电机软启动器及其执行的保护方法与流程

1.本公开涉及一种电机软启动器以及该电机软启动器执行的保护方法。


背景技术：

2.在由三相交流电源供电的电机的启动和关闭期间，可能会出现瞬态电流和电压，导致损伤电机、对电网形成冲击，并可能对其他用电设备造成不良影响。在三相交流电源和电机之间接入电机软启动器可以有效地限制这些损伤、冲击和不良影响。目前的电机软启动器使用晶闸管实现，不具备短路保护功能。


技术实现要素：

3.本公开的一方面提供一种电机软启动器，用于连接在三相供电电源和电机负载之间。该电机软启动器包括：第一相桥臂电路、第二相桥臂电路、第三相桥臂电路和控制单元。第一相桥臂电路、第二相桥臂电路和第三相桥臂电路用于各自连接于三相供电电源的一相上。每个相桥臂电路包括第一电力半导体开关、第二电力半导体开关和驱动保护单元。第一电力半导体开关和第二电力半导体开关各自包括第一端、第二端和控制端。第一电力半导体开关的第二端与第二电力半导体开关的第二端连接并串联于三相供电电源的一相中。驱动保护单元用于驱动第一电力半导体开关和第二电力半导体开关，采集第一电力半导体开关的第一端和第二端之间的第一电压以及第二电力半导体开关的第一端和第二端之间的第二电压，判断第一电压和第二电压是否大于阈值电压，并且响应于第一电压和/或第二电压大于阈值电压，控制第一电力半导体开关和第二电力半导体开关的控制端的电压以关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关，以及向控制单元输出关断信号。控制单元与每个相桥臂电路中的驱动保护单元连接，用于在从一个相桥臂电路的驱动保护单元接收到关断信号的情况下，向另两个相桥臂电路的驱动保护单元输出控制信号，以控制另两个相桥臂电路的驱动保护单元关断各自的第一电力半导体开关和第二电力半导体开关。
4.可选地，该驱动保护单元包括比较电路、第一驱动电路和第二驱动电路。其中，比较电路用于采集第一电压和第二电压，判断第一电压和第二电压是否大于阈值电压，并且响应于第一电压和/或第二电压大于阈值电压，向第一驱动电路、第二驱动电路输出关断信号，以及向控制单元输出关断信号。第一驱动电路响应于接收到关断信号，控制第一电力半导体开关的控制端的电压以关断第一电力半导体开关。第二驱动电路响应于接收到关断信号，控制第二电力半导体开关的控制端的电压以关断第二电力半导体开关。
5.可选地，每个相桥臂电路还包括电流采样电路，用于采集三相供电电源的一相的相电流，并向控制单元输出所采集的相电流的值。控制单元基于各相的所采集的相电流的值判断是否发生热过载，并且响应于发生热过载，控制各相桥臂电路的驱动保护单元中的第一驱动电路和第二驱动电路在对应的相电流的过零点之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在该过零点之后且在对应的相电流的周波结束之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。
6.可选地，每个相桥臂电路还包括电压采样电路，用于采集三相供电电源的一相的相电压，并向控制单元输出所采集的相电压的值。控制单元基于各相的所采集的相电压的值判断是否发生过电压或欠电压，并且响应于发生过电压或欠电压，控制各相桥臂电路的驱动保护单元中的第一驱动电路和第二驱动电路在对应的相电压的过零点之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在该过零点之后且在对应的相电压的周波结束之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。
7.可选地，第一电力半导体开关和第二电力半导体开关是绝缘栅双极型晶体管(igbt)，第一端、第二端和控制端分别为其集电极、发射极和基极。或者，第一电力半导体开关和第二电力半导体开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，第一端、第二端和控制端分别为其漏极、源极和栅极。
8.可选地，第一电力半导体开关和第二电力半导体开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(sic mosfet)。
9.可选地，该电机软启动器还包括电源隔离电路，该电源隔离电路包括输入端和多个输出端，输入端连接三相供电电源或者单相交流电源，或者低压直流电源，多个输出端分别连接控制单元和每个相桥臂电路的驱动保护单元，以向控制单元和驱动保护单元独立地供电。
10.可选地，该电机软启动器还包括与每个相桥臂电路并联的吸收电路，用于抑制浪涌电流。
11.本公开的另一方面提供一种电机软启动器执行的保护方法。电机软启动器连接在三相供电电源和电机负载之间，其包括第一相桥臂电路、第二相桥臂电路、第三相桥臂电路以及控制单元。第一相桥臂电路、第二相桥臂电路和第三相桥臂电路各自连接于三相供电电源的一相中。每个相桥臂电路包括第一电力半导体开关和第二电力半导体开关，第一电力半导体开关和第二电力半导体开关各自包括第一端、第二端和控制端。第一电力半导体开关的第二端与第二电力半导体开关的第二端连接，并串联于三相供电电源的一相中。该保护方法包括：采集第一电力半导体开关的第一端和第二端之间的第一电压以及第二电力半导体开关的第一端和第二端之间的第二电压；判断第一电压和第二电压是否大于阈值电压；响应于一相桥臂电路的第一电压和/或第二电压大于阈值电压，控制所有相桥臂电路的第一电力半导体开关和第二电力半导体开关的控制端的电压以关断所有相桥臂电路的第一电力半导体开关和第二电力半导体开关。
