專利名稱：接地故障電流的測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量功率變換器的輸出電路中的接地故障電流的方法和設(shè)備，所述功率變換器是通過(guò)開(kāi)關(guān)式功率半導(dǎo)體元件實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明尤其涉及一種用于測(cè)量具有頻率轉(zhuǎn)換器的電動(dòng)機(jī)中的或者連接電動(dòng)機(jī)的電纜中的接地故障電流的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
形成的輸出電流的測(cè)量已知被包括在例如頻率轉(zhuǎn)換器的功率變換器的常規(guī)特性中，所述功率變換器形成電能。識(shí)別所述電流電平是調(diào)整輸出功率和檢測(cè)例如短路故障的先決條件。測(cè)量電流的已知方法是利用基于霍爾效應(yīng)的電流互感器，所述互感器形成與所述被測(cè)電流電路電隔離的信號(hào)。另一已知方法，在費(fèi)用方面比霍爾互感器較低，該方法是測(cè)量作用在設(shè)置在主電流路徑上的分流電阻的電壓，該電壓與所述電流成正比。功率變換器的通常目的是獲得關(guān)于提供輸出功率的所有導(dǎo)體的電流的信息。例如，頻率轉(zhuǎn)換器通常形成三相輸出電壓，其所有的三相電流可以通過(guò)設(shè)置在所有相位的電流互感器測(cè)量。例如從公開(kāi)的US5309349獲知另一方法，該方法利用設(shè)置在DC中間電路中的僅一個(gè)電流傳感器，通過(guò)該傳感器獲得所有三相輸出中的電流抽樣，并可能由該抽樣以一定的精確度重建所述輸出電流。由頻率轉(zhuǎn)換器提供的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種可能的故障情形是電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)電纜中的接地故障，該故障可以通過(guò)輸出電流的測(cè)量而檢測(cè)到。當(dāng)接地故障是低阻抗的時(shí)候，檢測(cè)通?？赡芑谠诠收蠣顩r下輸出電流的和不是0或者基于測(cè)量得到的電平超出預(yù)定的過(guò)電流水平。另一方面，當(dāng)接地故障通過(guò)高阻抗發(fā)生時(shí)，例如由于初期的絕緣故障所導(dǎo)致， 則檢測(cè)更加困難。這是電流傳感器的通常不精確的結(jié)果，所述不精確度例如可以是3%，因此不確定電流的和的大小與0的偏差在這個(gè)區(qū)間是否意味著故障或非故障。通過(guò)使用更精確的電流傳感器可以降低不確定性，但這同時(shí)也意味著成本的上升，出于商業(yè)原因這通常是不可行的。另一方面，相對(duì)小的接地故障電流能引起在絕緣體的泄漏點(diǎn)的相當(dāng)明顯的局部發(fā)熱，并由此引起危險(xiǎn)處境。例如，如果電流測(cè)量的不精確度是 3%,對(duì)于具有額定電流1000A的器件，未檢測(cè)的接地故障電流可能在60A的區(qū)間內(nèi)，這很容易導(dǎo)致甚至火災(zāi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種檢測(cè)接地故障電流的新型方法和設(shè)備，所述方法和設(shè)備能識(shí)別低于電流傳感器的不精確特征的接地故障電流水平，因此前述的缺點(diǎn)能夠被避免。 所述方法既適合于用其自有的測(cè)量傳感器測(cè)量所有輸出電流的設(shè)備，也適合于用DC電流的一個(gè)測(cè)量傳感器來(lái)測(cè)量的設(shè)備。使用兩電平所謂的脈寬調(diào)制(PWM)頻率轉(zhuǎn)換器作為本發(fā)明應(yīng)用的描述性實(shí)施例，但基于開(kāi)關(guān)類型的功率半導(dǎo)體元件的相同類型的其他應(yīng)用也是可能的(例如，三電平所謂中點(diǎn)鉗位式(NPC)頻率轉(zhuǎn)換器)。本發(fā)明的目標(biāo)通過(guò)其特征在于獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分所陳述的內(nèi)容的方法得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的其他優(yōu)選實(shí)施例是非獨(dú)立權(quán)利要求的目標(biāo)。本發(fā)明的主要根本特性是在所述方法中在兩個(gè)相反的開(kāi)關(guān)位置組合期間對(duì)電流測(cè)量結(jié)果或者所述電流的和相互進(jìn)行比較。由于電流傳感器的誤差被從中根本地被消除， 測(cè)量結(jié)果的差別與接地故障電流成正比。