TWI564581B - 三相電源檢測裝置、系統及方法 - Google Patents

Description

三相電源檢測裝置、系統及方法

本發明是有關於一種檢測技術，且特別是有關於一種三相電源檢測裝置、系統及方法。

三相電源可用以驅動三相馬達或是類似的電子裝置。三相電源可藉由電力單元，例如但不限於智慧型電力模組來產生。馬達的運作可藉由三相電源的強度、相位、頻率等參數，以決定送至馬達的電流方向、馬達運轉方向及磁場方向。然而，為確保馬達接收到正確的三相電源，常需對電力單元進行量測。一般習知的方式是直接將實體的馬達負載連接至電力單元，並設置元件如編碼器或霍爾感測元件來偵測馬達的位置、角度、轉速、力矩等參數，以確保所傳送的三相電源是平衡的。然而，實體馬達不但體積大、重量重，且量測的電路及配線相對複雜，測試的成本相當高昂。

因此，如何設計一個新的三相電源檢測裝置、系統及方法，以改善上述的缺點，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本發明之一態樣是在提供一種三相電源檢測系統。三相電源檢測系統包含：數位控制單元、電力單元以及三相電源檢測裝置。數位控制單元產生波寬調變(pulse width modulation；PWM)訊號。電力單元根據波寬調變訊號產生三相電源訊號，三相電源訊號包含第一、第二及第三相位電源訊號。三相電源檢測裝置接收三相電源訊號，以擷取第一、第二及第三相位電源訊號各具有之相位以及頻率，並依據第一、第二及第三相位電源訊號的相位及頻率檢測第一、第二及第三相位電源訊號之平衡狀況。

依據本發明一實施例，其中數位控制單元為數位訊號處理(digital signal processing；DSP)模組。

依據本發明另一實施例，其中電力單元為智慧型電力模組(intelligent power module；IPM)。

依據本發明又一實施例，其中三相電源檢測裝置包含：第一及閘、三個第二及閘以及判斷模組。第一及閘對三個單相電源訊號進行邏輯運算，以產生基頻訊號。第二及閘對第一、第二及第三相位電源訊號分別與反相之基頻訊號進行邏輯運算，以產生對應第一、第二及第三相位電源訊號之第一、第二及第三真實相位電源訊號。判斷模組擷取第一、第二及第三真實相位電源訊號之相位以及頻率，以於第一、第二及第三真實相位電源訊號之頻率相等且相位彼此間相差相同角度時，判斷第一、第二及第三相位電源訊號為平衡。

依據本發明再一實施例，其中判斷模組更用以對第一、第二及第三真實相位電源訊號進行波形重整。

依據本發明更具有之一實施例，其中三相電源檢測裝置係由場式可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array；FPGA)實現。

依據本發明再具有之一實施例，其中三相電源檢測裝置係傳送檢測結果至數位控制單元，以使數位控制單元根據檢測結果對波寬調變訊號進行調整，進一步使電力單元根據調整後之波寬調變訊號產生平衡之三相電源訊號。

本發明之另一態樣是在提供一種三相電源檢測方法，應用於三相電源檢測系統中，包含下列步驟。藉由數位控制單元產生波寬調變訊號。藉由電力單元根據波寬調變訊號產生三相電源訊號，三相電源訊號包含第一、第二及第三相位電源訊號。藉由三相電源檢測裝置接收三相電源訊號，以擷取第一、第二及第三相位電源訊號各具有之相位以及頻率。藉由三相電源檢測裝置依據第一、第二及第三相位電源訊號的相位及頻率檢測第一、第二及第三相位電源訊號之平衡狀況。

依據本發明一實施例，其中數位控制單元為數位訊號處理模組。

依據本發明另一實施例，其中電力單元為智慧型電力模組。

依據本發明又一實施例，三相電源檢測方法更包含：由三相電源檢測裝置之第一及閘對第一、第二及第三 相位電源訊號進行邏輯運算，以產生基頻訊號；由三相電源檢測裝置之三個第二及閘，對第一、第二及第三相位電源訊號分別與反相之基頻訊號進行邏輯運算，以產生對應第一、第二及第三相位電源訊號之第一、第二及第三真實相位電源訊號；以及由三相電源檢測裝置之判斷模組擷取第一、第二及第三真實相位電源訊號之相位以及頻率，以於第一、第二及第三真實相位電源訊號之頻率相等且相位彼此間相差相同角度時，判斷第一、第二及第三相位電源訊號為平衡。

