CN105591366A - 变频器和用于识别和阻断变频器中故障电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频器，其应经过故障电流保护开关运行用于人员保护和/或阻燃，出现的问题是，无法在实际的故障电流和涉及运行产生的漏电电流之间进行区分。本发明的目的在于，可以在变频器中应用故障电流保护开关。在根据本发明的方法中，为了识别并且在一定条件下阻断变频器(10)中的故障电流而求出流过变频器(10)的电流的电流大小的变化曲线。取决于变化曲线在变频器(10)的什么地方被求出，为求出的变化曲线预定信号部分，由其已知，信号部分在变频器(10)无故障运行时取决于变频器(10)内部的切换过程。为了识别故障电流的存在而检测求出的变化曲线是否满足取决于信号部分的预定标准。如果是这种情况，则中断流过变频器(10)的电流。

Description

变频器和用于识别和阻断变频器中故障电流的方法

本申请是基于2012年9月7日所提交的申请号为201210331578.6、发明名称为“变频器和用于识别和阻断变频器中故障电流的方法”的发明的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于识别并且在一定条件下阻断变频器中的故障电流的方法。用于由具有确定交流频率的电网交流电压中产生具有可预定的交流频率的交流电压的变频器也属于本发明。变频器包括整流器、中间电路和、逆变器。借助于整流器可以在此由电网交流电压中产生中间电路-直流电压并且由此再次借助于逆变器产生具有可预定的交流频率的交流电压。

背景技术

利用已知类型的变频器例如可以借助于供电网来使电机运行。此外，借助于变频器可以在机器的定子绕组中产生三项电流，并且在此设定各个发动机线路的交流电压的频率。此外通过逆变器借助于半导体功率开关，由中间电路在每个相导线中的直流电压例如以脉宽调制为基础预定交流电压的频率和振幅。基于所应用的脉宽调制可以出现涉及运行的漏电电流，即电流并不在电网内部、而是经过地电位-或接地电位形成回路。漏电电流此外可以流经一方面在由变频器和电机组成的装置和另一方面在其周围环境中的对象之间的电容式耦合。

如果应经过故障电流保护开关可以运行该装置用于人员保护和/或阻燃，那么会出现的问题是，这种保护开关无法在实际的(例如通过损坏的电缆引起的)故障电流和涉及运行产生的漏电电流之间进行区分。

发明内容

现在本发明的目的在于，可以在变频器中应用故障电流保护开关。

该目的通过根据权利要求1所述的方法以及通过根据权利要求8所述的变频器来实现。本发明有利的改进方案通过从属权利要求得出。

在根据本发明的方法中，为了识别并且在一定条件下阻断变频器中的故障电流而求出流过变频器的电流的电流大小的变化曲线。取决于变化曲线在变频器的什么地方被求出，为求出的变化曲线预定信号部分，由其已知，信号部分在变频器无故障运行时取决于变频器内部的切换过程。信号部分例如可以是确定的频带、但也或者是变化曲线内部的确定的时间段。为了识别故障电流的存在而检测求出的变化曲线是否满足取决于该信号部分的预定标准。如果是这种情况，那么中断流过变频器的电流。哪个标准被预定，就取决于该标准，在变频器中的哪个位置求出变化曲线，并且监测哪个信号部分。

根据本发明的方法的优点在于，可以非常可靠地在以运行为条件的漏电电流和不期望的故障电流之间进行区分。取代如现有技术中通常将故障电流保护开关在电网方面前接于变频器的整流器，至少将求出电流大小的变化曲线转移到整流器内部被关注位置上，在该位置上可以一方面在漏电电流和另一方面在故障电流之间进行安全地区分。

同样属于本发明的变频器具有为此相应的结构。其至少包括已经提到的三个组件，即整流器、中间电路和逆变器。此外，这些组件中的至少一个具有测量装置，用于测量共模电流(英文:Commonmodecurrent)的电流大小。通过测量装置可以求出在变频器的至少两个电导线之间的差动电流的电流大小的变化曲线。由此得到的优点是，在高电压时也可以精确地测量相对较小的电流大小。差动电流测量在此是指共模电流测量(Common-Mode-电流测量)。因此也可以在电压的最大幅值直至几百伏时测量部分低于15mA的大漏电电流。优选地，根据本发明的变频器也同样自身具有评估单元，借助于该评估单元可以实施根据本发明的方法的实施方式。

