CN104682354A - 检测短接二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明题为检测短接二极管。提供一种用于检测桥式整流器(16)中的短接二极管的方法，包括：确定桥式整流器(16)的两个相输入(20)之间的相－相电压(Vab，Vbc，Vca)，其中相输入(20)在相应相的两个串联连接二极管(26)之间提供；以及通过确定相－相电压是否为零超过桥式整流器(16)的换向时间(36)，来指示短接二极管故障。

Description

检测短接二极管
技术领域
本发明涉及用于检测桥式整流器中的短接二极管的方法和控制器单元以及桥式整流器***。
背景技术
三相桥式整流器或二极管桥接器通常包括并联连接的三个串联连接二极管对，其将三相AC电压源与DC负载互连。
功能正常的二极管通常在电流的一个(导通)方向具有极低电阻而在另一(阻塞)方向具有极高电阻。作为任何电子组件，二极管经受磨损，并且有时可能有故障。常见故障是所谓的短接二极管，其中在阻塞方向的极高电阻降级，并且二极管在两个方向均导通。
由于短接二极管故障可引起桥式整流器和所连接设备中的极高电流，所以在所检测的短接二极管故障之后，桥式整流器的输入电流和/或输出电流可能必须非常迅速地关闭，从而使这种故障的可靠检测变得极为重要。
例如，在US 2011/0216449 A1中，测量跨一对二极管的电压，以确定单独二极管电压之间的比率。然后分析这个比率，以确定二极管之一是否有故障。
发明内容
本发明的目的是按照快速、可靠和简单的方式来检测二极管故障。
这些目的通过独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求和以下描述，其他示范实施例是显而易见的。
本发明的第一方面涉及一种用于检测桥式整流器或二极管桥接器(其具体来说可以是中压桥式整流器)中的短接二极管的方法。如上所述，短接二极管可以是在两个方向均导通的二极管。
桥式整流器对桥式整流器的每相可包括两个串联连接的二极管。相输入可在每对串联连接的二极管之间提供。串联连接的二极管对可并联连接，以提供桥式整流器的DC输出。例如，桥式整流器可具有6脉冲类型(其中具有三对二极管)及其任何组合(即，12脉冲类型、24脉冲类型、36脉冲类型等的组合)。
按照本发明的一实施例，该方法包括下列步骤：确定桥式整流器的两个相输入之间的相－相电压，其中相输入在相应相的两个串联连接二极管之间提供；以及通过确定相－相电压是否为零超过桥式整流器的换向时间，来指示短接二极管故障。有可能的是，确定相输入之间的所有相－相电压。
在正常操作(无故障)中，当对应二极管换向时，在相输入处的相－相电压保持接近零电压(例如低于某个阈值)。例如，当第一相电压变成高于第二相电压时，对应第一二极管仍然导通，同时对应第二二极管开始导通。在这个时间期间，整流器短接这些相。连接到相输入的相电感器(例如变压器绕组)将保持短路电流有限换向时间。这个换向时间是给定整流器***特定的，并且通常在正常操作中不超过某个最坏情况值。
在二极管故障(短接)的情况下，桥式整流器还在输入相生成短路。但是，在这种状况下，短路持续比换向时间要长的时间。对应相－相电压接近为零比给定整流器***的最坏情况换向时间要长的时间。该方法使用这个事实来检测二极管故障。具体来说，在检测到或确定零或接近零的相－相电压比最坏情况换向时间要长的时间的情况下，可检测到二极管故障和/或可生成二极管故障输出信号。
按照本发明的一实施例，相－相电压通过下列步骤来确定：测量桥式整流器的第一相输入处的第一相电压；测量桥式整流器的第二相输入的第二相电压；以及作为第一相电压与第二相电压之间的差来计算相－相电压。例如，(例如三)相电压可相对同一参考来测量。相－相电压可从这些相电压的差来计算。
按照本发明的一实施例，当相－相电压的绝对值小于预定义电压阈值时，确定相－相电压是否为零。例如，在中压***中，相电压的幅值的范围可在零与超过1000 V之间(并且因此相–相电压可超过2000 V)。在这种情况下，低于100 V、例如80 V的相－相电压可指示(近)零电压。一般来说，电压阈值可小于桥式整流器的相输入处的最大相电压的大约10%。
按照本发明的一实施例，当相－相电压为零的时间比预定义时间阈值(即，最坏情况换向时间)要长时，确定相－相电压是否为零超过桥式整流器的换向时间。例如，当相电压的频率为50 Hz或60 Hz时，换向时间可以为大约2 ms。在这种情况下，时间阈值可以为大约3 ms。一般来说，时间阈值可小于桥式整流器的相输入处的AC电压的周期的20%。
按照本发明的一实施例，桥式整流器具有至少三个相输入，以及至少三个相－相电压在整流器的至少三个相输入之间来确定。如上所述，桥式整流器可以是12脉冲整流器。
按照本发明的一实施例，该方法还包括下列步骤：确定连接到相输入的断路器是否断开；以及当断路器闭合(即，未断开)时，才指示短接二极管。另外，可检测断路器的状态，以便在断路器断开时掩蔽故障信号。否则在断路器的断开时的等于零的电压可被解释为二极管故障。
