CN102288801A - 接地故障电流的测量 - Google Patents

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Abstract

测量逆变器(INU)的输出电路的接地故障电流的方法和设备，所述逆变器基于PWM原理运行，并且从直流电压中形成交流电压，所述逆变器的输出电流(iU、iV和iW)被测量，并且所述逆变器包括至少两个通过功率半导体元件(V1-V6，D1-D6)实施的相位开关，所述开关受控制单元控制，并连接其自身输出相位至直流电压源的正极和负极，从而相位开关既在不同的位置也在相同的位置上周而复始，在两个相对的开关位置组合期间的电流测量结果被记录至内存，并且通过形成所述组合的测量的差值，计算得到接地故障电流。

Description

接地故障电流的测量
技术领域
本发明涉及一种用于测量功率变换器的输出电路中的接地故障电流的方法和设备，所述功率变换器是通过开关式功率半导体元件实现的，本发明尤其涉及一种用于测量具有频率转换器的电动机中的或者连接电动机的电缆中的接地故障电流的方法和设备。
背景技术
形成的输出电流的测量已知被包括在例如频率转换器的功率变换器的常规特性中，所述功率变换器形成电能。识别所述电流电平是调整输出功率和检测例如短路故障的先决条件。
测量电流的已知方法是利用基于霍尔效应的电流互感器，所述互感器形成与所述被测电流电路电隔离的信号。另一已知方法，在费用方面比霍尔互感器较低，该方法是测量作用在设置在主电流路径上的分流电阻的电压，该电压与所述电流成正比。
功率变换器的通常目的是获得关于提供输出功率的所有导体的电流的信息。例如，频率转换器通常形成三相输出电压，其所有的三相电流可以通过设置在所有相位的电流互感器测量。例如从公开的US5309349获知另一方法，该方法利用设置在DC中间电路中的仅一个电流传感器，通过该传感器获得所有三相输出中的电流抽样，并可能由该抽样以一定的精确度重建所述输出电流。
由频率转换器提供的电动机驱动的一种可能的故障情形是电动机或电动机电缆中的接地故障，该故障可以通过输出电流的测量而检测到。当接地故障是低阻抗的时候，检测通常可能基于在故障状况下输出电流的和不是0或者基于测量得到的电平超出预定的过电流水平。另一方面，当接地故障通过高阻抗发生时，例如由于初期的绝缘故障所导致，则检测更加困难。这是电流传感器的通常不精确的结果，所述不精确度例如可以是3％，因此不确定电流的和的大小与0的偏差在这个区间是否意味着故障或非故障。
通过使用更精确的电流传感器可以降低不确定性，但这同时也意味着成本的上升，出于商业原因这通常是不可行的。另一方面，相对小的接地故障电流能引起在绝缘体的泄漏点的相当明显的局部发热，并由此引起危险处境。例如，如果电流测量的不精确度是3％，对于具有额定电流1000A的器件，未检测的接地故障电流可能在60A的区间内，这很容易导致甚至火灾。
发明内容
本发明的目的是实现一种检测接地故障电流的新型方法和设备，所述方法和设备能识别低于电流传感器的不精确特征的接地故障电流水平，因此前述的缺点能够被避免。所述方法既适合于用其自有的测量传感器测量所有输出电流的设备，也适合于用DC电流的一个测量传感器来测量的设备。使用两电平所谓的脉宽调制(PWM)频率转换器作为本发明应用的描述性实施例，但基于开关类型的功率半导体元件的相同类型的其他应用也是可能的(例如，三电平所谓中点钳位式(NPC)频率转换器)。本发明的目标通过其特征在于独立权利要求的特征部分所陈述的内容的方法得以实现。本发明的其他优选实施例是非独立权利要求的目标。
本发明的主要根本特性是在所述方法中在两个相反的开关位置组合期间对电流测量结果或者所述电流的和相互进行比较。由于电流传感器的误差被从中根本地被消除，测量结果的差别与接地故障电流成正比。
