СХЕМА ЗАЩИТЫ ДЛЯ ИНВЕРТОРА И СИСТЕМА ИНВЕРТОРА Российский патент 2019 года по МПК H02M1/32 

Изобретение относится к схеме защиты для инвертора, в частности, для инвертора для электродвигателя, причем инвертор имеет управляющую систему и управляемую посредством управляющей системы силовую часть, причем управляющая система выполнена с возможностью периодической выдачи управляющего импульса. Изобретение также относится к соответствующей системе инвертора.

На практике системы инверторов находят широкое применение. Система инвертора генерирует из входного напряжения переменное напряжение, частота и амплитуда которого могут выбираться в широких диапазонах. Важным случаем применения систем инверторов является управление электродвигателями, например, синхронными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов. Очень часто входное напряжение предоставляется сетью энергоснабжения, причем система инвертора подключена к одной или всем трем фазам сети энергоснабжения. В случае систем инверторов с промежуточным контуром постоянного напряжения выпрямитель вырабатывает из входного напряжения постоянное напряжение, которое посредством силовой части системы инвертора преобразуется в желательное переменное напряжение. Силовая часть содержит для этого полупроводниковые переключатели, которые управляются посредством управляющей системы, чаще всего с модулированными по длительности импульса сигналами (PWM-сигналами). В качестве полупроводниковых переключателей часто применяются IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором) или полевые транзисторы.

В системах инверторов может произойти, что отдельные полупроводниковые переключатели не будут работать корректным образом. При этом относительно некритичными являются неисправности, при которых полупроводниковый переключатель остается в низкоомном состоянии. В этом случае происходит либо ограничение нагрузочного тока, либо полупроводниковый переключатель разрушается из-за своего собственного нагрева. Относительно некритичными также являются состояния, при которых полупроводниковый переключатель остается в достаточно высокоомном состоянии, так как не следует ожидать никаких проблематичных токов в нагрузке. Однако особенно критичными являются состояния неисправности, при которых полупроводниковый переключатель имеет такое омическое сопротивление, что мощность потерь в полупроводнике слишком мала для разрушения полупроводника из-за собственного нагрева, и одновременно промежуточный контур не является короткозамкнутым. В этой ситуации в нагрузку протекают неконтролируемые токи, но не принимаются обычные меры защиты, такие как ограничение тока.

Возможность того, как может возникнуть это состояние, известна как РТОМ (Partial Turn On Mode - режим парциального включения). В этой ситуации любое управляющее напряжение может быть приложено к полупроводниковому переключателю, но состояние дефектного полупроводникового переключателя не изменяется. Управляющее напряжение, таким образом, больше не может управлять полупроводниковым переключателем. Подобной картиной неисправности является так называемая потеря управления по управляющему электроду (Loss-of-Gate), при которой управляющее напряжение больше не прикладывается к полупроводниковому переключателю, потому что, например, проволочный вывод поврежден, или управляющая система, которая должна выдавать соответствующее управляющее напряжение на полупроводниковый переключатель, больше не функционирует корректным образом. Также в этом случае полупроводниковый переключатель может находиться в неопределенном состоянии.

При обеих картинах неисправности к нагрузке прикладывается неконтролируемый ток, который может недопустимым образом нагреть ее или вызвать некорректное функционирование или даже разрушение нагрузки. Если, например, система инвертора создает трехфазную сеть переменного тока для синхронного двигателя, и одна ветвь инверторного моста больше не работает корректно, то вырабатываемое в статоре вращающееся поле становится в высокой степени несимметричным. Это приводит к значительной механической нагрузке двигателя и может разрушить обмотку продолжительно обтекаемой током катушки статора. В обоих случаях больше не может гарантироваться надежное состояние для применения и пользователя. Поэтому необходима схема защиты, которая и в этих состояниях неисправности обеспечивает возможность надежного отключения системы инвертора.

Согласно методу рассмотрения неисправностей VDE (Союза по электротехнике, электронике и информационной технике), для упомянутого РТОМ или соответственно потери управления по управляющему электроду должна восприниматься еще одна дополнительная любая неисправность. Это касается прежде всего некорректного функционирования полупроводникового управления, которое, при обстоятельствах, больше не может отключаться контролируемым образом. В этом случае схема защиты должна также воспринимать и эти критические комбинации неисправностей.

Поэтому в основе изобретения лежит задача, выполнить или дополнительно усовершенствовать схему защиты и систему инвертора вышеуказанного типа таким образом, что инвертор при неисправности в силовой части и/или в управляющей системе может переводиться в безопасное состояние.

В соответствии с изобретением вышеуказанная задача решается посредством признаков пункта 1 формулы изобретения. В соответствии с этим упомянутая схема защиты отличается предохранительным элементом, переключающим устройством и управляющей схемой, причем предохранительный элемент расположен в подводящей линии к силовой части, причем переключающее устройство таким образом соединено с предохранительным элементом, что переключающее устройство в замкнутом состоянии шунтирует предохранительный элемент, причем управляющая схема имеет управляющий вход, к которому прикладывается управляющий импульс, и причем управляющая схема выполнена таким образом, что управляющая схема после приема управляющего импульса или нескольких следующих друг за другом управляющих импульсов за предопределенный временной интервал выдает сигнал переключения на переключающее устройство, вследствие чего переключающее устройство при периодическом приеме управляющего импульса замыкается, и вследствие чего при пропадании управляющего импульса переключающее устройство спустя предопределенный временной интервал размыкается и инициирует защиту инвертора посредством предохранительного элемента.

В отношении системы инвертора, вышеуказанная задача решается посредством признаков пункта 15 формулы изобретения. В соответствии с этим система инвертора включает в себя управляющую систему, силовую часть и соответствующую изобретению схему защиты, причем управляющая система выполнена с возможностью выдачи управляющих сигналов на силовую часть для генерации и выдачи переменного напряжения, причем управляющая система дополнительно выполнена с возможностью периодической выдачи управляющего импульса, который подается на схему защиты.

