本发明提供了一种对地短路保护方法、电机控制器及计算机可读存储介质，所述对地短路保护方法，包括：在所述电机控制器上电时，获取输入至所述电机控制器内可控整流模块中交流电的各个相/线电压的相位；根据所述各个相/线电压的相位，控制所述可控整流模块中的各个半导体开关管在其对应的相/线电压过零点时开始导通，并逐渐增大所述半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值。本发明通过控制半导体开关管在相电压过零点开始导通，并逐渐增加半导体开关管导通宽度，实现母线电压缓慢上升，从而降低了负载对地短路时流经逆变模块的电流，减小了器件损坏的风险。
1.一种对地短路保护方法，应用于电机控制器，其特征在于，所述电机控制器包括可控整流模块和逆变模块，且所述电机控制器将电网电压经过可控整流模块的整流、逆变模块的逆变处理之后驱动负载运行；所述对地短路保护方法包括：在所述电机控制器上电时，获取输入至所述电机控制器内可控整流模块中交流电的各个相/线电压的相位；
根据所述各个相/线电压的相位，控制所述可控整流模块中的各个可控半导体开关管在其对应的相/线电压过零点时开始导通，并逐渐增大所述可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值。
2.如权利要求1所述的对地短路保护方法，其特征在于，所述交流电为三相交流电，所述根据所述各个相/线电压的相位，控制所述可控整流模块中的各个可控半导体开关管在其对应的相/线电压过零点时开始导通，并逐渐增大所述可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值包括：在第一相线的相电压的相位达到第一预设角度或第一相线与第二相线之间的线电压的相位达到第二预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第一相线的桥臂的上桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第二相线的桥臂的下桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述上桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值；或者，在第二相线的相电压的相位达到所述第一预设角度或第二相线与第三相线之间的线电压的相位达到所述第二预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第二相线的桥臂的上桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第三相线的桥臂的下桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述上桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值；或者，在第三相线的相电压的相位达到所述第一预设角度或第三相线与第一相线之间的线电压的相位达到所述第二预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第三相线的桥臂的上桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第一相线的桥臂的下桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述上桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值。
3.如权利要求2所述的对地短路保护方法，其特征在于，所述第一预设角度为180度，所述第二预设角度为210度。
4.如权利要求2所述的对地短路保护方法，其特征在于，所述第一相线、第二相线或第三相线的桥臂的下桥为不可控二极管或可控半导体开关管。
5.如权利要求1所述的对地短路保护方法，其特征在于，所述交流电为三相交流电，所述根据所述各个相/线电压的相位，控制所述可控整流模块中的各个可控半导体开关管在其对应的相/线电压过零点时开始导通，并逐渐增大所述可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值包括：在第一相线的相电压的相位达到第三预设角度或第一相线与第二相线之间的线电压的相位达到第四预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第一相线的桥臂的下桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第二相线的桥臂的上桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述下桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值；或者，在第二相线的相电压的相位达到所述第三预设角度或第二相线与第三相线之间的线电压的相位达到所述第四预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第二相线的桥臂的下桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第三相线的桥臂的上桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述下桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值；或者，在第三相线的相电压的相位达到所述第三预设角度或第三相线与第一相线之间的线电压的相位达到所述第四预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第三相线的桥臂的下桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第一相线的桥臂的上桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述下桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值。
6.如权利要求5所述的对地短路保护方法，其特征在于，所述第三预设角度为0度，所述第四预设角度为30度。