给出一种简单并可靠的测量装置，用于获取电流大小-变化曲线，如果在对于测量装置预设软磁环形磁芯的话。利用该环形磁芯也可以以简单的方式将测量装置和剩余的变频器电流隔离。借助于环形磁芯因此在三相系统中将三个引导电压的导线(在两相的系统中相应地将两个引导电压的导线)引导通过共同的环形磁芯。在环形磁芯上设置有附加的绕组，然后在其上可以测量和导线的差动电流的电流大小成比例的电压。可替代地，为了以已知的方式测量也可以应用补偿转换器。

在根据本发明的方法的一个实施方式中提出，将至少一个光谱带预定为信号部分。换而言之，因此在变化曲线的频谱中检查确定的频率是否满足相应预定的标准。因此例如可能的是，在网络导向的整流器中识别中间电路中的接地，即在整流器中获取的共模电流具有在130-Hz和200Hz之间的信号部分，特别是150Hz的信号部分或180Hz的信号部分。中间电路中的接地故障由于显著的150Hz部分(在50Hz-交流电网中，180Hz在60Hz电网中)可以通过频域分析非常明确地和涉及运行的漏电电流区分开，其例如具有4kHz的部分。联系本发明，接地意味着在由变频器和利用其运行的电子设备构成的装置和周围环境这两方面之间的电耦合(电流)，电流可以从装置中经过电耦合与变频器中的切换过程无关地流出到周围环境中，其电流大小可以对人员产生伤害或者引起火灾。

为了可以实现对接地的这种测量，在根据本发明的变频器一个实施方式中提出，其整流器具有变流器，变流器在整流器的电网交流电压输入端和整流器的半导体功率开关之间与用于电网交流电压的线路装置耦合。换而言之，在电网方面在整流器的功率开关之前进行共模电流测量。由此在变频器的直流电压中间电路中形成用于接地的故障保护。

根据本发明的变频器的另一个实施方式提出，其逆变器具有已知类型的测量装置，并且在此借助于测量装置的变流器将共模电流耦合入用于(输出端侧的)交流电压的交流电压-线路装置。换而言之，在此在逆变器的功率开关的交流电压侧设置共模电流测量。由此可以保护电动机线路上的或经过逆变器运行的电机中的接地。此外可以识别机器内部的故障电流。

根据本发明的方法的另一个实施方式在此提出，在电流大小的求出的变化曲线中将至少一个时间段预定为待检测的信号部分。在此体现出的优点是，例如可以由用于逆变器的控制信号随时求出取决于运行的漏电电流的变化曲线。分别对于在交流电压-线路装置中(通过逆变器的切换过程引起的)电压改变的持续时间而言，测量的共模电流被作为涉及运行可理解地接受并且进而防止错误触发。如果电压改变包括时间储备结束并且总是仍测量共模电流，那么相反地认为是故障并触发保护保护装置。换而言之，在功率开关的接通状态包括时间储备期间，信号改变减弱，这是因为在此需要等待漏电电流。对此情况，即借助于变频器的整流器运行主动的电网整流，如果整流器也就是说例如作为升压转换器运行的话，在整流器中也可以通过将至少一个时间段预定为待分析的信号部分来实现故障电流识别。

变化曲线分成期间对标准进行检验的时间段和期间等待漏电电流的时间段，依照根据本发明的方法的另一个实施方式由此得出，监测用于变频器的半导体功率开关开关信号，并且取决于被监测的开关信号根据标准对电流大小的求出的变化曲线的时间段进行检查。由此得出的优点是，无须分开测量来确定适合的时间段，这是因为在开关信号中已经包含有所有的信息。