12.可选地，该保护方法还包括：采集三相供电电源的每一相的相电流；基于每一相的所采集的相电流的值判断是否发生热过载；响应于发生热过载，控制所有相桥臂电路在对应的相电流的过零点之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在该过零点之后且在对应的相电流的周波结束之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。
13.可选地，该保护方法还包括：采集三相供电电源的每一相的相电压；基于每一相的所采集的相电压的值判断是否发生过电压或欠电压；响应于发生过电压或欠电压，控制所有相桥臂电路在对应的相电压的过零点之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在该过零点之后且在对应的相电压的周波结束之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。
附图说明
14.通过下面结合附图对实施例的描述，本公开的方面、特征和优点将变得更加清楚和容易理解，其中：
15.图1示出了根据现有技术的使用晶闸管的电机软启动器的示意结构图；
16.图2示出了根据本公开实施例的电机软启动器的示意结构图；
17.图3示出了根据本公开另一实施例的电机软启动器的示意结构图；
18.图4示出了根据本公开另一实施例的电机软启动器的示意结构图；
19.图5a示出了三相供电电源的一相的相电流的示意波形图；
20.图5b示出了三相供电电源的一相的相电流在第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中流通的示意图；
21.图5c示出了三相供电电源的一相的相电压的示意波形图；
22.图6示出了根据本公开另一实施例的电机软启动器的示意结构图；
23.图7示出了由根据本公开实施例的电机软启动器执行的保护方法的示意流程图。
具体实施方式
24.下面将参考本公开的示例性实施例对本公开进行详细描述。然而，本公开不限于这里所描述的实施例，其可以以许多不同的形式来实施。所描述的实施例仅用于使本公开彻底和完整，并全面地向本领域的技术人员传递本公开的构思。所描述的各个实施例的特征可以互相组合或替换，除非明确排除或根据上下文应当排除。
25.图1示出了根据现有技术的使用晶闸管的电机软启动器的示意结构图。
26.参考图1，三相供电电源为具有a相、b相和c相的三相供电电源。在三相供电电源和电机负载m之间，在每一相接入两个反并联的晶闸管，例如，在a相接入反并联的晶闸管vt1和vt2，在b相接入反并联的晶闸管vt3和vt4以及在c相反并联的接入晶闸管vt5和vt6。每个晶闸管vt1至vt6在电流从其阳极流向阴极并且门极被施加触发电流或触发电压时导通。由该软启动器实施的电机软启动过程是指通过控制施加到各个晶闸管vt1至vt6的门极的触发电流或触发电压而控制各个晶闸管vt1至vt6在相电流或相电压的波形中的导通时间段，使电机负载m的输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直到电机负载m被赋予全电压。由于晶闸管损耗太大，不适合持续导通，在软启动过程结束之后，旁路继电器的触点吸合，使各个晶闸管vt1至vt6短路，由旁路继电器继续执行导通工作。同理，由该软启动器实施的电机软停止过程是指通过控制施加到各个晶闸管vt1至vt6的门极的触发电流或触发电压而控制各个晶闸管vt1至vt6在相电流或相电压的波形中的导通时间段，使电机负载m的输入电压从全电压以预设函数关系逐渐下降到零。
27.图1所示的软启动器存在以下缺点。第一，晶闸管为半控器件，无法可控地关断，不能提供短路保护，需要借助于保险丝熔断来实施短路保护。第二，继电器为机械开关，触点的每一次接触和分离均会产生电弧而导致触点受到一定程度的损伤，因此其开关次数有限。第三，晶闸管的热容量很小，在实施电机软启动和软停止过程中发热量较大，因此该软启动器的制备尺寸必须较大。第四，晶闸管对过电流的承受能力差，一旦发生过电流，温度急剧上升，可能将pn结烧坏，造成内部短路或开路。第五，晶闸管对过压的承受能力差，若电压超过其反向击穿电压，即使时间极短，也容易被损坏；若电压超过其转折电压，则其误导
通，误导通后电流较大，也容易被损坏。
28.鉴于此，本公开了一种新型的电机软启动器。根据本公开实施例的电机软启动器使用例如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或绝缘栅双极型晶体管(igbt)等电力半导体开关作为开关元件、结合相关驱动保护单元和控制单元构建三相桥臂电路，以分别控制三相供电电源中的每一相的接通和断开，能够有效地实现现有的使用晶闸管的电机软启动器不能实现的短路保护功能，并且能够实现过零切断功能、热过载保护功能、过欠压保护功能等，且比现有的使用晶闸管的电机软启动器具有更多的开关次数，更好的耐热性，且可以被制备得比现有的使用晶闸管的电机软启动器更小、更轻薄。
29.图2示出了根据本公开实施例的电机软启动器1的示意结构图。
30.参考图2，根据本公开实施例的电机软启动器1连接在三相供电电源和电机负载m之间。电机软启动器1包括第一相桥臂电路10、第二相桥臂电路20、第三相桥臂电路30以及控制单元40。