7.如权利要求5所述的对地短路保护方法，其特征在于，所述第一相线、第二相线或第三相线的桥臂的上桥为不可控二极管或可控半导体开关管。
8.如权利要求1所述的对地短路保护方法，其特征在于，所述获取输入至所述电机控制器内可控整流模块中交流电的各个相/线电压的相位包括：采样输入至所述可控整流模块交流电的各个线电压；
采用锁相环算法根据所述交流电的各个线电压计算得到角度步长，对所述角度步长进行积分运算，得到各个相线相电压的相位；
根据所述各个相线相电压的相位计算得到各个线电压的相位。
9.一种电机控制器，其特征在于，包括可控整流模块、逆变模块、存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器执行的计算机程序，且所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8中任一项所述的对地短路保护方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述对地短路保护方法的步骤。
对地短路保护方法、电机控制器及计算机可读存储介质
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子设备领域，更具体地说，涉及一种对地短路保护方法、电机控制器及计算机可读存储介质。
背景技术
[0002] 电机控制器通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机按照设定的方向、速度、角度、响应时间等运行。在上述电机控制器中，需对电流进行整流后得到直流电，再逆变成需要的频率的交流电才能驱动电机，实现电机调速。这种控制方式叫做交-直-交，是目前的主流技术。
[0003] 当前在采用二极管整流或者晶闸管整流拓扑的电机控制器中，通常仅在系统完成上电后才进行负载短路判断，而在上电过程中通常不考虑逆变输出侧对地短路故障。若系统在未上电前发生逆变输出侧对地短路故障，则在上电过程中有损坏系统逆变侧IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)反并联二极管的风险。
发明内容
[0004] 本发明实施例提供一种对地短路保护方法、电机控制器及计算机可读存储介质，旨在解决上述整流拓扑中，因不考虑逆变输出侧对地短路故障而导致上电过程中可能损坏系统器件的问题。
[0005] 本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种对地短路保护方法，包括：
[0006] 在所述电机控制器上电时，获取输入至所述电机控制器内可控整流模块中交流电的各个相/线电压的相位；
[0007] 根据所述各个相/线电压的相位，控制所述可控整流模块中的各个可控半导体开关管在其对应的相/线电压过零点时开始导通，并逐渐增大所述可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值。
[0008] 在本发明所述的对地短路保护方法中，所述交流电为三相交流电，所述根据所述各个相/线电压的相位，控制所述可控整流模块中的各个可控半导体开关管在其对应的相/线电压过零点时开始导通，并逐渐增大所述可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值包括：
[0009] 在第一相线的相电压的相位达到第一预设角度或第一相线与第二相线之间的线电压的相位达到第二预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第一相线的桥臂的上桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第二相线的桥臂的下桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述上桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值；或者，
[0010] 在第二相线的相电压的达到所述第一预设角度或第二相线与第三相线之间的线电压的相位达到所述第二预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第二相线的桥臂的上桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第三相线的桥臂的下桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述上桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值；或者，
[0011] 在第三相线的相电压的相位达到所述第一预设角度或第三相线与第一相线之间的线电压的相位达到所述第二预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第三相线的桥臂的上桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第一相线的桥臂的下桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述上桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值。
[0012] 在本发明所述的对地短路保护方法中，所述第一预设角度为180度，所述第二预设角度为210度。
[0013] 在本发明所述的对地短路保护方法中，所述第一相线、第二相线或第三相线的桥臂的下桥为不可控二极管或可控半导体开关管。
[0014] 在本发明所述的对地短路保护方法中，所述交流电为三相交流电，所述根据所述各个相/线电压的相位，控制所述可控整流模块中的各个可控半导体开关管在其对应的相/线电压过零点时开始导通，并逐渐增大所述可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值包括：
[0015] 在第一相线的相电压的相位达到第三预设角度或第一相线与第二相线之间的线电压的相位达到第四预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第一相线的桥臂的下桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第二相线的桥臂的上桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述下桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值；或者，
