一种用于变频器的故障检测的装置和方法与流程

本发明涉及变频器，尤其涉及一种用于变频器的故障检测的方法和装置。

背景技术：

如图1所示，变频器10通常包括整流器12、由直流正母线P和直流负母线N构成的直流母线14、滤波电容16和逆变器18。

变频器10通常还包括故障检测模块，用于检测变频器10的短路、过流和过载等故障。如图1所示，变频器10的故障检测模块包括高边分流器20、低边分流器22、差分运算放大器24和26、比较器28和30、光耦合器32和控制器MCU。高边分流器20串接在直流正母线P上，低边分流器22串接在直流负母线N上。高边分流器20和低边分流器22具有相同的阻值。

由于变频器10发生短路时短路电流很大，容易造成设备损坏和/或引起人身安全事故，因此，通常在三相交流系统SX的中性点N与地之间连接一个高阻值的电阻R1。由于电阻R1的存在，当变频器10发生短路时流过高边分流器20和低边分流器22的电流变小了，导致检测到变频器10发生短路的准确性降低。

技术实现要素：

考虑到现有技术的以上缺陷，本发明的实施例提供一种用于变频器的故障检测的方法和装置，其能够改善变频器的故障检测。

按照本发明实施例的一种用于变频器的故障检测的装置，其包括第一获取模块、第二获取模块和比较模块。所述第一获取模块用于获取高边分流器的电压降，其中，所述高边分流器串接在变频器所包括 的整流器和逆变器之间的直流正母线上。所述第二获取模块用于获取低边分流器的电压降，其中，所述低边分流器串接在所述整流器和所述逆变器之间的直流负母线上，且与所述高边分流器具有相同的阻值。所述比较模块用于当所获取的所述高边分流器的电压降与所获取的所述低边分流器的电压降不相等时，输出指示所述变频器发生短路的指示信号。

按照本发明实施例的一种变频器，其包括整流器、逆变器、滤波电容、高边分流电阻、低边分流电阻和前述的用于故障检测的装置。所述整流器用于将交流电转换为直流电并输出到由直流正母线和直流负母线形成的直流母线上。所述逆变器用于将所述直流母线上的直流电转换为三相交流电并输出到三个相线。所述滤波电容连接在所述直流正母线和所述直流负母线之间。所述高边分流电阻串接在所述直流正母线。所述低边分流电阻串接在所述直流负母线且与所述高边分流器具有相同的阻值。按照本发明实施例的一种用于变频器的故障检测的方法，其包括：获取高边分流器的电压降，其中，所述高边分流器串接在变频器所包括的整流器和逆变器之间的直流正母线上；获取低边分流器的电压降，其中，所述低边分流器串接在所述整流器和所述逆变器之间的直流负母线上，且与所述高边分流器具有相同的阻值；以及，当所获取的所述高边分流器的电压降与所获取的所述低边分流器的电压降不相等时，输出指示所述变频器发生短路的指示信号。

从以上描述可以看出，本发明实施例基于串接在直流母线上的高边分流器和低边分流器的电压降是否相等来确定变频器是否发生短路，由于流过串接在直流母线上的高边分流器和低边分流器的电流在变频器发生短路时是不相等的，因此，与现有技术相比，即使当变频器发生短路时短路电流很小的情况下，本发明实施例也能准确地检测出变频器发生了短路，从而改善了变频器的故障检测。

附图说明

本发明的其它特征、特点、益处和优点通过以下结合附图的详细 描述将变得更加显而易见。其中：

图1示出了现有技术的变频器的示意图；

图2A示出了按照本发明的第一实施例的变频器的示意图；

图2B示出了按照本发明的第一实施例的用于变频器的故障检测的方法的流程示意图；

图3A示出了按照本发明的第二实施例的变频器的示意图；

图3B示出了按照本发明的第二实施例的用于变频器的故障检测的方法的流程示意图；

图4A示出了按照本发明的第三实施例的变频器的示意图；以及

图4B示出了按照本发明的第三实施例的用于变频器的故障检测的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的各个实施例。

