CN110783904B - 用于减少泄漏电流的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于减少电网(10)的保护导体(PE)中的泄漏电流的方法，该电网除了该保护导体(PE)之外还包括中性导体(N)和相导体(Lx)，其中取决于该相导体(Lx)中的相导体电流和该中性导体(N)中的中性导体电流来测定差动电流，并且向该相导体(Lx)和/或向该中性导体(N)中馈送补偿电流，该补偿电流补偿由该差动电流引起的泄漏电流。本发明的另一个主题是一种用于执行这种方法的装置(1)。

Description

用于减少泄漏电流的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于减少电网的保护导体中的泄漏电流的方法，除了保护导体之外，该电网还包括中性导体和相导体。本发明的另一个主题是一种用于执行这种方法的装置。
背景技术
尤其在没有电隔离(即没有隔离变压器)的情况下将整流器连接到其上的电网中，在电网的保护导体中可能发生由整流器引起的泄漏电流。如果泄漏电流超出预定值，则这通常导致故障电流保护开关(residual current device，RCD)脱扣并中断电流。在此，故障电流保护开关无法在这种由运行导致的(即例如由整流器引起的)泄漏电流与由绝缘故障引起的泄漏电流之间进行区分。因此导致非期望的断路的发生，这些断路限制了电网或整流器的可用性。
从US 2014 210 411 A1中已知一种用于减少电网的保护导体中的泄漏电流的方法，其中通过被动的补偿电路产生补偿电流并将其引入保护导体中以补偿泄漏电流。该补偿电路包括变压器、二极管整流器和分压器而且与保护导体电连接。在此方法中，已经被证明不利的是：对应的补偿电路占据相对大的结构空间并且具有大重量，因此它不足够适合在车辆上车载使用。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是：通过具有较小重量的紧凑的补偿电路来实现减少在带有中性导体的电网中的非期望的泄漏电流。
为了实现该目的，提出一种用于减少电网的保护导体中的泄漏电流的方法，该电网除了保护导体之外还包括中性导体和相导体，其中取决于相导体中的相导体电流和中性导体中的中性导体电流来测定差动电流并且向相导体和/或向中性导体中馈送补偿电流，该补偿电流补偿由差动电流引起的泄漏电流。
在根据本发明的方法中，不直接测量保护导体中的泄漏电流，而是通过测定对应于泄漏电流的差动电流来间接确定泄漏电流。这种差动电流作为相导体和中性导体中的电流之差来测定。取决于所测定的差动电流来产生补偿电流并将其馈送到相导体和/或中性导体中。所以，可以在不与保护导体电连接的情况下对泄漏电流进行测量和补偿，因此不需要在对应的补偿电路中的电隔离(例如通过变压器)。由此，补偿电路可以实施得紧凑且具有较小重量。
根据本发明的有利的设计，通过差动电流转换器来测定差动电流。差动电流转换器可以具有包围相导体和中性导体的测量传感器，尤其是以钳形安培计的形式。不需要电连接，因此可以无接触式地进行差动电流的测定。经由差动电流转换器，优选地测定差动电流，该差动电流由在相导体和中性导体中流动的具有不同电流方向的电流的矢量和得出。在这种借助于差动电流转换器的测量中，保护导体不受差动电流转换器引导。
有利的设计提出，将所测定的差动电流通过模拟-数字转换器转换成数字式的差动电流。通过提供数字式的差动电流，例如能够实现在微控制器或数字滤波器中对所测定的差动电流的数字式处理。以这种方式可以进一步减少补偿电路所需的结构空间并且降低补偿电路的易受干扰性。
根据本发明的有利的设计，取决于所测定的差动电流和预定的相位偏移来产生补偿电流。特别优选的是，补偿电流的量与差动电流的量相同。该预定的相位偏移优选地为180°。
优选地，测定所测定的差动电流的频谱。通过测定频谱，可以检测差动电流中的主要的频谱部分，并且根据这些频谱部分来产生补偿电流。在20Hz至300kHz的频率范围内对所测定的差动电流的频谱进行测定被证明是特别有利的。为了测定频谱，可以使用傅里叶变换(FFT)，尤其快速傅里叶变换。替代性地，该频谱可以借助P-Burg算法或者三角算法来测定。
在这方面，取决于所测定的频谱和预定的相位偏移来产生补偿电流已被证明是有利的。该预定的相位偏移优选地为180°。
补偿电流可以通过数字-模拟转换器或通过放大器来输出，尤其通过轨到轨(R2R，rail-to-rail)放大器或D类放大器。
优选地，该补偿电流经由电容性耦合被馈送到相导体和/或中性导体中，因此不需要与保护导体进行电耦合。
根据替代性的优选的设计，该补偿电流经由电感性耦合被馈送到相导体和/或中性导体中。
根据另一个替代性的优选的设计，该补偿电流经由电耦合被馈送到相导体和/或中性导体中。