依據本發明再一實施例，三相電源檢測方法更包含：藉由判斷模組對第一、第二及第三真實相位電源訊號進行波形重整。

依據本發明更具有之一實施例，其中三相電源檢測裝置係由場式可程式閘陣列實現。

依據本發明再具有之一實施例，藉由三相電源檢測裝置傳送檢測結果至數位控制單元；藉由數位控制單元依據檢測結果對波寬調變訊號進行調整；以及藉由電力單元根據調整後之波寬調變訊號產生平衡之三相電源訊號。

本發明之再一態樣是在提供一種三相電源檢測裝置。三相電源檢測裝置包含：第一及閘、三個第二及閘以及判斷模組。第一及閘對三相電源訊號包含的第一、第二及第三相位電源訊號進行邏輯運算，以產生基頻訊號。第二及閘對第一、第二及第三相位電源訊號分別與反相之基頻訊號進行邏輯運算，以產生對應第一、第二及第三相位電源訊號之第一、第二及第三真實相位電源訊號。判斷模組擷取第 一、第二及第三真實相位電源訊號之相位以及頻率，以於第一、第二及第三相位真實相位電源訊號之頻率相等且相位彼此間相差相同角度時，判斷第一、第二及第三相位電源訊號為平衡。

依據本發明一實施例，其中判斷模組更用以對第一、第二及第三真實相位電源訊號進行波形重整。

依據本發明另一實施例，其中三相電源檢測裝置係由場式可程式閘陣列實現。

應用本發明之優點在於三相電源檢測系統可藉由三相電源檢測裝置擷取三相電源訊號的相位以及頻率，以檢測第一、第二及第三相位電源訊號之平衡狀況，而輕易地達到上述之目的。

1‧‧‧三相電源檢測系統

10‧‧‧數位控制單元

11‧‧‧波寬調變訊號

12‧‧‧電力單元

13‧‧‧三相電源訊號

14‧‧‧三相電源檢測裝置

15‧‧‧檢測結果

20‧‧‧第一及閘

22A-22C‧‧‧第二及閘

24‧‧‧判斷模組

400‧‧‧三相電源檢測方法

401-404‧‧‧步驟

第1圖為本發明一實施例中，一種三相電源檢測系統之方塊圖；第2圖為本發明之一實施例中，三相電源檢測裝置更詳細的方塊圖；第3A圖為本發明之一實施例中，第一、第二及第三相位電源訊號以及基頻訊號之波形圖；第3B圖為本發明之一實施例中，第一、第二及第三真實相位電源訊號之波形圖； 第3C圖為本發明之一實施例中，經過波形重整後的第一、第二及第三真實相位電源訊號之波形圖；以及第4圖為本發明一實施例中，一種三相電源檢測方法之流程圖。

請參照第1圖。第1圖為本發明一實施例中，一種三相電源檢測系統1之方塊圖。三相電源檢測系統1包含：數位控制單元10、電力單元12以及三相電源檢測裝置14。

數位控制單元10產生波寬調變訊號11。於一實施例中，數位控制單元10為包含震盪器(oscillator)之數位訊號處理模組或是其他可用以產生波寬調變訊號11的電路元件。

電力單元12根據波寬調變訊號11產生三相電源訊號13。其中，三相電源訊號13包含第一、第二及第三相位第一、第二及第三相位電源訊號U、V及W。於一實施例中，電力單元12為智慧型電力模組，並包含複數絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。此些絕緣柵雙極電晶體可設置為兩電平、三電平或多電平的形式，依據波寬調變訊號11對一直流電源(未繪示)進行導通或關閉並產生變頻及/或變壓的三相電源訊號13。於其他實施例中，電力單元12可由其他的電路元件實現。

三相電源檢測裝置14接收三相電源訊號13，以擷取三相電源訊號13所包含的第一、第二及第三相位第 一、第二及第三相位電源訊號U、V及W各具有之相位以及頻率，並依據第一、第二及第三相位電源訊號U、V及W的相位及頻率檢測第一、第二及第三相位電源訊號U、V及W之平衡狀況。

請參照第2圖。第2圖為本發明之一實施例中，三相電源檢測裝置14更詳細的方塊圖。三相電源檢測裝置14包含：第一及閘20、三個第二及閘22A、22B、22C以及判斷模組24。於一實施例中，三相電源檢測裝置14係可由場式可程式閘陣列或是其他的電路元件實現。

