电磁搅拌变频电源故障检测电路制造技术

本发明专利技术提供一种电磁搅拌变频电源故障检测电路，包括电平采集单元、3个检测单元，第i个检测单元包括用于测量三相全桥逆变器第i个桥臂输出电流的电流测量装置、电流/电压转换单元、电压绝对值单元、模拟开关、积分电路，所述电流测量装置、电流/电压转换单元、电压绝对值单元依次电连接；所述模拟开关两个连接端分别与电压绝对值单元输出端、积分电路输入端对应电连接；每个检测单元还均包括第一电压比较单元，所述第一电压比较单元输入端与电流/电压转换单元输出端或电压绝对值单元输出端电连接，所述第一电压比较单元输出端与模拟开关的选通端电连接。选通端电连接。选通端电连接。

【技术实现步骤摘要】
电磁搅拌变频电源故障检测电路


[0001]本专利技术涉及一种电磁搅拌变频电源的二类短路故障检测技术,具体涉及一种对电磁搅拌器负载的相间短路或对地短路检测的装置。

技术介绍

[0002]电磁搅拌器专用变频电源隶属于电压型变频器领域,主电路拓扑结构如下图1所示,拓扑结构和通用电压型变频器主电路拓扑结构几乎相同,都是采用AC-DC-AC主电路拓扑结构，因电磁搅拌器需要二相或三相几百安培甚至上千安培的低频(1-16Hz)交流电源给予供电，所以电磁搅拌变频电源其主电路中逆变IGBT等主要功率开关器件一般都为大容量功率器件。
[0003]电磁搅拌专用变频电源中大容量IGBT的正常驱动以及在故障情况下IGBT的可靠有效保护是电磁搅拌器专用变频电源长期可靠稳定运行的前提条件。随着国内外大容量IGBT驱动技术的发展，高性能的即插即用数字驱动器 (如国外Power Integrations公司1SP0635型号数字驱动器和国内飞仕得公司1FSD08110型号的数字驱动器)以及 IGBT数字驱动核(如国外Power Integrations公司2SC0435T型号数字驱动核和国内飞仕得公司的2FSC0435型号的数字驱动核)在具有驱动大容量IGBT的功能之外还都设计集成有短路保护等保护功能，用户只需要按照要求使用即可满足大功率IGBT的驱动和保护需要。
[0004]然而市面上成熟的IGBT数字驱动器和IGBT驱动核所集成的短路保护是指当在短路故障时IGBT中的电流在 6μs时间以内达到4-5倍额定电流大小时进行保护，如图10中直通时IGBT在2个μs左右时间内迅速达到6.3KA，此时IGBT迅速进入退饱和的状态，此时IGBT的集电极和发射级之间V
CE
电压由饱和导通时V
CE
＝3V左右迅速上升达到直流母线电压V
CE
＝V
DC-Link
(V
DC-Link
为直流母线电压大小)，当IGBT数字驱动器或驱动核检测到V
CE
之间的电压超过某一个阈值时即判断IGBT处于一类短路状态，此时IGBT数字驱动器或IGBT驱动核启动软关断等保护流程来保护IGBT，通过增加关断时间
△
t方式来降低因而引起的关断电压尖峰，以免IGBT的集电极和发射极之间电压过高而击穿(如图10中一类短路发生后，IGBT驱动器或驱动核启动软关断，关断产生最大电压才816V)，例如当硬件或软件失效的情况下造成同一桥臂的上下两个IGBT直通时等“一类短路”故障，该类短路故障一般短路回路中的电感量很小(小于100nH级)，具有电流上升速率快和IGBT关断电流瞬时值大的特点，假设V相的上、下桥臂的两个IGBT直通，则一类短路发生时电流回路原理示意图如图2(a)所示，短路电流由电容C1、IGBT3、IGBT4、C2形成回路。
[0005]然而电磁搅拌器一般应用工作在连铸生产线上，现场环境异常潮湿恶劣；同时电磁搅拌器线圈需要通以几百甚至千安培电流，发热异常严重，因此电磁搅拌器线圈都采用水循环冷却方式，在此种情况下电磁搅拌器非常容易出现相间短路、匝间短路或对地短路等故障；然而受连铸生产线和电磁搅拌器负载现场应用环境的限制，电磁搅拌器专用变频电源一般设计在单独的电气控制室里，电磁搅拌器负载安装在连铸生产线上，变频电源和电磁搅拌器负载之间距离较远，一般需要布几十米长动力电缆，一般电磁搅拌变频电源离
连铸线距离比较近的场所至少也有20米；在电磁搅拌器负载发生相间短路时，如图2(b)所示U、V相间短路时，U、V两相连接的平行动力电缆的导线电感就为此类短路回路中的负载，利用平行导线电感值计算公式公式中假设只取较小线缆长度l＝20m，两根相邻的平行导线间的距离等于线缆的直径a＝d＝36mm，经计算两根平行导线电感L＝5.53μH(远大于一类短路故障的直通时的100nH左右)，实际应用中采用常州同惠仪器有限公司的TH2811D电感仪器测量20 米动力电缆的电感值为L＝6.09μH(实际测量电感值与计算值相差10％的误差)；当发生相间短路故障时，这动力线缆电感就是串联连接在此类短路回路负载，利用公式(三相进线为500VAC时V
DC-Link
为直流母线电压大小700VDC，L为两根平行动力线缆的等效电感＝5.53μH)，此类短路时短路回路中的电感量比上面“一类短路”回路中电感量大得多，我们称此类短路故障为“二类短路”；“二类短路”回路中线缆电感严重减缓了电流上升速率，在很长的一段时间内IGBT都处在过流情况下但又不会达到退饱和条件(4-5倍左右额定电流大小)，因此IGBT数字驱动器或IGBT驱动核集成的一类短路保护不能对此类短路故障起得保护作用；然而“二类短路”故障时IGBT流过的电流比正常额定工况时流过电流要大得多，因此经过若干长时间电流过载后，IGBT的发热损耗非常高，结温迅速上升，直接导致IGBT过热失效。
