CN111551788B - 一种三相逆变器直流侧和交流侧绝缘电阻的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相逆变器直流侧和交流侧绝缘电阻的监测方法，将该监测方法分为两个阶段，其中一个阶段只改变对地注入电源的电压，而保持三相逆变器的调制模式不变，另一个阶段保持对地注入电源的电压不变，而只改变三相逆变器的调制模式，根据两个阶段得到的相关参数计算出三相逆变器直流侧绝缘电阻和交流侧绝缘电阻。本发明解决了三相逆变器直流侧和交流侧绝缘电阻监测相互干扰的问题，可以分别监测出交流侧和直流侧的绝缘电阻。

Description

一种三相逆变器直流侧和交流侧绝缘电阻的监测方法

技术领域

本发明属于电力电子系统领域，特别涉及了一种三相逆变器的绝缘检测方法。

背景技术

对于传统的三相AC/DC逆变器系统，直流侧往往装有绝缘监测电路来监测直流侧绝缘电阻。但由于三相逆变器的交流侧接有大量设备，当发生交流侧电机绝缘下降，交流侧变压器绝缘下降，三相桥臂开关管绝缘下降，三相电网接地等情况发生时，均会影响交流侧整体绝缘等级。因三相逆变器多采用三相半桥非隔离拓扑结构，故交流侧绝缘故障同样会影响直流侧，进而会严重影响直流侧绝缘监测的计算结果。所以有必要设计一种绝缘监测方法，可以分别监测出三相逆变器交流侧和直流侧的绝缘电阻。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种三相逆变器直流侧和交流侧绝缘电阻的监测方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种三相逆变器直流侧和交流侧绝缘电阻的监测方法，该监测方法采用的绝缘监测电路包括正电桥电阻、负电桥电阻、采样电阻和注入电源，正电桥电阻与负电桥电阻的阻值相同，注入电源能够输出两种不同电压值的电压，正电桥电阻的一端与三相逆变器直流侧的正极相连，负电桥电阻的一端与三相逆变器直流侧的负极相连，正电桥电阻的另一端与负电桥电阻的另一端相连后与采样电阻的一端相连，采样电阻的另一端与注入电源的一端相连，注入电源的另一端与大地相连，通过采样电阻测得对地电流i_e；将该监测方法分为两个阶段，其中一个阶段只改变注入电源的电压，而保持三相逆变器的调制模式不变，另一个阶段保持注入电源的电压不变，而只改变三相逆变器的调制模式，根据两个阶段得到的相关参数计算出三相逆变器直流侧绝缘电阻和交流侧绝缘电阻。

进一步地，三相逆变器的调制模式包括调制模式0和调制模式1；所述调制模式0：在调制信号m_a(t)、m_b(t)、m_c(t)的基础上，实时叠加 A_cr-max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]，其中A_cr表示三角载波的幅值，是一个预设的定值， max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]表示当前时刻三相调制信号中最大的值；所述调制模式1：在调制信号m_a(t)、m_b(t)、m_c(t)的基础上，实时叠加-min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]，其中 min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]表示当下时刻三相调制信号中最小的值。

进一步地，该监测方法两个阶段的具体过程如下：

阶段1：三相逆变器的调制模式不改变，只改变注入电源电压v_g；

设v_gm为v_g切换前的电压值，v_gn为v_g切换后的电压值，切换前T_o时间内i_e平均值为

切换后T_o时间内i_e平均值为

则通过下式计算参数Δv_g和

Δv_g＝v_gm-v_gn

阶段2：注入电源电压v_g不改变，只改变调制模式；

设切换前T_o时间内i_e平均值为

切换后T_o时间内i_e平均值为

设 Meanbe{A_cr-Max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]}为切换前T_o时间内 {A_cr-Max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]}的平均值，Meanaf{Min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]}为切换后T_o时间内Min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]的平均值，则通过下式计算参数

和

所述T_o为交流电压工频周期的整数倍。

进一步地，通过下式计算三相逆变器直流侧绝缘电阻和交流侧绝缘电阻：

其中，R_fAC为交流侧绝缘电阻，R_fDC为直流侧绝缘电阻，R_e为采样电阻阻值，R_eq为正电桥电阻和负电桥电阻阻值，v_dc为直流侧电压。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明解决了三相逆变器直流侧和交流侧绝缘电阻监测相互干扰的问题，可以分别监测出交流侧和直流侧的绝缘电阻，而且能够在一个循环周期监测两次绝缘电阻，提高了控制效率和监测频率。

