用于故障電流檢測的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于檢測具有有源功率因子校正的經(jīng)調(diào)節(jié)DC中間電路中的故障電流的方法和裝置。
【專利說明】用于故障電流檢測的裝置和方法
[0001]描述:
[0002]本發(fā)明涉及用于根據(jù)如權(quán)利要求1所述的特征的電子換向DC機器的故障電流檢測監(jiān)視，且涉及根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于檢測故障電流的方法。
[0003]在電氣系統(tǒng)中，且在EC DC機器的情況下，有必要能夠可靠地檢測故障電流。絕對電流和相對電流的頻譜和同相檢測對于評定故障電流的風險且對于評估故障電流對人類且對材料的潛在風險來說是重要的。
[0004]故障電流涉及歸因于絕緣缺陷而流過給定故障位置的電流。為了計算故障電流強度，取決于故障和故障位置的類型，有必要考慮互感器電阻、導體電阻、接地電阻、主體電阻、正要與故障位置接觸的人的電阻以及如果適用額外過渡電阻。在電氣安裝技術(shù)中，在將在AC電源網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)視的電流的瞬時值的基礎(chǔ)上，評定穿過電氣系統(tǒng)的潛在風險。這適用于絕對值和相對值兩者，和/或待監(jiān)視電流的差值，這些電流值也稱為故障電流。這種類型的風險檢測以故障電流斷路器的形式使用，故障電流斷路器也稱為FI開關(guān)，且其測量饋送導體與返回導體之間的差分電流。
[0005]如果將此故障電流斷路器(簡稱:FC斷路器)安裝在相關(guān)的電路中，且獲得必需的額定差分電流，那么所述斷路器在所有極點處關(guān)斷所述電路。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中描述用于評估故障電流對人類和材料的潛在風險的各種各樣的方法。舉例來說，專利說明書DE 196 34 438 Al描述一種用于防護危險的觸電電流的故障電流防護裝置或差分電流防護裝置。用于防護故障電流的防護裝置意在其跳閘特性中以可變頻率相對于頻率因子F且相對于低于根據(jù)給定圖表的閾值曲線的故障電流的頻率(f)調(diào)諧到跳閘值，所述頻率因子F作為從故障電流的可變頻率下人類的可允許觸電電流和50Hz或60Hz下的可允許觸電電流得出的商。
[0007]從DE 102007027727 Al已知用于檢測機器中的電路中的故障電流的裝置，其中機器中的至少一個電路包括電磁濾波器，且其中所述電磁濾波器連接到用于檢測故障電流的測量裝置。
[0008]當使用電子換向DC機器時，適當FI斷路器的使用出現(xiàn)問題。FI斷路器的選擇本質(zhì)上取決于潛在發(fā)生的故障電流的當前形式。存在不同類型的故障電流斷路器，其與取決于能夠檢測的故障電流類型的特定類型相關(guān)聯(lián)。
[0009]在德國，根據(jù)當前適用的VDE 0100-530，AC類型的故障電流斷路器僅檢測純正弦曲線故障電流，且不再被允許作為故障電流防護裝置。
[0010]A類型的故障電流斷路器包括對脈動電流敏感的市售故障電流防護裝置。這種類型可檢測純正弦曲線AC電流以及脈動DC故障電流兩者。借助于用于環(huán)形鐵芯的特殊磁性材料以及用于影響頻率響應(yīng)的諧振電路來實現(xiàn)所需的敏感性。對脈動電流敏感的故障電流防護裝置獨立于電源電壓而操作。
[0011]F類型的故障電流斷路器是對混合頻率敏感的故障電流防護裝置，且因此還像A類型的情況下那樣檢測所有的故障電流類型。它們也對檢測由頻率的頻率混合物組成的故障電流有用。因此，有可能檢測單相連接頻率轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)上的故障電流形式。