此外，一种用于减少电网的保护导体中的泄漏电流的装置有助于实现开篇所述的目的，该电网除了保护导体外还包括中性导体和相导体，其中该装置具有：测定装置，该测定装置用于取决于相导体中的相导体电流和中性导体中的中性导体电流来测定差动电流；以及馈送装置，该馈送装置用于将补偿电流馈送到相导体和/或中性导体中，该补偿电流补偿由差动电流引起的泄漏电流。
本发明的另一个主题是一种用于为电能存储器充电的充电装置，该充电装置具有电网以及上述装置。
在用于减少泄漏电流的装置和充电装置中，可以实现相同的有利的作用并且已经结合本发明的方法对它们进行了描述。
根据该充电装置的有利的设计提出，该充电装置被设计为非电隔离的充电装置。
替代性地或附加性地，结合根据本发明的方法描述的有利的设计和特征也可单独或组合地用在该装置或该充电装置中。
总体上，本发明在此提供下述1、10和11的技术方案，下述2-9 和12为本发明的优选技术方案：
1.一种用于减少电网的保护导体中的泄漏电流的方法，该电网除了该保护导体之外还包括中性导体和相导体，其中取决于该相导体中的相导体电流和该中性导体中的中性导体电流来测定差动电流，并且向该相导体和/或向该中性导体中馈送补偿电流，该补偿电流补偿由该差动电流引起的泄漏电流。
2.根据上述1所述的方法，其特征在于，通过差动电流转换器来测定该差动电流。
3.根据前述1-2之一所述的方法，其特征在于，通过模拟-数字转换器将所测定的差动电流转换成数字式的差动电流。
4.根据前述1-3之一所述的方法，其特征在于，取决于所测定的差动电流和预定的相位偏移来产生该补偿电流。
5.根据前述1-4之一所述的方法，其特征在于，测定所测定的差动电流的频谱。
6.根据上述5所述的方法，其特征在于，取决于所测定的频谱和预定的相位偏移来产生该补偿电流。
7.根据前述1-6之一所述的方法，其特征在于，经由电容性耦合来馈送该补偿电流。
8.根据上述1至6之一所述的方法，其特征在于，经由电感性耦合来馈送该补偿电流。
9.根据上述1至6之一所述的方法，其特征在于，经由电耦合来馈送该补偿电流。
10.一种用于减少电网的保护导体中的泄漏电流的装置，该电网除了该保护导体之外还包括中性导体和相导体，其中该装置具有：测定装置，该测定装置用于取决于该相导体中的相导体电流和该中性导体中的中性导体电流来测定差动电流；以及馈送装置，该馈送装置用于将补偿电流馈送到该相导体和/或该中性导体中，该补偿电流补偿由该差动电流引起的泄漏电流。
11.一种用于为电能存储器充电的充电装置，具有电网和根据上述 10所述的装置。
12.根据上述11所述的充电装置，其特征在于，该充电装置被设计为非电隔离的充电装置。
附图说明
下面将借助附图中所示的实施例来阐释本发明的其他细节和优点。在附图中：
图1以示意图示出了一种用于减少电网的保护导体中的泄漏电流的装置；以及
图2示出根据本发明的用于减少泄漏电流的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
在图1中的图示示出了带有相导体LX、中性导体N以及保护导体 PE的电网10。例如，这种电网10可以是连接到充电装置的供电网络，用于为车辆(尤其电动或混合动力车辆)的电能存储器充电。优选地，该充电装置为非电隔离的充电装置。电网10与用于减少保护导体SE中的泄漏电流的装置1相连接，下文应对该装置进行详细地说明：
装置1具有设计为差动电流转换器2的用于测定差动电流的测定装置，该测定装置尤其持续地监测相导体Lx和中性导体N。因此，测量了相导体Lx中的相导体电流和中性导体N中的中性导体电流，并且产生了这两种电流的差。以这种方式测定的差动电流对应于保护导体SE 中的泄漏电流。因此，不需要直接地用电流表来监测保护导体SE。
装置1的另一个组成部分是模拟-数字转换器3，该模拟-数字转换器与差动电流转换器2相连接。借助于模拟-数字转换器3，模拟的差动电流被转换成数字的差动电流。模拟-数字转换器3与计算单元4相连接，该计算单元可以被设计为例如微控制器。借助计算单元4可以测定差动电流的频谱。为此例如地，可以实施快速傅里叶变换。任选地，可以替代性地或另外地提供分析装置5，该分析装置与模拟-数字转换器3 相连接。分析装置5可以配置为用于生成差动电流的频谱。如果设置这样的分析装置5，则不必在计算单元4中执行用于生成频谱的计算。由此，可以降低计算单元4的负载。
优选地在20Hz至300kHz的范围中测定频谱。频谱包含相应频率的幅值。
计算单元4借助于频谱以及预定的相位偏移(此处为180°)产生未放大的补偿电流信号，该补偿电流信号被提供给装置1的放大器6。放大器6优选地实施为轨到轨放大器或D类放大器。替代性地，可以使用数字-模拟转换器来替代放大器6。放大器6或数字-模拟转换器产生补偿电流，该补偿电流被提供给开关装置7。通过开关装置7来进行补偿电流对相导体LX和/或中性导体N的选择性的耦合。
