CN103383423A - 用于检测功率转换器的直流供电线上的缺陷的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测连接至配电网络（RD）的功率转换器的DC供电总线上的缺陷的方法。该方法包括步骤：确定转换器的DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

确定DC供电总线的电压（Vbus）的波纹

监视所述平均值

相对于所述波纹的变化；根据所述变化的速率确定DC供电总线上的缺陷，所述缺陷包括DC供电总线的电感器（L1）上的异常、功率转换器的功率过载或者总线电容器（Cbus）的超前损耗。

Description

用于检测功率转换器的直流供电线上的缺陷的方法和系统

技术领域

本发明属于一种用于检测功率转换器的DC供电总线上的缺陷的方法。

本发明还属于一种能够实现所述方法的检测系统。

背景技术

已知，功率转换器包括对其施加DC电压的DC供电总线。DC供电总线包括两条供电线。在DC供电总线的上游，功率转换器包括整流模块，整流模块旨在对由配电网络提供的AC电压整流，并将它转换为施加到总线的DC电压。这样的功率转换器还包括总线电容器，总线电容器连接至总线的两条供电线并旨在将总线电压维持在恒定值。此外，功率转换器可以包括：连接至DC供电总线的一条、另一条或两条供电线的滤波电感器，以及当开始可变速驱动时采用的、装有预充电继电器的预充电电路。

因为各种部件的存在，所以DC供电总线容易呈现某些工作缺陷。例如这些缺陷是：

-总线电容器的超前耗损（wear），

-连接至DC供电总线的电感器线圈之间的短路，

-DC供电总线的电压过载，

-预充电继电器的不合时宜的断开或它的未闭合。

目前的功率转换器没有针对这些缺陷进行保护，也没有包括用于检测它们的任何简单装置。

本发明的目标是提出一种用于检测功率转换器的DC供电总线上的缺陷的方法和系统。对于缺陷的检测，检测系统不需要任何额外的传感器。

发明内容

通过一种用于检测连接至配电网络的功率转换器的DC供电总线上的缺陷的方法来实现此目标，所述功率转换器包括：整流模块，连接至配电网络并且旨在将由配电网络提供的电压转换为施加到DC供电总线的电压；总线电容器；电感器及连接至DC供电总线的预充电电路，所述方法包括步骤：

-确定DC供电总线的电压的平均值，

-确定DC供电总线的电压的波纹，

-监视所述平均值相对于所述波纹的变化，

-根据所述变化的速率确定DC供电总线上的缺陷，所述缺陷包括DC供电总线的电感器上的异常、功率转换器的功率过载或者总线电容器的超前损耗。

根据特定的特征，监视步骤包括监视DC供电总线的电压的波纹和DC供电总线的电压的平均值之间的比率。

根据另一特定特征，监视比率的步骤包括相对于第一速率和相对于第二速率比较所述变化速率。

如果比率的变化速率大于第一速率，则确定步骤包括确定DC供电总线的电压的平均值是否已经变化。如果DC供电总线的电压的平均值已经变化，则缺陷包括预充电电路的预充电继电器上的异常。如果DC供电总线的电压的平均值没有变化，则缺陷包括电感器上的异常。

另一方面，如果比率的变化速率落在第二速率和第一速率之间，则确定步骤包括确定由功率转换器提供的功率是否已经增加。如果由功率转换器提供的功率已经增加，则缺陷包括功率转换器的功率过载。如果由功率转换器提供的功率没有增加，则确定步骤包括在取决于比率的值与极限值之间的比较步骤。根据执行的比较的结果，缺陷包括总线电容器的超前损耗或配电网络的频率的变化。

根据本发明，优选地在DC供电总线的电压的第一谐波上并在两个连续的极值之间测量波纹。

本发明还涉及一种用于检测连接至配电网络的功率转换器的DC供电总线上的缺陷的系统，所述功率转换器包括：整流模块，连接至配电网络并且旨在将由配电网络提供的电压转换为施加到DC供电总线的电压；总线电容器；电感器及连接至DC供电总线的预充电电路，所述系统包括：

-第一装置，用于确定DC供电总线的电压的平均值，

-第二装置，用于确定DC供电总线的电压的波纹，

-用于监视所述平均值相对于所述波纹的变化的装置，

-第三装置，用于根据所述变化的速率确定DC供电总线上的缺陷，所述缺陷包括DC供电总线的电感器上的异常、功率转换器的功率过载或者总线电容器的超前损耗。

根据特定的特征，该系统包括第四装置，用于确定DC供电总线的电压的波纹和DC供电总线的电压的平均值之间比率。

根据另一特定特征，监视装置被设计成将该比率的变化速率相对于第一速率和相对于第二速率进行比较。

如果比率的变化速率大于第一速率，则第三确定装置被设计成监视DC供电总线的电压的平均值的变化。如果DC供电总线的电压的平均值已经变化，则缺陷包括预充电电路的预充电继电器上的异常。如果DC供电总线的电压的平均值没有变化，则缺陷包括电感器上的异常。