图2A示出了按照本发明的第一实施例的变频器的示意图。如图2A所示，变频器100可以包括整流器102、由直流正母线P和直流负母线N构成的直流母线104、滤波电容106和逆变器108。直流母线104连接在整流器102和逆变器108之间，滤波电容106连接在直流正母线P和直流负母线N之间。整流器102将三相交流系统140(其中性点通过高阻值的电阻R1接地)提供的具有频率F1的交流电AC1转换为直流电并输出到直流母线104。逆变器108将直流母线104上的直流电转换为具有频率F2(F2不同于F1)的交流电AC2并输出到变频器100的输出端的三个相线U、V和W上。诸如电机等的负载150可以连接到相线U、V和W以获得具有频率F2的交流电AC2作为工作电源。

变频器100还可以包括用于故障检测的模块BH1(以下简称为故障检测模块BH1)。故障检测模块BH1可以包括高边分流器110、低边分流器112、差分运算放大器114、116和118、比较器120和控制 器122。

高边分流器110和低边分流器112具有相同的阻值。高边分流器110串接在直流正母线P上且位于整流器102和滤波电容106之间，而低边分流器112串接在直流负母线N上且位于整流器102和滤波电容106之间。

差分运算放大器114的两个输入端分别连接到高边分流器110的两端以获取高边分流器110两端的电势，差分运算放大器114利用所获取的高边分流器110两端的电势来计算和输出高边分流器110两端的电势差。由于高边分流器110两端相对于地具有很高的电压，因此，差分运算放大器114优选是能承受高共模输入电压的差分运算放大器。

差分运算放大器116对差分运算放大器114所输出的电势差进行预定平移，以校正由于高共模输入电压导致的差分运算放大器114的计算误差。例如但不局限于，差分运算放大器116可以通过将差分运算放大器114所输出的电势差与预定参考电压相加来实现该预定平移。差分运算放大器116输出平移后的电势差作为高边分流器110的电压降。差分运算放大器116优选是高精度的差分运算放大器。

差分运算放大器114和差分运算放大器116构成了用于获取高边分流器110的电压降的获取模块。

差分运算放大器118的两个输入端分别连接到低边分流器112的两端以获取低边分流器112两端的电势，差分运算放大器118利用所获取的低边分流器112两端的电势来计算和输出低边分流器112的电压降。显然，差分运算放大器118是用于获取低边分流器112的电压降的获取模块。差分运算放大器118优选是高精度的差分运算放大器。

作为比较模块的比较器120通过比较差分运算放大器116所输出的高边分流器110的电压降和差分运算放大器118所输出的低边分流器112的电压降是否相同来向控制器122输出表明变频器100是否发生短路的指示信号。其中，如果差分运算放大器116所输出的高边分流器110的电压降和差分运算放大器118所输出的低边分流器112的 电压降不相同，则比较器120向控制器122输出表明变频器100发生短路的指示信号。如果差分运算放大器116所输出的高边分流器110的电压降和差分运算放大器118所输出的低边分流器112的电压降相同，则比较器120向控制器122输出表明变频器100未发生短路的指示信号。其中，比较器120可以是但不局限于窗口比较器。

当从比较器120接收到表明变频器100发生短路的指示信号时，控制器122执行相应的操作以避免短路造成损害，例如但不限于，断开三相交流系统140与变频器100的连接。

此外，可选地，控制器122还可以利用差分运算放大器118所输出的低边分流器112的电压降来重构变频器100的输出电流以检查变频器100是否过流和/或过载。由于控制器122利用低边分流器112的电压降来重构变频器100的输出电流以检查变频器100是否过流和/或过载是现有技术，在此省略对其的详细描述。

从以上描述可以看出，本发明实施例基于串接在直流母线104上的高边分流器110和低边分流器112的电压降是否相等来确定变频器100是否发生短路，由于流过串接在直流母线104上的高边分流器110和低边分流器112的电流当变频器100发生短路时是不相等的，因此，即使当变频器100发生短路时短路电流很小的情况下，本发明实施例也能准确地检测出变频器100发生了短路，从而改善了变频器100的故障检测。而且，本发明实施例的方案能对变频器的各种短路进行快速保护和识别，特别是针对中性点高阻接地的电源系统提供可靠的保护。