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法適合于在其中輸出電流通過(guò)安置在DC中間電流的一個(gè)電流傳感器進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備。在所述方法中，電流測(cè)量的結(jié)果在所謂的輸出開(kāi)關(guān)零向量時(shí)被檢測(cè)。當(dāng)輸出開(kāi)關(guān)都處于同一位置時(shí)，輸出開(kāi)關(guān)的狀態(tài)被稱為零向量。根據(jù)本發(fā)明，在正的零向量(111，所有相開(kāi)關(guān)處于上面位置)時(shí)測(cè)量的電流與在負(fù)的零向量(000，所有相開(kāi)關(guān)處于下面位置)時(shí)的測(cè)量電流進(jìn)行比較。如果測(cè)量結(jié)果之間不相同，就是電動(dòng)機(jī)電路中接地故障的標(biāo)志，并且測(cè)量結(jié)果的差別與接地故障電流成正比。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例的方法適合于在其中所有輸出電流通過(guò)其自身電流傳感器進(jìn)行測(cè)量并且在通常情況下所有電流的和為0的設(shè)備。這種情況在例如具有頻率轉(zhuǎn)換器的電動(dòng)機(jī)電路中是公知的。根據(jù)本發(fā)明，在這種布置下，所有電流傳感器的測(cè)量結(jié)果的和被檢測(cè)。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，在正的零向量時(shí)形成的電流的和與在負(fù)的零向量時(shí)形成的電流的和進(jìn)行比較。測(cè)量結(jié)果相互之間的差值表示對(duì)應(yīng)于同樣在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法中的接地故障。根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，電流的和在輸出開(kāi)關(guān)的相反有效向量時(shí)進(jìn)行相互比較，例如100和011.在這種情況下接地故障的檢測(cè)及其大小的標(biāo)準(zhǔn)也與在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例中的方法相同。在這個(gè)示例中，有效象限是指在其中U相位處于與其他兩個(gè)相位不同位置，在這種情況下，精確發(fā)生在U相位的接地故障導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果具有與發(fā)生在其他相位的接地故障的不同大小值。這是因?yàn)橹挥袑?dǎo)體自身的阻抗限制在U相位導(dǎo)體的接地故障電流，而接地故障電流通過(guò)其他相位導(dǎo)體傳導(dǎo)，也會(huì)遭遇電動(dòng)機(jī)的阻抗。因此通過(guò)該方法，除了判斷接地故障是否存在，還能夠確定所述接地故障最有可能所處的相位導(dǎo)體。本發(fā)明也能夠探測(cè)很小的接地故障電流，而不受電流傳感器精度限制。本發(fā)明不要求任何附加的設(shè)備，因此通過(guò)本發(fā)明的方法可以在不增加任何額外成本的情況下防止可能由于初期接地故障引起的問(wèn)題。


下面參考附圖通過(guò)實(shí)施例的一些例子對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，其中，圖1表示了頻率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)的主體電路和電流傳感器，圖2表示了根據(jù)相位開(kāi)關(guān)的位置從中間電路測(cè)得的電流的大體形式，圖3表示了從中間電路測(cè)得的電流，包括誤差部分，以及圖4表示了從輸出相位測(cè)得的電流以及所述電流的和。
具體實(shí)施例方式圖1表示現(xiàn)有技術(shù)三相PWM頻率轉(zhuǎn)換器的主體電路，相位連接與供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合， 其中主體電路為L(zhǎng)1-L3和連接到電動(dòng)機(jī)M的輸出相位連接U、V、W，所述電動(dòng)機(jī)M在該實(shí)施例中包含相位特定的星形連接的定子繞組I、Wv和^。供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的電壓通過(guò)二極管電橋REC 進(jìn)行整流，在DC中間電路進(jìn)行濾波進(jìn)入DC電壓UDC，并且被逆變成具有逆變器INU所期望的頻率和電壓水平的三相輸出電壓，所述逆變器包括可控功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(例如，IGBTs) V1-V6,以及與V1-V6并聯(lián)的所謂零二極管D1-D615屬于同一相位的所述功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和零二極管形成三個(gè)所謂的相位開(kāi)關(guān)，所述相位開(kāi)關(guān)能將輸出接口連接至DC中間電路的正極或者負(fù)極。