[0016] 在第二相线的相电压的达到所述第三预设角度或第二相线与第三相线之间的线电压的相位达到所述第四预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第二相线的桥臂的下桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第三相线的桥臂的上桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述下桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值；或者，
[0017] 在第三相线的相电压的相位达到所述第三预设角度或第三相线与第一相线之间的线电压的相位达到所述第四预设角度时，控制所述可控整流模块中连接第三相线的桥臂的下桥可控半导体开关管开始导通，同时使所述可控整流模块中连接第一相线的桥臂的上桥导通，并随着导通次数的增加而增大所述下桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值。
[0018] 在本发明所述的对地短路保护方法中，所述第三预设角度为0度，所述第四预设角度为30度。
[0019] 在本发明所述的对地短路保护方法中，所述第一相线、第二相线或第三相线的桥臂的上桥为不可控二极管或可控半导体开关管。
[0020] 在本发明所述的对地短路保护方法中，所述获取输入至所述电机控制器内可控整流模块中交流电的各个相/线电压的相位包括：
[0021] 采样输入至所述可控整流模块交流电的各个线电压，
[0022] 采用锁相环算法根据所述交流电的各个线电压计算得到角度步长，对所述角度步长进行积分运算，得到各个相线相电压的相位；
[0023] 根据所述各个相线相电压的相位计算得到各个线电压的相位。
[0024] 本发明实施例还提供一种电机控制器，包括可控整流模块、逆变模块、存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器执行的计算机程序，且所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的对地短路保护方法的步骤。
[0025] 本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述对地短路保护方法的步骤。
[0026] 本发明实施例的对地短路保护方法、电机控制器及计算机可读存储介质具有以下有益效果：通过控制可控半导体开关管在相电压过零点开始导通，并逐渐增加可控半导体开关管导通宽度，实现母线电压缓慢上升，从而降低了负载对地短路时流经逆变模块的电流，减小了器件损坏的风险。
附图说明
[0027] 图1是本发明实施例提供的对地短路保护方法的电路原理示意图；
[0028] 图2是本发明实施例提供的对地短路保护方法的流程示意图；
[0029] 图3是本发明实施例提供的对地短路保护方法中锁相环算法控制框图；
[0030] 图4是本发明实施例提供的对地短路保护方法中可控半导体开关管导通时序的示意图；
[0031] 图5是本发明实施例提供的电机控制器的示意图。
具体实施方式
[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033] 如图1所示，是本发明实施例提供的对地短路保护方法的电路原理示意图，该对地短路保护方法可应用于电机控制器1，实现负载对地短路时的电机控制器1的上电保护。上述电机控制器1包括可控整流模块11和逆变模块12，该电机控制器1将电网电压经过可控整流模块11的整流、逆变模块12的逆变处理之后驱动负载2运行。
[0034] 上述可控整流模块11为三相桥式可控整流电路，包括分别位于三相上桥的三个可控半导体开关管111、112、113以及位于分别三相下桥的三个不可控二极管114、115、116。当然，在实际应用中，可控半导体开关管也可位于三相下桥，或者三相上桥和三相下桥均使用可控半导体开关管。逆变模块12包括分别位于三相上桥和下桥的六个可控半导体开关管以及六个反并联二极管，并将经可控整流模块11转换获得的直流电变成交流电驱动负载2运行。
[0035] 在上述可控整流模块11中，可控半导体开关管111、112、113可为晶闸管、绝缘栅双极型晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管。由于这些可控半导体开关管具有可控功能，只要适当控制可控半导体开关管触发导通瞬间的相位角，就能够使可控整流模块11输出直流电压。
[0036] 在电机控制器1上电前没有电流，电容C两端母线电压uEF为零。电机控制器1的逆变输出侧发生对地短路故障，则在电机控制器1上电过程中，例如负载2的a相对地短路，在可控整流模块11中连接第一相线的桥臂的上桥可控半导体开关管111导通时，如图1所示，电网侧第一相输入电感中会流过电流，电流大小和输入的电感、母线电容C及接地电阻Rgnd大小有关，上述电流对电容C进行充电，同时电流经逆变模块中a相下桥的反并联二极管121形成回路。一旦上述电流过大，则反并联二极管121将损坏。
[0037] 为避免上述情况发生，如图2所示，本发明的实施列提出了一种对地短路保护方法，包括：
[0038] 步骤S1：在电机控制器1上电时，获取输入至电机控制器1内可控整流模块11中交流电的各个相/线电压的相位。上述的“/”表示或，即既可以是交流电的相电压，也可以是交流电的线电压。
[0039] 在可控整流模块11上电时，首先使可控整流模块11中的所有可控半导体开关管保持截止，并获取输入至电机控制器1内可控整流模块11中交流电的各个相/线电压的相位。
[0040] 具体地，在该步骤中，如图3所示，可先采样输入至可控整流模块11交流电的各个线电压urt、usr、uts，并根据线电压urt、usr、uts通过线/相电压转换3获得对应的相电压ua、ub、uc，相电压ua、ub、uc通过坐标变化4获得d轴电压ud和q轴电压uq，坐标变换使用如下计算式(1)：
[0041]
[0042] 式中T+为Park变换(派克变换)公式。