图2B示出了按照本发明的第一实施例的用于变频器的故障检测的方法的流程示意图。

如图2B所示，在方框202，根据高边分流器110两端的电势来计算高边分流器110两端的电势差。例如但不局限于，方框202可以由差分运算放大器114实现。

在方框204，对所输出的高边分流器110两端的电势差进行指定平移并输出平移后的电势差作为高边分流器110的电压降。例如但不 局限于，方框204可以由差分运算放大器116实现。方框202和204构成了用于获取高边分流器110的电压降的操作。

在方框206，获取低边分流器112的电压降。例如但不局限于，方框206可以由差分运算放大器118实现。

在方框208，如果所获取的高边分流器100的电压降与所获取的低边分流器112的电压降不相等，则输出指示变频器100发生短路的指示信号。例如但不局限于，方框208可以由比较器120实现。

此外，可选地，图2B所示的方法还可以包括方框210，其中，基于所输出的指示变频器100发生短路的指示信号，执行相应的操作以避免短路造成损害。例如但不局限于，方框210可以由控制器122实现。

图3A示出了按照本发明的第二实施例的变频器的示意图。如图3A所示，变频器300可以包括整流器102、由直流正母线P和直流负母线N构成的直流母线104、滤波电容106和逆变器108。直流母线104连接在整流器102和逆变器108之间，滤波电容106连接在直流正母线P和直流负母线N之间。整流器102将三相交流系统140(其中性点通过高阻值的电阻R1接地)提供的具有频率F1的交流电AC1转换为直流电并输出到直流母线104。逆变器108将直流母线104上的直流电转换为具有频率F2(F2不同于F1)的交流电AC2并输出到变频器300的输出端的三个相线U、V和W上。负载150可以连接到相线U、V和W以获得具有频率F2的交流电AC2作为工作电源。

变频器300还可以包括故障检测模块BH2，其用于识别三个相线U、V和W中发生短路或断路等故障的相线。故障检测模块BH2可以包括指示模块310和控制器350。

指示模块310可以包括电阻312、314和316，以及，光耦合器318和320。

电阻312、314和316具有相同的阻值。优选地，电阻312、314和316的阻值可以是几百或上兆欧姆。电阻312、314和316各自的 一端分别连接到相线U、V和W。电阻312的另一端和电阻314的另一端分别连接光耦合器318的发光器件的两端。电阻314的另一端和电阻316的另一端分别连接光耦合器320的发光器件的两端。

光耦合器318的光敏器件和光耦合器320的光敏器件连接到控制器350，以向控制器350输出信号S_UV和信号S_WV。其中，信号S_UV指示相线U和相线V之间的电压，信号S_WV指示相线W和相线V之间的电压。信号S_UV和信号S_WV可以看作是指示模块310生成和输出的信号。

信号S_UV和S_WV是脉宽调制(PWM)信号。发明人发现：当相线U、V和W都没有发生短路或断路等的故障时，信号S_UV和S_WV之间的相位差是240度，信号S_UV和S_WV的占空比相同且可以基于相线U、V和W上的交流电AC2的频率F2确定；而当相线U、V和W的其中一个相线发生短路或断路等的故障时，信号S_UV和S_WV之间的相位差不等于240度，而且，信号S_UV和S_WV中与该发生故障的相线相关联的信号的占空比不等于预定占空比且未与该发生故障的相线相关联的信号的占空比等于该预定占空比，其中，该预定占空比等于当相线U、V和W都没有发生短路或断路等的故障时信号S_UV和S_WV的占空比。