第一及閘20對第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W進行邏輯運算，以產生基頻訊號B。

請同時參照第2圖及第3A圖。第3A圖為本發明之一實施例中，第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W以及基頻訊號B之波形圖。如第3A圖中所繪示，在經過第一及閘20的邏輯運算後，僅有第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W同為高態的部份保留下來成為基頻訊號B。

第二及閘22A、22B、22C對第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W及反相之基頻訊號B分別進行邏輯運算，以產生對應第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W之第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true、V_true、W_true。

請同時參照第2圖及第3B圖。第3B圖為本發明之一實施例中，第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true、V_true、W_true之波形圖。如第3B圖所示，由 於第二及閘22A、22B、22C是以反相的基頻訊號B分別與第一、第二及第三相位電源訊號U、V及W進行邏輯運算，因此將去除掉第一、第二及第三相位電源訊號U、V及W中的基頻部份，而產生未帶有基頻的第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true、V_true、W_true。

判斷模組24將進一步自第二及閘22A、22B、22C擷取第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true、V_true、W_true之相位以及頻率。於一實施例中，判斷模組24係先對第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true、V_true、W_true進行波形重整後，再自重整的第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true’、V_true’、W_true’擷取其相位以及頻率。

請同時參照第2圖及第3C圖。第3C圖為本發明之一實施例中，經過波形重整後的第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true、V_true、W_true之波形圖。判斷模組24將第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true、V_true、W_true中重複出現的波形中，最早出現的正緣波形後最後出現的負緣波形補齊為連續的高態，以達到重整的目的。

判斷模組24依據重整後的第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true’、V_true’、W_true’擷取相位及頻率。其中，第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true’、V_true’、W_true’的相位以及頻率相當於第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W的相位以及頻率。於一實施例中， 以第一真實相位電源訊號U_true’為例，其頻率可由其週期T的倒數得知。並且，於一實施例中，以第二及第三真實相位電源訊號V_true’及W_true’為例，其相位之差距可由其正緣波形的時間差P和其週期T間的比例得知。舉例來說，如果間隔一週期為360度，而第二及第三真實相位電源訊號V_true’及W_true’間的正緣波形的時間差P和其週期T間的比例為1/3，則其相位差距為120度。

判斷模組24進一步依據第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true’、V_true’、W_true’的相位以及頻率檢測第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W的平衡狀況。

當第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true’、V_true’、W_true’之頻率相等且相位彼此間相差相同角度時，判斷模組24將判斷第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W為平衡。於一實施例中，當第一、第二及第三真實相位電源訊號U_true’、V_true’、W_true’間頻率相等且彼此間相差120度時，判斷模組24判斷第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W為平衡。

因此，本發明的三相電源檢測系統1可藉由三相電源檢測裝置14擷取第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W的相位以及頻率，以判斷第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W是否平衡。於一實施例中，當三相電源檢測裝置14判斷第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W並未平衡時，可傳送檢測結果15至數位控制單元10，以由數位 控制單元10對波寬調變訊號11進行調整，進一步使電力單元12調整所產生的第一、第二及第三相位電源訊號U、V、W至平衡的狀態。

請參照第4圖。第4圖為本發明一實施例中，一種三相電源檢測方法400之流程圖。三相電源檢測方法400可應用於如第1圖所示的三相電源檢測系統1中。三相電源檢測方法400包含下列步驟(應瞭解到，在本實施方式中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)。

於步驟401，藉由數位控制單元10產生波寬調變訊號11。

於步驟402，藉由電力單元12根據波寬調變訊號11產生三相電源訊號13，三相電源訊號13包含第一、第二及第三相位電源訊號U、V及W。

於步驟403，藉由三相電源檢測裝置14接收三相電源訊號13，以擷取三相電源訊號13所包含的第一、第二及第三相位電源訊號U、V及W各具有之相位以及頻率。

於步驟404，藉由三相電源檢測裝置14依據第一、第二及第三相位電源訊號U、V及W的相位及頻率判斷第一、第二及第三相位電源訊號U、V及W之平衡狀況。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧三相電源檢測系統

10‧‧‧數位控制單元

11‧‧‧波寬調變訊號

12‧‧‧電力單元

13‧‧‧三相電源訊號

14‧‧‧三相電源檢測裝置

15‧‧‧檢測結果

Claims (15)