由于在对二极管故障的反应中，桥式整流器的输出可被短路，这可引起整流器***的组件的高能量损耗和强磨损，所以非正确检测的二极管故障的掩蔽可引起***的较少损耗和较长使用寿命。
按照本发明的一实施例，通过确定至少两个或全部相－相电压为零或者小于预定义阈值电压，来确定断路器是断开的。断路器的状态(例如断开或闭合)可基于用于二极管故障确定的相同电压测量来确定。
本发明的另一方面涉及用于桥式整流器的控制器单元，其中控制器单元适合运行如上文和下文所述的方法的步骤。控制器单元可以是整流器***的控制器的一部分或者子模块。例如，该方法可通过硬件或者运行于控制器单元的处理器的软件来实现。
按照本发明的一实施例，控制器单元包括FPGA。还有可能的是，控制方法通过FPGA来实现。例如，控制单元可包括电压测量板，其允许测量桥式整流器的相输入处的中压，和/或可包括FPGA板，其可处理所测量值，以便检验二极管故障。
本发明的另一方面涉及桥式整流器***，包括：桥式整流器，每相具有两个串联连接二极管，提供它们之间的相输入，其中每相的串联连接二极管并联连接到桥式整流器的DC输出；以及如上文和下文所述的控制器单元。在具有更高脉冲列(12脉冲、24脉冲等)的桥式整流器的情况下，该方法可单独应用于完全桥式整流器的各三相整流器。二极管可以是中压二极管。
按照本发明的一实施例，桥式整流器***还包括将桥式整流器的相输入与电压源互连的变压器。控制器单元可适合测量变压器与相输入之间的桥式整流器的相输入处的相电压。一般来说，该方法还适用于没有变压器、但是直接连接到电力网的整流器***。
按照本发明的一实施例，桥式整流器***还包括适合将电压源从桥式整流器断开的断路器。断路器可将作为电压源的电力网连接到变压器，其然后为桥式整流器馈电。
必须理解，如上文和下文所述方法的特征可以是如上文和下文所述的控制器单元和/或桥式整流器***的特征，反过来也是一样。
通过参照以下所述实施例进行的说明，本发明的这些方面及其他方面将会显而易见。
附图说明
下文中参照附图示出的示范实施例更详细地说明本发明的主题。
图1示意示出按照本发明的一实施例的桥式整流器***的电路图。
图2示出按照本发明的一实施例、用于检测短接二极管的方法的流程图。
图3示出在图1的***的正常操作期间的相－相电压的简图。
图4示出在图1的***的故障操作期间的相－相电压的简图。
附图中使用的参考标号及其含意在参考标号的列表中以概括形式列示。大体上，附图中，相同部件提供有相同参考标号。
具体实施方式
图1示出整流器***10，其将提供多相AC电压的电源(电力网)12与DC负载14连接。整流器***10包括具有DC输出18和三相输入20(其与经由断路器24从电源12来供电的变压器22连接)的桥式整流器16。
桥式整流器16包括三对二极管26，其与DC输出18并联连接。每对二极管26的两个二极管26串联连接，并且提供它们之间的AC相输入20其中之一。所示桥式整流器16是6脉冲整流器。对应12、24、36脉冲整流器具有6、12、…相输入和二极管对。
为了增加整流器16的电压强度，各单一二极管26可由两个或更多二极管的串联连接来替代(例如，6脉冲整流器则每相分支具有4个二极管，总共12个二极管)。
整流器***10的控制器单元28包括：电压测量板30，其适合测量相输入20处的相电压Va、Vb、Vc；以及另一故障检测板32，其适合评估所测量相电压，并且用于在检测到二极管故障的情况下提供故障指示信号34。
例如，故障检测板32可基于FPGA，其接收数字化测量相电压值并且对它们进行处理，如针对图2所述。
图2示出可由控制器单元28来执行的、用于检测整流器16的短接二极管26的方法的流程图。
在步骤S10，相电压Va、Vb、Vc相对公共参考(例如地电位)来测量，并且由电压测量板30来数字化。所测量相电压Va、Vb、Vc然后输入到故障检测板32，其执行下列步骤S12至S16。
在步骤S12，相输入20之间的相－相电压Vab、Vbc、Vca作为相电压Va、Vb、Vc之间的差来计算。
在步骤S14，确定断路器22是否断开。将相－相电压Vab、Vbc、Vbc与电压阈值进行比较。在全部三个相－相电压Vab、Vbc、Vca小于电压阈值的情况下，假定断路器是断开的。
在步骤S14确定了断路器是断开的情况下，故障检测板32在步骤S16确定相－相电压Vab、Vbc、Vca是否为零超过桥式整流器的最坏情况换向时间。
首先，将相－相电压Vab、Vbc、Vca与电压阈值(其可以是与在步骤S14中使用的值相同或不同的值)进行比较，以便当对应电压的绝对值小于电压阈值时确定这些电压之一是否为零。
如果相－相电压Vab、Vbc、Vca之一被认为是零，则确定这个电压为零的时间。例如，方法的步骤可对每一时间步长规则地重复进行，以及在电压为零的情况下，可使相应相－相电压Vab、Vbc、Vca的计数器递增。对应时间然后可作为时间步长乘以计数器的时长来计算。