利用以上发现，控制器350基于指示模块310所输出的信号S_UV和S_WV的波形变化和相位差来识别相线U、V和W中发生故障的相线。具体地，在接收到来自指示模块310的信号S_UV和S_WV之后，控制器350计算所接收到的信号S_UV和S_WV各自的占空比和它们之间的相位差。然后，控制器350判断所计算的相位差是否等于240度以及所计算的信号S_UV和S_WV各自的占空比是否等于预定占空比ZK(预定占空比ZK等于当相线U、V和W都没有发生短路或断路等的故障时信号S_UV和S_WV的占空比)。如果判断结果表明所计算的相位差不等于240度，且信号S_UV和S_WV中与相线U、V和W中的特定相线相关联的信号的占空比不等于预定占空比ZK且未与该特定相线相关联的信号的占空比等于预定占空比ZK，则控制器350确定该特定相线是发生故障的相线。

具体地，如果判断结果表明所计算的相位差不等于240度，与相线U相关联的信号S_UV的占空比不等于预定占空比ZK且未与相线U相关联的信号S_WV的占空比等于预定占空比ZK，则控制器350确定相线U是发生故障的相线；如果判断结果表明所计算的相位差不等于240度，与相线W相关联的信号S_WV的占空比不等于预定占空比ZK且未与相线W相关联的信号S_UV的占空比等于预定占空比ZK，则控制器350确定相线W是发生故障的相线；以及，如果判断结果表明所计算的相位差不等于240度，与相线V相关联的信号S_UV和S_WV的占空比都不等于预定占空比ZK，则控制器350确定相线V是发生故障的相线。

当光耦合器318和320导通时，在指示模块310内会形成一个小虚拟的中性点N’，此时指示模块310形成一个星形的高阻网络，因此，故障检测模块BH2的存在不会对负载150产生影响。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的描述中，指示模块310所生成的两个信号是指示相线U和相线V之间的电流的信号S_UV和指示相线W和相线V之间的电流的信号S_WV，然而，本发明并不局限于此。例如，指示模块310所生成的两个信号也可以是指示相线W和相线V之间的电流的信号S_WV和指示相线W和相线U之间的电流的信号S_WU，或者，指示模块310所生成的两个信号也可以是指示相线W和相线U之间的电流的信号S_WU和指示相线U和相线V之间的电流的信号S_UV。

图3B示出了按照本发明的第二实施例的用于变频器的故障检测的方法的流程示意图。

如图3B所示，在方框302，生成两个信号，每一个信号指示变频器300的输出端的相线U、V和W的其中两个相线之间的电流。例如但不限于，方框302可以由指示模块310实现。

在方框304，基于所生成的两个信号的波形变化和相位差，来识别相线U、V和W中发生短路或断路的相线。具体地，如果该两个信号之间的相位差不等于240度，以及，该两个信号中与相线U、V 和W中的特定相线相关联的信号的占空比不等于预定占空比且未与该特定相线相关联的信号的占空比等于该预定占空比，则确定该特定相线是发生短路或断路的相线，其中，该预定占空比等于当三个相线U、V和W都没有发生短路或断路时该两个信号的占空比。例如但不限于，方框304可以由控制器350实现。

图4A示出了按照本发明的第三实施例的变频器的示意图。如图4A所示，变频器400可以包括整流器102、由直流正母线P和直流负母线N构成的直流母线104、滤波电容106和逆变器108。直流母线104连接在整流器102和逆变器108之间，滤波电容106连接在直流正母线P和直流负母线N之间。整流器102将三相交流系统140(其中性点通过高阻值的电阻接地)提供的具有频率F1的交流电AC1转换为直流电并输出到直流母线104。逆变器108将直流母线104上的直流电转换为具有频率F2(F2不同于F1)的交流电AC2并输出到变频器300的输出端的三个相线U、V和W上。负载150可以连接到相线U、V和W以获得具有频率F2的交流电AC2作为工作电源。

变频器400还可以包括故障检测模块BH3。其中，故障检测模块BH3由上述第一实施例中的故障检测模块BH1和上述第二实施例中的故障检测模块BH2组合构成，其中，故障检测模块BH3所包括的控制器450具有控制器122和控制器350这两者的功能。由于前面已经详细描述了上述第一实施例中的故障检测模块BH1和上述第二实施例中的故障检测模块BH2，因此，故障检测模块BH3的结构和功能对于本领域技术人员来说已经清楚，在此省略对其的详细描述。