31.第一相桥臂电路10、第二相桥臂电路20和第三相桥臂电路30中的每一个分别连接于三相供电电源的a相、b相和c相中。第一相桥臂电路10包括第一电力半导体开关g1、第二电力半导体开关g2和驱动保护单元110。第二桥臂电路20包括第一电力半导体开关g3、第二电力半导体开关g4和驱动保护单元210。第三桥臂电路30包括第一电力半导体开关g5、第二电力半导体开关g6和驱动保护单元310。
32.第一电力半导体开关g1、g3和g5以及第二电力半导体开关g2、g4和g6各自包括第一端、第二端和控制端。第一电力半导体开关和第二电力半导体开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，则它们的第一端、第二端和控制端分别是漏极、源极和栅极。第一电力半导体开关和第二电力半导体开关也可以是绝缘栅双极型晶体管(igbt)，则它们的第一端、第二端和控制端分别是集电极、发射极和基极。图1中示出第一电力半导体开关和第二电力半导体开关为mosfet为例，下文也主要以mosfet为例进行说明，但这并不是对本公开的限制。
33.在每一相桥臂电路10、20和30中，第一电力半导体开关g1、g3和g5的第二端与第二电力半导体开关g2、g4和g6的第二端分别连接，即第一电力半导体开关g1、g3和g5与第二电力半导体开关g2、g4和g6反向连接，并且串联于对应的相中。如图1所示，第一电力半导体开关g1的源极和第二电力半导体开关g2的源极连接，并串联于a相中。第一电力半导体开关g3的源极与第二电力半导体开关g4的源极连接，并串联于b相中。第一电力半导体开关g5的源极与第二电力半导体开关g6的源极连接，并串联于c相中。第一电力半导体开关g1、g3和g5的源极与第二电力半导体开关g2、g4和g6的源极的连接点可以接地。
34.驱动保护单元110、210和310用于驱动第一电力半导体开关g1、g3和g5和第二电力半导体开关g2、g4和g6，可以通过调整供给g1至g6的控制端的电压来控制它们的导通与关断。
35.控制单元40可以是微控制器(micro controller unit，mcu)、单片机、微型计算机或者能被编程以数字化方式实现控制功能的其他设备或装置。控制单元40与每个相桥臂电路10、20、30中的驱动保护单元110、210、310连接，接收由驱动保护单元110、210和310馈送的信号，并控制驱动保护单元110、210和310对第一电力半导体开关g1、g3和g5和第二电力半导体开关g2、g4和g6的驱动。
36.根据本公开实施例的电机软启动器1通过使电机负载m的输入电压从零逐渐上升至全电压来实施电机负载m的软启动过程，以及使电机负载m的输入电压从全电压逐渐下降至零来实施电机负载m的软停止过程。
37.如图2所示，以mosfet作为开关元件为例，每个电力半导体开关g1至g6在施加于其栅极和源极之间的电压大于其导通电压时被导通。基于此原理，控制单元40可以被编程以数字化方式控制驱动保护单元110、210、310按预设函数关系调整供给各个电力半导体开关g1至g6的栅极的电压，以控制它们在对应相电流或相电压的周波期间的导通时间段，从而使电机负载m的输入电压从零逐渐上升至全电压或者从全电压逐渐下降至零。
38.如此，与现有的使用晶闸管的电机软启动器相比，根据本公开实施例的电机软启动器1由于使用的是比晶闸管的热容量更大、导通损耗更小的igbt和mosfet，例如具有高耐压低导通损耗特性的sic mosfet，在电机软启动和软停止过程中发热更少、损耗更小，有助于软启动器整体尺寸的小型化和轻薄化。
39.根据本公开实施例的电机软启动器1具有短路保护功能。
40.当电机负载m发生短路时，三相中的某一相或某几相可能为短路故障相。短路故障相会出现大电流，可能引起电机负载m本身的例如绕组端部变形、损伤绝缘、产生足以破坏结构性部件的强大机械应力等危害，还可能对供电网络造成冲击，影响其他用电设备的正常工作。
41.参考图2，驱动保护单元110、210、310分别采集第一电力半导体开关g1、g3、g5的第一端和第二端之间的第一电压v
ds1
、v
ds3
和v
ds5
以及第二电力半导体开关g2、g4、g6的第一端和第二端之间的第二电压v
ds2
、v
ds4
和v
ds6
。接着，判断各相的第一电压或第二电压是否大于阈值电压v
t
。阈值电压v
t
根据允许流经开关g1、g3、g5、g2、g4、g6的最大电流和此开关的伏安特性曲线来确定。当判断该第一电压和第二电压之一或两者大于阈值电压v
t
时，认为电机负载m发生了短路，则需要关断开关g1至g6。
42.以a相发生了短路为例，a相出现大电流，流经a相的第一电力半导体开关g1和第二电力半导体开关g2的电流增大，第一电力半导体开关g1的漏极和源极之间的第一电压v
ds1
以及第二电力半导体开关g2的漏极和源极之间的第二电压v
ds2
增大。当驱动保护单元110判断第一电压v
ds1
和第二电压v
ds2
中的一个或两者大于阈值电压v
t
时，驱动保护单元110控制第一电力半导体开关g1和第二电力半导体开关g2的栅极的电压，使g1和g2的各自的漏极和源极之间的电压v
gs1
和v
gs2
小于其各自的导通电压而关断g1和g3，从而使得a相被切断。为了使b相和c相也被切断，驱动保护单元110还向控制单元40输出关断信号off。