В соответствии с изобретением, прежде всего, было установлено, что схема защиты может особенно хорошо реагировать на сценарии неисправностей в инверторе, если управляющие импульсы из управляющей системы применяются надлежащим образом. В качестве управляющих импульсов в этой связи понимаются все сигналы, которые нагружают функциональную готовность управляющей системы. Поэтому данные управляющие импульсы могли бы также обозначаться как сигналы опроса состояния или как сторожевые сигналы. Поэтому управляющая система посылает управляющие импульсы периодически, причем управляющий импульс предпочтительно выдается через работающий в управляющей системе микровычислитель, например, микроконтроллер. Соответствующие программы и способы для генерации и периодической выдачи управляющего импульса известны из практики.

Для использования этих управляющих импульсов соответствующая изобретению схема защиты содержит предохранительный элемент, переключающее устройство и управляющую схему. Предохранительный элемент расположен в подводящей линии к силовой части инвертора. Переключающее устройство таким образом соединено с предохранительным элементом, что переключающее устройство шунтирует предохранительный элемент тогда, когда переключающее устройство находится в замкнутом состоянии. Таким способом путем перевода переключающего устройства в замкнутое состояние предохранительный элемент защищается от возможной перегрузки.

Управляющая схема в соответствующей изобретению схеме защиты применяется для того, чтобы из управляющего импульса от управляющей системы выработать сигнал переключения для переключающего устройства. Для этого управляющая схема имеет управляющий вход, на который вводится управляющий импульс. Управляющая схема формирует на основе принятого управляющего импульса или нескольких следующих друг за другом управляющих импульсов сигнал переключения для переключающего устройства. Этот сигнал переключения в течение предопределенного временного интервала удерживается на значении, которое переводит переключающее устройство, возможно, при промежуточном включении дополнительных компонентов, в замкнутое состояние.

Посредством этой соответствующей изобретению комбинации из управляющих импульсов и управляющей схемы может достигаться то, что при периодическом приеме управляющего импульса постоянно выдается сигнал переключения на переключающее устройство, вследствие чего переключающее устройство остается в замкнутом состоянии. При пропадании управляющего импульса существует возможность, до истечения предопределенного временного интервала вновь «обновить» генерацию сигнала переключения за счет того, что новый управляющий импульс выдается на управляющую схему. Если предопределенный временной интервал проходит без приема другого управляющего импульса, то больше не генерируется никакой сигнал переключения, и переключающее устройство размыкается, то есть осуществляется выход из замкнутого состояния и, тем самым, устанавливается высокоомное состояние между обоими выводами переключающего устройства. Таким образом, ток в подводящей линии к силовой части протекает теперь не через переключающее устройство, а через предохранительный элемент. За счет этого предохранительный элемент может срабатывать. При этом было бы возможным, например, ограничение протекающего тока до предопределенного значения или создание высокоомного отделения подводящей линии от силовой части. Таким способом может обеспечиваться безопасная работа схемы защиты в нормальном состоянии и одновременно защита инвертора или подключенной нагрузки при отсутствии управляющего импульса. Таким способом можно без излишне затратного дополнительного монтажа создать схему защиты, с помощью которой силовая часть при PTOM или при потере управления по управляющему электроду может переводиться в безопасное рабочее состояние. Таким способом инвертор и подключенная к инвертору нагрузка защищаются от дальнейшего повреждения.

Понятие «подводящая линия», в которой расположен предохранительный элемент, может относиться к самым различным участкам между источником энергоснабжения и силовой частью. Если инвертор имеет, например, промежуточный контур постоянного напряжения, то предохранительный элемент мог бы располагаться в линии для положительного постоянного напряжения промежуточного контура. Но также было бы возможным, предохранительный элемент при подключении инвертора к сети энергоснабжения расположить на участке переменного напряжения. При однофазном соединении предохранительный элемент мог бы располагаться в соединительном проводнике к используемой фазе. При трехфазном соединении для каждой из фаз мог бы быть предусмотрен соответствующий предохранительный элемент, причем тогда должны были бы предусматриваться также несколько переключающих устройств или по меньшей мере несколько независимых полюсов переключающего устройства.

Под «замкнутым состоянием» в этой связи понимается то, что омический резистор между обоими выводами переключающего контакта переключающего устройства имеет низкое значение сопротивления, предпочтительно меньше, чем 1 Ом, особенно предпочтительно меньше, чем 0,1 Ом.

«Предопределенный временной интервал», после которого выдача сигнала переключения заканчивается, определяется предпочтительно структурой управляющей схемы. При этом временной интервал по отношению к управляющему импульсу должен был бы выбираться так, что временной интервал больше, чем длительность периода между двумя следующими друг за другом управляющими импульсами. Предопределенный временной интервал предпочтительно в пять раз, особенно предпочтительно в десять раз больше, чем длительность периода между двумя следующими друг за другом управляющими импульсами.

Предохранительный элемент может быть образован самым различным образом. При этом понятие «предохранительный элемент» в общем относится к компоненту или конструктивному узлу, который способен ограничивать возможный протекающий ток в подводящей линии до некоторого максимального значения. Это может осуществляться посредством прерывания цепи тока при превышении максимальной токовой нагрузки (как, например, в случае плавких предохранителей) или посредством действия ограничения тока (как, например, в случае сопротивления). Специалисту известны самые разные компоненты, которые выполняют это требование, причем далее будут даваться ссылки на некоторые предпочтительные примеры выполнения. При этом существенным для расчета предохранительного элемента является то, что предохранительный элемент при достижении критического состояния надежно срабатывает. В нормальном случае это будет зависеть от обычных рабочих условий инвертора и подключенной нагрузки. Если, например, нагрузка, которая эксплуатируется с инвертором, включает в себя электродвигатель, то инвертор часто специально согласован с приводимым электродвигателем и во многих случаях даже встроен в корпус электродвигателя. Тем самым можно довольно просто предоставить предохранительный элемент, который учитывает требуемые типовые условия. Также в других случаях применения типовые условия для работы зачастую известны в достаточной степени, чтобы определить предпосылки для критического состояния.