如果比率的变化速率落在第二速率和第一速率之间，则第三确定装置被设计成监视由功率转换器提供的功率的变化。如果由功率转换器提供的功率已经增加，则缺陷包括功率转换器的功率过载。如果由功率转换器提供的功率没有增加，则第三确定装置被设计成实现在取决于比率的值与极限值之间的比较。根据执行的比较的结果，缺陷包括总线电容器的超前损耗或配电网络的频率的变化。

根据本发明，该系统包括用于测量或估计总线电容器的内部温度的装置。

附图说明

在下面针对附图提供的详细描述中，其它特征和优点将变得清楚，在附图中：

-图1表示包括本发明的检测系统的功率转换器；

-图2表示在本发明的检测方法中实现的算法。

具体实施方式

本发明涉及一种用于检测功率转换器的DC供电总线上的缺陷的方法。在一种检测系统S中实现此检测方法，检测系统S包括在功率转换器中或连接至功率转换器。

本发明应用于功率转换器，功率转换器包括：

-整流模块REC，连接至配电网络RD，并且旨在将由网络RD提供的AC电压转换为DC电压Vbus。

-包括两条供电线的DC供电总线，第一供电线10处于正电势并且第二供电线11处于负电势。在整流模块REC的输出处，向DC供电总线施加电压Vbus。

-连接至总线的第一供电线10和第二供电线11的总线电容器Cbus，旨在将DC供电总线的电压Vbus维持在恒定值。当然，将总线电容器Cbus的表述理解为也意味着包括连接在一起的几个电容器的组（bank）。

-与第一供电线10和/或与第二供电线11串行连接的至少一个滤波电感器L1，在总线电容器Cbus的上游。

-与总线的第一供电线10（如图1中）或第二供电线11串行连接的或与总线电容器Cbus串行连接的预充电电路。通常，此预充电电路包括限流电阻器RL，与其并联地装有预充电继电器Sw。此限流电阻器RL在DC供电总线充电阶段期间启动时是起作用的。它使得可以限制通过整流模块REC的输入电流。一旦总线电容器Cbus已经被充电，就通过闭合并行安装的继电器Sw来使限流电阻器RL短路。

此外，本发明还可以应用于包括逆变器模块INV的功率转换器，逆变器模块INV连接在DC供电总线的下游并且被采用来将施加到总线的DC电压Vbus转换为发往电负载C的交变电压。

本发明的方法使得可以检测在功率转换器的DC供电总线上出现的缺陷。在检测系统S中实仅仅依靠DC供电总线的电压Vbus的测量来现此方法。

DC供电总线的电压Vbus分解为平均值

和关于其平均值的波纹

从而用下面的方式表示电压Vbus：

$V_{\mathrm{bus}}=\stackrel{\‾}{V}+\tilde{V}$

一旦实现连续的传导，如果仅考虑第一谐波，则DC供电总线的电压Vbus就为：

$V_{\mathrm{bus}}=\stackrel{\‾}{V}+{\tilde{V}}_{H1}*\cos \left({6\mathrm{\ω}}_{R}t\right)$

DC供电总线的电压Vbus的平均值

等于：

其中V_main是简单网络电压（simple network voltage）。

总线的电压波纹的第一谐波是：

${\tilde{V}}_{H1}=V_{\mathrm{main}}\sqrt{2}\sqrt{3}\frac{6}{35\mathrm{\π}}\frac{1}{\sqrt{{(1-{\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2)}^2}}$

其中：

f_R：网络频率，

f₀：LC滤波器的截止频率。

根据本发明，当由功率转换器传递的功率足以允许供电总线的连续传导时，需要观察DC供电总线的电压Vbus的平均值

相对于DC供电总线的电压Vbus的波纹

的变化。在第一谐波上并在两个连续的极值之间执行波纹的测量

从而基于DC供电总线的电压Vbus的波纹

和DC供电总线的电压Vbus的平均值

之间的比率η来执行此监视。

从而用下面的方式表示比率：

$\mathrm{\η}=\frac{\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}}{\stackrel{\‾}{V}}$

其中：

$\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}=\frac{4\stackrel{\‾}{V}}{35}\frac{1}{\sqrt{{(1-{\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2)}^2}}$

因为通常那么可以作以下近似：

$\sqrt{{(1-{\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2)}^2}={\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2$

即：

$\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}=\frac{4\stackrel{\‾}{V}}{35}\frac{1}{{\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2}=\frac{4\stackrel{\‾}{V}}{35}{\left(\frac{f_0}{{6f}_R}\right)}^2=\frac{\stackrel{\‾}{V}}{35{\left({6\mathrm{\πf}}_R\right)}^2\mathrm{LC}}$