如果相－相电压Vab、Vbc、Vca为零的时间比时间阈值要长(比最坏情况换向时间要长)，则假定二极管26已经短接，并且对应故障信号34被输出。
作为示例，图3示出桥式整流器16的正常操作期间的三个相－相电压Vab、Vbc、Vca的简图。二极管16的换向时间36始终为大约2 ms。
图4示出二极管短接在0.1 s发生的对应简图。相－相电压Vca接近零的时间38比换向时间36要长许多。因此，已经在时间点40，该方法可指示二极管故障。
虽然在附图和以上描述中详细示出和描述了本发明，但是这种图示和描述被认为是说明性或示范性而不是限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。通过研究附图、本公开和所附权利要求书，对所公开的实施例的其他变更是本领域的技术人员能够理解和实施的，并且实施要求保护的本发明。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，以及不定冠词“一”、“一个”并不排除多个。单个处理器或控制器或者其他单元可完成权利要求书中所述的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中陈述某些量度的事实并不表示这些量度的组合不能用于产生良好效果。权利要求书中的任何参考标号不应当被理解为限制范围。
附图标记列表
10  整流器***
12  电源
14  负载
16  桥式整流器
18  DC输出
20  AC相输入
22  变压器
24  断路器
26  二极管
28  控制器单元
Va、Vb、Vc  相电压
30  电压测量板
32  故障检测板
34  故障指示信号
Vab、Vbc、Vca  相－相电压
36  换向时间
38  二极管短接时间
40  故障指示时间。

Claims (15)

1. 一种用于检测桥式整流器(16)中的短接二极管的方法，所述桥式整流器的每相包括两个串联连接二极管(26)，所述方法包括：
确定所述桥式整流器(16)的两个相输入(20)之间的相－相电压(Vab，Vbc，Vca)，其中相输入(20)在相应相的所述两个串联连接二极管(26)之间来提供；以及
通过确定所述相－相电压是否为零超过所述桥式整流器(16)的换向时间(36)，来指示短接二极管故障。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述相－相电压通过下列步骤来确定：
测量所述桥式整流器(16)的第一相输入(20)处的第一相电压(Va，Vb，Vc)；
测量所述桥式整流器的第二相输入的第二相电压；以及
作为所述第一相电压与所述第二相电压之间的差来计算所述相－相电压。
3. 如权利要求1或2所述的方法，
其中当所述相－相电压小于预定义电压阈值时，确定所述相－相电压是否为零。
4. 如权利要求3所述的方法，
其中，所述电压阈值小于所述桥式整流器的相输入处的最大相电压的10%。
5. 如以上权利要求中的任一项所述的方法，
其中，通过确定所述相－相电压为零的时间比预定义时间阈值要长，来确定所述相－相电压是否为零超过所述桥式整流器的换向时间(36)的时间。
6. 如权利要求5所述的方法，
其中，所述时间阈值小于所述桥式整流器的相输入处的AC电压的周期的20%。
7. 如以上权利要求中的任一项所述的方法，
其中，所述桥式整流器(16)具有至少三个相输入(20)，以及至少三个相－相电压在所述整流器的所述至少三个相输入之间来确定。
8. 如以上权利要求中的任一项所述的方法，还包括：
确定连接到所述相输入(20)的断路器(24)是否断开；
当所述断路器(24)闭合时，才指示短接二极管。
9. 如权利要求8所述的方法，
其中，通过确定三个相－相电压小于预定义阈值，来确定所述断路器(24)是断开的。
10. 一种用于桥式整流器(16)的控制器单元(28)，其中，所述控制器单元适合运行如权利要求1至9中的任一项所述的方法的步骤。
11. 如权利要求10所述的控制器单元(28)，包括FPGA。
12. 一种桥式整流器***(10)，包括：
桥式整流器(16)，每相具有两个串联连接二极管(26)，提供它们之间的相输入(20)，其中每相的所述串联连接二极管并联连接到所述桥式整流器的DC输出(18)；以及
如权利要求10或11所述的控制器单元(28)。
13. 如权利要求12所述的桥式整流器***(10)，还包括：
变压器(22)，将所述桥式整流器的所述相输入(20)与电压源互连；
其中所述控制器单元(28)适合测量所述变压器(22)与所述相输入(20)之间的所述桥式整流器(16)的相输入(20)处的相电压。
14. 如权利要求12或13所述的桥式整流器***(10)，还包括：
断路器(24)，适合将电压源(12)从所述桥式整流器(16)断开。
15. 如权利要求12至14中的任一项所述的桥式整流器***(10)，
其中，所述二极管(26)是中压二极管。
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