根据本发明的第一实施例的方法适合于在其中输出电流通过安置在DC中间电流的一个电流传感器进行测量的设备。在所述方法中，电流测量的结果在所谓的输出开关零向量时被检测。当输出开关都处于同一位置时，输出开关的状态被称为零向量。根据本发明，在正的零向量(111，所有相开关处于上面位置)时测量的电流与在负的零向量(000，所有相开关处于下面位置)时的测量电流进行比较。如果测量结果之间不相同，就是电动机电路中接地故障的标志，并且测量结果的差别与接地故障电流成正比。
根据本发明的其他实施例的方法适合于在其中所有输出电流通过其自身电流传感器进行测量并且在通常情况下所有电流的和为0的设备。这种情况在例如具有频率转换器的电动机电路中是公知的。根据本发明，在这种布置下，所有电流传感器的测量结果的和被检测。
根据本发明的第二实施例，在正的零向量时形成的电流的和与在负的零向量时形成的电流的和进行比较。测量结果相互之间的差值表示对应于同样在根据本发明的第一实施例的方法中的接地故障。
根据本发明的第三实施例，电流的和在输出开关的相反有效向量时进行相互比较，例如100和011.在这种情况下接地故障的检测及其大小的标准也与在根据本发明的第一实施例中的方法相同。在这个示例中，有效象限是指在其中U相位处于与其他两个相位不同位置，在这种情况下，精确发生在U相位的接地故障导致测量结果具有与发生在其他相位的接地故障的不同大小值。这是因为只有导体自身的阻抗限制在U相位导体的接地故障电流，而接地故障电流通过其他相位导体传导，也会遭遇电动机的阻抗。因此通过该方法，除了判断接地故障是否存在，还能够确定所述接地故障最有可能所处的相位导体。
本发明也能够探测很小的接地故障电流，而不受电流传感器精度限制。本发明不要求任何附加的设备，因此通过本发明的方法可以在不增加任何额外成本的情况下防止可能由于初期接地故障引起的问题。
附图说明
下面参考附图通过实施例的一些例子对本发明进行详细的描述，其中，
图1表示了频率转换器驱动的主体电路和电流传感器，
图2表示了根据相位开关的位置从中间电路测得的电流的大体形式，
图3表示了从中间电路测得的电流，包括误差部分，以及
图4表示了从输出相位测得的电流以及所述电流的和。
具体实施方式
图1表示现有技术三相PWM频率转换器的主体电路，相位连接与供应网络相结合，其中主体电路为L1-L3和连接到电动机M的输出相位连接U、V、W，所述电动机M在该实施例中包含相位特定的星形连接的定子绕组WU、WV和WW。供应网络的电压通过二极管电桥REC进行整流，在DC中间电路进行滤波进入DC电压UDC，并且被逆变成具有逆变器INU所期望的频率和电压水平的三相输出电压，所述逆变器包括可控功率半导体开关(例如，IGBTs)V1-V6，以及与V1-V6并联的所谓零二极管D1-D6。属于同一相位的所述功率半导体开关和零二极管形成三个所谓的相位开关，所述相位开关能将输出接口连接至DC中间电路的正极或者负极。例如，当V1导电时，U相位开关处于正极位置(用代码1表示)，并且当V4导电时，U相位开关处于负极位置(代码0)。这些代码数字精确地用于所谓的输出电压的向量表示以描述相位开关的位置，例如，输出电压向量100表示U相位处于正极位置，此时V1导电，并且V相位和W相位处于负极位置，此时V5和V6导电。频率转换器的运作受控制单元CU的控制，所述控制单元尤其确定了使用的输出电压向量的瞬时值，并且接收电流传感器的测量结果。由频率转换器提供给电动机的电流可以根据图中被测量，例如用安置在DC中间电路的一个电流传感器(测量信号iDC)或者用安置在输出相位的三个电流传感器(测量信号iU、iV和iW)。电流传感器测量的电流的正方向通过标记在传感器旁边的箭头进行标记。
也在图中标记一个可能的接地故障EF发生的点，在本实施例中的点表示可能由于绝缘故障所导致的W相位导体直接与地接触。