43.控制单元40与每个相桥臂电路10、20、30中的驱动保护单元110、210和310连接，在从驱动保护单元110接收到关断信号off的情况下，向另两个相桥臂电路20、30的驱动保护单元210和310分别输出控制信号mc，以控制驱动保护单元210和310以与驱动保护单元110关断g1和g2相同的方式关断各自的第一电力半导体开关g3、g5和第二电力半导体开关g4、g6。
44.如此，区别于现有的使用晶闸管的电机软启动器不能提供短路保护功能而只能通过额外的保险丝熔断机制来实施短路保护，根据本公开实施例的电机软启动器1本身就能提供短路保护功能而无需额外机制，在发生电机负载m短路时，将短路故障相和非短路故障相先后迅速切断，使电机负载m本身以及供电电网和其他用电设备免受短路的影响。
45.图3示出了根据本公开另一实施例的电机软启动器1的示意结构图，其中进一步示出了图2中的驱动保护单元。
46.由于第一相桥臂电路10、第二相桥臂电路20和第三相桥臂电路30具有相同的配置，为简便起见，图3仅示出第一相桥臂电路10的详细框图。
47.参考图3，驱动保护单元110包括比较电路111、第一驱动电路112和第二驱动电路113。控制单元40包括至少6个驱动端口d1～d6以及i/o端口。驱动端口d1、d2分别与驱动保护单元110中的第一驱动电路112、第二驱动电路113连接。端口d3、d4分别与驱动保护单元210中的第一和第二驱动电路(图3中未示出)连接，端口d5、d6分别与驱动保护单元310中的第一和第二驱动电路(图3中未示出)连接。每一个驱动保护单元110、210和310可以在判断发生了短路的情况下向控制单元40的i/o端口输出关断信号off，控制单元40则经由驱动端口d1～d6向驱动保护单元中的第一和第二驱动电路输出控制信息mc，以控制关断另外的第一电力半导体开关和第二电力半导体开关。
48.以a相为例，如图3所示，比较电路111采集第一电力半导体开关g1的漏极和源极之间的第一电压v
ds1
以及第二电力半导体开关g2的漏极和源极之间的第二电压v
ds2
。然后，比较电路111判断第一电压v
ds1
和第二电压v
ds2
是否大于阈值电压v
t
。响应于第一电压v
ds1
和第二电压v
ds2
中的一个或两者大于阈值电压v
t
，向第一驱动电路112、第二驱动电路113输出关断信号off，以及向控制单元40的i/o端口输出关断信号off。
49.第一驱动电路112响应于接收到关断信号off，控制第一电力半导体开关g1的栅极的电压，使g1的栅极和源极之间的电压v
gs1
小于其导通电压，从而关断g1。
50.第一驱动电路113响应于接收到关断信号off，控制第二电力半导体开关g2的栅极的电压，使g2的栅极和源极之间的电压v
gs2
小于其导通电压，从而关断g2。
51.控制单元40响应于经由其i/o端口从驱动保护单元110接收到关断信号off，经由驱动端口d3和d4分别向驱动保护单元210中的第一和第二驱动电路输出控制信息mc，以及经由端口d5和d6分别向驱动保护单元310中的第一和第二驱动电路输出控制信息mc。
52.驱动保护单元210中的第一驱动电路(图3中未示出)响应于接收到控制信息mc，控制第一电力半导体开关g3的栅极的电压，使g3的栅极和源极之间的电压v
gs3
小于其导通电压，从而关断g3。
53.驱动保护单元210中的第二驱动电路(图3中未示出)响应于接收到控制信息mc，控制第二电力半导体开关g4的栅极的电压，使g4的栅极和源极之间的电压v
gs4
小于其导通电压，从而关断g4。
54.驱动保护单元310中的第一驱动电路(图3中未示出)响应于接收到控制信息mc，控制第一电力半导体开关g5的栅极的电压，使g5的栅极和源极之间的电压v
gs5
小于其导通电压，从而关断g5。
55.驱动保护单元310中的第二驱动电路(图3中未示出)响应于接收到控制信息mc，控制第二电力半导体开关g6的栅极的电压，使g6的栅极和源极之间的电压v
gs6
小于其导通电压，从而关断g6。
56.如此，根据本公开实施例的电机软启动器1利用比较电路向第一和第二驱动电路馈送指示电机负载m发生短路的关断信号off，以将短路故障相迅速切断，以及比较电路还向控制单元40馈送该关断信号off，以使控制单元反过来控制驱动保护单元将其他非短路
故障相随之切断，从而实现了短路保护功能。
57.在一些实例中，控制单元40与驱动保护单元110、210、310之间是电气隔离的，相互之间没有电流直接流动的路径，需要借助光、声、磁等其他能量形式将关断信号off从比较电路111传递到控制单元40。在这种情况下，驱动保护单元110、210、310各自还可以包括连接于比较电路和控制单元40之间的诸如光耦合器件、声耦合器件、磁耦合器件等信能量转换器件。该能量转换器件从比较电路接收以电能量形式的关断信号off，并将其转换成光能量、声能量、磁能量等其他能形式的关断信号off并输出到控制单元40。
58.图4是根据本公开另一实施例的电机软启动器1的示意结构图。
59.根据本公开实施例的电机软启动器1还可以实现热过载保护功能并且能够以过零切断机制切断三相供电电源。
60.热过载是指三相电流持续过大引起设备发热，导致设备温度升高，可能使设备内器件超过耐热极限而受损的现象。当发生热过载时，需要将三相供电电源切断，以防止电机负载m因温度太高而受损。并且，由于电机负载m是感性负载，期望在靠近电压过零点或者电流过零点时切断供电电源，以防止在断电的瞬间电机负载m中的线圈产生反向电动势而损坏其他电气元件。
