CN105723583A - 针对电气设备的热保护 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于保护电气设备的装置和方法。所述电气设备被耦合到电源和电负载、传感器和控制器。如果一些感测热值超过预定值，则控制器被配置为关闭所述电气设备。

Description

针对电气设备的热保护

相关专利申请的交叉引用

本专利申请是主张要求于2013年10月14日提交的标题为“ThermalProtectionforElectricalDevice”的美国临时专利申请No.61/890378的权益的非临时申请，并且在此通过引用将该专利申请的全文并入本文。

技术领域

本发明涉及被耦合到电动机的转换器/逆变器设备，并且更具体地涉及对转换器/逆变器设备中的功率半导体的热保护。

背景技术

在具有被耦合到电动机的转换器/逆变器的电动机驱动应用中，功率半导体，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)被用在工业逆变器和转换器中，并且要求进行冷却以避免由于超温的故障。如果由于在冷却***中的问题造成不存在诸如气体或液体的冷却介质，或者如果环境温度太高，则功率设备可能由于超温而出现故障。电动机驱动被耦合到通常为三相的电源，并且由例如微处理器或计算机的控制器进行控制。

不应当仅仅由于在发明部分的背景中被提到就将在发明部分的背景中论述的主题假设为现有技术。类似地，在发明部分的背景中提到的或者与发明部分的背景的主题相关联的问题不应当被假设为先前在现有技术中已经被认识到。发明部分的背景中的主题仅仅表示不同的途径，其本身也可以是本发明。

本公开的装置也必须是既耐用又持久的构造，并且也应当在其整个操作寿命期间要求由用户提供很少的维护或者无需维护。为了增强本公开的装置的市场吸引力，其也应当是廉价的构造以从而提供它最宽广的可能市场。最后，目标也是在不招致任何大体相对缺点的情况下来实现所有前述优点和目标。

发明内容

提供一种用于保护电气设备的装置和方法。所述电气设备被耦合到电源和电负载。

所述装置包括传感器和控制器。所述传感器被耦合到电气设备，其中，所述传感器被配置为检测如下中的一项：在预定时间段期间的电气设备的温度值的上升，和电气设备的温度值。

所述控制器被耦合到电气设备和传感器。所述控制器被配置为，如果电气设备的温度超过在被耦合到控制器的数据库中存储的预定温度，则关闭电气设备。

所述控制器也被配置为基于来自电气设备的耗散功率来确定对传感器到电气设备的温度上升值的估计，并且将这样的值加到电气设备的温度值。所述控制器也被配置为基于来自电气设备的耗散功率来确定环境到传感器的温度上升值以获得估计的环境温度值。所述控制器也确定环境温度值的变化率(rate)。

所述控制器将电气设备的估计的温度值与预定温度值进行比较，并且如果估计的温度值超过预定温度值，则控制器将关闭电气设备。

在另一实施例中，所述装置和方法提供控制器，所述控制器被配置为将环境温度值的变化率与在数据库中存储的环境温度值的第一变化率和在数据库中存储的环境温度值的第二变化率进行比较，如果任意时间段的环境温度值的变化率都超过环境温度的第一变化率，则控制器将关闭电气设备；如果在比在数据库中存储的预定时间段更长的时间段内的环境温度值的变化率超过环境温度值的第二变化率，则控制器将关闭电气设备。

在所述装置和方法的另一实施例中，所述传感器是热敏电阻器，所述热敏电阻器能够是负温度系数类型的热敏电阻器。

在另一实施例中，所述装置和方法提供绝缘栅双极晶体管类型的电气设备。能够在装置中利用超过一个电气设备，其中额外的电气设备是绝缘栅双极晶体管。

本发明的装置是既耐用又持久的构建，并且在其整个操作寿命期间要求由用户提供的很少的维护或者无需维护。最后，在不招致任何大体相对缺点的情况下来实现所有前述优点和目标。

附图说明

参考附图最好地理解本公开的这些和其他优点，在附图中：

图1是包括被配置为保护电气设备免于由于热过载造成故障的控制器的电动机驱动***的示意图。

图2是在图1中图示的转换器/逆变器的示意图，其中，逆变器部分包括在电动机设备中的多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)类型的电气设备，至少一个热敏电阻器类型的传感器与电气设备中的至少一个相关联。