[0012]B類型的故障電流斷路器為對所有電流敏感的故障電流斷路器，且能夠檢測平穩(wěn)的DC故障電流以及AC故障電流。這些故障電流防護裝置包括第二總和電流互感器和集成電子單元。然而，使用B類型的故障電流防護裝置來監(jiān)視DC故障電流需要獨立的電流供應(yīng)。因此，操作和使用獨立于電源電壓。如在類型A的情況下，AC和脈動電流敏感的開關(guān)組件獨立于電源電壓，且獨立于電源電壓而操作。
[0013]B類型的使用是常見的，尤其是結(jié)合逆變器和頻率轉(zhuǎn)換器，其在具有整流器的中間電路的區(qū)域中操作。
[0014]在此情況下，故障電流斷路器的重要元件是所謂的總和電流互感器，通過總和電流互感器，所有帶電導體，包括中性導體，均被一起引導在相同方向上。正常且適當?shù)牟僮麟娏鲗Υ丝偤碗娏骰ジ衅鞑痪哂杏绊?，因為總和并不導致差分電流?br>[0015]然而，故障電流一從閉路流向接地電位，互感器的電磁平衡就被流向接地的故障電流的量值打破。因此，互感器被磁化，且經(jīng)由高度敏感的跳閘瞬時導致故障電流斷路器的全體去活。
[0016]因此，A類型的故障電流斷路器測量故障電流的AC電流部分，其中不檢測且因此也無法評估故障電流的DC電流部分。
[0017]目前，結(jié)合電子換向裝置的使用，僅已知B類型的FI斷路器。除具有無源PFC級的裝置之外，具有有源PFC級的裝置最近才變得在市場上常見。A類型的FI斷路器主要集成在建筑物安裝中。事實是，在此情況下，這些FI斷路器無法檢測具有有源PFC規(guī)范的裝置中的故障電流，且因此可能不跳閘，這是不利或危險的。
[0018]然而，現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法無法結(jié)合具有有源PFC規(guī)范和升高的中間電路電壓同時符合安裝技術(shù)有關(guān)標準和規(guī)范的電子換向DC機器使用。在此類裝置中，不可能使用A類型的故障校正斷路器(F1-斷路器)。在故障事件中(例如在有缺陷的絕緣的情況下)，由于升高的電壓，DC電流流動，A類型的FI斷路器(如上文所闡釋)無法關(guān)斷所述流動。
[0019]至此，代替于常規(guī)且更加有利的A類型FI斷路器，有可能僅使用昂貴許多倍的B類型FI斷路器，這是不利的。
[0020]本發(fā)明的目標是克服前面所提到的不利，且為具有有源PFC規(guī)范和升高的電壓的中間電路提供解決方案，仍可使用A類型的FI斷路器來可靠且安全地操作所述電路的故障電流。
[0021]本發(fā)明的另一目標是提供一種解決方案，其確保用于根據(jù)相關(guān)的VDE安裝標準和裝配說明來使FI開關(guān)跳閘的可靠最大關(guān)斷時間。
[0022]此目標由根據(jù)如權(quán)利要求1所述的特征的裝置且由根據(jù)如權(quán)利要求8所述的特征的方法來實現(xiàn)。
[0023]本發(fā)明的基本概念在此是當與電流信號成比例的差信號的量值指示系統(tǒng)中存在高于最大可允許限制的故障電流時，為從饋送和返回導體(即，帶電導體)中的電流信號到換向電路的有源功率因子校正產(chǎn)生關(guān)斷條件。這導致故障電流的波形以及A類型FI開關(guān)所檢測到的形狀的變化。
[0024]因此，根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于檢測具有有源功率因子校正(PFC)的經(jīng)調(diào)節(jié)DC中間電路中的故障電流的裝置，其包括以下:
[0025]-檢測裝置，其用于檢測電流S1、S2(電流信號)，其流經(jīng)輸入側(cè)上的兩個帶電導體(饋送和返回導體)，
[0026]-互感器，其用于在每一情況下，從分別檢測到的信號S1、S2產(chǎn)生模擬信號SI'、S2'，
[0027]-差分放大器，其用于從信號SI'、S2'放大和/或準備信號Sdiff作為差信號，其中對應(yīng)于檢測到的故障電流的差信號超過信號Sdiff的最大可允許閾值(切換PFC，從而減少Uic)，以及
[0028]-電路配置，其用于(有源)降低中間電路電壓，使得A類型FI斷路器可利用信號Sdiff用于關(guān)斷。