61.参考图4，电机软启动器1中的每相桥臂电路10、20、30可以包括电流采样电路，用于采集每一相的相电流ia、ib和ic，并向控制单元40输出所采集的相电流ia、ib和ic的值。为简便起见，图4中仅示出a相的电流采样电路114。电流采样电路114可以通过电流互感器、分流电阻等熟知的各种方式来实现，本公开对此不做限制。
62.控制单元40还包括电流采样端口si，用于接收每一相的所采集的相电流ia、ib和ic的值(例如，图5a示出根据所采集的相电流ia的值形成的相电流ia的波形)。然后，控制单元40根据所采集的相电流的这些值判断是否发生热过载。例如，根据所采集的相电流ia、ib和ic的这些值可以计算三相供电电流的有效值i，若有效值i超过阈值电流i
t
达预定义时间段，则认为发生热过载。阈值电流i
t
可以根据相关产品标准和设定的软启动器1的额定电流来确定。然后，控制单元40控制所有相桥臂电路10、20、30的驱动保护单元110、210、310在对应的相电流的过零点之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在该过零点之后且在对应的相电流的周波结束之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个，即以过零切断机制切断三相供电电源。
63.下面结合图5a和图5b来说明基于三相供电电源的一相的相电流的采样值在过零点切断该相的原理。
64.图5a是示出三相供电电源的一相的相电流的示意波形图。图5b示出了三相供电电源的一相的相电流在对应的第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中流通的示意图。
65.结合图5a和图5b，控制单元40接收到相电流ia的采样值以形成相电流ia的波形。在该波形的正半周期，相电流ia依次流经第一电力半导体开关g1的漏极、源极和第二电力半导体开关g2的寄生二极管，而在该波形的负半周期，相电流ia依次流经第二电力半导体开关g2的漏极、源极和第一电力半导体开关g1的寄生二极管。
66.控制单元40可以根据接收到的相电流ia的值(即该波形)确定相电流ia的过零点t2，然后控制第二驱动电路113在该过零点t2之前将第二电力半导体开关g2关断。例如，这可以包括：预先设置电流切断阈值i
ath
、在检测到相电流ia波形下坡并且相电流ia达到电流
切断阈值i
ath
的时刻t1控制第二驱动电路112将第二电力半导体开关g2关断，其中电流切断阈值i
ath
可以设置为接近过零点的电流值。在t1之后且在t2之前，相电流ia仍依次流经第一电力半导体开关g1的漏极、源极和第二电力半导体开关g2的寄生二极管。一旦到达过零点t2，相电流ia换向，但由于g2已被关断，相电流ia便被切断，实现了过零切断。g2被关断之后，控制单元40控制第一驱动电路112在过零点t2之后且周波结束t3之前关断第一电力半导体开关g1，之后虽然相电流ia在t3换向，但由于g1已被关断，相电流ia不能在g1和g2之间流通，相a被切断。
67.基于相电流ib和ic的采样值在对应的过零点切断b相和c相的原理与此类似，此处不再重复描述。
68.由此，根据本公开的电机软启动器1能够在检测到热过载时，可以过零切断机制切断三相供电电源。
69.根据本公开实施例的电机软启动器1还可以实现过欠压保护功能并且能够以过零切断的机制切断三相供电电源。
70.过欠压包括过压和欠压。过压可能导致用电设备击穿、烧毁、甚至人身伤亡等事故。欠压可能导致生产效率降低、影响正常生活，甚至电机烧毁(时间较长时)、大面积停电等事故。当发生过压或欠压时，根据用户的需求，可能只需要报警或者提示，也可能需要将三相供电电源切断。
71.参考图4，电机软启动器1中的每一相桥臂电路10、20、30可以包括电压采样电路，用于采集每一相的相电压ua、ub和uc，并向控制单元40输出所采集的相电压ua、ub和uc的值。为简便起见，图4中仅示出a相的电压采样电路115。电压采样电路115可以通过分压电阻等熟知的各种方式来实现，本公开对此不做限制。
72.控制单元40还包括电压采样端口su，用于接收每一相的所采集的相电压ua、ub和uc的值(例如，图5c示出根据所采集的相电压ua的值形成的相电压ua的波形)。然后，控制单元40根据所采集的相电压ua、ub和uc的这些值判断是否发生过压或欠压。例如，根据所采集的相电流ua、ub和uc的这些值可以计算三相供电电压的有效值u，若有效值u超过最大阈值电压u
max
达预定义时间段，则认为发生了过压，或者若有效值u低于最小阈值电压u
min
达预定义时间段，则认为发生欠压。最大阈值电压u
max
与开关g1、g3、g5、g2、g4、g6所能承受的最大电压有关，最小阈值电压u
min
与电机负载m正常工作所需的最低电压有关。然后，控制单元40控制每一相桥臂电路10、20、30的驱动保护单元110、210、310在对应的相电压的过零点之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在该过零点之后且在对应的相电压的周波结束之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。即以过零切断机制切断三相供电电源。
73.下面结合图5c和图5b来说明基于三相供电电源的一相的相电压的采样值在过零点切断该相的原理。
74.图5c是示出三相供电电源的一相的相电压的示意波形图。