[0006]因此，对于电磁搅拌专用变频电源的IGBT驱动而言，仅仅靠IGBT驱动器或IGBT驱动核所具备的一类短路保护功能之外，还需要额外采用其他的方式或方法对于电磁搅拌变频电源发生“二类短路”故障时采取有效的保护，防止IGBT发生“二类短路”时过热失效。目前传统的“二类短路”检测方法一般具有两种方式，第一种方式通过“软件采样判断”方式，示意图如图3(a)所示，即电磁搅拌变频电源中控制器通过电流传感器需要实时采样变频电源输出电流的模拟值大小并进行计算比较，在设定某一设定的时间内，如果控制器所采集的、电流模拟值转换后得到的电压大小连续多次超过设定的上限Vref-High或下限Vref-Low阈值大小，即认为变频电源输出电流发生“二次短路”等过流故障，该方式具有实现简单操作灵活等优点，但该方法对控制器的实时性要求太高，极高地增加了控制器中 MCU微处理器的任务负担，而且一旦微处理器失效，该过载检测方法也随之失效；第二种方式通过“硬件比较”方式，如图3(b)所示，即将电流传感器或者互感器输出的电流信号，经电阻R1转换为电压信号再经3.3V电平转换后再与上限阈值和下限阈值两个比较器进行比较，当高于上限阈值Vref-High或低于下限阈值Vref-Low时逻辑芯片输出低电平，然后被微处理器的I/O口以中断的方式采集；该方法具有无需实时占用控制器资源等优点，但该方法容易受外界干扰而导致存在误报或错报等缺陷。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的问题是针对现有电磁搅拌专用变频电源检测二类短路时增加微处理器的任务负担、易受外界干扰而存在误报的问题，提供一种电磁搅拌变频电源故障检测电路。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种电磁搅拌变频电源故障检测电路，所述电磁搅拌变频电源包括三相全桥整流器、与三相全桥整流器输出端电连接的三相全桥逆变器、具有6个脉宽调制信号输出端的脉宽调制信号产生单元，三相全桥逆变器
具有3个桥臂，每个桥臂上均设置有两个同向串联的IGBT，所述电磁搅拌变频电源故障检测电路包括电平采集单元、3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电磁搅拌变频电源故障检测电路，所述电磁搅拌变频电源包括三相全桥整流器（30）、与三相全桥整流器（30）输出端电连接的三相全桥逆变器（40）、具有6个脉宽调制信号输出端的脉宽调制信号产生单元，三相全桥逆变器（40）具有3个桥臂，每个桥臂上均设置有两个同向串联的IGBT，其特征在于：所述电磁搅拌变频电源故障检测电路包括电平采集单元、3个检测单元，第i个检测单元包括用于测量三相全桥逆变器（40）的第i个桥臂输出电流的电流测量装置U101-i、电流/电压转换单元U102-i、电压绝对值单元U103-i、模拟开关U105-i、积分电路U106-i，所述电流测量装置U101-i、电流/电压转换单元U102-i、电压绝对值单元U103-i依次电连接，所述模拟开关U105-i两个连接端分别与电压绝对值单元U103-i输出端、积分电路U106-i输入端对应电连接，所述积分电路U106-i输出端连接有反相器U107-i；每个检测单元还均包括第一电压比较单元，电流/电压转换单元U102-i输出端或电压绝对值单元U103-i输出端电连接至第i个检测单元的第一电压比较单元输入端，第i个检测单元的第一电压比较单元输出端与模拟开关U105-i的选通端电连接，第i个检测单元的第一电压比较单元的结构使得：当电流/电压转换单元U102-i的输出值不小于预设的负阈值电压V-且不大于预设的正阈值电压V+时，第i个检测单元的第一电压比较单元输出低电平，否则，第i个检测单元的第一电压比较单元输出高电平，V+、V-的绝对值相等；所述反相器U107-i输出端电连接至与门电路U108的第i个输入端且所述与门电路U108输出端与电平采集单元输入端连接，i=1,2, 3；所述脉宽调制信号产生单元、电平采集单元独立设置或脉宽调制信号产生单元中集成有电平采集单元，所述故障检测电路还包括6个逻辑与门Um1、Um2、
……
、Um6，与门电路U108的输出端、第j个脉宽调制信号输出端分别与第j个逻辑与门Um
j
的两个输入端对应电连接，第j个逻辑与门Um
j
的输出端与第j个IGBT的控制端电连接，j=1,2,...,6。2.根据权利要求1所述的电磁搅拌变频电源故障检测电路，其特征在于：电压绝对值单元U103-i输出端电连接至第i个检测单元的第一电压比较单元输入端，第i个检测单元的第一电压比较单元包括电压比较器U1041-i，所述电压比较器U1041-i的同相输入端、反...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪亮，王文宇，朱晶亮，唐赛，肖红，陈浪，刘勇，袁鹏，邹志强，付昊东，
申请(专利权)人：湖南中科电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：