CN106054012B - 用于检测逆变器中接地故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测逆变器中接地故障的方法，这种在使用桥臂分流电阻器的电流检测中检测逆变器中接地故障的方法包括：检测所述逆变器的三相输出电流；判定所述逆变器的电压利用率是否小于预设允许电压水平；以及,判定所述逆变器上发生或未发生接地故障。

Description

用于检测逆变器中接地故障的方法

技术领域

本公开涉及一种用于检测逆变器中接地故障的方法，并且更具体地，涉及一种用于检测逆变器的输出中的接地故障的发生的方法，其采用使用桥臂分流电阻器来检测逆变器中的电流的方法。

背景技术

转换器(换言之，三相整流器)将交流(下文中缩写为AC)电压转换成直流(下文中缩写为DC)电压，而逆变器根据脉冲宽度调制(下文中缩写为PWM)信号对转换器中转换成的DC电压进行切换，以产生AC电压。如图1所示，逆变器中产生的AC电压被传输到诸如电动机的电负载。

由于逆变器的输出线的断开、在逆变器的输出和地之间的意外的导体连接，导致可能在逆变器的输出侧发生接地故障。当发生接地故障时，电动机可能会由于超过额定电流的过电流引起的劣化被损坏。当使得接地故障路径与人体相接触时，可能引起涉及人类生活的事故。因此，用于驱动电动机的逆变器提供通知用户接地故障的发生以及在发生接地故障时通过停止其操作来安全地保护电动机和用户的功能。

通常，逆变器的输出侧的相位缺失和接地故障的发生或未发生是根据所检测的逆变器的输出电流来判定的。

如图2A所示，在逆变器的正常操作期间，根据基尔霍夫电流定律(下文中缩写为KCL)，从逆变器输出的三相输出电流的总和是零(0)(即，Iu+Iv+Iw＝0)。

然而，如图2B所示，当在W相发生接地故障时，在其上已经发生接地故障的w相的电流流到地，从而变成接地故障电流Ig。因此，三相输出电流的总和不为零(即，Iu+Iv+Iw≠0)。以这种方式，可以使用逆变器的三相的输出电流值来判定逆变器的输出侧发生或未发生相位缺失和接地故障。通常可以通过在逆变器的三相的输出线上安装零相电流互感器(缩写为ZCT)来检测三相电流的总和。

参照图3，在根据现有技术的使用电流互感器(以下缩写为CT)的逆变器的输出电流检测电路中，CT被安装在各相的输出线上以检测三相的输出电流。使用CT的电流检测方法通常被标准的逆变器或更高电平逆变器所采用。如上所述，在使用CT检测电流的检测逆变器中的相位缺失的现有技术方法中，根据KCL使用三相输出电流来判定逆变器的输出线上发生或未发生接地故障。例如，在逆变器的正常操作期间，根据KCL，从逆变器输出的三相的输出电流的总和是零(0)(即，Iu+Iv+Iw＝0)。然而，当发生接地故障时，三相输出电流的总和不为零(即，Iu+Iv+Iw≠0)。即，在逆变器输出线上的接地故障的检测中，根据KCL当得到的三相输出电流的总和不小于预设的水平时，可以判定接地故障已经发生，并相应地执行保护操作。根据现有技术的检测逆变器的输出线路上的接地故障的方法的流程图在图4中示出。

如上所述，通过将KCL应用到逆变器的三相输出电流来检测接地故障的方法可以有效地应用于使用CT来检测电流的逆变器。

然而，上述方法不能应用于检测在如下逆变器的输出侧上的接地故障，该逆变器采用使用桥臂分流电阻器来检测电流的方法，如图5所示。

在下文中，将参照图5对使用桥臂分流电阻器检测电流的方法进行说明。

桥臂分流电阻器R1、R2和R3设置在绝缘栅双极晶体管(以下缩写为IGBT)的发射极(E)端子处，它们分别位于在逆变器各相的下端处，以便根据逆变器的开关操作状态当电流流到下部IGBT时，检测逆变器的输出电流。

如图6所示，在使用桥臂分流电阻器R1、R2和R3对逆变器的输出电流的检测中，电流检测区域是根据逆变器的开关操作状态和电流流动时间来限定的。因此，为了扩展电流检测区域，可以以检测三相中两个可用相的输出电流，并根据所检测到的两相输出电流来计算剩下的一个相的电流的方式来实现电流的检测。图6示出根据逆变器的PWM状态的输出电流检测限制区域，图7示出包括用于检测逆变器的三相中两个可用相的输出电流以及计算剩下的一个相的输出电流的公式的表格。