根据本发明的变频器的一个相应的实施方式提出一种评估装置，其一方面与用于测量电流大小-变化曲线的测量装置耦合、并且与用于控制逆变器或整流器的半导体功率开关耦合。然后在该评估装置中，全部信息可以提供用于对电流大小-变化曲线进行准确的分析。

依照根据本发明的变频器的另一个实施方式得出识别半导体功率开关的接通时间点的另一个可能性，其方法在于，逆变器具有电压测量装置，用于测量由逆变器中产生的交流电压的变化曲线，该电压测量装置和用于交流电压的线路装置电容式耦合。该实施方式具有的优点是，无需和用于半导体功率开关的控制装置连接。

关于在识别出故障电流时中断电流，根据本发明的方法的实施方式提出，电流被引导经过的那个逆变器的脉冲被抑制。脉冲的概念在此涉及用于逆变器的半导体功率开关的开关信号。本方法的该实施方式具有的优点在于，不必设置附加的开关用于阻断故障电流。仅仅只要抑制那个故障电流流过的逆变器的脉冲，就还可以保持使用整流器和中间电路用于运行另外的逆变器。

根据本发明的方法的另一个实施方式提出，变频器和构成电流的来源的供电电网断开。在此得到的优点是，已经根据标准存在的开关装置(例如保护器)或在电网方面前接于整流器的保护开关的开关装置可以用于和变频器分离。

在故障电流保护开关也应在电网方面前接于整流器的情况下，根据本发明的变频器的一个实施方式提出，该故障电流保护开关通过带限具有低频的触发频谱，并且在此仅仅通过该故障电流保护开关在故障电流具有的交流频率小于150Hz、特别是小于100Hz时中断该电流。因此利用根据本发明的变频器可以使标准-故障电流保护开关在电网方面前接于整流器，但在考虑到带限，该故障电流保护开关通过漏电电流也被不希望地触发，例如通过切换过程可以在变频器中形成漏电电流。

联系在电网方面前接于整流器的、具有带限的故障电流保护开关得出的优点在于，低漏电电流的滤波器附加地作为用于变频器的EMV-滤波器在电网方面前接于整流器。这种滤波器在变频器根据需要运行时仅仅引起涉及运行的漏电电流，其小于前接的故障电流保护开关的触发电流大小。由此然后以有利的方式去除用于错误触发在电网方面前接于整流器的故障电流保护开关的另一个来源。

对于联系根据本发明的方法说明的改进方案，本发明同样包括根据本发明的变频器的相应改进方案，在此无需对其再次分别说明。相应的方法也适用于根据本发明的变频器的所说明的改进方案，对于这些改进方案来说，本发明同样包括根据本发明的方法的相应改进方案，在此无需对其再次分别说明。

附图说明

以下根据一个实施例详细地说明本发明。对此示出:

图1是依照根据本发明的变频器的一个实施方式的变频器的框图，

图2是共模电流的时间变化曲线的图表，依照根据本发明的方法在图1中的变频器的逆变器中测出该共模电流，

图3是共模电流的时间变化曲线的图表，依照根据本发明的方法在图1中的变频器的整流器中测出该共模电流，和

图4是共模电流的时间变化曲线的图表，依照根据本发明的方法在图1中在电网方面前接于整流器的故障电流保护开关中测出该共模电流。

具体实施方式

该实施例说明了本发明的一个优选的实施方式。

在图1中示出了变频器10，其连接在三相供电电网12上。供电电网12的电网交流电压或相与中线间的电压Ur，Us，Ut在该实例中具有的有效值为230V并且交流频率为50Hz。经过该变频器10在供电电网12中运行作为电动机的电机14。

为了运行电机14，变频器10的整流器16从中间电路18中的相与中线间的电影Ur，Us，Ut中产生同向的中间电路电压Uzk，平滑电容器20将该中间电路电压变平滑。逆变器22由中间电路电压Uzk在电动机线路24中产生相位偏移的交流电压，其具有均借助于逆变器22调整的交流频率和有效值。电动机线路24是一种用于由逆变器22产生交流电压的线路装置。