[0029]因此，從具有有源功率因子校正以及(任選地)升高的電壓的DC電壓中間電路饋送的換向電路也可用用于檢測故障電流的A類型FI斷路器以本發(fā)明的方式成功地操作。
[0030]在本發(fā)明的特別優(yōu)選實施方案中，假定通過關(guān)斷有源功率因子校正來引起中間電路電壓的降低。因此，UK+與接地電位(或保護接地)之間的中間電路電壓以及故障電流曲線的波形改變?yōu)锳類型FI可檢測的波形，其為對應(yīng)于具有無源功率因子校正的換向電子器件的故障電流曲線的輪廓。這意味著歸因于電壓的電壓曲線的變化，故障電流的輪廓也因此改變，這接著由A類型FI斷路器檢測，且可安全地關(guān)斷故障電流。
[0031]優(yōu)選的是，假定檢測裝置包括用于分接信號(明確地說，電流信號(I_、IS0))的兩個帶電導體的每一個中的電組件。兩個電組件(3a、3b)成對構(gòu)成電阻、電感或磁場傳感器的配置尤其優(yōu)選。
[0032]在本發(fā)明的另一有利實施方案中，假定差分放大器包括例如信號準備模塊，其被設(shè)計成準備差信號Sdiff，使得其可由微控制器、ASIC、集成電路等進一步處理。在此方面中，如果電路配置包括用于處理信號Sdiff的微控制器、ASIC或集成電路，那么是有利的。
[0033]本發(fā)明的另一方面涉及一種用于根據(jù)如先前所描述的裝置來檢測故障電流的方法，其中
[0034]-通過檢測裝置來檢測兩個信號S1、S2，其各自與在裝置的操作期間流經(jīng)輸入側(cè)上的兩個帶電導體(即，穿過饋送線和返回線)的電流成比例，
[0035]-在每一情況下，從檢測到的信號S1、S2產(chǎn)生優(yōu)選模擬信號SI'、S2'，
[0036]-從對應(yīng)于檢測到的故障電流的信號SI'、S2'準備信號Sdiff作為差信號，以及如果故障電流超過最大可允許閾值，那么降低中間電路電壓，使得信號Sdiff可由A類型FI斷路器用來關(guān)斷。
[0037]如果在中間電路電壓的有源降低的輔助下，中間電路電壓與接地電位之間的電壓曲線使得PFC的關(guān)斷發(fā)生，那么所述方法的實施方式尤其有利。這可有利地發(fā)生，因為通過關(guān)斷有源功率因子校正，中間電路電壓得以降低。
[0038]如上文所指示，這優(yōu)選僅在故障電流超過所定義閾值時發(fā)生。因此，如果差信號顯示高于閾值的量值，那么關(guān)斷或橋接有源功率因子校正。
[0039]本發(fā)明的其它有利細化的特征在于附屬權(quán)利要求，且在下文連同參考圖式的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的描述一起更詳細地描述，其中:
[0040]圖1示出具有無源PFC的用于3鏈EC電動機的已知換向電子器件的基本電路圖；
[0041]圖2示出具有有源PFC的用于3鏈EC電動機的已知換向電子器件的基本電路圖；
[0042]圖3在CH4中示出具有無源PFC的逆變器中的中間電路電壓與保護接地電位之間的電壓曲線，CH2示出電源輸入電壓；
[0043]圖4在CH4中示出具有有源PFC的逆變器中的中間電路電壓與保護接地電位之間的電壓曲線，CH2示出電源輸入電壓；
[0044]圖5在CH4中示出具有無源PFC的換向電路的中間電路中的中間電路電壓與保護接地電位之間的電壓曲線，且CH3示出故障電流，CH2示出輸入電壓；
[0045]圖6在CH4中示出具有有源PFC的換向電路的中間電路中的中間電路電壓與保護接地電位之間的電壓曲線，且CH3示出故障電流，CH2示出輸入電壓，以及
[0046]圖7示出用于具有有源PFC的EC電動機的換向電子器件的本發(fā)明的示例性實施方案的基本電路圖。
[0047]在以下描述中，基于圖1到圖7，相同參考標號指代相同結(jié)構(gòu)或功能特征。圖1示出用于3鏈EC電動機20的具有無源PFC 21的換向電子器件的基本電路圖，其在輸入側(cè)上經(jīng)由由L-C組合組成的EMV濾波器24連接到AC電壓源23。在此情況下，無源功率因子校正21僅由中間扼流電路25組成。
