和控制电路；第一采样电路M1和第二采样电路 M2的检测输入端分别并联在变频器的储能滤波模块30的第一串联电容C1和第二串联电容C2的两端，第一采样电路M1和第二采样电路M2的信号输出端分别与控制电路的信号输入端连接，用于采样储能滤波电容两端的电压、转换为低压模拟信号并发送给控制电路，控制电路用于预设短路阈值电压和短路阈值时间、判断短路状态和发送断开信号。母线短路检测模块40通过信号输出端分别与分励脱扣器KT1和接触器KM1的信号输入端连接，分励脱扣器KT1通过传动机构与第二断路器QF2连接；第二断路器QF2为微型断路器，触点为常闭，可以手动合闸与分闸，也可以通过分励脱扣器KT1由控制电路进行分闸，第二断路器QF2与上电缓冲电阻R1依次串联在变频器的上电缓冲模块20的直流母线的正端；分励脱扣器KT1用于接收母线短路检测模块40发送的保护信号PC、分断第二断路器QF2，从而断开流过上电缓冲电阻R1的电流；接触器KM1的触点并联在第二断路器QF2与上电缓冲电阻R1的串联电路的两端；接触器KM1 用于接收母线短路检测模块40发送的接触器信号CC并断开接触器KM1的触点从而断开直流母线的电流。在常规变频器配置的上电缓冲电阻R1的回路中增加脱开第二断路器QF2，保证母线发生短路时储能滤波模块30与进线侧在物理上完全断开，避免短路发生时进线侧通过接触器KM1或者上电缓冲电阻R1继续向储能滤波模块30继续传续能量，保护电路不被烧毁。

控制电流采用单片机为控制芯片，单片机的动作时间为1～10微秒，第二断路器QF2与接触器KM1的动作时间为1～10毫秒，对短路状态的响应时间非常短，保证短路事故不会扩大，且短路点没有大面积的烧毁痕迹。由于第二断路器 QF2与接触器KM1均断开之后，上电缓冲模块20与后级的储能滤波模块30、用户的输入侧彻底断开，输入侧没有能量输出到储能滤波模块30，保证了储能滤波模块30和逆变模块50的安全性；同时整流模块10也没有能量流通，所以整流模块10也是安全的。所以本实施例保证了整个变频器的安全，解决了常规的变频器配置中如果母线发生短路，则输入侧会通过上电缓冲电阻R1持续输入能量到直流母线，导致储能滤波模块30的串联电容起火及整流模块10损坏的问题。

参见图2，本实用新型的实施例2中，母线短路检测模块40的构成和在变频器中的连接关系与实施例1完全相同，分励脱扣器KT1通过传动机构与进线断路器QF1连接，进线断路器QF1包括分别串联在变频器的三相输入电源线L1、 L2、L3上的联动通断的三个开关；分励脱扣器KT1用于接收母线短路检测模块 40发送的保护信号PC、分断进线断路器QF1从而断开变频器的三相输入电源，最终断开流过变频器直流母线的电流。本实施例的进线断路器QF1的脱扣时间达到100～200毫秒，相比实施例1的保护速度稍慢，但也可以达到保护直流母线的目的；并且进线断路器QF1断开三相进线电源后，用户侧的二次控制回路断电，满足保护变频器和用户电路的要求。

以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种变频器母线短路保护装置，其特征在于：变频器包括依次串联的整流模块(10)、上电缓冲模块(20)、储能滤波模块(30)和逆变模块(50)，还包括设置在变频器中的用于检测变频器的直流母线的正端和负端之间的电压并根据检测电压发送断开信号的母线短路检测模块(40)、用于在收到断开信号时分断断路器的分励脱扣器KT1和用于断开触点以断开流过变频器的直流母线的电流的断路器；

母线短路检测模块(40)通过检测输入端并联在储能滤波模块(30)的直流母线的正端和负端之间；母线短路检测模块(40)通过信号输出端分别与分励脱扣器KT1和上电缓冲模块(20)的接触器KM1的信号输入端连接；

分励脱扣器KT1通过传动机构与断路器连接；断路器包括进线断路器QF1和第二断路器QF2，或断路器包括进线断路器QF1；进线断路器QF1的触点串联在变频器的进线三相交流电源主回路中，第二断路器QF2的触点串联在变频器的直流母线回路中；用于上电充电完成时闭合触点以旁路上电缓冲电阻R1和在收到断开信号时断开触点以断开直流母线电流的接触器KM1并联在上电缓冲电阻R1的两端；

母线短路检测模块(40)包括分别用于采样储能滤波电容两端的电压、转换为低压模拟信号并发送给控制电路的第一采样电路M1和第二采样电路M2，以及用于预设短路阈值电压和短路阈值时间、根据短路状态发送断开信号的控制电路；第一采样电路M1和第二采样电路M2的检测输入端分别并联在变频器的储能滤波模块(30)的第一串联电容C1和第二串联电容C2的两端，第一采样电路M1和第二采样电路M2的信号输出端分别与控制电路的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种变频器母线短路保护装置，其特征在于：第二断路器QF2与上电缓冲电阻R1依次串联在变频器的上电缓冲模块(20)的直流母线的正端；用于接收母线短路检测模块(40)发送的保护信号PC、分断第二断路器QF2以断开流过上电缓冲电阻R1的电流的分励脱扣器KT1通过传动机构与第二断路器QF2连接；用于接收母线短路检测模块(40)发送的接触器信号CC并断开触点的接触器KM1的触点并联在第二断路器QF2与上电缓冲电阻R1的串联电路的两端。

3.根据权利要求1所述的一种变频器母线短路保护装置，其特征在于：进线断路器QF1包括分别串联在变频器的三相输入电源线L1、L2、L3上的联动通断的三个开关；用于接收母线短路检测模块(40)发送的保护信号PC、分断进线断路器QF1以断开变频器的三相输入电源、最终断开流过变频器直流母线的电流的分励脱扣器KT1通过传动机构与进线断路器QF1连接。