Обычно управляющая система снабжается энергией от того же источника, что и силовая часть и схема защиты. Тем самым при предпочтительном расположении предохранительного элемента управляющая система снабжается энергией сначала через предохранительный элемент. При соединении системы инвертора с сетью энергоснабжения запускается управляющая система. Это включает в себя в большинстве случаев загрузку управляющей программы в микровычислитель, например, в микроконтроллер. На этой фазе включения ток в подводящей линии к силовой части еще относительно низкий, так как управляющая система еще не управляет полупроводниковым переключателем инверторного моста и поэтому никакой ток еще не вводится в нагрузку. В этом варианте выполнения предохранительный элемент должен иметь возможность сам переносить энергию для управляющей системы и схемы защиты. Так как, кроме того, после включения системы инвертора внутренние емкости (например, конденсатор промежуточного контура) или индуктивности (например, дроссель фильтра) заряжаются, предохранительный элемент должен иметь возможность дополнительно воспринимать эти токи.

Возможное выполнение предохранительного элемента могло бы представлять собой резистор с положительным температурным коэффициентом (РТС - Positive Temperature Coefficient). Применение РТС-резистора в подводящих линиях приборов известно, в частности, в ограничителях пускового тока. При этом используется то, что РТС-резистор нагревается за счет протекания тока и становится все более высокоомным. Тем самым протекание тока может ограничиваться. За счет применения РТС-резистора в качестве предохранительного элемента в соответствующей изобретению схеме защиты может быть реализована дополнительная выгода, которая выходит за пределы защиты при включении прибора. Когда РТС-резистор применяется в качестве предохранительного элемента для соответствующей изобретению схемы защиты, он должен быть рассчитан таким образом, что он может без проблем проводить пусковые токи. Чтобы функционировать в качестве предохранительного элемента, он должен быть дополнительно рассчитан так, что, например, при РТОМ критический ток в нагрузке больше не может протекать, так что термическое или другое вытекающее отсюда повреждение нагрузки предотвращается.

Согласно другому варианту осуществления, предохранительный элемент мог бы быть образован посредством плавкого предохранителя, то есть предохранительный элемент при таком выполнении прерывает при превышении предопределенного максимального тока подводящую линию к силовой части и, тем самым, токовую цепь. И в этом случае справедливы приведенные выше доводы касательно его расчета соответствующим образом. Для предотвращения срабатывания плавкого предохранителя во время процесса включения может дополнительно предусматриваться ограничитель пускового тока, например, в форме резисторов с отрицательным температурным коэффициентом (NTC).

В другом варианте осуществления предохранительный элемент образован сопротивлением. При этом такое сопротивление могло бы рассчитываться как высокоомное и с достаточной способностью к потреблению мощности, так что сопротивление при размыкании переключающего устройства может ограничивать ток, протекающий в подводящей линии. Этот вариант осуществления имеет преимущество, заключающееся в том, что входное напряжение схемы защиты обычно известно или принимает определенное максимальное значение. Тем самым, этот вариант осуществления предохранительного элемента сравнительно независим от нагрузки, которая приводится в действие посредством инвертора. Для инверторов, которые рассчитаны для относительно малых мощностей, таким способом можно очень просто реализовать предохранительный элемент.

В особенно предпочтительном варианте осуществления предохранительный элемент образован, однако, предохранительным резистором. Предохранительный резистор - также известный как « Fuse Resistor - резистор-предохранитель» - представляет собой резистор, который в основном состоянии имеет первое значение сопротивления. Обычно здесь имеют место значения сопротивления от нескольких Ом до трехзначных значений. В зависимости от выполнения предохранительного резистора, могут также достигаться сопротивления в двухзначном диапазоне кОм. Каждый предохранительный резистор имеет при этом предел нагрузки, до которого это первое значение сопротивления сохраняется. После превышения предельной нагрузки предохранительный резистор принимает второе значение сопротивления, которое существенно больше, чем первое значение сопротивления. Обычно значения сопротивления находятся при этом в диапазоне МОм. Для большинства предохранительных резисторов этот процесс является необратимым. После однократного превышения предельной нагрузки, таким образом, необходима замена предохранительного резистора. Так как здесь обсуждаемая ситуация неисправности в большинстве случаев требует масштабного ремонта системы инвертора, это обстоятельство является незначительным по сравнению с достижимой за счет этого выгодой. Предохранительные резисторы имеют, в частности, преимущество, состоящее в том, что они быстро срабатывают и после срабатывания образуют очень высокоомный переход.

В возможном варианте осуществления предохранительного резистора в резисторе имеется пружина, которая посредством малой массы олова удерживается в напряженном состоянии. Этот вариант осуществления является обычным при навитых проволочных резисторах. За счет высокой нагрузки предохранительного резистора высоким током он нагревается, из-за чего олово также нагревается. При превышении предельной температуры олово становится настолько мягким, что оно больше не может удерживать пружину, и поэтому она разжимается. При этом прежде проводящий контакт прерывается, и высокоомное сопротивление устанавливается между обоими выводами предохранительного резистора. Также возможно, что участок, в котором находится резистор, - подобно тому, как в обычных плавких резисторах, - при высокой токовой нагрузке расплавляется. Соответствующие варианты осуществления в достаточной степени известны из практики.

В принципе, управляющий импульс может принимать различные формы, если он периодически выдается управляющей системой и может соответствующим образом обрабатываться управляющей схемой. Возможными были бы, например, полуволна синусоидального колебания, треугольная или пилообразная форма. В предпочтительном варианте осуществления управляющий импульс является, однако, прямоугольным, то есть управляющий импульс принимает в течение определенного временного интервала высокий уровень и затем снова спадает на низкий уровень. Переходы между низким и высоким уровнем или между высоким и низким уровнем являются при этом очень крутыми, в идеальном случае приближенно вертикальными. Таким образом, последовательность периодически выдаваемых управляющих импульсов является прямоугольным сигналом. Этот вариант осуществления имеет, в частности, преимущества, состоящие в том, что часто применяемые в управляющих системах микроконтроллеры особенно просто могут реализовать прямоугольные сигналы. Предпочтительным образом прямоугольный сигнал является однополярным, то есть он сменяется между напряжением 0 В (низкий уровень) и максимальным напряжением (высокий уровень), например, 3,3 В или 5 В.