[0048]圖2描繪具有有源功率因子校正22的換向電子器件。在根據(jù)圖1的具有無源PFC的電子器件中，電容器(^上存在的中間電路電壓具有值Uel= V 2*Ua。，其中14。為饋送AC電壓。在具有有源PFC的換向電路中，如圖2中所描繪，電容器C1上的電壓可設(shè)定為值UIC> V 2*UaCirnso EC裝置中所使用的典型值處于在380VDC到440VDC的范圍內(nèi)的電壓下。
[0049]因此，電容器的正端子(陽極)與PE電位(保護接地電位)之間存在電壓，其本質(zhì)取決于拓撲學，如下文所描述的圖中所示。
[0050]圖3示出具有無源PFC的逆變器中的中間電路電壓與保護接地電位之間的電壓曲線，且圖4示出具有有源PFC的逆變器中的中間電路電壓與保護接地電位之間的電壓曲線。
[0051]示出測得曲線，其與對應(yīng)的測得信道相關(guān)聯(lián)。信道Ch2上下部曲線中描繪AC電壓源的正弦曲線輸入電壓。用于具有無源PFC的逆變器的信道Ch4中示出中間電路電壓與保護接地電位之間的電壓曲線。很明顯的是，中間電路電壓與保護接地電位之間的電位，即電壓Uk相對于保護接地電位(PE電位)，在值OV與U 之間交替。
[0052]作為比較，圖4示出具有有源PFC的逆變器中的中間電路電壓與保護接地電位之間的電壓曲線。在此情況下，電容器的陽極與保護接地電位之間的電壓電位總是大于0V。最小值處于Unin= U IC aCirnso
[0053]如果前面提到的實例中存在絕緣故障，那么這在拓撲上對應(yīng)于其中引入正中間電路電位與保護接地(PE)電位之間的電阻的狀態(tài)。故障電流接著也根據(jù)電壓曲線來表現(xiàn)。在根據(jù)圖1的逆變器中，電流將周期性地減弱為0A，且在根據(jù)圖2的逆變器中，減弱到最小值，其表示最小故障電流，后者由商(Uk- V 2*Uac,ms)/Rw確定。與根據(jù)圖1的逆變器對比，DC部分總是在根據(jù)圖2的逆變器中流動。
[0054]圖5和圖6的每一者中描繪的是以下情形:在兩個電路拓撲的情況下，3ΚΩ的電阻Rftpt在每一情況下已整合在中間電路電壓與保護接地電位(在此情況下，電動機的導電外殼)之間。
[0055]圖5表示具有無源PFC的換向電子器件中的測量結(jié)果。在上部曲線(CH4)中，在故障電阻上方標繪電壓降。下部曲線(CH3)中描繪對應(yīng)的故障電流，其經(jīng)由電阻流到外殼。
[0056]圖6示出使用具有有源PFC的換向電子器件的情況的對應(yīng)測量的測得曲線。在這些圖中，中間正弦曲線測得曲線(信道Ch2)表示正弦曲線輸入電壓。UK+與保護接地電位之間的電壓由上部曲線(Ch4)反映，且電阻Rw的測得故障電流由中間曲線形狀表示。
[0057]圖7示出具有有源PFC的用于EC電動機的換向電子器件的本發(fā)明的示例性實施方案的示意圖。用于檢測經(jīng)調(diào)節(jié)DC中間電路2中的故障電流的裝置I被示出為具有有源功率因子校正22，且具有用于檢測電流信號S1、S2的檢測裝置3，所述電流信號S1、S2流經(jīng)輸入側(cè)上的兩個帶電導體4a、4b。
[0058]檢測裝置3包括用于分接電流信號SI = Itss和S2 = Ijg0，因此分接穿過饋送線和返回線的電流的兩個帶電導體4a、4b的每一個中的電組件3a、3b。通過下文所述的探測選項，將從饋送線和返回線檢測到的電流值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬電壓信號。這些電壓信號優(yōu)選作為輸入信號饋送到差分放大器6。
[0059]提供:互感器5，用于在每一情況下從分別檢測到的信號S1、S2產(chǎn)生模擬信號SI'、S2';以及差分放大器6，用于準備信號Sdiff，作為對應(yīng)于檢測到的故障電流的信號SI'、S2'之間的差信號，明確地說，在故障電流超過信號Sdiff的最大可允許閾值的事件中。
[0060]為了降低中間電路電壓，提供電路配置7，使得借助于信號Sdiff來起始關(guān)斷過程。電路配置7被設(shè)計成使得通過關(guān)斷有源功率因子校正來降低中間電路電壓。