例如，當(dāng)V1導(dǎo)電時(shí)，U相位開(kāi)關(guān)處于正極位置(用代碼1表示)，并且當(dāng)V4導(dǎo)電時(shí)，U相位開(kāi)關(guān)處于負(fù)極位置(代碼0)。這些代碼數(shù)字精確地用于所謂的輸出電壓的向量表示以描述相位開(kāi)關(guān)的位置，例如，輸出電壓向量100表示U相位處于正極位置，此時(shí)V1導(dǎo)電，并且V相位和W相位處于負(fù)極位置，此時(shí)V5和V6導(dǎo)電。頻率轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作受控制單元 CU的控制，所述控制單元尤其確定了使用的輸出電壓向量的瞬時(shí)值，并且接收電流傳感器的測(cè)量結(jié)果。由頻率轉(zhuǎn)換器提供給電動(dòng)機(jī)的電流可以根據(jù)圖中被測(cè)量，例如用安置在DC中間電路的一個(gè)電流傳感器(測(cè)量信號(hào)iDC)或者用安置在輸出相位的三個(gè)電流傳感器(測(cè)量信號(hào)、、iv和iw)。電流傳感器測(cè)量的電流的正方向通過(guò)標(biāo)記在傳感器旁邊的箭頭進(jìn)行標(biāo)記。也在圖中標(biāo)記一個(gè)可能的接地故障EF發(fā)生的點(diǎn)，在本實(shí)施例中的點(diǎn)表示可能由于絕緣故障所導(dǎo)致的W相位導(dǎo)體直接與地接觸。圖2包含了被安置在DC中間電路的電流傳感器所探測(cè)的電流信號(hào)iDC如何與輸出電壓向量，即與相位開(kāi)關(guān)u、v、w的位置相關(guān)聯(lián)的大體表示。例如，在、時(shí)刻之前，所有相位都處于低的位置(向量000)，電流信號(hào)iDC為0。在、時(shí)刻，U相位開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為正極位置(向量100)，這種情況下iDC傳感器測(cè)得的電流與相同，測(cè)得的值可能是正的，也可能是負(fù)的， 用長(zhǎng)方形來(lái)表示。進(jìn)一步，在t2時(shí)刻，V相位開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為正極位置(向量110)，這種情況下傳感器測(cè)得的電流與W相位電流的相反值是相同的，即-i 。關(guān)于中間電路的電流測(cè)量iDC 與輸出電流iu、iv、iw在不同的向量組合下相互之間的關(guān)聯(lián)性的詳細(xì)解釋可以在尤其公開(kāi)的專利US5309349中找到。從圖3中可以看出輸出相位的接地故障是如何出現(xiàn)在DC中間電路的電流測(cè)量中。 在圖中所標(biāo)示的時(shí)刻之間輸出開(kāi)關(guān)被認(rèn)為處于與圖2中相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻之間相同的位置。在時(shí)間間隔、_、，當(dāng)輸出電壓向量處于位置111時(shí)，測(cè)量的電流為正(因?yàn)镈C中間電路的正極電位相對(duì)于地是正的)，并且其值為AiDCP。相應(yīng)地，在時(shí)間間隔t6-t7，當(dāng)輸出電壓向量為 000時(shí)，測(cè)量的電流為負(fù)AiDCN。公知電流傳感器的不精確的一般原理是其同時(shí)包含了尺度誤差I(lǐng)c1和偏移誤差1 ， 這種情況下傳感器對(duì)實(shí)際電流iK的報(bào)告的測(cè)量結(jié)果iM可以用公式1表示iM = ki X iE+k2(1)當(dāng)頻率轉(zhuǎn)換器的供應(yīng)電壓系統(tǒng)是對(duì)稱的并且在中心點(diǎn)接地時(shí)，實(shí)際的接地故障電流也是對(duì)稱的，即其絕對(duì)值在正向量和負(fù)向量之間是相同的。根據(jù)本發(fā)明，測(cè)量結(jié)果 Δ iDCP和Δ iDCN的差值被得到，從所述差值中，偏移誤差1 必然消失，并且最終的結(jié)果如公式2所表示Δ iDCp- Δ iDCN = 2 X Ii1 X iG(2)根據(jù)本發(fā)明，接地故障電流的測(cè)量結(jié)果是測(cè)量結(jié)果Ailiep和Aira的差值的一半， 并且唯一的影響誤差因素是尺度誤差h。
在圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的第二和第三實(shí)施例的測(cè)量。最上面的部分描述了相位開(kāi)關(guān)U、V、W的位置，在其下方是對(duì)應(yīng)的相位電流i 、iv、iff的瞬時(shí)值，并且最下方是相位電流的和Σ i的瞬時(shí)值。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，在正的零向量111時(shí)相位電流的測(cè)量結(jié)果的和被計(jì)算(Δ iro，在時(shí)間間隔t3_t4)，并且在負(fù)的零向量000時(shí)相位電流的測(cè)量結(jié)果的和被計(jì)算 (AiNCI，在時(shí)間間隔t6_t7)，從而所形成的電流的和的差值被計(jì)算得到。對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的第一實(shí)施例，電流傳感器的偏移誤差被從計(jì)算的最終結(jié)果中完全消除，當(dāng)尺度誤差被調(diào)整到可忽略時(shí)，對(duì)實(shí)際接地故障電流的精確結(jié)果可以作為最終結(jié)果得到。根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，在相反有效向量時(shí)的相位電流的測(cè)量結(jié)果的和被計(jì)算。在圖4的示例中，在時(shí)間間隔、-、，第一測(cè)量結(jié)果Aipi在有效向量100時(shí)得到，并且在時(shí)間間隔trt2，第二測(cè)量結(jié)果Δ iN1在有效向量011時(shí)得到。這些測(cè)量結(jié)果的差值與對(duì)應(yīng)于本發(fā)明其他實(shí)施例的實(shí)際接地故障電流成正比。在該示例中有效向量是指其中U相位處于與其他兩個(gè)相位不同的位置，在這種情況下精確發(fā)生在U相位的接地故障使得測(cè)量結(jié)果具有與發(fā)生在其他相位的接地故障時(shí)不同大小值。這是因?yàn)橹挥袑?dǎo)體自身的阻抗限制在U相位導(dǎo)體的接地故障電流，而接地故障電流通過(guò)其他相位導(dǎo)體傳導(dǎo)，也會(huì)遭遇電動(dòng)機(jī)的相繞組WpWv或Ww的阻抗?；诖?，通過(guò)本發(fā)明的所述實(shí)施例，除了判斷接地故障是否存在，還能夠確定所述接地故障最有可能處于的相位導(dǎo)體。顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的不同實(shí)施例不限于上面描述的例子， 而是可以在所述權(quán)利要求范圍內(nèi)進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.測(cè)量在逆變器(INU)中的輸出電路的接地故障電流的方法，所述逆變器基于PWM原理運(yùn)行，并且從直流電壓中形成交流電壓，所述逆變器的輸出電流(、、iv和υ被測(cè)量，并且所述逆變器包括至少兩個(gè)通過(guò)功率半導(dǎo)體元件(V1-VyD1-D6)實(shí)施的相位開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)受控制單元控制，并連接其自身輸出相位至直流電壓源的正極和負(fù)極，從而相位開(kāi)關(guān)既在不同的位置也在相同的位置上周而復(fù)始， 其特征在于，在所述方法中在兩個(gè)相對(duì)的開(kāi)關(guān)位置組合期間的電流測(cè)量結(jié)果被記錄至內(nèi)存，并且通過(guò)形成所述組合的測(cè)量的差值，計(jì)算得到接地故障電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述逆變器的輸出電流通過(guò)安置在DC中間電路的電流傳感器的方式進(jìn)行測(cè)量，并且當(dāng)所有輸出相位為正的位置以及所有輸出相位為負(fù)的位置時(shí)，計(jì)算接地故障電流所需的電流測(cè)量結(jié)果被記錄至內(nèi)存。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述逆變器的輸出電流是從每個(gè)輸出相位使用其自身電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，并且當(dāng)所有輸出相位為正的位置以及所有輸出相位為負(fù)的位置時(shí)，所有相位的電流的測(cè)量結(jié)果被記錄至內(nèi)存。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述逆變器的輸出電流是從每個(gè)輸出相位使用其自身電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，并且電流的相位特定的測(cè)量結(jié)果被一起相加，并且當(dāng)一個(gè)輸出相位是正的位置而其他輸出相位是負(fù)的位置時(shí)，以及當(dāng)相同輸出相位是負(fù)的位置而其他輸出相位是正的位置時(shí)，所有相位的電流的測(cè)量結(jié)果被記錄至內(nèi)存。