即，在使用桥臂分流电阻器检测逆变器的输出电流的方法中，检测根据PWM控制信号其开关元件被导通的三相中两个可用相位的电流，并根据所检测到的电流来计算另一相的电流。因此，在逆变器的正常操作期间以及当接地故障发生时，三相上的输出电流的总和始终为零(即，Iu+Iv+Iw＝0)。因此，现有技术的用于检测逆变器的接地故障的接地故障检测方法不能应用于使用桥臂分流电阻器进行电流检测的逆变器。

使用桥臂分流电阻器的电流检测可以以比使用CT的电流检测相对低的成本来实施，因此被广泛地用于低价的小型逆变器。考虑到这一点，需要一种准确且快速地检测逆变器中的接地故障的方法，该方法能够被应用到使用桥臂分流电阻器的电流检测。

发明内容

因此，本公开的一个方面是解决现有技术的问题和其它缺点。本发明的目的是提供一种用于以精确和快速的方式检测逆变器中的接地故障的方法，其可以被应用于使用桥臂分流电阻器的电流检测。

如这里所具体表达和广泛描述的，为了实现这些和其他优点，并且根据本公开的目的，提供了一种检测使用桥臂分流电阻器的逆变器的输出线上的接地故障的方法，该方法包括：

检测逆变器的三相的输出电流；

判定所述逆变器的电压利用率是否小于预设允许电压水平；以及

判定逆变器上发生或未发生接地故障。

根据本发明的一个优选方面，根据本发明的方法还包括如下步骤：当判定所述电压利用率不小于所述预设允许电压水平时，判定逆变器的输出电流水平是否小于预设允许电流水平。

根据本发明的另一个优选方面，根据本发明的方法还包括如下步骤：当判定逆变器的输出电流水平不小于预设允许电流水平时，通过脉宽调制应用零矢量，并且对零矢量区域内的输出电流进行采样。

根据本发明的又一优选方面，在根据本发明的方法中，在对零矢量区域内的输出电流进行采样之后，使用采样的输出电流来判定逆变器的接地故障的发生或未发生。

根据本发明的又一优选方面，在根据本发明的方法中，当逆变器的采样的输出电流的总和不小于预设输出接地故障水平时，判定已经发生该接地故障并且相应地执行保护操作。

根据本发明的又一优选方面，在根据本发明的方法中，在判定电压利用率低于预设允许电压水平之后，当检测到的三相输出电流的总和不小于预设接地故障水平时，在判定逆变器的接地故障发生或未发生的步骤中，判定已经发生接地故障并且相应地执行保护操作。

根据本发明的又一优选方面，在根据本发明的方法中，当判定逆变器的输出电流水平小于预设允许电流水平时，方法被反馈回到检测三相的输出电流的步骤。

根据本发明的又一个优选的方面，根据本发明的方法还包括在检测逆变器的三相输出电流之后，使用低通滤波器对检测到的三相输出电流进行滤波的步骤。

根据本发明的又一优选方面，在根据本发明的方法中，桥臂分流电阻器是分别设置在位于逆变器的各相的绝缘栅双极晶体管的下端处的发射极端子处的三个桥臂分流电阻器。

根据本发明的又一优选方面，在根据本发明的方法中，根据检测到的施加到三个桥臂分流电阻器的电压，来计算逆变器的三相输出电流。

从下文给出的详细描述中，本申请进一步的适用范围将变得更加显而易见。但是，应该可以理解地是，由于在本公开的精神和范围内的各种变化和修改通过该详细描述对本领域的技术人员来说将变得显而易见，所以该详细描述和具体示例虽然指明了本发明的优选实施例但仅仅是通过例证的方式给出。

附图说明

所包括的附图提供了对本公开的进一步理解，其包含在本公开中且构成本公开的一部分，附图中示出了示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