Предпочтительным образом последовательность управляющих импульсов вводится через фильтр верхних частот в управляющую схему. За счет этого, возможно, имеющаяся в управляющей схеме составляющая постоянного напряжения не пропускается в управляющую систему. Дополнительно может предусматриваться ограничитель тока, с помощью которого ограничивается ток из управляющей системы в управляющую схему. Этот ограничитель тока в простейшем случае может быть образован резистором.

В особенно предпочтительном варианте осуществления схема обработки содержит генератор подкачки заряда. Генераторы подкачки заряда формируют из переменных сигналов на их входе напряжение, которое больше, чем входное напряжение. В зависимости от выполнения генератора подкачки заряда, могут быть реализованы различные повышения напряжения. Генераторы подкачки заряда простой структуры реализуют удвоение напряжения. Существенным для применения генератора подкачки заряда в схеме обработки является то, что последовательность управляющих импульсов образует переменный сигнал. Это, однако, без проблем выполняется требованием периодического управляющего импульса. И в этом случае особенно предпочтительным является применение прямоугольных сигналов, так как относительно простым способом может достигаться приближенно постоянное выходное напряжение из генератора подкачки заряда.

Предпочтительным образом генератор заряда построен по типу схемы Грейнахера. Для этого генератор подкачки заряда имеет два диода и накопительный конденсатор. Оба диода включены последовательно и оба имеют свое направление пропускания от потенциала массы. В точку соединения между обоими диодами подводятся управляющие импульсы, так что точка соединения образует вход генератора подкачки заряда. Один из обоих диодов своим анодом соединен с потенциалом массы. Катод другого диода одним выводом соединен с накопительным конденсатором, в то время как второй вывод соединен с массой. Тем самым накопительный конденсатор включен параллельно обоим диодам. При высоком уровне управляющего импульса, таким образом, ток может протекать через диод, обращенный противоположно массе, в накопительный конденсатор. Тем самым накопительный конденсатор постепенно заряжается.

В предпочтительном усовершенствованном варианте параллельно накопительному конденсатору включен разрядный резистор, через который накопительный конденсатор может разряжаться определенным образом. Тем самым, за счет соответствующего выбора параметров разрядного резистора может определяться время, которое может проходить от последнего принятого управляющего импульса до деактивации сигнала переключения. Предпочтительным образом разрядный резистор выполнен высокоомным, то есть сопротивление равно по меньшей мере 100 кОм, особенно предпочтительно по меньшей мере 1 МОм.

В предпочтительном варианте осуществления диоды генератора подкачки заряда образованы диодами Шоттки. Так как они имеют меньшее напряжение отсечки, чем обычные диоды, последовательность управляющих импульсов может использоваться более эффективно.

Напряжение на накопительном конденсаторе может использоваться в качестве сигнала переключения. При этом может быть предусмотрена схема фильтрации, например, в форме схемы фильтра нижних частот, чтобы отфильтровать еще имеющиеся переменные составляющие. Также схема фильтрации может выполнять защитную функцию, например, путем ограничения протекающего тока.

В первом предпочтительном варианте осуществления переключающего устройства оно образовано транзистором, к управляющему входу которого приложен сигнал переключения. В случае биполярного транзистора этот управляющий вход образован, например, базой. В предпочтительном усовершенствованном варианте этот транзистор образован MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - -полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник), так что управляющий вход образован затвором транзистора. При этом предпочтительно применяется выполнение MOSFET с индуцированным каналом, особенно предпочтительно, n-канальный MOSFET. Транзистор может располагаться параллельно к предохранительному элементу и при приложении напряжения переключения замыкаться и, тем самым, проводить ток в подводящей линии к силовой части.

Во втором предпочтительном варианте осуществления переключающего устройства оно образовано посредством реле, которое имеет по меньшей мере один переключающий контакт и катушку возбуждения. Один из по меньшей мере одного переключающего контакта включен при этом параллельно предохранительному элементу. Реле с несколькими контактами, например, с тремя контактами может применяться для защиты всех трех фаз сети трехфазного переменного тока. Для возбуждения тока для катушки возбуждения может быть предусмотрен транзистор, который предпочтительно вновь выполнен как MOSFET. Особенно предпочтительно вновь применяется n-канальный MOSFET, который выполнен с индуцированным каналом.

Для защиты от многократных неисправностей управляющая схема и/или переключающее устройство могут быть выполнены с резервированием. При этом могут предусматриваться две, по существу, идентичные управляющие схемы, которые, соответственно, генерируют сигнал переключения. При применении транзисторов в качестве переключающего устройства или в качестве возбуждающего каскада для собственно переключающего устройства, они могут предусматриваться для каждой резервной ветви управляющей схемы и при этом включаться последовательно друг с другом. Таким способом может, например, выявляться неисправность, когда один из транзисторов для одной из резервных ветвей является неисправным и поэтому продолжительно находится в проводящем состоянии. Когда управляющий импульс больше не приложен к другой ветви резервированной управляющей схемы, несмотря на это схема защиты может срабатывать.

В зависимости от выполнения переключающего устройства, отдельные части также могут быть выполнены с резервированием, в то время как другие части присутствуют только в одинарном виде. Если переключающее устройство образовано, например, посредством реле, то оно может быть одинарным, если реле допущено, например, UL (Underwriters Laboratories - лабораторией по технике безопасности) или VDE. При сдвоенном выполнении управляющей схемы, части которой, соответственно, управляют одним транзистором, оба транзистора включались бы последовательно и, например, на одной стороне были бы соединены с массой, в то время как другая сторона соединяется с катушкой возбуждения, второй вывод которой соединен, в свою очередь, с питающим напряжением.