该补偿电流经由电容性或电感性馈送装置11被馈送到相导体和/或中性导体中，因此不需要与保护导体电耦合。替代性地，可以通过电连接的馈送装置向相导体和/或中性导体中进行馈送。
优选地，计算单元4被配置为用于：区分由运行导致的泄漏电流(例如它可能是由未与电网10电隔离的充电装置引起的)与在保护导体PE 中的非期望的故障电流。例如可以提出，计算单元4测定并存储由运行导致的泄漏电流产生的特征性频谱。优选地，计算单元被配置为用于：比较在持续地监测差动电流期间测定的频谱与所存储的特征性频谱。如果所测定的频谱与所存储的特征性频谱的偏差超过预定的阈值，则可以产生用于驱动开关装置7的开关信号。超过这个阈值表明有非期望的故障电流。在这种情况下，开关装置7被开关信号控制，其方式为使得补偿电流不被馈送到相导体Lx和/或中性导体N中。其结果是，泄漏电流在保护导体PE中没有得到补偿并且在附图中未示出的故障电流保护装置可以被故障电流激活以切断电网10。
装置1的其他的组成部分是：用于检测统计数据的诊断装置8，这些统计数据可以通过诊断接口读出；以及编程装置9，通过该编程装置可以对计算单元4进行编程。例如，可以经由编程装置9实现对计算单元4的工作参数的设定。
此外，在计算单元4中实现自校准，其在计算单元4启动时实施。
基于在图2中示出的流程图，下面将更详细地说明启动计算单元4 时的方法流程100。在激活步骤101中，打开装置1。在激活步骤101 后续的自检步骤102中，开始装置1的自检。在步骤103中，检查差动电流转换器2的工作能力。在步骤104中，检查模拟-数字转换器3的工作能力。在步骤105中，检查计算单元4的工作能力，并且在步骤106 中，进行对放大器6的工作能力的检查。在步骤107中，检查计算单元4的看门狗的工作能力。在步骤108中，进行对诊断装置8的检测，并且在步骤109中，进行对自校准程序的检测。
如果所有的检查都以肯定结果完成，则在步骤110中将装置转为运行状态。在运行状态110中，取决于相导体(Lx)中的相导体电流和中性导体(N)中的中性导体电流来测定差动电流，并且向相导体(Lx) 和/或向中性导体(N)中馈送补偿电流，该补偿电流补偿由差动电流引起的泄漏电流。
附图标记清单：
1 用于减少泄漏电流的装置
2 差动电流转换器
3 模拟-数字转换器
4 计算单元
5 分析单元
6 放大器
7 开关装置
8 诊断装置
9 编程装置
10 电网
11 馈送装置
100 方法流程
102-109 测试步骤
110 运行状态
Lx 相导体
N 中性导体
PE 保护导体

Claims (9)

1.一种用于减少电网(10)的保护导体(PE)中的泄漏电流的方法，该电网除了该保护导体(PE)之外还包括中性导体(N)和相导体(Lx)，其中所述方法包括：
取决于该相导体(Lx)中的相导体电流和该中性导体(N)中的中性导体电流来测定差动电流；
测定所测定的差动电流的频谱；
取决于所测定的频谱和预定的相位偏移来产生补偿电流；并且
在不与该保护导体(PE)在电耦合的情况下向该相导体(Lx)和/或向该中性导体(N)中馈送该补偿电流，该补偿电流补偿由该差动电流引起的泄漏电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过差动电流转换器(2)来测定该差动电流。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过模拟-数字转换器(3)将所测定的差动电流转换成数字式的差动电流。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经由电容性耦合来馈送该补偿电流。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经由电感性耦合来馈送该补偿电流。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经由电耦合来馈送该补偿电流。
7.一种用于减少电网(10)的保护导体(PE)中的泄漏电流的装置，该电网除了该保护导体(PE)之外还包括中性导体(N)和相导体(Lx)，其中该装置(1)具有：
测定装置(2)，该测定装置用于：
取决于该相导体(Lx)中的相导体电流和该中性导体(N)中的中性导体电流来测定差动电流，
测定所测定的差动电流的频谱，
取决于所测定的频谱和预定的相位偏移来产生补偿电流；以及
馈送装置(11)，该馈送装置用于在不与该保护导体(PE)在电耦合的情况下将该补偿电流馈送到该相导体(Lx)和/或该中性导体(N)中，该补偿电流补偿由该差动电流引起的泄漏电流。
8.一种用于为电能存储器充电的充电装置，具有电网(10)和根据权利要求7所述的装置。
9.根据权利要求8所述的充电装置，其特征在于，该充电装置被设计为非电隔离的充电装置。
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