除了逆变器22，变频器10仍可以具有另外的(未示出的)逆变器，相应地经过这些逆变器可以在中间电路18中运行另外的电机。

为了从相与中线间的电压Ur，Us，Ut中产生中间电路电压Uzk，整流器16具有半导体功率开关S16，这些半导体功率开关在此分别包括由IGBT(insulated-gatebipolartransistor)和一个二极管构成的并联电路。用于IGBT的控制线路在图1中未示出，经过该控制线路可以传输整流器16的控制单元C16的接通脉冲。

逆变器22同样具有半导体功率开关S22，逆变器22的控制单元C22借助于半导体功率开关由中间电路直流电压Uzk产生在电动机线路24中的交流电压。半导体断路S22具有和半导体功率开关S16相同的构造方式。在图1中同样未示出控制线路，经过这些控制线路控制半导体功率开关S22的控制单元C22IGBTs。

故障电流保护开关26、EMV-滤波器28以及整流阻流圈30在电网方面、即对于供电电网12前接于整流器16。

利用故障电流保护开关26可以通过保护器32中断从供电电网12流入变频器10的电流。如果作为在供电电网12的电网相导线36之间的差动电流的共模电流求出的电流大小超过预定的极限值，则通过故障电流保护开关26的评估单元34总是中断保护器32。为了测量共模电流，故障电流保护开关26具有带有线圈的环形磁芯38。故障电流保护开关26是类型A，即借助于环形磁芯38的线圈获取的差动电流信号通过低通滤波器被过滤，从而通过评估单元34仅仅评估差动电流信号直至频率为100Hz的信号部分。

EMV-滤波器28包括由滤波电容器组成的星形联结40，其星形连接中性点42经过接地电容器44和地电位46电容式耦合。经过接地电容器44流向地电位46的漏电电流Ia具有这样小的电流大小，即并不触发故障电流保护开关26。此外这些具有尽可能相等的电容的电容器被选择作为星形联结40的滤波电容器。附加地，尽可能小地选择接地电容器44的电容。

变频器10具有两个另外的故障电流保护开关。故障电流保护开关48集成在整流器16中，一个故障电流保护开关48’集成在逆变器22中。

故障电流保护开关48具有环绕电网相导线36的环形磁芯50。环形磁芯50连接在整流器16的交流电压输入端52和功率开关S16之间。环形磁芯50的线圈的信号被故障电流保护开关48的评估单元54监测。根据该信号由评估单元54识别出在中间电路48中是否存在接地56。评估单元54执行根据本发明的方法的一个实施方式。由于接地故障的突出的150Hz-信号部分，通过对环形磁芯50的线圈的信号进行频域分析，将在中间电路上的接地故障非常明确地和涉及运行的漏电电流区分开，这例如可以通过在半导体功率开关S16或S22接通时将中间电路18和地电位46电容式耦合来引起。例如通过环形磁芯50可以实现的共模电流测量自然也可以在中间电路18中实现。

在识别接地时，评估单元54将故障电流保护开关48的保护器58断开。在断开保护器58时，可以进一步经过故障电流保护开关48的预加载电阻R给平滑电容器20充电。对于预加载电阻R可替换地，可以相应地设置一个附加的纵向保护器。

逆变器22的故障电流保护开关48’具有环绕发动机线路24的环形磁芯60。环形磁芯60的线圈的信号被故障电流保护开关48’的评估单元62处理。评估单元62实施根据本发明的方法的实施方式。通过环形磁芯60执行的、在逆变器22的功率开关S22之后的共模电流测量用于在发动机线路24上和在电机14中保护防止故障电流和接地。评估单元62在识别故障时阻断经过相应的信号线64由控制单元C22分派给功率开关S22的用于功率开关S22的控制线圈。可替代地，经过电网方面的功率开关、例如保护器32，可以实现将总的变频器10和供电电网12分离。