在附图中：

图1是常规的电动机驱动逆变器的电力供应单元的配置图。

图2A是示出在逆变器的正常操作期间的输出电流路径的图示。

图2B是示出在逆变器中发生接地故障时的输出电流路径的图示。

图3是示出使用CT的电流检测方法的图示；

图4是示出根据现有技术的用于检测逆变器的输出线上的接地故障的方法的流程图；

图5是示出使用桥臂分流电阻器的电流检测方法的图示；

图6是示出根据逆变器的PWM状态的输出电流检测限制区域的图示。

图7是示出根据图6中所示的逆变器的PWM状态来计算逆变器的输出电流的公式的表格；

图8是示出检测逆变器中电流的相继步骤的框图；

图9是示出根据本发明一个示例性实施例的用于检测逆变器的输出线上的接地故障的方法的流程图；以及

图10是示出在根据本发明的检测逆变器中的接地故障的方法中,对逆变器的零矢量应用区域(区段)内的输出电流进行采样的方法的图示。

具体实施方式

下面，将参照附图对此处公开的本发明的示例性实施例进行详细的描述。为了参照各图进行简要描述，可以对相同或等价的组件提供相同或相似的附图标记来指代，将不重复对其的说明。一般情况下，诸如“模块”和“单元”的后缀可以被用来指代元件或组件。此处这样的后缀的使用仅是为了便于描述本公开，而后缀本身并不旨在给予任何特定的含义或功能。另外，在本公开内容的描述中，当对本发明相关的公知技术的具体描述被判定为可能模糊本公开的要点时，其详细描述会被省略。附图是用来帮助容易地理解各种技术特征的，并且应当理解，本文中所呈现的实施例不受附图的限制。因此，除了附图中具体记载的之外，本公开的内容应该被解释为扩展到任何改变、等价物和替代物。

本发明是根据具体的实施例进行描述的，但还应当理解的是，除非另有指定，上述实施例不受前述说明书的任何细节所限制，而是应当在如所附权利要求定义的范围内被宽泛地解释，因此落在权利要求的边界和界限或者这些边界和界限的等效内的全部改变和改进因而意图被所附的权利要求所包含。

图8是示出检测逆变器中电流的相继步骤的框图。参照图8，逆变器中的电流检测可以大致地按以下的相继步骤来执行，即(a)三相输出电流检测→(b)用于去除噪声的低通滤波和范围调整→(c)输出电流检测→(d)输出电流计算→(e)相位缺失判定。在上述的相继步骤中，本发明特别涉及逆变器的输出电流检测的步骤(c)，下面，将对其进行详细描述。

图9是示出根据本发明一个示例性实施例的用于检测逆变器的输出线上的接地故障的方法的流程图。参照图9，根据用于检测逆变器中接地电流的方法，包括检测逆变器的输出电流Ius、Ivs和Iws的步骤(S10)。在这种情况下，输出电流Ius、Ivs和Iws分别表示桥臂分流电阻器(见图5中的R1、R2和R3)上流过的电流，这些桥臂分流电阻器(见图5中的R1、R2和R3)分别与用于逆变器的各相的下部IGBT的各发射极端子相连接。三相输出电流Ius、Ivs和Iws可以根据检测到的分别施加到三个桥臂分流电阻器的电压来计算，或者通过使用诸如电流互感器的电流检测器来检测。

随后，可以判定根据逆变器的电压利用率的电压是否不小于预设允许电压水平(S20)。这里，逆变器的电压利用率可以是逆变器的输出电压与逆变器的DC链路电压的比率(％)。当根据逆变器的电压利用率的电压低于预设允许电压水平时(如果判定的结果是否定的，即“否”)，可以使用所检测到的逆变器的输出电流Ius、Ivs和Iws来判定接地故障的发生或未发生(S50)。关于接地故障是否已发生的判定可以由逆变器中包括的微型计算机按如下方式执行(处理)，即通过将KCL应用到所检测到的输出电流Ius、Ivs和Iws而判定逆变器的三相输出电流的总和(Ius+Ivs+Iws)是否不小于预设接地故障水平。另外，可以适用根据本发明的检测逆变器中的接地故障的方法的逆变器还可以包括由微型计算机构成的接地故障判定单元(未示出)。如前面所提到的，接地故障判定单元可以以通过将KCL应用到所检测到的输出电流Ius、Ivs和Iws而判定逆变器的三相输出电流的总和(Ius+Ivs+Iws)是否不小于预设接地故障水平的方式，来判定接地故障的发生或未发生。

当三相输出电流的总和不小于预设接地故障水平时，接地故障判定单元可以判定已经发生了接地故障，并且因此可以执行保护操作(S60)。

同时，当在步骤S20中电压利用率不小于预设允许电压水平时，可以判定输出电流水平是否不小于预设允许电流水平(S30)。当逆变器的输出电流水平低于预设允许电流水平时(如果判定的结果是否定的，即“否”)，则处理可以返回到初始步骤并再次执行。当输出电流水平不小于预设允许电流水平时(如果判定的结果是肯定的，即是“是”)，零矢量可以通过PWM被应用于逆变器的IGBT，且逆变器的输出电流可以在零矢量区域内被采样(S40)。然后，可以使用零矢量区域内被采样的三相输出电流Ius_zero，Ivs_zero和Iws_zero来判定接地故障的发生或未发生(S50)。

