车载逆变电源系统的研究外文翻译

变频器保护和实时监控系统
[摘要]
在现代，人们已经设计和建造出了关于保护和监控直流/交流转换器的系统，该系统是由一个快速反应的硬件保护单元、负载保护装置和自动检测故障发生的逆变器，同时附上一个计算关键操作步骤参数的微控制单元所组成。

文章并不是研究控制装置发生故障的情况。

由硬件结构和模拟传感器组成的控制单元是一个不仅低成本而且稳定可靠的控制单元。

实验结果表明，该实时系统能确保变频器正常运行并且还能监控故障的发生，任何由交流电机驱动的逆变电源都能用此装置来增加系统稳定性，此装置还可用于可再生能源系统中，等等。

一、简介
DC/AC电源逆变器在今天主要用于不间断的供电系统中，例如：感应热量和再生能源系统。

其功能是通过改变电压的幅值和频率将输入进来的直流电压转变成工作需要的交流电压。

这种逆变器的参数规格有输入、输出电压的范围，输出电压频率范围和最大的输出功率。

所以这种逆变器在大小操作系统中运用很广泛。

1. 逆变器一般要求工作在比较严格的环境内，因为经过此种逆变器而输出的的电压、电流会供给对参数变化非常敏感又昂贵的设备。

2. 由于变频器经常在恶劣环境下被运用，所以其本身具有自我保护的功能。

例如：应用在可再生能源和其他案例中关于温度和湿度的敏感变化。

变频器都能在一定的承受范围内正常工作。

3. 随时记录下逆变器的运行过程中的数据变化，假如设备出现故障，此设备都能
将故障原因告知使用者。

考虑到对于逆变器的保护，设计师们通常采用特殊的保护装置和控制电路。

运用最为广泛的保护方式是过电流保护，但是这种方式不是经常都有效，因为保险丝的动作时间太长，动作反应相对缓慢，有时难以起到预想的效果，因此是需要格外配备保护设备的继电器、限流电感。

滤波器具有抑制直流电源和瞬间负载的电压、电流变化引起的高次谐波的能力，同时它的缺点是会增加逆变器的功率损耗，和设备的成本、重量。

电源逆变器有内在的过流保护功能，能适当设计成与直流电感连接来构成过载保护的条件。

电压源逆变器（逆变器）包括一个滤波器的输出阶段，因此有一个输出短路条件的限制，这个限制称为输出滤波电感的电流上升率。

在前面的情况下，在高电感的情况下会导致逆变器损耗增加。

如果上述任何数量的超过预定的限制，将会产生一个由直流电源供应的驱动电机关闭的信号，将会影响到直流电源的输出。

在电机驱动应用中，变频器通常只用作过载保护或者作为一种使用侵入电流传感技术来起作用，用它来测量直流电流或负载电流或特殊电机控制算法技术。

然而，上述方法的实施都是在没有充分检测所有可能发生故障的情况下执行的，例如:一种直流环节中关于电容短路的电路。

如下图所示：
图1 关于电容短路电路图
先进的单片机技术已经领导着监控数字控制技术和控制逆变器的发展，利用卡门滤波器来监控输出电压的幅度和频率，这种的技术已经记载在参考文献[12]中。

虽然这种方式具有将一定数目的控制功能整合到单独一个芯片上的优势，但是其并不保护逆变器抵御所有故障的发生。

如果这种方式扩展应用到更重要的信号检测中，系统将不会很迅速的保护逆变器来应对发生的故障；相反就需要更快的微控制器或者数字信号处理器（TMS）来保护逆变器，但这同样会增加系统成本。

对于检测一个逆变器是否发生故障，现在已经提出了好几种方法，例如一种检测电源开关是否发生故障的诊断系统，它是一个由脉宽调制逆变器供电的同步电流传感器，这部分资料在参考文献[13]上体现，这是在分析电流适量轨迹和瞬时频率
的基础上得到的故障模式。

