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1、 1逆变保护和实时监测系统摘要：保护和监测 DC/AC 转换器的实时系统已被设计和建造。建议系统包括两个单元，一个具有快速反应、负荷保护和逆变器故障安全操作功能的硬件保护单元和一个可以计算逆变操作的关键参数的微控制器单元。控制单元故障在这个研究中还没有被研究。被建议的硬件架构和传感器构成一个低成本和可靠的控制单元。 实验结果得出，建议的系统确保了逆变保护和故障安全保护功能的可靠。提议的单元可以用来提高任何能量逆变在 AC 马达驱动和可再生能源系统等应用中的可靠性，或可纳入任何 UPS 系统。关键词：实时系统；DC/AC 变换器；故障安全保护；保护；微控制器 1.介绍DC/AC 电源转换器（变换
2、器）现今主要用于不间断电源供应，AC 马达驱动，感应加热和可再生能源系统。 它们的功能是把一个 DC 输入电压转换成所需振幅和频率 AC 输出电压。逆变器的规格有输入和输出电压范围，输出电压频率和最大的输出能量。逆变器的要求：1.总是运行在规定要求中，因为逆变器会向敏感和昂贵的设备供电。2.故障安全保护以防止发生故障，因为变压器经常使用在对电子元件恶劣的环境下，例如，要是在室外温度和湿度变化范围大的情况下需要可恢复的能量。3.记录转换器的状态然后通知供应设备和操作员故障的原因。考虑到逆变保护，设计人员通常采用特殊保护设备和控制电路。最常见的是过电流保护是保险丝，但这种方法不一定有效，因为保险丝
3、有相应的慢的反应时间，所以额外保护的设备是必须的，如 Crowbar 电路或微分限制电感器。DC 供应和负载边瞬变现象能被滤波器抑制，但缺点是增加逆变器功率损失、成本和重量。2目前电源变换器（CSI）有一个固有过电流保护功能，因为合适的 DC 连接感应设计能提供针对过载情况的保护。电压源变换器（VSI）在输出阶段有一个 L-C滤波器，以防止输出短路情况，滤波器感应连接输出电流上升率。在所有先前两种情况下，高电感值导致变换器大小和电力损失增加。一种普通的过去常使用的保护电路见图 1 变换器输出电流，负载电压和滤波器电容电流被检测和比较过滤电容目前都感受到相比，预定限制。如果上述数值超过预设限制，
4、抑制信号将关闭的 DC 电源。图 1 逆变保护电路在马达驱动应用程序中、转换器通常只从在过载情况被保护，使用的是测量DC 输入电流或负载电流干扰电流技术或特殊电机控制算法技术。然而，上述方法并不完全检测所有可能错误情况，例如 DC 连接电容短路。微控制器技术的发展已导致控制和监测变换器的数字控制技术的实现。为监控 UPS 输出电压的大小和频率，卡尔曼滤波器的应用被建议参考。虽然这种方法有使一些控制功能在单片机中一体化的优势。但在多种故障中，它对变换器的保3护是不充分的。如果这种方法是延伸去监测更为重要信号，那么系统的反应就不够快，不能保护变换器，然而一个更快的微控制器或数字信号处理器（DSP）
5、的应用会增加系统成本。几个检测变换器错误的方法被提议。一个在 PWM 变换器中使用输出电流互感器的并为机器同步供电的电源开关的故障诊断系统诊被提议参考，这是基于对当前矢量轨道和在错误模式下对瞬间频率的分析。一个针对 VSI 的基于专家系统的错误诊断和监测方法被提议参考。上述被提到的方法会帮助系统操作员诊断变换器故障和故障发生后的损坏。所有上述方法可以得出,大多数变换器不完全符合如前所诉变换要求（步骤1-3）。在这篇论文中，为保护和监测 DC/AC 变换器的低成本控制单元的发展被提出。被建议的系统包括：(a)一个比较在变换电路中特殊点合适的信号与为决定合适的系统操作的预定义水平的硬件保护单元。(
6、b)一个监测所有变换器操作的关键参数和把它们实时显示给系统操作员的基于为控制器实时监控系统。为防止发生故障，硬件保护单元立即关闭变换器以确保故障安全保护功能，而微控制器单元通知系统操作员故障的情况。微控制器单元和计算机通过 RS232协议通信。必要变换参数用非侵入性和非耗散传感器测量，所以逆变器运行和规格都不受影响。基于微控制器的执行是首选一个更快 DSP，因为它的成本低。然而，DSP 将是一个有利的解决办法，在需要进一步控制功能（即电源半导体控制、先进的电池监测算法等）将数字执行的情况下。这项研究中控制单元故障没有被讨论。这篇论文列举如下：逆变器硬件和故障原因在第 2 部分被解释；传感器和阀