В соответствующей изобретению системе инвертора, наряду с отказом управляющей системы, который имеет следствием отсутствие управляющих импульсов, может также иметь место некорректное функционирование в силовой части. Очень многие системы инверторов имеют обратную связь из нагрузочной цепи, через которую возможны выводы относительно рабочего состояния нагрузки или силовой части. Так, например, инвертору для управления двигателем с электронной коммутацией (ЕС) требуются информации о положении ротора, чтобы иметь возможность корректным образом выдавать напряжения для статора. Эти информации могут быть получены посредством специального датчика или посредством способов оценки. В случае неисправности в силовой части вращательное движение двигателя осуществляется заметно более неравномерно, так что из сигнала положения можно сделать выводы относительно рабочего состояния двигателя. Также возможны другие способы, например, измерение суммарного тока. Специалисту известны соответствующие способы, которые позволяют получить выводы о рабочем состоянии нагрузки и/или силовой части. Из определенного или оцененного рабочего состояния можно тогда принять решение о том, имеет ли место критическое рабочее состояние, которое делает необходимым запуск соответствующей изобретению схемы защиты.

Для оценки информаций о рабочем состоянии в предпочтительном усовершенствованном варианте соответствующей изобретению системы инвертора предусмотрены средства для распознавания рабочего состояния. Они могут при распознавании критического рабочего состояния деактивировать генерацию управляющего импульса. Таким способом можно и при РТОМ с помощью микроконтроллера реализовать перевод нагрузки в безопасное рабочее состояние. При применении предохранительного резистора это означало бы, что электродвигатель отсоединяется от сети электроснабжения и, в конечном счете, целенаправленно тормозится посредством тормозного прерывателя.

Имеются различные возможности предпочтительным образом выполнить и дополнительно усовершенствовать решение, соответствующее настоящему изобретению. Для этого можно сослаться, с одной стороны, на пункты формулы изобретения, подчиненные пунктам 1 или соответственно 15, а с другой стороны, на последующее пояснение предпочтительного примера осуществления изобретения со ссылками на чертежи. В связи с пояснением предпочтительного примера выполнения изобретения со ссылками на чертежи, также в общем поясняются предпочтительные варианты осуществления и усовершенствованные варианты предложенного решения. На чертежах показано следующее:

Фиг.1 - блок-схема примера выполнения соответствующей изобретению схемы защиты с управляющей схемой, выполненной с резервированием, и

Фиг.2 - блок-схема конкретной реализации соответствующей изобретению схемы защиты.

На Фиг.1 показана блок-схема примера выполнения соответствующей изобретению схемы 1 защиты для инвертора (не показан). Схема 1 защиты включает в себя выполненную с резервированием управляющую схему 2 с двумя идентично построенными ветвями. Кроме того, схема 1 защиты включает в себя предохранительный элемент 3, а также переключающее устройство 4 в форме реле К1.

Не показанная управляющая система генерирует периодические управляющие импульсы WD1, которые вводятся в одну из обеих резервированных ветвей управляющей схемы 2 (на фиг.1 в верхнюю ветвь). Соответственно, в нижнюю ветвь управляющей схемы периодически вводятся управляющие импульсы WD2. Ввиду идентичной структуры обеих ветвей, последующие пояснения относятся к обеим ветвям управляющей схемы, причем обозначения без скобок всегда относятся к верхней ветви, а обозначения в скобках, соответственно, к нижней ветви.

Управляющие импульсы WD1 (WD2) проходят через схему последовательного соединения из резистора R2 (R6) и конденсатора С1 (С4) и затем вводятся в управляющую схему 2 на ее управляющем входе 8 (8’). Резистор R2 (R6) служит для ограничения выдаваемого посредством управляющей системы тока. Конденсатор С1 (С4) функционирует как фильтр верхних частот, который устанавливает разделение по постоянному напряжению между управляющей системой и управляющей схемой 2.

Управляющая схема 2 включает в себя генератор 5 (5’) подкачки заряда, а также резистор R1 (R5) и конденсатор С3 (С6). Генератор 5 (5’) подкачки заряда состоит из двух диодов Шоттки V2 (V4), которые включены последовательно друг с другом и направление пропускания которых направлено, соответственно, от потенциала массы. Соответственно, анод нижнего диода V2_u (V4_u) соединен с массой. Точка соединения между нижним диодом V2_u (V4_u) и верхним диодом V2_о (V4_о) образует вход генератора 5 (5’) подкачки заряда. Катод верхнего диода V2_о (V4_о) соединен, соответственно, с выводом разрядного резистора R3 (R7) и накопительным конденсатором С2 (С5), причем точка соединения между тремя компонентами образует выход генератора 5 (5’) подкачки заряда. Второй вывод разрядного резистора R3 (R7) и накопительного конденсатора С2 (С5) соединен, соответственно, с массой.

Резистор R1 (R5) одним выводом соединен с выходом генератора 5 (5’) подкачки заряда, а вторым выводом - с конденсатором С3 (С6). Второй вывод конденсатора С3 (С5) соединен с массой. Точка соединения между резистором R1 (R5) и конденсатором С3 (С6) соединена с затвором n-канального MOSFET V1 (V3) с индуцированным каналом, который функционирует в качестве возбуждающего транзистора для переключающего устройства. Резистор R1 (R5) и конденсатор С3 (С6) образуют схему фильтрации, в частности, фильтр нижних частот, который снижает переменные составляющие в выходном напряжении генератора 5 (5’) подкачки заряда.

Следует отметить, что резисторы R2 (R6) и R1 (R5), а также конденсатор С3 (С6) являются опциональными и для функционирования схемы защиты не должны обязательно присутствовать. Так как они, однако, защищают компоненты системы инвертора, в представленном предпочтительном варианте осуществления они предусмотрены.