图4B示出了按照本发明的第三实施例的用于变频器的故障检测的方法的流程示意图。图4B所示的方法包括上述第一实施例中的方框202-208和上述第二实施例中的方框302-304。由于前面已经详细描述了上述第一实施例中的方框202-208和上述第二实施例中的方框302-304，因此，图4B所示的方法对于本领域技术人员来说已经清楚， 在此省略对其的详细描述。此外，本领域技术人员应当理解，图4B所示的方框302-304也可以在图4B所示的方框202-208之前执行或者两者同时执行。

其它变型

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的第一实施例和第三实施例中，高边分流器110和低边分流器112位于整流器102和滤波电容106之间，但是本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，高边分流器110和低边分流器112也可以位于滤波电容106和逆变器108之间。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的第一实施例和第三实施例中，用于获取高边分流器110的电压降的获取模块包括两个差分运算放大器，即差分运算放大器114和116，但是，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，用于获取高边分流器110的电压降的获取模块可以由一个差分运算放大器来实现，例如但不局限于，由一个既能承受高共模输入电压又具有高精度的差分运算放大器来实现。或者，用于获取高边分流器110的电压降的获取模块和用于获取低边分流器112的电压降的获取模块也可以由除了差分运算放大器之外的其它合适器件来实现。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的第二实施例和第四实施例中，控制器350基于指示模块310所输出的信号的波形变化和相位差两者来识别相线U、V和W中发生故障的相线，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，控制器350也可以仅基于指示模块310所输出的信号的波形变化来识别相线U、V和W中发生故障的相线。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的第二实施例和第四实施例中，指示模块310仅包括两个光耦合器318和320以生成两个信号S_UV和S_WV，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，除了光耦合器318和320之外，指示模块310还可以包括第三个光耦合器。该第三个光耦合器的发光器件的两端分别连接到电阻 312的另一端和电阻316的另一端，该第三个光耦合器的光敏器件输出指示相线U和相线W之间的电流的信号S_UW作为指示模块310生成和输出的第三个信号。

在指示模块310生成和输出三个信号S_UV、S_WV和S_UW的情况下，控制器350可以仅基于这三个信号S_UV、S_WV和S_UW的波形变化来识别相线U、V和W中发生故障的相线。具体地，如果来自指示模块310的三个信号S_UV、S_WV和S_UW中与相线U、V和W中的特定相线相关联的信号的占空比不等于预定占空比且未与该特定相线相关联的信号的占空比等于该预定占空比，则控制器350确定该特定相线是发生短路或断路的相线，其中，该预定占空比等于当相线U、V和W都没有发生短路或断路时信号S_UV、S_WV和S_UW的占空比。

例如，如果与相线U相关联的信号S_UV和S_UW的占空比不等于该预定占空比且未与相线U相关联的信号S_WV的占空比等于该预定占空比，则控制器350确定相线U是发生短路或断路的相线。如果与相线V相关联的信号S_UV和S_WV的占空比不等于该预定占空比且未与相线V相关联的信号S_UW的占空比等于该预定占空比，则控制器350确定相线V是发生短路或断路的相线。如果与相线W相关联的信号S_UW和S_WV的占空比不等于该预定占空比且未与相线W相关联的信号S_UV的占空比等于该预定占空比，则控制器350确定相线W是发生短路或断路的相线。

本领域技术人员应当理解，本发明各个实施例的方案不但适用于三相交流系统140的中性点通过高阻值的电阻接地的情形，也适用于三相交流系统140的中性点通过低阻值的电阻接地或未通过电阻接地的情形。

本领域技术人员应当理解，在上面的第二实施例和第四实施例中，故障检测模块还可以包括比较器BJ，其用于将差分运算放大器116输出的高边分流器110的电压降与用于指示短路的电压阈值进行比较并当高边分流器110的电压降大于该用于指示短路的电压阈值时向控制器输出指示变频器发生短路的指示信号，以使得当本发明实施例的变频器连接到其中性点通过低阻值的电阻接地或未通过电阻 接地的三相交流系统140时能快速检测到变频器发生短路。

本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形、修改和改变，这些变形、修改和改变都应当落入在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求书来限定。