图3是在图2中图示的装置中的IGBT、环境和传感器的温度之间的关系的示意图。

图4是在图1中图示的控制器中的配置以基于在图3中图示的关系来防止由于热过载造成在图2中图示的电气设备的故障的流程图图表。

图5是在图4中图示的方法和功能的示意图。

具体实施方式

功率半导体，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，被用在工业逆变器和转换器中，并且要求进行冷却以避免由于超温造成的故障。如果由于在冷却***中的问题造成不存在诸如气体或液体的冷却介质，或者如果环境温度太高，则功率设备可能由于超温而出现故障。本公开被用于检测何时不存在冷却介质或者环境温度是否太高，从而能够在功率半导体的故障之前关闭逆变器或转换器。

更新的IGBT配备有负温度系数热敏电阻器(ntc)。ntc温度能够被用于估计结点温度和环境温度。如果这些温度中的任一个超过最大值，或者如果环境增加太快，则逆变器将故障、关闭或者被损坏。如果所述设备不提供温度反馈，则能够使用靠近所述设备的另一传感器，但这可能不是那么好的。

所描述的热保护对如在图1中示出的一个的电动机驱动应用的逆变器部分进行保护。***100包括功率电子转换器和逆变器部分102，其由控制器114进行控制以将其三相功率输入转换到dc链接，所述dc链接被转换以控制电负载110，例如电动机112。恰当的仪器仪表被耦合到电动机驱动以监测各个部件的电流和电压，并且由控制器使用。

典型的逆变器部分106包括六个电气设备118，例如被用于转换dc链接以控制电动机112的绝缘栅双极晶体管(IGBT)120。IGBT指定在其能够操作时的最大可允许结点温度。当功率设备被用于转换功率时，其耗散功率130并且产生温度上升。如果该温度上升导致超过最大可允许温度的绝对结点温度144，则IGBT将失效。

所公开的保护装置100将使用温度传感器122，例如热敏电阻器124。当IGBT正在操作时，存在从环境温度146到温度传感器122的温度上升128，以及从温度传感器122到IGBT120的结点的温度上升126。所述结点温度能够通过将三个温度加在一起来计算：环境温度146、环境到温度传感器的上升128以及温度传感器到结点的温度上升126。

在图3中图示了在传感器温度144、结点温度142和环境温度146之间的关系。所述关系取决于在设备120中耗散130的功率和功率130到环境146的流的阻抗。通过两个部分来描述由于耗散功率130发生的温度上升：从传感器122到结点120126的温度上升126，以及从环境温度146到传感器122的温度上升128。如果功率是恒定的，则这些温度上升126、128中的每个具有确定最终温度的稳态分量。这是热电阻并且通过电阻器132和136进行建模。也存在确定温度如何动态地响应于耗散功率130的变化的部件，并且通过电容器134和138进行建模。电阻器和电容器引起从传感器到结点126的温度上升以及从环境温度到传感器128的温度上升对耗散功率130的变化的响应，作为一阶响应。很好理解，通过下式在频域中描述一阶响应：

$\frac{T\left(S\right)}{P\left(S\right)}=\frac{\frac{R}{\mathrm{\τ}}}{S+\frac{1}{\mathrm{\τ}}}.$

其中，T(s)是温度上升(或126或128)，P(s)是耗散功率130，R是热电阻(或132或136)，并且τ是源于或(132和134)或(136和138)的电阻器和电容器组合的热时间常量。

所提出的装置和方法采用检测或为液体或为气体的冷却剂的损耗或者在装置100中的不可接受的环境温度146的四种方法。图4是解释被用于检测冷却剂的损耗或不可接受的环境温度的方法的流程图。

被用于检测冷却剂的损耗或不可接受的环境温度146的第一方法是计算结点温度142并将其与存储在控制器114中的最大可允许结点温度进行比较。通常，由制造商或者由装置100的用户设置IGBT120的最大可允许温度120。为此，在图4的流程图中在160处计算传感器到结点的温度上升126，并且在图4的流程图中在148处将其加到测量的传感器温度144以确定结点温度142。这也在图5中示出，方框160，其中更早描述的一阶响应被用于基于耗散功率130来计算从温度传感器到结点126的温度上升。图4，决策点164是将所计算的结点温度142与存储在数据库116中的最大可允许结点温度进行比较的点，并且如果所计算的结点温度142超过最大可允许结点温度，则逆变器106将关闭180。

在图4的流程图中描述了被用于热保护的第二方法，步骤168和170。计算环境温度到传感器的温度上升128，并将其用于估计环境温度146。图5在方框168中示出了先前描述的一阶响应被用于基于耗散功率130来计算从环境温度到温度传感器128的温度上升。在图4中的决策点172将估计的环境温度146与被存储在控制器114中的被允许的最大环境温度进行比较，并且如果估计的环境温度146超过该最大环境温度，则逆变器106将关闭180。