5.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，接地故障電流的值計(jì)算為在所述相對(duì)開(kāi)關(guān)位置組合期間記錄在內(nèi)存的測(cè)量結(jié)果 (Ailicp 和 Δ iDCN, Aipo 禾口 Δ Ν0, Aipi 禾口 Δ Ν1)的差值的一半。
6.測(cè)量在逆變器(INU)中的輸出電路的接地故障電流的設(shè)備，所述逆變器基于PWM原理運(yùn)行，并且從直流電壓中形成交流電壓，所述設(shè)備包括測(cè)量所述逆變器的輸出電流(、、、和iw)的裝置，并且所述逆變器包括至少兩個(gè)通過(guò)功率半導(dǎo)體元件(V1-VyD1-D6)實(shí)施的相位開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)受控制單元控制，并連接其自身輸出相位至直流電壓源的正極和負(fù)極，從而相位開(kāi)關(guān)既在不同的位置也在相同的位置上周而復(fù)始， 其特征在于所述設(shè)備適合于記錄在兩個(gè)相對(duì)的開(kāi)關(guān)位置組合期間的電流測(cè)量結(jié)果至內(nèi)存，并且通過(guò)形成所述組合的測(cè)量的差值，計(jì)算得到接地故障電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述逆變器的輸出電流通過(guò)安置在DC中間電路的電流傳感器的方式進(jìn)行測(cè)量，并且所述設(shè)備包括內(nèi)存，當(dāng)所有輸出相位為正的位置以及所有輸出相位為負(fù)的位置時(shí)，計(jì)算接地故障電流所需的電流測(cè)量結(jié)果被記錄至內(nèi)存。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述逆變器的輸出電流是從每個(gè)輸出相位使用其自身電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，并且所述設(shè)備包括內(nèi)存，當(dāng)所有輸出相位為正的位置以及所有輸出相位為負(fù)的位置時(shí)，所有相位的電流的測(cè)量結(jié)果被記錄至內(nèi)存。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述逆變器的輸出電流是從每個(gè)輸出相位使用其自身電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，并且所述設(shè)備包括用以對(duì)電流的相位特定的測(cè)量結(jié)果一起相加的裝置，并且所述設(shè)備包括內(nèi)存，當(dāng)一個(gè)輸出相位是正的位置而其他輸出相位是負(fù)的位置時(shí)，以及當(dāng)相同輸出相位是負(fù)的位置而其他輸出相位是正的位置時(shí)，所有相位的電流的測(cè)量結(jié)果被記錄至內(nèi)存。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備適合于計(jì)算接地故障電流的值，接地故障電流的值為在所述相對(duì)開(kāi)關(guān)位置組合期間記錄在內(nèi)存的測(cè)量結(jié)果(AiDCP和Aira，Aiptl和Δ Ν0, Δ ipl ^P Δ Ν1)的差值的一
全文摘要
測(cè)量逆變器(INU)的輸出電路的接地故障電流的方法和設(shè)備，所述逆變器基于PWM原理運(yùn)行，并且從直流電壓中形成交流電壓，所述逆變器的輸出電流(iU、iV和iW)被測(cè)量，并且所述逆變器包括至少兩個(gè)通過(guò)功率半導(dǎo)體元件(V1-V6，D1-D6)實(shí)施的相位開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)受控制單元控制，并連接其自身輸出相位至直流電壓源的正極和負(fù)極，從而相位開(kāi)關(guān)既在不同的位置也在相同的位置上周而復(fù)始，在兩個(gè)相對(duì)的開(kāi)關(guān)位置組合期間的電流測(cè)量結(jié)果被記錄至內(nèi)存，并且通過(guò)形成所述組合的測(cè)量的差值，計(jì)算得到接地故障電流。
文檔編號(hào)G01R31/02GK102288801SQ201110116209
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月3日
發(fā)明者安德烈亞斯·多克塔爾, 斯特凡·斯特凡德貝里 申請(qǐng)人:瓦孔厄伊公司