基于以上近似，总线电压的波纹和总线电压的平均值之间的比率η可以写为：

$\frac{\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}}{\stackrel{\‾}{V}}=\frac{1}{35{\left({6\mathrm{\πf}}_R\right)}^2\mathrm{LC}}$

可以用以下形式重写比率η：

$\frac{\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}}{\stackrel{\‾}{V}}=k{\left(\frac{f_0}{f_R}\right)}^2=\mathrm{\η}$

从而检测系统以确定的或随机的时间间隔，重新获得DC供电总线的电压Vbus的测量，并且实现用于确定DC供电总线的电压Vbus的平均值

和DC供电总线的电压Vbus的波纹

的手段3。接下来，检测系统实现用于基于这个DC供电总线的电压Vbus的平均值

并基于DC供电总线的电压Vbus的对应波纹来确定比率η的手段4。

此后，本发明的检测系统S实现一种用于监视允许其检测DC供电总线上的可能缺陷的比率η的算法。

在此算法中，检测检测将能够通过比率的变化速率v_η相对于第一速率v₁（对应于在少于1秒中至少10%的变化）和相对于低于第一速率的第二速率v₂（对应于几年中25%的变化）的比较来影响比率η的快或慢的增加。如果比率的增加速率v_η大于第一速率v₁，则增加将被认为是快的，并且如果比率的增加速率v_η落于第二速率v₂和第一速率v₁之间，则增加将被认为是慢的。

在图2中图解示出检测算法。

在步骤E1，检测系统S监视比率η。如果总线电容器Cbus的热模型可获得，则检测系统S可以将比率η对照参考温度，以便改善η的测量精度。

在功率转换操作期间比率η的快速增加可以具有两个原因：

-预充电继电器Sw的断开，如果转换器包括这样的继电器，

-DC供电总线的电感器L1的若干线圈之间的短路。

在步骤E2中，为了区分这两种缺陷，然后检测系统S确定此快速增加是否与DC供电总线的电压Vbus的平均值

的变化有关。

如果比率η的快速增加伴有DC供电总线的电压Vbus的平均值

的变化，则缺陷当然是源自预充电继电器Sw的断开。因此在步骤E3中，检测系统S推断出在预充电继电器Sw上的缺陷，并且例如向操作员信号示意。

另一方面，如果比率η的快速变化与DC供电总线的电压Vbus的平均值

的变化无关，则此表示缺陷当然源自电感器L1的线圈之间的短路。因此在步骤E4中，检测系统S推断出在DC供电总线滤波电感器L1上的缺陷，并且例如向操作员发信号示意。

不管预充电电路的位置是什么，就是说与DC供电总线的供电线10、11串联（如在图1中）或者与总线电容器Cbus串联，这两种缺陷的检测都有效。但是在第二种情况下，为了能够为缺陷定性，DC供电总线的电压Vbus的测量不能包括预充电电路的两端的电压。

参照图2，功率转换器的正常操作期间比率η的慢增加可能具有三种不同的原因：

-功率转换器的电压过载，

-总线电容器的超前耗损，

-配电网络的频率变化。

在比率η慢增加的情况下，检测系统S在步骤E5中检验由功率转换器提供的功率Pf的电平。如果由功率转换器提供的功率Pf增加了，则缺陷当然是源自功率转换器的功率过载。因此在步骤E6中，检测系统S推断缺陷与功率转换器的功率过载有关，并且例如向操作员发信号示意。

另一方面，如果由功率转换器提供的功率Pf没有增加，则检测系统S确定缺陷是否于总线电容器Cbus的超前损耗有关。因此，在步骤E7中，检测系统S执行相对于极限值（lim）的比较，基于比率的参考值η₀确定此极限值。例如在转换器的第一次上电时确定此参考值η₀，并且通过检测系统S存储。那么可以想到两种解决方案：

-如果测量了网络的频率f_R，则检测系统S用网络RD的频率f_R乘以比率η，并且将结果与比率的参考值η₀乘以网络的频率f_R的乘积比较。当乘积η*f_R的值比η₀*f_R大25%时，总线电容器Cbus将处于它的寿命的终点。

-如果没有测量网络的频率f_R，则检测系统将比率η与表达式

比较，其中“tol”是网络频率的值的容差。当

时总线电容器将处于它的寿命的终点。

在图2的步骤E7中，通过考虑可获得的网络的频率f_R的测量来执行比较。

如果测量了配电网络的频率，则监视乘积η*f_R直接相当于监视总线电容器的电容值的倒数。从而，如果检测系统具有采用用于测量或估计总线电容器的内部温度的装置的总线电容器的热模型，则它能够更精确地估计总线电容器的剩余寿命。

