專利名稱：接地故障電流的測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測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開關(guān)式功率半導(dǎo)體元件實現(xiàn)的，本發(fā)明尤其涉及一種用于測量具有頻率轉(zhuǎn)換器的電動機(jī)中的或者連接電動機(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。識別所述電流電平是調(diào)整輸出功率和檢測例如短路故障的先決條件。測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電流電路電隔離的信號。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設(shè)置在所有相位的電流互感器測量。例如從公開的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電流傳感器，通過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)換器提供的電動機(jī)驅(qū)動的一種可能的故障情形是電動機(jī)或電動機(jī)電纜中的接地故障，該故障可以通過輸出電流的測量而檢測到。當(dāng)接地故障是低阻抗的時候，檢測通?？赡芑谠诠收蠣顩r下輸出電流的和不是0或者基于測量得到的電平超出預(yù)定的過電流水平。另一方面，當(dāng)接地故障通過高阻抗發(fā)生時，例如由于初期的絕緣故障所導(dǎo)致， 則檢測更加困難。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的偏差在這個區(qū)間是否意味著故障或非故障。通過使用更精確的電流傳感器可以降低不確定性，但這同時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，相對小的接地故障電流能引起在絕緣體的泄漏點的相當(dāng)明顯的局部發(fā)熱，并由此引起危險處境。例如，如果電流測量的不精確度是 3%,對于具有額定電流1000A的器件，未檢測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)明的目的是實現(xiàn)一種檢測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，因此前述的缺點能夠被避免。 所述方法既適合于用其自有的測量傳感器測量所有輸出電流的設(shè)備，也適合于用DC電流的一個測量傳感器來測量的設(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)用的描述性實施例，但基于開關(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，三電平所謂中點鉗位式(NPC)頻率轉(zhuǎn)換器)。本發(fā)明的目標(biāo)通過其特征在于獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分所陳述的內(nèi)容的方法得以實現(xiàn)。本發(fā)明的其他優(yōu)選實施例是非獨(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相反的開關(guān)位置組合期間對電流測量結(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)明的第一實施例的方法適合于在其中輸出電流通過安置在DC中間電流的一個電流傳感器進(jìn)行測量的設(shè)備。在所述方法中，電流測量的結(jié)果在所謂的輸出開關(guān)零向量時被檢測。當(dāng)輸出開關(guān)都處于同一位置時，輸出開關(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，所有相開關(guān)處于上面位置)時測量的電流與在負(fù)的零向量(000，所有相開關(guān)處于下面位置)時的測量電流進(jìn)行比較。如果測量結(jié)果之間不相同，就是電動機(jī)電路中接地故障的標(biāo)志，并且測量結(jié)果的差別與接地故障電流成正比。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的方法適合于在其中所有輸出電流通過其自身電流傳感器進(jìn)行測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量結(jié)果的和被檢測。根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，在正的零向量時形成的電流的和與在負(fù)的零向量時形成的電流的和進(jìn)行比較。測量結(jié)果相互之間的差值表示對應(yīng)于同樣在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的方法中的接地故障。根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，電流的和在輸出開關(guān)的相反有效向量時進(jìn)行相互比較，例如100和011.在這種情況下接地故障的檢測及其大小的標(biāo)準(zhǔn)也與在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中的方法相同。在這個示例中，有效象限是指在其中U相位處于與其他兩個相位不同位置，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。這是因為只有導(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其他相位導(dǎo)體傳導(dǎo)，也會遭遇電動機(jī)的阻抗。因此通過該方法，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題。


下面參考附圖通過實施例的一些例子對本發(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)動的主體電路和電流傳感器，圖2表示了根據(jù)相位開關(guān)的位置從中間電路測得的電流的大體形式，圖3表示了從中間電路測得的電流，包括誤差部分，以及圖4表示了從輸出相位測得的電流以及所述電流的和。
具體實施例方式圖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L1-L3和連接到電動機(jī)M的輸出相位連接U、V、W，所述電動機(jī)M在該實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)體開關(guān)和零二極管形成三個所謂的相位開關(guān)，所述相位開關(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，U相位開關(guān)處于正極位置(用代碼1表示)，并且當(dāng)V4導(dǎo)電時，U相位開關(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V1導(dǎo)電，并且V相位和W相位處于負(fù)極位置，此時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值，并且接收電流傳感器的測量結(jié)果。由頻率轉(zhuǎn)換器提供給電動機(jī)的電流可以根據(jù)圖中被測量，例如用安置在DC中間電路的一個電流傳感器(測量信號iDC)或者用安置在輸出相位的三個電流傳感器(測量信號、、iv和iw)。電流傳感器測量的電流的正方向通過標(biāo)記在傳感器旁邊的箭頭進(jìn)行標(biāo)記。也在圖中標(biāo)記一個可能的接地故障EF發(fā)生的點，在本實施例中的點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的電流信號iDC如何與輸出電壓向量，即與相位開關(guān)u、v、w的位置相關(guān)聯(lián)的大體表示。