图2包含了被安置在DC中间电路的电流传感器所探测的电流信号iDC如何与输出电压向量，即与相位开关U、V、W的位置相关联的大体表示。例如，在t1时刻之前，所有相位都处于低的位置(向量000)，电流信号iDC为0。在t1时刻，U相位开关转为正极位置(向量100)，这种情况下iDC传感器测得的电流与iU相同，测得的值可能是正的，也可能是负的，用长方形来表示。进一步，在t2时刻，V相位开关转为正极位置(向量110)，这种情况下iDC传感器测得的电流与W相位电流的相反值是相同的，即-iU。关于中间电路的电流测量iDC与输出电流iU、iV、iW在不同的向量组合下相互之间的关联性的详细解释可以在尤其公开的专利US5309349中找到。
从图3中可以看出输出相位的接地故障是如何出现在DC中间电路的电流测量中。在图中所标示的时刻之间输出开关被认为处于与图2中相对应的时刻之间相同的位置。在时间间隔t3-t4，当输出电压向量处于位置111时，测量的电流为正(因为DC中间电路的正极电位相对于地是正的)，并且其值为ΔiDCP。相应地，在时间间隔t6-t7，当输出电压向量为000时，测量的电流为负ΔiDCN。
公知电流传感器的不精确的一般原理是其同时包含了尺度误差k1和偏移误差k2，这种情况下传感器对实际电流iR的报告的测量结果iM可以用公式1表示：
iM＝k1×iR+k2                                                (1)
当频率转换器的供应电压系统是对称的并且在中心点接地时，实际的接地故障电流iG也是对称的，即其绝对值在正向量和负向量之间是相同的。根据本发明，测量结果ΔiDCP和ΔiDCN的差值被得到，从所述差值中，偏移误差k2必然消失，并且最终的结果如公式2所表示：
ΔiDCP-ΔiDCN＝2×k1×iG                                (2)
根据本发明，接地故障电流的测量结果是测量结果ΔiDCP和ΔiDCN的差值的一半，并且唯一的影响误差因素是尺度误差k1。
在图4中示出了根据本发明的第二和第三实施例的测量。最上面的部分描述了相位开关U、V、W的位置，在其下方是对应的相位电流iU、iV、iW的瞬时值，并且最下方是相位电流的和∑i的瞬时值。
根据本发明的第二实施例，在正的零向量111时相位电流的测量结果的和被计算(ΔiP0，在时间间隔t3-t4)，并且在负的零向量000时相位电流的测量结果的和被计算(ΔiN0，在时间间隔t6-t7)，从而所形成的电流的和的差值被计算得到。对应于本发明的第一实施例，电流传感器的偏移误差被从计算的最终结果中完全消除，当尺度误差被调整到可忽略时，对实际接地故障电流的精确结果可以作为最终结果得到。
根据本发明的第三实施例，在相反有效向量时的相位电流的测量结果的和被计算。在图4的示例中，在时间间隔t1-t2，第一测量结果ΔiP1在有效向量100时得到，并且在时间间隔t1-t2，第二测量结果ΔiN1在有效向量011时得到。这些测量结果的差值与对应于本发明其他实施例的实际接地故障电流成正比。
在该示例中有效向量是指其中U相位处于与其他两个相位不同的位置，在这种情况下精确发生在U相位的接地故障使得测量结果具有与发生在其他相位的接地故障时不同大小值。这是因为只有导体自身的阻抗限制在U相位导体的接地故障电流，而接地故障电流通过其他相位导体传导，也会遭遇电动机的相绕组WU、WV或WW的阻抗。基于此，通过本发明的所述实施例，除了判断接地故障是否存在，还能够确定所述接地故障最有可能处于的相位导体。
显然本领域的技术人员应该理解，本发明的不同实施例不限于上面描述的例子，而是可以在所述权利要求范围内进行修改。

Claims (10)

1.测量在逆变器(INU)中的输出电路的接地故障电流的方法，所述逆变器基于PWM原理运行，并且从直流电压中形成交流电压，
所述逆变器的输出电流(iU、iV和iW)被测量，并且