75.结合图5c和图5b，控制单元40接收到相电压ua的采样值以形成相电压ua的波形。在该波形的正半周期，相电流依次流经第一电力半导体开关g1的漏极、源极和第二电力半导体开关g2的寄生二极管，而在该波形的负半周期，相电压ua依次流经第二电力半导体开关g2的漏极、源极和第一电力半导体开关g1的寄生二极管。
76.控制单元40可以根据接收到的相电压ua的值确定相电压ua的过零点t5，然后控制第二驱动电路113在该过零点t5之前将第二电力半导体开关g2关断。例如，这可以包括：预先设置电压切断阈值u
ath
、在检测到相电压ua波形下坡并且相电压ua达到电压切断阈值u
ath
的时刻t4控制第二驱动电路113将第二电力半导体开关g2关断，其中，电压切断阈值u
ath
可以设置为接近过零点t5的电压值。在t4之后且t5之前，相电流仍依次流经第一电力半导体开关g1的漏极、源极和第二电力半导体开关g2的寄生二极管。一旦到达过零点t5，相电压ua换向，但由于g2已关断，相电流便被切断。g2被关断之后，控制单元40控制第一驱动电路112在过零点t5之后且电压周波结束t6之前关断第一电力半导体开关g1，之后虽然相电压ua在t6换向，但由于g1已被关断，相电流不能在g1和g2之间流通，相a被切断。
77.基于相电压ub和uc的采样值在对应的过零点切断b相和c相的原理与此类似，此处不再重复描述。
78.由此，根据本公开的电机软启动器1还具有过欠压保护功能，并且在检测到过压或欠压时，能够以过零切断机制切断三相供电电源。
79.图4将电流采样电路114和电压采样电路115示出为位于驱动保护单元的内部，但它们也可以位于驱动保护单元的外部，本公开对此不做限制。
80.上述结合热过载保护功能和过欠压保护功能来描述的过零切断机制不仅适用于热过载和过欠压情况下的切断，也适用于前述电机软停止、前述控制单元40向驱动保护单元输出控制信息mc以关断非短路故障相的第一和第二电力半导体开关等情况下的切断。
81.图2至图4中示出电力半导体开关g1、g3、g5、g2、g4、g6为mosfet，如前所述的，这些开关也可以为igbt。与使用mosfet作为开关元件时相同的原理，使用igbt的电机软启动器1也同样具有短路保护功能、热过载保护功能、过欠压保护功能、以过零切断机制切断三相供电电源的功能等。不同之处在于，参考图2，由于igbt对热的承受能力比mosfet强，使用igbt时，驱动保护单元110响应于电机负载m的短路而输出关断信号off的响应时间可以被设计得更长，也即，igbt可以在对短路保护响应速度要求较低的情形下使用。而在对导通损耗和温度特性要求较高的情形下，选择mosfet，特别是sic mosfet将更有益。选择使用igbt还是mosfet是根据用户的使用需求确定的，本公开对此不做限制。
82.图6示出了根据本公开另一实施例的电机软启动器的示意结构图。
83.参考图6，根据本公开实施例的电机软启动器1的还包括电源隔离电路50和吸收电路60。为简便起见，图6中省略了每一相相桥臂电路10、20、30的详细结构。
84.电源隔离电路50包括输入端和多个输出端，输入端连接三相供电电源、单相交流电源或低压直流电源(诸如24v直流电源)，多个输出端分别连接控制单元40和每个相桥臂电路的驱动保护单元110、210、310，以向控制单元40和驱动保护单元110、210、310独立地供电。
85.吸收电路60的每一相桥臂电路并联，用于吸收电路中的感性能量，抑制浪涌电流。吸收电路60可以由压敏电阻、气体放电管、半导体瞬态抑制管等器件以熟知的方式构成，本公开对此不做限制。
86.以上结合图2至图6描述了根据本公开实施例的电机软启动器1的主要结构和功能。可知，根据本公开实施例的电机启动器1使用igbt或mosfet、对应的驱动保护单元以及控制单元来构造针对三相供电电源的每一相的桥臂电路，除了能够实现电机负载的软启动
和软停止功能，还提供短路保护功能、过零切断功能、热过载保护功能以及过欠压保护功能等。
87.图7示出了由根据本公开实施例的电机软启动器1执行的保护方法的示意流程图。
88.参考图7，根据本公开实施例的电机软启动器1(例如，如图2至图6所示的电机软启动器1)可以执行保护方法700。该保护方法700包括步骤s710至s730。
89.在步骤s710，对于每一相桥臂电路，采集第一电力半导体开关的第一端和第二端之间的第一电压以及第二电力半导体开关的第一端和第二端之间的第二电压。例如，如前所述的，a相中的比较电路113采集mosfet g1的漏极和源极的第一电压v
dg1
以及mosfet g2的漏极和源极的第二电压v
dg2
。
90.在步骤s720，对于每一相桥臂电路，判断第一电压和第二电压是否大于阈值电压。例如，如前所述，a相中的比较电路113判断第一电压v
dg1
和第二电压v
dg2
是否大于阈值电压v
t
。
91.在步骤s730，响应于一相桥臂电路的第一电压和/或第二电压大于阈值电压，控制所有相桥臂电路的第一电力半导体开关和第二电力半导体开关的控制端的电压，以关断所有相桥臂电路的第一电力半导体开关和第二电力半导体开关。例如，如前所述，a相中的第一驱动电路112响应于从比较电路111接收到关断信号off，控制a相中的mosfet g1和g2的栅极的电压，以关断g1和g2。并且，控制单元40响应于从a相桥臂电路中的比较电路113接收到关断信号off，控制b相中的mosfet g3和g4以及和c相中的mosfet g5和g6的栅极的电压，以关断g1至g6。