图5描述了如何确定环境估计146。如由在图5中的方框图图示的，控制器114被配置为令在测量的传感器温度144与传感器温度156的估计之间的差为零。这是通过利用比例积分控制器来完成的。在图5中的节点150处确定在测量的温度传感器146与传感器温度156的估计之间的误差或差。在157处该误差乘以比例项，并且在158处进行积分并乘以积分项。在节点152处，157和158的结果加在一起，并且对该和进行积分159。在节点154处，在159处的积分的结果被加到的环境到传感器的上升128，并且反馈到节点150，作为传感器温度156的估计。对于传感器温度156的估计要等于测量的传感器温度144，加到环境到传感器的上升128的积分器块159的结果是对环境温度146的估计。对于积分器块159的输出要等于环境温度146的估计，到积分器块159的输入必须是环境温度的导数或环境温度的变化率155。

用于对逆变器106中的IGBT120进行热保护的第三和第四方法使用环境温度的变化率155。环境温度146不应当以高的变化率变化。如果测量的传感器温度144快速增加，并且不能通过环境温度到传感器温度128的增加来解释，则测量的传感器温度144的增加的原因是因为环境温度146快速增加，或者是因为冷却***(液体、气体)未足够好地工作以防止温度的增加。

图4在决策点174处描述了对逆变器106进行热保护的第三方法，其将环境温度的变化率与存储在控制器114的数据库116中的环境温度的最大允许的变化率进行比较，并且如果环境温度155的变化率超过环境温度的第一变化率，例如最大允许的变化率，则逆变器106将关闭180。

也在图4中图示的决策点176是，通过将环境温度的变化率超过也被存储在被耦合到控制器114的数据库116中的环境温度值的第二变化率的时间量与允许环境温度的变化率超过第二环境温度变化率值的最大时间进行比较，来对逆变器106中的IGBT120进行热保护的第四方法。允许环境温度变化率超过该第二环境温度变化率值的最大时间也被存储在控制器114的数据库116中。如果环境温度变化率超过第二环境温度变化率值长于允许的最大时间，则逆变器106将关闭180。

方法三和方法四如何工作的范例被描述如下：

如果由方法三使用的环境温度变化率值在控制器中被定义为每单位1，并且实际环境温度变化率大于每单位1，则在图4中的决策点174将令控制器114将逆变器关闭180。

如果环境温度变化率值2在控制器中被定义为每单位0.5，并且实际环境温度变化率大于每单位0.5，但是小于每单位1，则在图4中的决策点174将不关闭逆变器。

如果允许环境温度变化率超过在该范例中定义为每单位0.5的环境温度速率变化值2的最大时间被定义为2秒，并且环境温度变化率已经超过每单位0.5的时间量小于2秒，则在图4中的决策点176将不关闭逆变器。

然而，如果环境温度变化率已经超过每单位0.5的值长于所允许的2秒的最大值，则决策点176将令控制器114将逆变器106关闭180。

控制器114可以是被耦合到***的各个装置的微处理器。控制器114也可以是被耦合到外设的阵列或台式计算机或膝上型计算机或智能手机的服务器。也预期的是，所述控制器被配置为控制每个个体机器，并且可以远离任何装置。在控制器114与各个装置之间的通信可以或通过硬件或无线设备。被耦合到控制器的存储器/数据库116可以远离控制器114。控制器114通常包括输入设备，例如鼠标或键盘；以及显示设备，例如监控器屏幕或智能电话。这样的设备能够被硬连接到控制器114或与适当的软件、固件和硬件无线地连接。所述显示设备也可以包括被耦合到控制器114的打印机。如由用户确定的，所述显示设备可以被配置为邮寄或传真报告。控制器114可以例如通过WIFI连接或“云”连接被耦合到网络，例如，局域网或广域网，其能够是硬件网络和无线网络中的一个，例如蓝牙网络或互联网。

出于本公开的目的，术语“耦合”指的是两个部件(电子或机械)直接或间接地接合到彼此。这样的接合可以是本质上固定或本质上可移动的。利用两个部件(电子或机械)和与彼此一体地形成为单个一体的任何额外的中间组件，或两个部件和被附接到彼此的任何额外元件可以实现这样的连接。这样的接合本质上可以是永久的或备选地本质上是可移动或可拆除的。

尽管当前申请列举了在随附权利要求中的特征的具体组合，但本发明的各个实施例涉及本文描述的任意特征的任意组合，不论当前是否主张要求这样的组合，并且在本申请或将来的申请中可以主张要求所述特征的任意这样的组合。可以单独地或结合以上论述的任意其他实施例中的任意特征、元件或部件来主张要求以上论述的任意范例性实施例中的任意特征、元件或部件。