由专家分析出来的故障诊断系统是基于逆变器的实时监控的并在参考文献[14]上体现，上述提到的方法旨在帮助系统在出现故障后排除故障原因。

在上述的所有方法中可以得到的是大部分逆变器是不完全履行先前逆变电源要求的执行步骤（步骤1-3）。

在本文中，用来保护和监控直流/交流逆变器的低成本控制单元将会被介绍。

该系统是由以下几个部件组成的：
（一）硬件保护单元，在逆变器电路特定点得到的比较适当信号会与预定水平的信号相比较，以便确定最适合系统的信号来执行正确系统操作。

；
（二）一个基于控制器的实时系统监测着逆变器操作时的所有关键参数的变化。

当系统发生故障时，保护装置中的硬件部分会立即启动确保逆变器万无一失，与此同时微控制单元会立即通知操作员系统发生故障。

微控制器单元会通过遥感—232协议来与计算机进行通信。

这些必要的变频器参数是基于微控制器的实现并衡量非侵入性和非耗散型操作来确定的。

一般首选的更快的处理器是由于其较低的成本。

然而，一个数字信号处理器将作为一个附加的实现数字化的控制功能模块（即功率半导体控制器，其带有先进的电池检测算法，等等），在这篇文章中并不针对研究控制单元发生的障碍。

这篇论文的组织结构如下：变频器的硬件发生故障的原因解释记录在第2节；关于传感器和驱动器时间和力量上的检测问题在第3节里解释；第4节里提出控制和监控单位；微控制器单元的算法分析在第5节，同时结果在第6节。

二、逆变器硬件结构和故障原因
一般通用逆变器的结构图如图2所示。

建立在IGBT桥梁调节得到的直流输入电压为正弦脉宽调制波，低通滤波器，LC型过滤器是用来调制解调输出（220V、50HZ）正弦波形，而电源变压器是用于生产低失真输出所需的高电压，另外，电源功率的大小取决于逆变器功率和直流输入电压值理想效率。

逆变器操作过程中可能出现的问题在下方列出：
1.经过输入电压输出的逆变器的规格
2．电路超载时的情况
3.瞬时变化的输出电压，例如，连接和断开电机时的瞬间电压
4.电路短路时的输出状况
5.逆变器输出的电压和频率规格
6.在高温环境下，半导体特性的变化
7．高湿度环境可能影响电子器件的动作
8.其他突发因素影响，例如逆变器的驱动电路发生故障，等
如果上述任意一种问题发生，逆变器必须立即停止运行来保护负载和逆变器电源免遭破坏，同时系统管理者必须得到关于这个问题的相关资料。

平均发生故障的间隔时间（平均无故障）是正常工作时间几万倍。

三、传感器
该传感器在逆变器的显示图如下图所示3.霍尔传感器用于测量直流输入电流和交流输出电流。

他们有较好的分流电阻，如从主电源电路独立地隔离出灰尘、湿
度及时间等特征，此外，
它们还具有频率带宽的特点，包括低温变化下的直流操作变化特点，所以他们是理想的电流检测逆变器。

无反馈的霍尔效应传感器能保证低功耗。

但是，因为反应速度比较缓慢，所以在过流的情况下不能有效保护功率半导体。

因此，过流保护电路一般都采用组组并联的场效应管，如下图所示
图3 传感器在逆变电路的显示图
四、结论
这种低成本、实时控制装置的开发，它能有效地保护和检测直流/交流逆变器，该系统的目标是在确保逆变器输出电压下降为零的情况（也就是无故障、安全的情况）；当操作不当时，控制单元就会发生故障，再将故障发生的情况和关键参数细节会传递给系统管理者，此系统的设计是基于高性能的单片机和现成的电子元件，利用实验模拟出控制单元的模型，并在实验室内构建和测试最贴合系统的正弦脉宽调制逆变器。

实验结果证明：该系统保证了变频器的正常使用和确保故障发生时的安全操作。

该装置能增加系统的可靠性，由交流电机驱动的任何电源变频器和可再生能源系统，等等。

在后一种情况下电池的充电和交流/直流转换器的监测中包括现有的微控制器算法、先进的电池检测算法和数字脉宽调制逆变器技术，所以，在今后这种系统会在更广阔的领域中被使用。