92.根据本公开的实施例，保护方法700还可以包括步骤s740～s760。在步骤s740，采集三相供电电源的每一相的相电流。在步骤s750，基于每一相的所采集的相电流的值判断是否发生热过载。在步骤s760，响应于发生热过载，控制所有相桥臂电路在对应的相电流的过零点之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在该过零点之后且在对应的相电流的周波结束之前关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。由于前面已经结合图4、图5a和图5b描述了根据本公开实施例的电机软启动器1以过零切断机制实施热过载保护的过程，为避免重复，此处不再赘述。
93.根据本公开的实施例，保护方法700还可以包括步骤s770～s790。在步骤s770，采集三相供电电源的一相的相电压。在步骤s780，基于每一相的所采集的相电压的值判断是否发生过电压或欠电压。在步骤s790，响应于发生过电压或欠电压，控制所有相桥臂电路在对应的相电压的过零点之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在该过零点之后且在对应的相电压的周波结束之前关断第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。由于前面已经结合图4、图5b和图5c描述了根据本公开实施例的电机软启动器以过零切断机制实施过欠压保护的过程，为避免重复，此处不再赘述。
94.以上，参考附图描述了根据本公开实施例的电机软启动器和该电机软启动器执行的保护方法。与现有技术的使用晶闸管的电机软启动器相比，根据本公开实施例的电机软启动器具有以下优点：本身具有短路保护功能而无需诸如保险丝熔断等外部短路保护机制；能够实现在对应的相电流或相电压的过零点切断三相供电电源的过零切断功能；具有热过载保护功能；具有过欠压保护功能；由于不需要诸如继电器之类的机械开关，其开关次数远远高于使用晶闸管的电机软启动器；由于使用耐热性、耐压性、导通损耗性能均优于晶
闸管的igbt、mosfet、甚至温度特性和导通损耗特性优于普通mosfet的sic mosfet做为开关元件，该电机软启动器的尺寸比使用晶闸管的电机软启动器更小，整体更轻薄。
95.本公开的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
96.以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
97.本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
98.可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。
99.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
100.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

技术特征：
1.一种电机软启动器，用于连接在三相供电电源和电机负载之间，包括：第一相桥臂电路、第二相桥臂电路和第三相桥臂电路，用于各自连接于所述三相供电电源的一相上；以及控制单元，其中每个相桥臂电路包括第一电力半导体开关、第二电力半导体开关和驱动保护单元；所述第一电力半导体开关和所述第二电力半导体开关各自包括第一端、第二端和控制端，所述第一电力半导体开关的第二端与所述第二电力半导体开关的第二端连接并串联于所述三相供电电源的一相中；所述驱动保护单元用于驱动所述第一电力半导体开关和所述第二电力半导体开关，采集所述第一电力半导体开关的第一端和第二端之间的第一电压以及所述第二电力半导体开关的第一端和第二端之间的第二电压，判断所述第一电压和所述第二电压是否大于阈值电压，并且响应于所述第一电压和/或所述第二电压大于所述阈值电压，控制所述第一电力半导体开关和所述第二电力半导体开关的控制端的电压以关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关，以及向所述控制单元输出关断信号；以及所述控制单元与每个相桥臂电路中的所述驱动保护单元连接，用于在从一个相桥臂电路的所述驱动保护单元接收到所述关断信号的情况下，向另两个相桥臂电路的所述驱动保护单元输出控制信号，以控制另两个相桥臂电路的驱动保护单元关断各自的所述第一电力半导体开关和所述第二电力半导体开关。2.如权利要求1所述的电机软启动器，其中，所述驱动保护单元包括比较电路、第一驱动电路和第二驱动电路，其中：所述比较电路用于采集所述第一电压和所述第二电压，判断所述第一电压和所述第二电压是否大于阈值电压，并且响应于所述第一电压和/或所述第二电压大于所述阈值电压，向所述第一驱动电路、所述第二驱动电路输出关断信号，以及向所述控制单元输出所述关断信号；所述第一驱动电路响应于接收到所述关断信号，控制所述第一电力半导体开关的控制端的电压以关断所述第一电力半导体开关；以及所述第二驱动电路响应于接收到所述关断信号，控制所述第二电力半导体开关的控制端的电压以关断所述第二电力半导体开关。3.如权利要求2所述的电机软启动器，其中，所述每个相桥臂电路还包括电流采样电路，用于采集所述三相供电电源的一相的相电流，并向所述控制单元输出所采集的相电流的值；所述控制单元基于各相的所采集的相电流的值判断是否发生热过载，并且响应于发生热过载，控制各相桥臂电路的所述驱动保护单元中的第一驱动电路和第二驱动电路在对应的相电流的过零点之前关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在所述过零点之后且在对应的相电流的周波结束之前关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。4.如权利要求2所述的电机软启动器，其中，所述每个相桥臂电路还包括电压采样电路，用于采集所述三相供电电源的一相的相电压，并向所述控制单元输出所采集的相电压的值；