尽管已经参考其具体实施例和应用示出和描述了本机制的前述描述，出于图示说明和描述的目的，并且并非旨在排他的或将本公开限制到所公开的具体实施例和应用，已经介绍了本机制。对本领域的普通技术人员而言将是显而易见的是，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以做出对本文描述的机制的若干变化、修改、变型或变更。具体实施例和应用被选择和描述以提供对所述机制以及其实际应用的原理的最好的图示，从而使得本领域普通技术人员能够利用在各个实施例中的公开以及具有如适合于预期的具体使用的各个修改。因此，当根据对它们进行公正地、合法地和合理地命题的篇幅进行解释时，如由随附权利要求确定的，所有这样的变化、修改、变型和更改应当被看作落在本公开的范围之内。

Claims (16)

1.一种用于保护电气设备的装置，所述电气设备被耦合到电源和电负载，所述装置包括：

传感器，其被耦合到所述电气设备，其中所述传感器被配置为检测如下中的一项：在预定时间段期间的所述电气设备的温度值的上升，和所述电气设备的温度值；以及

控制器，其被耦合到所述电气设备和所述传感器，其中所述控制器被配置为，如果所述电气设备的温度超过在被耦合到所述控制器的数据库中存储的预定温度，则关闭所述电气设备，所述控制器还被配置为：

a：基于来自所述电气设备的耗散功率来确定对传感器到电气设备的温度上升值的估计，并且将这样的值加到所述电气设备的所述温度值，

b：基于来自所述电气设备的耗散功率来确定环境温度到传感器温度的上升值以获得估计的环境温度值，

c：确定环境温度值的变化率，

d：将所述电气设备的估计的温度值与所述预定温度值进行比较，并且

如果所述估计的温度值超过所述预定温度值，则所述控制器将关闭所述电气设备。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括所述控制器，所述控制器被配置为将环境温度值的所述变化率与在所述数据库中存储的环境温度值的第一变化率和在所述数据库中存储的环境温度值的第二变化率进行比较，

如果任意时间段的所述环境温度值的所述变化率都超过环境温度的所述第一变化率，则所述控制器将关闭所述电气设备，

如果在比所述数据库中存储的预定时间段更长的时间段内的环境温度值的所述变化率超过环境温度值的所述第二变化率，则所述控制器将关闭所述电气设备。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器是热敏电阻器。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述热敏电阻器是负温度系数类型的。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电气设备是绝缘栅双极晶体管。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述电气设备包括至少一个额外的绝缘栅双极晶体管。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述绝缘栅双极晶体管被耦合到转换器。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电负载是电动机。

9.一种用于保护电气设备的方法，所述电气设备被耦合到电源和电负载，所述方法包括：

将传感器耦合到所述电气设备，其中所述传感器被配置为检测如下中的一项：在预定时间段期间的所述电气设备的温度值的上升，和所述电气设备的温度值；

将控制器耦合到所述电气设备和所述传感器，所述控制器被配置为，如果所述电气设备的温度超过在被耦合到所述控制器的数据库中存储的预定温度，则关闭所述电气设备，并且将所述控制器配置为：

a：基于来自所述电气设备的耗散功率来确定对传感器到电气设备的温度上升值的估计，并且将这样的值加到所述电气设备的所述温度值，

b：基于来自所述电气设备的耗散功率来确定环境温度到传感器温度的上升值以获得估计的环境温度值，

c：确定环境温度值的变化率，

d：将所述电气设备的估计的温度值与所述预定温度值进行比较，并且

如果所述估计的温度值超过所述预定温度值，则关闭所述电气设备。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述控制器配置为将环境温度值的所述变化率与在所述数据库中存储的环境温度值的第一变化率和在所述数据库中存储的环境温度值的第二变化率进行比较，

如果任意时间段的所述环境温度值的所述变化率超过环境温度的所述第一变化率，则所述控制器关闭所述电气设备，

如果在比所述数据库中存储的预定时间段更长的时间段内的环境温度值的所述变化率超过环境温度值的所述第二变化率，则所述控制器将关闭所述电气设备。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述传感器是热敏电阻器。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述热敏电阻器是负温度系数类型的。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电气设备是绝缘栅双极晶体管。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电气设备包括至少一个额外的绝缘栅双极晶体管。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述绝缘栅双极晶体管被耦合到转换器。

16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电负载是电动机。