为了在环形磁芯60的线圈的信号中可以将故障电流和涉及运行的漏电电流进行区分，该漏电电流例如可以通过发动机线路24和地电位46的电容式的耦合66引起，评估单元62对发动机线路24的交流电压的时间变化曲线进行评估。在此可以提出，评估单元62经过信号线68和控制单元C22连接，评估单元62经过信号线从控制单元C22接收用于功率开关S22的控制信号。对于通过功率开关S22在发动机线路24中切换引起的电压改变的持续时间、包括时间储备，相应地由评估单元62将借助于环形磁芯60测量的共模电流评估为以运行为条件的漏电电流。当然，评估单元62在这些切换沿之间检测是否进一步存在共模电流的标准。如果是这种情况，那么以在发动机线路24或电机14中的故障为出发点。

因此总体上对于变频器10而言，不仅通过对环形磁芯38和50的线圈的信号进行频率选择的评估，也通过对环形磁芯38和50的线圈的信号进行时间选择的评估，可以可靠地在一方面以运行为条件的漏电电流和另一方面不期望的故障电流之间进行区分。通过为在变频器10的不同位置上的测量预定适合于评估环形磁芯的信号的标准，始终可以对信号进行相应的可信性控制。可以通过模拟或测量尝试简单求出的标准适合于此。

为此以下根据图2至图4再次详细地说明，经过时间t(毫秒)在不同的接地故障中在环形磁芯38，50，60的线圈中给出了哪些信号。被测量的以安培为单位的共模电流相应地作为图中的纵坐标给出。

在图2中示出了在发动机线路24上或在电机14中有接地故障时，环形磁芯60的线圈的信号的变化曲线70。变化曲线具有单个的切换峰值72，为了清晰的目的在图2中仅仅两个切换峰值具有参考标号。通过再充电过程，在经过电容式耦合66引起漏电电流的发动机线路24上形成单个的切换峰值72。因此对于切换峰值72的持续时间不再通过评估单元62检测变化曲线70的值是否位于预定的阈值之上。在单个的切换峰值72之间，变化曲线70具有不是通过功率开关S22的切换过程得出、而是通过接地得出的数值。总体上由此得出了框形变化曲线70，也就是说近似于矩形脉冲的序列。没有接地的话，变化曲线70将仅仅具有(近似于狄拉克函数形Diracstoβ-的)切换峰值。基于接地，变化曲线的数值因此紧接着在每个切换峰值72出现之后增大。评估单元62以用作检验标准的阈值为基础将这种情况识别出，变化曲线70在每个切换峰值72之后的数值超过该阈值。因此评估单元在阻断状态通过抑制控制单元C22的切换脉冲来对功率开关S22进行切换。

在图3中示出了环形磁芯50的线圈的信号的变化曲线74，其例如在在中间电路18中接地故障时得出。除了通过在整流器16中的切换过程引起的单个的切换峰值，变化曲线64具有由评估单元54借助于带通滤波器识别的150Hz-信号部分。该部分通过接地引起。评估单元54因此产生一个信号，通过该信号来断开保护器58。变化曲线74的评估可以在评估单元54中也受限于位于单个切换峰值之间的时间段。此外评估单元54可以经过信号线78和控制单元C16连接。

在图4中示出了环形磁芯38的线圈的信号的变化曲线78，其例如在接地时由电网相导线36得出。通过故障电流保护开关26的低通滤波器过滤出变化曲线78的、通过整流器16的功率开关S16的切换过程引起的单个切换峰值。评估单元34根据过滤后剩余的50Hz-信号部分80识别出接地。其因此断开保护器32。

通过该实例示出，例如在发动机线路上和电动机中提供防接地保护，并且在此可以对此使用集成在电动机模块(逆变器22)中的监测功能，例如减弱基于逆变器22的切换沿而形成的涉及运行的漏电电流。在馈电单元(整流器16)中的共模电流测量确保在中间电路上和发动机线路中的防接地保护。此外将通过电网电压的整流形成的信号部分上的故障保护进行集中，即故障保护例如试图有针对性地寻找具有150Hz频谱信号部分的漏电电流部分或寻找通过主动的电网整流器形成的切换沿。通过电网方面的A型故障电流保护开关使这种保护方案完善。这样有意地选择故障电流保护开关，即其相对于涉及运行的漏电电流和故障电流在脉冲频域中是“不可见(blind)”的。这在此通过低通来实现。对于脉冲部分所需的保护功能在此甚至已经集成在逆变器中。