所述控制单元基于各相的所采集的相电压的值判断是否发生过电压或欠电压，并且响应于发生过电压或欠电压，控制各相桥臂电路的所述驱动保护单元中的第一驱动电路和第二驱动电路在对应的相电压的过零点之前关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在所述过零点之后且在对应的相电压的周波结束之前关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。5.如权利要求1所述的电机软启动器，其中，所述第一电力半导体开关和所述第二电力半导体开关是绝缘栅双极型晶体管(igbt)，所述第一端、所述第二端和所述控制端分别为集电极、发射极和基极；或者所述第一电力半导体开关和所述第二电力半导体开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，所述第一端、所述第二端和所述控制端分别为漏极、源极和栅极。6.如权利要求5所述的电机软启动器，其中，所述第一电力半导体开关和所述第二电力半导体开关是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(sic mosfet)。7.如权利要求1所述的电机软启动器，还包括：电源隔离电路，其包括输入端和多个输出端，所述输入端连接所述三相供电电源或单相交流电源，或低压直流电源，所述多个输出端分别连接所述控制单元和每个相桥臂电路的所述驱动保护单元，以向所述控制单元和所述驱动保护单元独立地供电。8.如权利要求1所述的电机软启动器，还包括与所述每个相桥臂电路并联的吸收电路，用于抑制浪涌电流。9.一种电机软启动器执行的保护方法，所述电机软启动器连接在三相供电电源和电机负载之间，其包括第一相桥臂电路、第二相桥臂电路和第三相桥臂电路以及控制单元，所述第一相桥臂电路、第二相桥臂电路和第三相桥臂电路各自连接于所述三相供电电源的一相中，每个相桥臂电路包括第一电力半导体开关和第二电力半导体开关，所述第一电力半导体开关和所述第二电力半导体开关各自包括第一端、第二端和控制端，所述第一电力半导体开关的第二端与所述第二电力半导体开关的第二端连接并串联于所述三相供电电源的一相中，所述保护方法包括：采集所述第一电力半导体开关的第一端和第二端之间的第一电压以及所述第二电力半导体开关的第一端和第二端之间的第二电压；判断所述第一电压和所述第二电压是否大于阈值电压；响应于一相桥臂电路的所述第一电压和/或所述第二电压大于所述阈值电压，控制所有相桥臂电路的所述第一电力半导体开关和所述第二电力半导体开关的控制端的电压以关断所有相桥臂电路的所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关。10.如权利要求9所述的保护方法，还包括：采集所述三相供电电源的每一相的相电流；基于每一相的所采集的相电流的值判断是否发生热过载；响应于发生热过载，控制所有相桥臂电路在对应的相电流的过零点之前关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在所述过零点之后且在对应的相电流的周波结束之前关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。11.如权利要求9所述的保护方法，还包括：采集所述三相供电电源的每一相的相电压；
基于每一相的所采集的相电压的值判断是否发生过电压或欠电压；响应于发生过电压或欠电压，控制所有相桥臂电路在对应的相电压的过零点之前关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的一个，并在所述过零点之后且在对应的相电压的周波结束之前关断所述第一电力半导体开关和第二电力半导体开关中的另一个。

技术总结
本公开提供了一种电机软启动器及其执行的保护方法。该电机软启动器连接在三相供电电源和电机负载之间。其包括：第一、第二和第三相桥臂电路以及控制单元。每个相桥臂电路包括第一、第二电力半导体开关和驱动保护单元。驱动保护单元采集第一电力半导体开关的第一端和第二端之间的第一电压以及第二电力半导体开关的第一端和第二端之间的第二电压，判断第一和第二电压是否大于阈值电压，且响应于第一和/或第二电压大于阈值电压，控制关断第一和第二电力半导体开关，并向控制单元输出关断信号。控制单元在从一个相桥臂电路接收到关断信号的情况下，向另两个相桥臂电路输出控制信号，以控制另两个相桥臂电路关断各自的第一和第二电力半导体开关。第二电力半导体开关。第二电力半导体开关。


技术研发人员：陈晓航 陈加敏 石莹 秦雪茹 宋杨峰 潮洋
受保护的技术使用者：施耐德电器工业公司
技术研发日：2022.01.05
技术公布日：2023/7/13