[0061]本發(fā)明在其實施方式方面不限于前面所提到的優(yōu)選示例性實施方案。相反，可想到若干變化，其甚至在從根本上不同類型的實施方案的情況下使用所呈現(xiàn)的解決方案。因此，檢測裝置3、互感器4和/或電路配置7也可被設(shè)計為共享電路。
【主權(quán)項】
1.一種用于檢測具有有源功率因子校正的經(jīng)調(diào)節(jié)DC中間電路⑵中的故障電流的裝置(I)，其包括以下: a.檢測裝置(3)，其用于檢測信號(S1、S2)，所述信號各自與流經(jīng)輸入側(cè)上的兩個帶電導體(4a、4b)的電流成比例， b.互感器(5)，其用于在每一情況下從分別檢測到的信號(S1、S2)產(chǎn)生模擬信號(SI’、S2，)， c.差分放大器(6)，其用于放大以準備信號Sdiff作為對應(yīng)于檢測到的故障電流的所述信號(S1’、S2’)之間的差信號， d.電路配置(7)，其用于降低所述中間電路電壓，使得A類型FI斷路器(8)可檢測到所述信號SDIFF，以便關(guān)斷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(I)，其特征在于所述電路配置(7)被設(shè)計成使得通過關(guān)斷所述有源功率因子校正來降低所述中間電路電壓。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置⑴，其特征在于所述DC中間電路⑵被設(shè)計成用于產(chǎn)生升高的中間電路電壓。4.根據(jù)先前權(quán)利要求中的一個權(quán)利要求所述的裝置(I)，其特征在于所述檢測裝置(3)包括用于分接電流信號(1_、Iffl)的所述兩個帶電導體(4a、4b)的每一個中的一個電組件(3a、3b) ο5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置(I)，其特征在于所述兩個電組件(3a、3b)成對表示電阻、電感或磁場傳感器。6.根據(jù)先前權(quán)利要求中的一個權(quán)利要求所述的裝置(I)，其特征在于所述差分放大器(6)包括信號準備模塊，以便準備所述信號Sdiff，使得其可由微控制器、ASIC或集成電路進一步處理。7.根據(jù)先前權(quán)利要求中的一個權(quán)利要求所述的裝置(I)，其特征在于所述電路配置(7)包括用于處理所述信號Sdiff的微控制器、ASIC或集成電路。8.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1到7中的一個權(quán)利要求所述的裝置檢測故障電流的方法，其中 a.通過檢測裝置(3)來檢測兩個信號(S1、S2)，其各自與在所述裝置的操作期間流經(jīng)輸入側(cè)上的兩個帶電導體(4a、4b)的電流成比例， b.在每一情況下，從所述檢測到的信號(S1、S2)產(chǎn)生優(yōu)選模擬信號(S1’、S2’)， c.準備信號Sdiff作為對應(yīng)于檢測到的故障電流的所述信號(S1’S2’)之間的差信號，以及 d.如果故障電流超過最大可允許閾值，那么降低中間電路電壓，使得所述信號Sdiff經(jīng)歷可檢測到或由A類型FI斷路器(8)檢測作為故障電流的波形。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于通過關(guān)斷有源功率因子校正來降低所述中間電路電壓，使得所述信號Sdiff起始關(guān)斷過程或可由A類型FI斷路器⑶檢測。10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中借助于所述中間電路電壓的有源降低，所述中間電路電壓與接地電位之間的電壓曲線經(jīng)歷產(chǎn)生故障電流曲線的波形，所述波形可被檢測到或由A類型FI斷路器(8)檢測作為故障電流。
【文檔編號】H02H3/32GK105914712SQ201510626920
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年9月28日
【發(fā)明人】G·哈斯, H·力波
【申請人】依必安派特穆爾芬根有限兩合公司