7、门要求暗示检测问题和强迫变换器关闭在第 3 部分被解释；被建议的控制和监测单元在第 4 部分被解释；微控制器算法在第 5 部分进行了分析；实验结果在第 6部分。 2.逆变器硬件和故障的原因4一个变换器普遍的简图见图 2，一个围绕隔离栅双极晶体管的电桥把 DC 输入电压调节成正弦脉冲宽度调制波（SPWM）。一个低通的，LC 样式的滤波器把 SPWM解调成正弦波形，而电力变压器被用来生产所需的高电压、低失真输出（例如 220V、50Hz）。另一方面，电桥可以围绕电源隔离栅双极晶体管建立，根据变换器电源能力、直流输入电压值和预期的效率。图 2 SPWM 单项逆变器变换器运行期间可能出现的问题如下：输
8、入电压超出变换器规格；超载情况；输出瞬间过电压，例如，在连接或断开马达；输出短路情况；输出电压幅度和频率超出变换器规格；高环境温度的变化，会改变电源半导体特性；高湿度会影响电子部件的行为；其他意外的因素，例如变换器电路中的错误等。如果任何上述提到问题发生，变换器必须立即关闭，以便保护负荷和变换器电源转换阶段防止毁坏，系统操作员必须被通知相关的问题。变换器故障件的平均时间按规律有几万小时。 3.传感器5传感器在变换器中的位置见图基于霍尔效应的传感器被用来测量 DC 输入电流和 AC 输出电流。与分流电阻比较它们具有优势，例如把主要电源电路和特性独立灰尘,湿度和时间中隔离。此外，他们也还起到拓宽频
9、率宽带的作用，包括 DC 操作和低温特性曲线的变化，所以它们对于 PWM 变换器的电流检测试了理想的。霍尔效应传感器的运行没有反馈以确保低电源消耗。但是，因为它们反应较为缓慢，所以不能在过电流情况下有效地保护电桥半导体。因此，一个过电流保护电路被为每一套平行连接 MOSFET 制定，见图 4（a） 。根据这个图，Q1（IRF530）是被功率MOSFET 保护的，然而微信号 MOSFETQ2（BS170）阻止保护电路的错误反应，如果高电压出现在功率 MOSFET 关闭状态期间的损耗。在过电流情况下，以下不平衡发生在:IDrDS,onR2（R1R2）VBEID和 rDS,on，分别是是功率 MOS
10、FET 电流和导通电阻，耳 VBE 是晶体管 Q3 基极电压。以上保护电路的欲行在 IS-SPICE 程序被模拟，结果在图 4（b）。Y2 是 Q1 功率 MOSFET 电流一个刻度一个刻度的改变，Y3 是保护电路输出电压。可以说，保护电路输出电压在约 100ns 内可降至 0。如果这个电压是用于驱动的 MOSFET，关闭过程对这个特殊的 MOSFET 从过电流情况的发生将在大约 500ns 内发生。因为电源 MOSFET 高峰电流能力远远高于其平均等级，电流上升时间被变换电路电感进一步限制，这种保护电路被认为对 MOSFET 的过电流保护是足够用的。为防止直流输入电压高的情况，变换器设计可以
11、基于替代半导体的设备，如具有消极饱和电压温度系数的特征的 IGBT 或 BJT。在这种情况下，上述保护电路可以用来测量经过有串路联系的电流分流器发展的电压的电源开关。IC 仪器放大器是被用来测量 AC 输出电压，提供高输入阻抗、很高的共态绝缘和良好温度稳定性。一个电压分频包括一个用来测量直流输入电压，从故障或相关的 DC 输入功率源或电容区联系保护变换器的整体增益隔离放大器（电压跟随器） ，此外，电力半导体开关在变换运行中也偶尔遇到过电压情况。这种情况下被适当解决在变换器设计阶段,用特殊电路（例如 RC 限制器）根据变换器局部要求被解决。 IC 温度传感器被用来测量环境温度。它的输出电压与温度是成比例的,同时6在很大范围内提供高精度的线性温度。此外，负的温度系数(NTC),低成本热敏电阻被用于监测变换器功率 MOSFET 的温度。一个机电开关（伺服电机，开关 S 见图 3）是用来从 DC 输入电源中隔离变换器,以防输入电压超过变换器规格的最高限制。(a)7(b) 图 4 为平行连接 MOSFET 制定的过电流保护电路