具体地说，当零矢量区域内所采样的三相输出电流的总和(Ius_zero+Ivs_zero+Iws_zero)不小于预设接地故障水平值时，可以判定已经发生接地故障，因而可以执行保护操作(S60)。

如前面提到的，在根据本发明的用于检测逆变器中接地故障的方法中，在利用较低的电压利用率而确保足够的零矢量区域的区域中，可以使用未经过PWM处理所感测的(检测的)三相电流来判定接地故障的发生或未发生，而当由于较高的电压利用率而不能确保足够的零矢量区域时，可以以通过PWM处理感测零矢量区域中的三相输出电流的方式来检测接地故障。

下文中，将参照图10，给出在根据本发明的检测逆变器上的接地故障的方法中对零矢量区域内逆变器的输出电流的检测的详细描述。

图10示出根据图6所示的矢量PWM算法的六个区段之中的区段3的示例。零矢量区域是指用于切换逆变器中的IGBT的三相PWM信号(脉冲)都是逻辑“0”的区域。在零矢量区域中，逆变器的三相输出电流都可以被检测出。区段3中的有效区域可以是V3{IGBT的PWM信号的逻辑电平(Sa，Sb，Sc)为0，1，0的区域}和V4{(IGBT的PWM信号的逻辑电平(Sa，Sb，Sc)为0，1，1的区域}，且零矢量可以是V0{IGBT的PWM信号的逻辑电平(Sa，Sb，Sc)为0，0，0的区域}和V7{IGBT的PWM信号的逻辑电平(Sa，Sb，Sc)为1，1，1的区域}。由于允许电流检测的矢量是零矢量中的V0，因此，本发明的实施例中电流检测可以在V0区中进行。可以根据逆变器的电压利用率和开关频率来判定零矢量-应用区的物理时间。当电压利用率和开关频率高时，零矢量-应用区的时间可能减少。因此，电流检测可以在有效矢量区域V1至V6中执行。零矢量区域V0中检测到的输出电流可以被采样。然后，可以将KCL应用到采样的输出电流以判定是否发生了接地故障。

如前面提到的，本发明可以允许在采用使用桥臂分流电阻器来检测电流的方法中准确和快速地检测接地故障的发生或未发生，其可以以相比于使用电流互感器的电流检测方法较低的成本来实现。

根据本文所公开的检测逆变器中的接地故障的方法，在使用桥臂分流电阻器的电流检测方法中，可以检测发生在逆变器上的接地故障。

此外，根据本发明，对发生在逆变器上的接地故障的准确和快速的检测可以在使用桥臂分流电阻器的电流检测中得以实现，可以降低逆变器的制造和维护成本，并且也可以积极地推广低价小型逆变器。

本发明的上述实施例仅仅是说明性的，并且本领域的技术人员应该理解，许多变型和等同物可以从那些实施例中得出。因此，本发明的技术范围应该在所附权利要求中限定。

Claims (9)

1.一种使用桥臂分流电阻器检测逆变器的输出线上的接地故障的方法，其特征在于，所述方法包括：

检测所述逆变器的三相的输出电流；

判定根据所述逆变器的电压利用率的电压是否小于预设允许电压水平；以及

判定所述逆变器上发生或未发生所述接地故障，

当判定根据所述电压利用率的电压不小于所述预设允许电压水平时，判定所述逆变器的输出电流水平是否小于预设允许电流水平。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

当判定所述逆变器的所述输出电流水平不小于所述预设允许电流水平时，通过脉宽调制应用零矢量，并且对零矢量区域内的输出电流进行采样。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在对所述零矢量区域内的所述输出电流进行采样之后，使用所采样的输出电流来判定所述逆变器发生或未发生所述接地故障。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，当所述逆变器的所采样的输出电流的总和不小于预设输出接地故障水平时，判定所述接地故障已经发生并且相应地执行保护操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在判定所述电压利用率低于所述预设允许电压水平之后，当所检测到的三相输出电流的总和不小于预设接地故障水平时，在判定所述逆变器的所述接地故障的发生或未发生的步骤中，判定已经发生所述接地故障并且相应地执行保护操作。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，当判定所述逆变器的所述输出电流水平小于所述预设允许电流水平时，所述方法被反馈回到检测所述三相的输出电流的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括在检测所述逆变器的所述三相输出电流之后，使用低通滤波器对所检测到的三相输出电流进行滤波。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述桥臂分流电阻器是分别与所述逆变器的各相的下部绝缘栅双极晶体管的发射极端子相连接的三个桥臂分流电阻器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，根据所检测到的施加到所述三个桥臂分流电阻器的电压，来计算所述逆变器的所述三相输出电流。