所述逆变器包括至少两个通过功率半导体元件(V1-V6，D1-D6)实施的相位开关，所述开关受控制单元控制，并连接其自身输出相位至直流电压源的正极和负极，从而相位开关既在不同的位置也在相同的位置上周而复始，
其特征在于，
在所述方法中在两个相对的开关位置组合期间的电流测量结果被记录至内存，并且
通过形成所述组合的测量的差值，计算得到接地故障电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述逆变器的输出电流通过安置在DC中间电路的电流传感器的方式进行测量，并且
当所有输出相位为正的位置以及所有输出相位为负的位置时，计算接地故障电流所需的电流测量结果被记录至内存。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述逆变器的输出电流是从每个输出相位使用其自身电流传感器进行测量，并且
当所有输出相位为正的位置以及所有输出相位为负的位置时，所有相位的电流的测量结果被记录至内存。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述逆变器的输出电流是从每个输出相位使用其自身电流传感器进行测量，并且
电流的相位特定的测量结果被一起相加，并且
当一个输出相位是正的位置而其他输出相位是负的位置时，以及当相同输出相位是负的位置而其他输出相位是正的位置时，所有相位的电流的测量结果被记录至内存。
5.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
接地故障电流的值计算为在所述相对开关位置组合期间记录在内存的测量结果(ΔiDCP和ΔiDCN，ΔiP0和ΔiN0，ΔiP1和ΔiN1)的差值的一半。
6.测量在逆变器(INU)中的输出电路的接地故障电流的设备，所述逆变器基于PWM原理运行，并且从直流电压中形成交流电压，
所述设备包括测量所述逆变器的输出电流(iU、iV和iW)的装置，并且
所述逆变器包括至少两个通过功率半导体元件(V1-V6，D1-D6)实施的相位开关，所述开关受控制单元控制，并连接其自身输出相位至直流电压源的正极和负极，从而相位开关既在不同的位置也在相同的位置上周而复始，
其特征在于所述设备适合于
记录在两个相对的开关位置组合期间的电流测量结果至内存，并且
通过形成所述组合的测量的差值，计算得到接地故障电流。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，
所述逆变器的输出电流通过安置在DC中间电路的电流传感器的方式进行测量，并且
所述设备包括内存，当所有输出相位为正的位置以及所有输出相位为负的位置时，计算接地故障电流所需的电流测量结果被记录至内存。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，
所述逆变器的输出电流是从每个输出相位使用其自身电流传感器进行测量，并且
所述设备包括内存，当所有输出相位为正的位置以及所有输出相位为负的位置时，所有相位的电流的测量结果被记录至内存。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，
所述逆变器的输出电流是从每个输出相位使用其自身电流传感器进行测量，并且
所述设备包括用以对电流的相位特定的测量结果一起相加的装置，并且
所述设备包括内存，当一个输出相位是正的位置而其他输出相位是负的位置时，以及当相同输出相位是负的位置而其他输出相位是正的位置时，所有相位的电流的测量结果被记录至内存。
10.根据权利要求6-9中的任一项所述的设备，其特征在于，
所述设备适合于计算接地故障电流的值，接地故障电流的值为在所述相对开关位置组合期间记录在内存的测量结果(ΔiDCP和ΔiDCN，ΔiP0和ΔiN0，ΔiP1和ΔiN1)的差值的一半。
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