在步骤E7中执行的比较期间，如果检测系统S推断比率η或比率η乘网络频率f_R的乘积大于极限值（lim），则检测系统S在步骤E8中推断总线电容器Cbus的超前损耗，并且例如向操作员发信号示意。

另一方面，在步骤E7中，如果检测系统S推断比率η或比率η乘网络频率f_R的乘积不大于极限值（lim），则检测系统S在步骤E9中推断功率转换器中没有缺陷。那么比率η的慢增加仅仅源于配电网络的频率f_R的变化。然后检测系统可以在步骤E1中恢复监视比率。

Claims (18)

1.一种用于检测连接至配电网络（RD）的功率转换器的DC供电总线上的缺陷的方法，所述功率转换器包括：整流模块（REC），连接至配电网络（RD）并且旨在将由配电网络（RD）提供的电压转换为施加到DC供电总线的电压（Vbus）；总线电容器（Cbus）；电感器（L1）及连接至DC供电总线的预充电电路，所述方法的特征在于它包括步骤：

-确定DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

-确定DC供电总线的电压（Vbus）的波纹

-监视所述平均值

相对于所述波纹

的变化，

-根据所述变化的速率确定DC供电总线上的缺陷，所述缺陷包括DC供电总线的电感器（L1）上的异常、功率转换器的功率过载或者总线电容器（Cbus）的超前损耗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于监视步骤（E1）包括监视DC供电总线的电压（Vbus）的波纹

与DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

之间的比率（η）。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于监视比率（η）的步骤（E1）包括将所述变化的速率（v_η）相对于第一速率（v₁）和相对于第二速率（v₂）比较。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于如果比率的变化速率（v_η）大于第一速率（v₁），则确定步骤包括确定DC供电总线的电压（Vbus）的平均值是否已经变化。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

已经变化，则缺陷包括预充电电路的预充电继电器（Sw）上的异常；以及其特征在于，如果DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

没有变化，则缺陷包括电感器（L1）上的异常。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果比率的变化速率（v_η）落在第二速率（v₂）和第一速率（v₁）之间，则确定步骤包括确定由功率转换器提供的功率（Pf）是否已经增加。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，如果由功率转换器提供的功率（Pf）已经增加，则缺陷包括功率转换器的功率过载；以及其特征在于，如果由功率转换器提供的功率没有增加，则确定步骤包括在取决于比率（η）的值与极限值（lim）之间的比较步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于根据执行的比较的结果，缺陷包括总线电容器（Cbus）的超前损耗或者配电网络（RD）的频率（f_R）变化。

9.根据权利要求1至8之一的方法，其特征在于在DC供电总线的电压的第一谐波上并在两个连续的极值之间测量波纹。

10.一种用于检测连接至配电网络（RD）的功率转换器的DC供电总线上的缺陷的系统，所述功率转换器包括：整流模块（REC），连接至配电网络（RD）并且旨在将由配电网络（RD）提供的电压转换为施加到DC供电总线的电压（Vbus）；总线电容器（Cbus）；电感器（L1）及连接至DC供电总线的预充电电路，所述系统的特征在于它包括：

-第一装置，用于确定DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

-第二装置，用于确定DC供电总线的电压（Vbus）的波纹

-用于监视所述平均值相对于所述波纹

的变化的装置，

-第三装置，用于根据所述变化的速率确定DC供电总线上的缺陷，所述缺陷包括DC供电总线的电感器（L1）上的异常、功率转换器的功率过载或者总线电容器（Cbus）的超前损耗。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于它包括第四装置，用于确定DC供电总线的电压（Vbus）的波纹

与DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

之间的比率（η）。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于监视装置被设计为将比率的变化速率（v_η）相对于第一速率（v₁）并相对于第二速率（v₂）进行比较。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，如果比率的变化速率（v_η）大于第一速率（v₁），则第三确定装置被设计为监视DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

的变化。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，如果DC供电总线的电压（Vbus）的平均值已经变化，则缺陷包括预充电电路的预充电继电器（Sw）上的异常；以及其特征在于，如果DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

没有变化，则缺陷包括电感器（L1）上的异常。

15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，如果比率的变化速率（v_η）落在第二速率（v₂）和第一速率（v₁）之间，则第三确定装置被设计为监视由功率转换器提供的功率（Pf）的变化。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，如果由功率转换器提供的功率（Pf）已经增加，则缺陷包括功率转换器的功率过载；以及其特征在于，如果由功率转换器提供的功率没有增加，则第三确定装置被设计为实现在取决于比率（η）的值与极限值（lim）之间的比较。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，根据执行的比较结果，缺陷包括总线电容器（Cbus）的超前损耗或配电网络（RD）的频率（f_R）变化。

18.根据权利要求10至17之一的系统，其特征在于它包括用于测量或估计总线电容器（Cbus）的内部温度的装置。

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