[0043] d轴电压ud和q轴电压uq通过LPF(Low-Pass Filter，低通滤波器)5获得ud+和uq+，然后使用PI锁相环6获得相电压的角度步长，并根据角度步长经过积分运算7后获得各个相线相电压的相位；根据各个相线相电压的相位计算得到各个线电压的相位。
[0044] 由于电网电压是正弦变化的，因此可根据该特性选择整流模块11中可控半导体开关管的开通的时刻，从而最大程度降低风险。
[0045] 步骤S2：根据各个相/线电压的相位，控制可控整流模块11中的各个可控半导体开关管在其对应的相/线电压过零点时开始导通，并逐渐增大可控半导体开关管的导通角度，直至电机控制器的母线电压达到预设阈值。
[0046] 在该步骤中，具体可采用以下方式实现：在第一相线的相电压的相位达到第一预设角度或第一相线与第二相线之间的线电压的相位达到第二预设角度时，控制可控整流模块11中连接第一相线的桥臂的上桥可控半导体开关管111开始导通，同时使可控整流模块中连接第二相线的桥臂的下桥115导通，并且随着导通次数的增加而增大上桥可控半导体开关管的导通角度(例如结合图4，第一相线的桥臂的上桥可控半导体开关管111第一次的导通角度为T1，第二次的导通角度为T1+ΔT，第三次的导通角度为T1+2×ΔT，以此类推)，直至电机控制器1的母线电压达到预设阈值；
[0047] 或者，在第二相线的相电压的达到第一预设角度或第二相线与第三相线之间的线电压的相位达到第二预设角度时，控制可控整流模块11中连接第二相线的桥臂的上桥可控半导体开关管112开始导通，同时使可控整流模块中连接第三相线的桥臂的下桥116导通，并随着导通次数的增加而增大上桥可控半导体开关管的导通角度，直至电机控制器1的母线电压达到预设阈值；
[0048] 或者，在第三相线的相电压的相位达到第一预设角度或第三相线与第一相线之间的线电压的相位达到第二预设角度时，控制可控整流模块11中连接第三相线的桥臂的上桥可控半导体开关管113开始导通，同时使可控整流模块11中连接第一相线的桥臂的下桥114导通，并随着导通次数的增加而增大上桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值。
[0049] 为使起始电流最小，上述第一预设角度可为180度，第二预设角度可为210度。且上述第一相线、第二相线或第三相线的桥臂的下桥为不可控二极管或可控半导体开关管。
[0050] 结合图4所示，Uab为充电模式下线电压、uEF为电容C两端电压(即直流母线电压)、ia为流通电流。由于第一预设角度为180度，第二预设角度为210度，即可控半导体开关管在相电压过零点开始导通，避免了因开通电压Uab过大，导致短路电流ia过大，进而导致对系统器件造成损坏的风险。
[0051] 由于上述上桥可控半导体开关管导通时，上桥可控半导体开关管的导通角度随着导通次数以固定值ΔT(可根据需要预先设置该ΔT的值)逐渐增加，如T1(可根据需要预先设置该T1的值)是可控半导体开关管第一次导通宽度，T1+ΔT为可控半导体开关管第二次导通宽度，以此类推。通过上述方式，实现了对地短路时电容C两端电压uEF缓慢上升，从而降低了对地短路电流，减小了对电路中器件损坏的风险。
[0052] 当控制可控半导体开关管运行一段时间后，即可控整流模块11输出端电压即电容C两端电压uEF缓慢上升并达到预设电压(该预设电压可以为线电压最大值)时，使可控整流模块11切换到正常运行模式。此时再发生逆变侧对地短路，系统也可使用现有方法检测出来。
[0053] 类似地，该步骤还可采用以下方式实现：
[0054] 在第一相线的相电压的相位达到第三预设角度或第一相线与第二相线之间的线电压的相位达到第四预设角度时，控制可控整流模块11中连接第一相线的桥臂的下桥可控半导体开关管114开始导通，同时使可控整流模块11中连接第二相线的桥臂的上桥112导通，并随着导通次数的增加而增大下桥可控半导体开关管的导通角度，直至电机控制器的母线电压达到预设阈值；
[0055] 或者，在第二相线的相电压的达到第三预设角度或第二相线与第三相线之间的线电压的相位达到第四预设角度时，控制可控整流模块中连接第二相线的桥臂的下桥可控半导体开关管115开始导通，同时使可控整流模块11中连接第三相线的桥臂的上桥导通113，并随着导通次数的增加而增大下桥可控半导体开关管的导通角度，直至所述电机控制器的母线电压达到预设阈值；
[0056] 或者，在第三相线的相电压的相位达到第三预设角度或第三相线与第一相线之间的线电压的相位达到第四预设角度时，控制可控整流模块11中连接第三相线的桥臂的下桥可控半导体开关管116开始导通，同时使可控整流模块11中连接第一相线的桥臂的上桥111导通，并随着导通次数的增加而增大下桥可控半导体开关管的导通角度，直至电机控制器的母线电压达到预设阈值。
[0057] 同样地，为使起始电流最小，上述第三预设角度可为0度，所述第四预设角度可为30度。且上述第一相线、第二相线或第三相线的桥臂的上桥为不可控二极管或可控半导体开关管。
[0058] 通过上述实施例中的对地短路保护方法，如图1所示，无论逆变模块12输出侧的a相对地短路，还是b、c相对地短路，在只开通任一相上桥可控半导体开关管时，则电流路径在逆变模块12侧流过对应的下桥续流二极管121、122或123，在输入侧都流过对应相线的电感，从而无需直流母线电压增加到工作电压即可获知短路情况，即开通任一相上桥可控半导体开关管111能检测出逆变侧所有的接地短路情况，大大提高了系统的安全性。
[0059] 本发明实施例还提供一种电机控制器9，如图5所示，该电机控制器9包括可控整流模块91、逆变模块92、存储器93和处理器94，存储器93中存储有可在处理器94执行的计算机程序，且所述处理器94执行所述计算机程序时实现如上所述对地短路保护方法的步骤。
[0060] 本实施例中的电机控制器与上述图2对应实施例中的方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
[0061] 本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述对地短路保护方法的步骤。
[0062] 本实施例中的计算机可读存储介质与上述图2对应实施例中的方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
[0063] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