Оба MOSFET V1 и V3 включены последовательно друг с другом, то есть исток MOSFET V1 соединен со стоком MOSFET V2. Исток MOSFET V2 подключен к массе, в то время как сток MOSFET V1 соединен с катушкой 6 возбуждения реле. Конкретно, это означает, что выводы AS1 и SK2 соединены между собой. Второй вывод SK1 катушки 6 возбуждения нагружен питающим напряжением. Переключающий контакт 7 реле своими обоими выводами подключен к обеим сторонам предохранительного элемента 3. В отсутствие тока через катушку возбуждения, переключающий контакт 7 разомкнут, при протекании тока через катушку 6 возбуждения переключающий контакт 7 замыкается и находится, тем самым, в замкнутом состоянии. Переключающее устройство 4 и предохранительный элемент 3 находятся предпочтительным образом непосредственно после мостового выпрямителя (не показан) на LK1 и LK2 в нагрузочной цепи, то есть предохранительный элемент 3 расположен в промежуточном контуре постоянного напряжения. При этом предохранительный элемент выполнен как предохранительный резистор ( Fuse Resistor - резистор-предохранитель) R4.

При работе схемы защиты накопительные конденсаторы С32 и С5 служат в качестве накопителей заряда, которые в нормальном случае заряжаются при каждом положительном WDx-уровне сигнала, так что при достижении необходимого напряжения между затвором и истоком соответствующий MOSFET V1 или V3 становится низкоомным. Управляющие импульсы WD1 и WD2 должны находиться выше установленной частоты, которая зависит от фильтров верхних частот на входе (С1 или С4) и от накопителей заряда (С2 и С5) и их разрядных резисторов (R3 и R7). Если WDx-сигнал приводится на стационарный высокий уровень или в случае неисправности контроллера, при котором высокий уровень продолжительно существует на соответствующих выходах, емкости С1 или С4 становятся высокоомными, так что протекание тока к накопительным конденсаторам С2 или С5 прекращается.

Верхние диоды V2_о и V4_о предотвращают, соответственно, разряд накопительных конденсаторов С2 и С5, если WDx-сигнал находится на низком уровне. Нижние диоды V2_u и V4_u обеспечивают разряд конденсаторов С1 и С4, когда WDx-сигнал находится на низком уровне, так что в последующем цикле вновь возможно протекание тока в накопительные конденсаторы С2 или С5. Высокоомные резисторы R3 и R7 разряжают накопители С2 и С5, так что в случае неисправности управляющие сигналы FET спустя определенное время переводятся на низкий уровень и вызывают отключение реле.

При включении промежуточный контур через предохранительный элемент 3 заряжается, так что пусковой ток ограничивается им. Электроника может выполнять свои функции. Как только это происходит, управляющая система или работающий там микроконтроллер генерирует периодические управляющие импульсы на WDx-выходе, причем еще не протекает никакой нагрузочный ток. Как только контроллер выдает управляющие импульсы в корректном частотном диапазоне, и накопительные конденсаторы заряжены, FET замыкаются на массу, и реле срабатывает. Тем самым резистор-предохранитель R4 шунтируется, и цепь нагрузочного тока становится более низкоомной. В случае неисправности типа РТОМ с/без второй неисправности, управляющие импульсы WDx больше не поступают на вход схемы защиты, и реле отключается. Резистор-предохранитель R4 размыкает после краткого протекания нагрузочного тока промежуточный контур, так что устанавливается безопасное состояние электроники.

Пример выполнения, описанный в связи с фиг.1, может реализовать некоторые или все из следующих преимуществ и свойств:

- высокая электрическая прочность, чтобы при перенапряжении (например, из-за перекрытия других потенциалов) не потерять работоспособность,

- высокая электрическая прочность, чтобы избегать дополнительных компонентов (например, Z-диодов),

- повышение эффективности,

- два независимых друг от друга управляющих напряжения (WD1 и WD2), чтобы при второй неисправности не потерять работоспособность,

- схема выполнена с резервированием, чтобы при комбинированной неисправности поддерживать работоспособность,

- реле, которые допущены UL или VDE, не требуется резервировать; в случае использования не имеющих разрешения реле, электронных переключателей/переключающих блоков или полупроводниковых реле, они должны резервироваться для поддержания резервирования всей схемы защиты,

- в случае программного обеспечения, которое контролирует управляющие напряжения WD1 и WD2, речь должна идти о программном обеспечении, допущенном VDE, для функциональной безопасности,

- резистор-предохранитель должен быть рассчитан таким образом, что при максимальном сопротивлении обмотки нагрузка на него настолько велика, что он надежно срабатывает,

- если РТС-резистор применяется в качестве предохранительного элемента, то он должен быть рассчитан таким образом, что результирующее протекание тока при максимальном сопротивлении обмотки не вызывает недопустимого нагревания.

На фиг.2 показан конкретный вариант осуществления соответствующей изобретению схемы защиты, причем представленная схема защиты в основном соответствует примеру выполнения согласно фиг.1. Следует отметить, что применяемые обозначения на фиг.2 не совпадают с таковыми на фиг.1.

В отношении других предпочтительных вариантов осуществления соответствующей изобретению схемы защиты или соответствующей изобретению системы инвертора, во избежание повторений можно сослаться на общую часть описания и на приложенную формулу изобретения.

В заключение следует явным образом отметить, что вышеописанный пример выполнения соответствующей изобретению схемы защиты должен служить только для пояснения заявленного решения, которое, однако, не ограничивается этим примером выполнения.