例如，在、時刻之前，所有相位都處于低的位置(向量000)，電流信號iDC為0。在、時刻，U相位開關(guān)轉(zhuǎn)為正極位置(向量100)，這種情況下iDC傳感器測得的電流與相同，測得的值可能是正的，也可能是負(fù)的， 用長方形來表示。進(jìn)一步，在t2時刻，V相位開關(guān)轉(zhuǎn)為正極位置(向量110)，這種情況下傳感器測得的電流與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中間電路的電流測量中。 在圖中所標(biāo)示的時刻之間輸出開關(guān)被認(rèn)為處于與圖2中相對應(yīng)的時刻之間相同的位置。在時間間隔、_、，當(dāng)輸出電壓向量處于位置111時，測量的電流為正(因為DC中間電路的正極電位相對于地是正的)，并且其值為AiDCP。相應(yīng)地，在時間間隔t6-t7，當(dāng)輸出電壓向量為 000時，測量的電流為負(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實際電流iK的報告的測量結(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)是對稱的并且在中心點接地時，實際的接地故障電流也是對稱的，即其絕對值在正向量和負(fù)向量之間是相同的。根據(jù)本發(fā)明，測量結(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，接地故障電流的測量結(jié)果是測量結(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)明的第二和第三實施例的測量。最上面的部分描述了相位開關(guān)U、V、W的位置，在其下方是對應(yīng)的相位電流i 、iv、iff的瞬時值，并且最下方是相位電流的和Σ i的瞬時值。根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，在正的零向量111時相位電流的測量結(jié)果的和被計算(Δ iro，在時間間隔t3_t4)，并且在負(fù)的零向量000時相位電流的測量結(jié)果的和被計算 (AiNCI，在時間間隔t6_t7)，從而所形成的電流的和的差值被計算得到。對應(yīng)于本發(fā)明的第一實施例，電流傳感器的偏移誤差被從計算的最終結(jié)果中完全消除，當(dāng)尺度誤差被調(diào)整到可忽略時，對實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)明的第三實施例，在相反有效向量時的相位電流的測量結(jié)果的和被計算。在圖4的示例中，在時間間隔、-、，第一測量結(jié)果Aipi在有效向量100時得到，并且在時間間隔trt2，第二測量結(jié)果Δ iN1在有效向量011時得到。這些測量結(jié)果的差值與對應(yīng)于本發(fā)明其他實施例的實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量結(jié)果具有與發(fā)生在其他相位的接地故障時不同大小值。這是因為只有導(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其他相位導(dǎo)體傳導(dǎo)，也會遭遇電動機(jī)的相繞組WpWv或Ww的阻抗?；诖?，通過本發(fā)明的所述實施例，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被測量，并且所述逆變器包括至少兩個通過功率半導(dǎo)體元件(V1-VyD1-D6)實施的相位開關(guān)，所述開關(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相對的開關(guān)位置組合期間的電流測量結(jié)果被記錄至內(nèi)存，并且通過形成所述組合的測量的差值，計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安置在DC中間電路的電流傳感器的方式進(jìn)行測量，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，計算接地故障電流所需的電流測量結(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輸出相位使用其自身電流傳感器進(jìn)行測量，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，所有相位的電流的測量結(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輸出相位使用其自身電流傳感器進(jìn)行測量，并且電流的相位特定的測量結(jié)果被一起相加，并且當(dāng)一個輸出相位是正的位置而其他輸出相位是負(fù)的位置時，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，所有相位的電流的測量結(jié)果被記錄至內(nèi)存。
5.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，接地故障電流的值計算為在所述相對開關(guān)位置組合期間記錄在內(nèi)存的測量結(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通過功率半導(dǎo)體元件(V1-VyD1-D6)實施的相位開關(guān)，所述開關(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相對的開關(guān)位置組合期間的電流測量結(jié)果至內(nèi)存，并且通過形成所述組合的測量的差值，計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安置在DC中間電路的電流傳感器的方式進(jìn)行測量，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，計算接地故障電流所需的電流測量結(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輸出相位使用其自身電流傳感器進(jìn)行測量，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，所有相位的電流的測量結(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輸出相位使用其自身電流傳感器進(jìn)行測量，并且所述設(shè)備包括用以對電流的相位特定的測量結(jié)果一起相加的裝置，并且所述設(shè)備包括內(nèi)存，當(dāng)一個輸出相位是正的位置而其他輸出相位是負(fù)的位置時，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，所有相位的電流的測量結(jié)果被記錄至內(nèi)存。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中的任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備適合于計算接地故障電流的值，接地故障電流的值為在所述相對開關(guān)位置組合期間記錄在內(nèi)存的測量結(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)被測量，并且所述逆變器包括至少兩個通過功率半導(dǎo)體元件(V1-V6，D1-D6)實施的相位開關(guān)，所述開關(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，在兩個相對的開關(guān)位置組合期間的電流測量結(jié)果被記錄至內(nèi)存，并且通過形成所述組合的測量的差值，計算得到接地故障電流。
文檔編號G01R31/02GK102288801SQ201110116209
公開日2011年12月21日 申請日期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 申請人:瓦孔厄伊公司