1. 一種三相電源檢測系統，包含：一數位控制單元，用以產生一波寬調變(pulse width modulation；PWM)訊號；一電力單元，用以根據該波寬調變訊號產生一三相電源訊號，該三相電源訊號包含一第一相位電源訊號、一第二相位電源訊號以及一第三相位電源訊號；以及一三相電源檢測裝置，包含：一第一及閘，用以對該第一、該第二及該第三相位電源訊號進行及邏輯運算，以產生一基頻訊號；三個第二及閘，對該第一、該第二及該第三相位電源訊號分別與反相之該基頻訊號進行及邏輯運算，以產生對應該第一、該第二及該第三相位電源訊號，且未帶有該基頻訊號之一第一、一第二及一第三真實相位電源訊號；以及一判斷模組，用以擷取該第一、該第二及該第三真實相位電源訊號之相位以及頻率，以於該第一、該第二及該第三相位真實相位電源訊號之頻率相等且相位彼此間相差相同角度時，判斷該第一、該第二及該第三相位電源訊號為平衡。
2. 如請求項1所述之三相電源檢測系統，其中該數位控制單元為一數位訊號處理(digital signal processing；DSP)模組。
3. 如請求項1所述之三相電源檢測系統，其中該電力單元為一智慧型電力模組(intelligent power module；IPM)。
4. 如請求項1所述之三相電源檢測系統，其中該判斷模組更用以對該第一、該第二及該第三相位真實相位電源訊號進行波形重整。
5. 如請求項1所述之三相電源檢測系統，其中該三相電源檢測裝置係由一場式可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array；FPGA)實現。
6. 如請求項1所述之三相電源檢測系統，其中該三相電源檢測裝置係傳送一檢測結果至該數位控制單元，以使該數位控制單元根據該檢測結果對該波寬調變訊號進行調整，進一步使該電力單元根據調整後之該波寬調變訊號產生平衡之該三相電源訊號。
7. 一種三相電源檢測方法，應用於一三相電源檢測系統中，包含：藉由一數位控制單元產生一波寬調變訊號；藉由一電力單元根據該波寬調變訊號產生一三相電源訊號，該三相電源訊號包含一第一、一第二及一第三相位電源訊號；由一三相電源檢測裝置之一第一及閘對該第一、該第二及該第三相位電源訊號進行及邏輯運算，以產生一基頻訊號； 由該三相電源檢測裝置之三個第二及閘，對該第一、該第二及該第三相位電源訊號分別與反相之該基頻訊號進行及邏輯運算，以產生對應該第一、該第二及該第三相位電源訊號，且未帶有該基頻訊號之一第一、一第二及一第三真實相位電源訊號；以及由該三相電源檢測裝置之一判斷模組擷取該第一、該第二及該第三相位真實相位電源訊號之相位以及頻率，以於該第一、該第二及該第三相位真實相位電源訊號之頻率相等且相位彼此間相差相同角度時，判斷該第一、該第二及該第三相位電源訊號為平衡。
8. 如請求項7所述之三相電源檢測方法，其中該數位控制單元為一數位訊號處理模組。
9. 如請求項7所述之三相電源檢測方法，其中該電力單元為一智慧型電力模組。
10. 如請求項7所述之三相電源檢測方法，更包含：藉由該判斷模組對該第一、該第二及該第三真實相位電源訊號進行波形重整。
11. 如請求項7所述之三相電源檢測方法，其中該三相電源檢測裝置係由一場式可程式閘陣列實現。
12. 如請求項7所述之三相電源檢測方法，更包含：藉由該三相電源檢測裝置傳送一檢測結果至該數位控制單元； 藉由該數位控制單元依據該檢測結果對該波寬調變訊號進行調整；以及藉由該電力單元根據調整後之該波寬調變訊號產生平衡之該三相電源訊號。
13. 一種三相電源檢測裝置，包含：一第一及閘，用以對一三相電源訊號中包含的一第一、一第二及一第三相位電源訊號進行及邏輯運算，以產生一基頻訊號；三個第二及閘，對該第一、該第二及該第三相位電源訊號分別與反相之該基頻訊號進行及邏輯運算，以產生對應該第一、該第二及該第三相位電源訊號，且未帶有該基頻訊號之一第一、一第二及一第三相位真實相位電源訊號；以及一判斷模組，用以擷取該第一、該第二及該第三真實相位電源訊號之相位以及頻率，以於該第一、該第二及該第三真實相位電源訊號之頻率相等且相位彼此間相差相同角度時，判斷該第一、該第二及該第三相位電源訊號為平衡。
14. 如請求項13所述之三相電源檢測裝置，其中該判斷模組更用以對該第一、該第二及該第三真實相位電源訊號進行波形重整。
15. 如請求項13所述之三相電源檢測裝置，其中該三相電源檢測裝置係由一場式可程式閘陣列實現。