Перечень ссылочных позиций

1 схема защиты

2 управляющая схема

3 предохранительный элемент

4 переключающее устройство

5 генератор подкачки заряда

6 катушка возбуждения

7 переключающий контакт

8 управляющий вход

K1 реле

WD1 управляющий импульс 1

WD2 управляющий импульс 2

С1 конденсатор (фильтр верхних частот)

С2 накопительный конденсатор

С3 конденсатор (фильтр нижних частот)

С4 конденсатор (фильтр верхних частот)

С5 накопительный конденсатор

С6 конденсатор (фильтр нижних частот)

R1 резистор

R2 резистор (ограничитель тока)

R3 разрядный резистор

R4 предохранительный резистор

R5 резистор

R6 резистор (ограничитель тока)

R7 разрядный резистор

V1 MOSFET (n-канальный, с индуцированным каналом)

V2 диоды V2_о и V2_u

V3 MOSFET (n-канальный, с индуцированным каналом)

V4 диоды V4_о и V4_u

AS1 управляющий вывод 1

AS2 управляющий вывод 2

SK1 вывод 1 переключающего контакта

SK вывод 2 переключающего контакта

LK1 вывод 1 нагрузочной цепи

LK2 вывод 2 нагрузочной цепи

Изобретение относится к области электротехники. Раскрыта схема защиты для инвертора, в частности для инвертора для электродвигателя, причем инвертор имеет управляющую систему и управляемую посредством управляющей системы силовую часть и причем управляющая система выполнена с возможностью периодической выдачи управляющего импульса (WD1, WD2). Схема защиты включает в себя предохранительный элемент (3), переключающее устройство (4) и управляющую схему (2), причем предохранительный элемент (3) расположен в подводящей линии к силовой части и причем переключающее устройство (4) таким образом соединено с предохранительным элементом (3), что переключающее устройство (4) в замкнутом состоянии шунтирует предохранительный элемент (3). Управляющая схема (2) имеет управляющий вход (8, 8’), к которому прикладывается управляющий импульс (WD1, WD2). При этом управляющая схема (2) выполнена таким образом, что управляющая схема (2) после приема управляющего импульса (WD1, WD2) или нескольких следующих друг за другом управляющих импульсов (WD1, WD2) за предопределенный временной интервал выдает сигнал переключения на переключающее устройство (4), вследствие чего переключающее устройство (4) при периодическом приеме управляющего импульса (WD1, WD2) замыкается и вследствие чего при пропадании управляющего импульса (WD1, WD2) переключающее устройство (4) спустя предопределенный временной интервал размыкается и инициирует защиту инвертора посредством предохранительного элемента (3). Кроме того, раскрыта система инвертора, которая содержит управляющую систему, силовую часть и соответствующую схему защиты. 2 н. и 33 з.п. ф-лы, 2ил.

1. Схема защиты для инвертора, в частности для инвертора для электродвигателя, причем инвертор имеет управляющую систему и управляемую посредством управляющей системы силовую часть и причем управляющая система выполнена с возможностью периодической выдачи управляющего импульса (WD1, WD2),

отличающаяся предохранительным элементом (3), переключающим устройством (4) и управляющей схемой (2), причем предохранительный элемент (3) расположен в подводящей линии к силовой части, причем переключающее устройство (4) таким образом соединено с предохранительным элементом (3), что переключающее устройство (4) в замкнутом состоянии шунтирует предохранительный элемент (3),

причем управляющая схема (2) имеет управляющий вход (8, 8’), к которому прикладывается управляющий импульс (WD1, WD2), и

причем управляющая схема (2) выполнена таким образом, что управляющая схема (2) после приема управляющего импульса (WD1, WD2) или нескольких следующих друг за другом управляющих импульсов (WD1, WD2) за предопределенный временной интервал выдает сигнал переключения на переключающее устройство (4), вследствие чего переключающее устройство (4) при периодическом приеме управляющего импульса (WD1, WD2) замыкается и вследствие чего при пропадании управляющего импульса (WD1, WD2) переключающее устройство (4) спустя предопределенный временной интервал размыкается и инициирует защиту инвертора посредством предохранительного элемента (3).

2. Схема защиты по п.1, отличающаяся тем, что предохранительный элемент (3) образован резистором.

3. Схема защиты по п.2, отличающаяся тем, что резистор выполнен как резистор с положительным температурным коэффициентом (РТС), причем РТС-резистор при возрастании температуры приобретает возрастающее омическое сопротивление.

4. Схема защиты по п.2, отличающаяся тем, что резистор выполнен как предохранительный резистор (Fuse Resistor) (R4), который в основном состоянии имеет первое значение сопротивления, причем предохранительный резистор (R4) при превышении предельной нагрузки принимает второе значение сопротивления, которое существенно больше, чем первое значение сопротивления.

5. Схема защиты по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что последовательность периодически выдаваемых управляющих импульсов (WD1, WD2) образует прямоугольный сигнал, предпочтительно однополярный прямоугольный сигнал.

6. Схема защиты по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) содержит генератор (5, 5’) подкачки заряда, на входе которого, предпочтительно через фильтр верхних частот, приложен управляющий импульс (WD1, WD2).

7. Схема защиты по п.5, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) содержит генератор (5, 5’) подкачки заряда, на входе которого, предпочтительно через фильтр верхних частот, приложен управляющий импульс (WD1, WD2).

8. Схема защиты по п.6, отличающаяся тем, что генератор (5, 5’) подкачки заряда имеет два диода (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o) и накопительный конденсатор (C2, C5), причем оба диода (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o) включены последовательно и направления пропускания обоих диодов (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o) указывают от потенциала массы, причем вход генератора подкачки заряда образован точкой соединения между обоими диодами (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o) и причем накопительный конденсатор (С2, С5) включен параллельно обоим диодам (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o).

9. Схема защиты по п.7, отличающаяся тем, что генератор (5, 5’) подкачки заряда имеет два диода (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o) и накопительный конденсатор (C2, C5), причем оба диода (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o) включены последовательно и направления пропускания обоих диодов (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o) указывают от потенциала массы, причем вход генератора подкачки заряда образован точкой соединения между обоими диодами (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o) и причем накопительный конденсатор (С2, С5) включен параллельно обоим диодам (V2_u, V2_o, V4_u, V4_o).

10. Схема защиты по п.8 или 9, отличающаяся тем, что параллельно накопительному конденсатору (С2, С5) включен разрядный резистор (R3, R7), через который накопительный конденсатор (C2, C5) разряжается определенным образом.