通过该措施可以在电网方面应用具有带限的故障电流保护开关(低通滤波器)。其不再被变频器的涉及运行的漏电电流触发，这是因为例如通过接通功率开关S16，S22引起的干扰存在于带限制之上的频率中。因此仅仅剩余可以通过电网电压中的和EMV-滤波器的滤波电容器中的非对称性形成的漏电电流。在此存在的可能性是，使用带有低接地电容的低漏电电流的滤波器，其漏电电流在电网电压的非对称性相等时小于常规EMV-滤波器的漏电电流。因为在此不必再强制应用大接地电容，用于中断变频器中的高频的涉及运行的漏电电流，因此可以无问题地应用低漏电电流的滤波器。

带受限的故障电流保护开关的应用通过将一些监视功能从电网方面的故障电流保护开关转移到整流器或逆变器中来实现。该监视功能具有关于切换沿的时间点以及中间电路电压的电压形态的信息，借助于这些信息可以简单地在可能的故障和涉及运行的漏电电流之间进行区分。

Claims (8)

1.一种变频器(10)，用于从具有预定交流频率的电网交流电压(Ur，Us，Ut)中产生具有可预定的交流频率的交流电压，包括：作为第一组件的整流器(16)，作为第二组件的中间电路(18)和作为第三组件的逆变器(22)，其中借助于所述整流器(16)从所述电网交流电压中能产生中间电路直流电压(Uzk)，并且借助于所述逆变器(22)从所述中间电路直流电压(Uzk)中能产生具有所述可预定的交流频率的交流电压，其特征在于，至少一个所述组件(16，18，22)具有用于测量共模电流的电流大小的测量装置(50，60)。

2.根据权利要求1所述的变频器(10)，其特征在于，所述测量装置(50，60)包括软磁的环形磁芯(50，60)。

3.根据权利要求1或2所述的变频器(10)，其特征在于，所述整流器(16)具有已知类型的测量装置(50)，并且在此所述测量装置的变流器(50)在电网交流电压输入端(52)和所述整流器(16)的半导体功率开关(S16)之间与用于所述电网交流电压(Ur，Us，Ut)的线路装置(36)耦合。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的变频器(10)，其特征在于，所述逆变器(22)具有已知类型的测量装置(60)，并且在此借助于变流器(60)的测量装置(60)将共模电流与用于所述交流电压的线路装置(24)耦合。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的变频器(10)，其特征在于，所述逆变器具有用于测量由所述逆变器(22)产生的交流电压的变化曲线(70)的电压测量装置，其中所述电压测量装置电容地与用于所述交流电压的线路装置(24)耦合。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的变频器(10)，其特征在于一种用于评估所述已知类型的至少一个测量装置(50，60)的信号的评估装置(54，62)，其中所述评估装置(54，62)为此与至少一个测量装置(50，60)耦合，以及与控制装置(C16，C22)耦合，用于被所述组件(16，22)中任一个的半导体功率开关(S16，S22)控制。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的变频器(10)，其特征在于一种故障电流保护开关(26)，所述故障电流保护开关在网络方面前接所述整流器(16)，并且所述故障电流保护开关通过带限制具有低频的触发频谱，并且所述故障电流保护开关仅仅在故障电流(80)具有的交流频率小于150Hz、特别是小于100Hz时被触发。

8.根据权利要求7所述的变频器(10)，其特征在于一种低漏电电流的EMV-滤波器(28)，所述EMV-滤波器在网络方面前接于所述整流器(16)，并且所述EMV-滤波器在所述变频器(10)常规运行时具有涉及运行的漏电电流，所述漏电电流小于所述故障电流保护开关(26)的触发电流大小。