11. Схема защиты по п.8 или 9, отличающаяся тем, что напряжение на накопительном конденсаторе (С2, С5), предпочтительно после фильтрации посредством схемы фильтрации, образует сигнал переключения.

12. Схема защиты по п. 10, отличающаяся тем, что напряжение на накопительном конденсаторе (С2, С5), предпочтительно после фильтрации посредством схемы фильтрации, образует сигнал переключения.

13. Схема защиты по любому из пп. 1-4, 7-9, 12, отличающаяся тем, что переключающее устройство (4) образовано транзистором, предпочтительно MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник), причем сигнал переключения прикладывается к управляющему входу транзистора.

14. Схема защиты по п.5, отличающаяся тем, что переключающее устройство (4) образовано транзистором, предпочтительно MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник), причем сигнал переключения прикладывается к управляющему входу транзистора.

15. Схема защиты по п.6, отличающаяся тем, что переключающее устройство (4) образовано транзистором, предпочтительно MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник), причем сигнал переключения прикладывается к управляющему входу транзистора.

16. Схема защиты по п.10, отличающаяся тем, что переключающее устройство (4) образовано транзистором, предпочтительно MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник), причем сигнал переключения прикладывается к управляющему входу транзистора.

17. Схема защиты по п. 11, отличающаяся тем, что переключающее устройство (4) образовано транзистором, предпочтительно MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник), причем сигнал переключения прикладывается к управляющему входу транзистора.

18. Схема защиты по любому из пп. 1-4, 7-9, 12, отличающаяся тем, что переключающее устройство образовано посредством реле (K1) с по меньшей мере одним переключающим контактом (7) и катушкой (6) возбуждения, причем один из по меньшей мере одного переключающего контакта (7) расположен параллельно предохранительному элементу (3).

19. Схема защиты по п. 5, отличающаяся тем, что переключающее устройство образовано посредством реле (K1) с по меньшей мере одним переключающим контактом (7) и катушкой (6) возбуждения, причем один из по меньшей мере одного переключающего контакта (7) расположен параллельно предохранительному элементу (3).

20. Схема защиты по п. 6, отличающаяся тем, что переключающее устройство образовано посредством реле (K1) с по меньшей мере одним переключающим контактом (7) и катушкой (6) возбуждения, причем один из по меньшей мере одного переключающего контакта (7) расположен параллельно предохранительному элементу (3).

21. Схема защиты по п. 10, отличающаяся тем, что переключающее устройство образовано посредством реле (K1) с по меньшей мере одним переключающим контактом (7) и катушкой (6) возбуждения, причем один из по меньшей мере одного переключающего контакта (7) расположен параллельно предохранительному элементу (3).

22. Схема защиты по п. 11, отличающаяся тем, что переключающее устройство образовано посредством реле (K1) с по меньшей мере одним переключающим контактом (7) и катушкой (6) возбуждения, причем один из по меньшей мере одного переключающего контакта (7) расположен параллельно предохранительному элементу (3).

23. Схема защиты по п. 18, отличающаяся тем, что переключающий сигнал прикладывается к управляющему входу транзистора, предпочтительно MOSFET (V1, V3), и что транзистор управляет током для катушки (6) возбуждения.

24. Схема защиты по любому из пп. 19-22, отличающаяся тем, что переключающий сигнал прикладывается к управляющему входу транзистора, предпочтительно MOSFET (V1, V3), и что транзистор управляет током для катушки (6) возбуждения.

25. Схема защиты по любому из пп. 1-4, 7-9, 12, 14–17, 19-23, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) и/или переключающее устройство (4) выполнены с резервированием, причем управляющая схема (2) имеет по меньшей мере две предпочтительно идентично выполненные ветви.

26. Схема защиты по п. 5, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) и/или переключающее устройство (4) выполнены с резервированием, причем управляющая схема (2) имеет по меньшей мере две предпочтительно идентично выполненные ветви.

27. Схема защиты по п. 6, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) и/или переключающее устройство (4) выполнены с резервированием, причем управляющая схема (2) имеет по меньшей мере две предпочтительно идентично выполненные ветви.

28. Схема защиты по п. 10, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) и/или переключающее устройство (4) выполнены с резервированием, причем управляющая схема (2) имеет по меньшей мере две предпочтительно идентично выполненные ветви.

29. Схема защиты по п. 11, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) и/или переключающее устройство (4) выполнены с резервированием, причем управляющая схема (2) имеет по меньшей мере две предпочтительно идентично выполненные ветви.

30. Схема защиты по п. 13, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) и/или переключающее устройство (4) выполнены с резервированием, причем управляющая схема (2) имеет по меньшей мере две предпочтительно идентично выполненные ветви.

31. Схема защиты по п. 18, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) и/или переключающее устройство (4) выполнены с резервированием, причем управляющая схема (2) имеет по меньшей мере две предпочтительно идентично выполненные ветви.

32. Схема защиты по п. 24, отличающаяся тем, что управляющая схема (2) и/или переключающее устройство (4) выполнены с резервированием, причем управляющая схема (2) имеет по меньшей мере две предпочтительно идентично выполненные ветви.

33. Схема защиты по п.25, отличающаяся тем, что для каждой из резервированных ветвей управляющей схемы (2) предусмотрен транзистор, причем транзисторы включены последовательно друг с другом.

34. Система инвертора с управляющей системой, силовой частью и схемой (1) защиты по любому из пп.1-33, причем управляющая система выполнена с возможностью выдачи управляющих сигналов на силовую часть для генерации и выдачи переменного напряжения, причем управляющая система дополнительно выполнена с возможностью периодической выдачи управляющего импульса (WD1, WD2), который подается на схему (1) защиты.

35. Система инвертора по п.34, отличающаяся средствами для распознавания рабочего состояния системы инвертора и/или нагрузки, подключенной к системе инвертора, причем средства для распознавания рабочего состояния выполнены таким образом, чтобы при критическом рабочем состоянии деактивировать генерацию управляющего импульса (WD1, WD2).