附图说明

图1是本发明中三相逆变器拓扑和绝缘监测电路图；

图2是本发明绝缘监测方法的控制流程图；

图3是本发明实施例对应的各变量各阶段变化波形图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明对应的三相逆变器拓扑图和绝缘监测电路如图1所示。三相逆变器拓扑采用常规三相半桥拓扑，其中R_fa、R_fb、R_fc为交流侧a、b、c相绝缘电阻，R_fP、 R_fN为直流侧正负极绝缘电阻，则交流侧绝缘电阻R_fAC为R_fa、R_fb、R_fc的并联值，即R_fAC＝R_fa||R_fb||R_fc，直流侧绝缘电阻R_fDC为R_fP、R_fN的并联值，即R_fDC＝R_fP||R_fN。交流侧绝缘电阻R_fAC和直流侧绝缘电阻R_fDC为最终所求的值。逆变器内环控制输出三相桥臂电压给定值v_ao ^*、v_bo ^*、v_co ^*，与直流电压v_dc进行除法，得到三相调制信号m_a、m_b、m_c，即m_a＝v_ao ^*/v_dc、m_b＝v_bo ^*/v_dc、m_c＝v_co ^*/v_dc，由于调制信号是实时变化的，故用m_a(t)、m_b(t)、m_c(t)来表示。将三相调制信号与三角载波信号 C_r(t)相减，根据其正负号即可得到三相开关函数S_a(t)、S_b(t)、S_c(t)，若其结果大于0，对应的开关函数为1，若其结果小于0，对应的开关函数为0。即 S_a(t)＝sign[m_a(t)-C_r(t)]、S_b(t)＝sign[m_b(t)-C_r(t)]、S_c(t)＝sign[m_c(t)-C_r(t)]。开关函数是对各相开关管的执行方式。对于a相开关，若开关函数S_a(t)＝0，则执行a相上桥臂开关管断开，下桥臂开关管闭合，即S_a1＝0，S_a2＝1；若开关函数S_a(t)＝1，则执行a相上桥臂开关管闭合，下桥臂开关管断开，即S_a1＝1，S_a2＝0。对于b相开关，若开关函数S_b(t)＝0，则执行b相上桥臂开关管断开，下桥臂开关管闭合，即S_b1＝0， S_b2＝1；若开关函数S_b(t)＝1，则执行b相上桥臂开关管闭合，下桥臂开关管断开，即S_b1＝1，S_b2＝0。对于c相开关，若开关函数S_c(t)＝0，则执行c相上桥臂开关管断开，下桥臂开关管闭合，即S_c1＝0，S_c2＝1；若开关函数S_c(t)＝1，则执行c相上桥臂开关管闭合，下桥臂开关管断开，即S_c1＝1，S_c2＝0。通过以上步骤来实现对三相逆变器开关管的控制。

绝缘监测电路采用常规信号注入法电路，包括正电桥电阻R_P、负电桥电阻 R_N、采样电阻R_e、注入电源v_g，其中注入电源v_g可输出两种不同电压值的电压。所述正电桥电阻R_P的一端与直流系统正极相连，所述负电桥电阻R_N的一端与直流系统负极相连，所述正电桥电阻R_P的另一端与所述负电桥电阻R_N的另一端与采样电阻R_e的一端相连，采样电阻R_e的另一端与注入电源v_g的一端相连，注入电源v_g的另一端与大地相连。这样，通过采样电阻R_e即可测得对地电流i_e。

本发明提出的绝缘监测方法，既要对注入电源v_g进行控制，又要对三相调制信号m_a(t)、m_b(t)、m_c(t)进行控制。对调制信号的控制，体现在如下两种模式。调制模式0：在原有调制信号基础上，叠加A_cr-max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]，得到调制信号m_2a(t)、m_2b(t)、m_2c(t)，这里A_cr表示三角载波的幅值，是一个已设定的定值， max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]表示当下时刻三相调制信号中最大的值；调制模式1：在原有调制信号基础上，叠加-min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]，这里min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]表示当下时刻三相调制信号中最小的值。

本发明提出的绝缘监测方法，包括以下两个阶段。

阶段1：调制模式不改变，只改变注入电源电压v_g。设v_gm为v_g切换前的电压值， v_gn为v_g切换后的电压值，切换前T_o时间内i_e平均值为

切换后T_o时间内i_e平均值为

则可以设定参数Δv_g和

通过下式得到：

Δv_g＝v_gm-v_gn

阶段2：电源电压v_g不改变，只改变调制模式。设切换前T_o时间内i_e平均值为

切换后T_o时间内i_e平均值为

设Meanbe{A_cr-Max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]}为切换前T_o时间内{A_cr-Max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]}的平均值，这里Max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)] 为t时刻m_a(t)、m_b(t)、m_c(t)中的最大值。设Meanaf{Min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]}为切换后T_o时间内Min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]的平均值，这里Min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]为t 时刻m_a(t)、m_b(t)、m_c(t)中的最小值。则可以设定参数

和

通过下式得到：

进而可以通过阶段1和阶段2得到的以上得到的参数Δv_g、

分别求得交流侧绝缘电阻R_fAC和直流侧绝缘电阻R_fDC，求取公式如下：

这里的T_o应为交流电压工频周期的整数倍，本发明监测方法的控制流程图如图2所示。

在本实施例中，绝缘监测方法采用如下4个步骤实现：

步骤1：调制信号采用模式0，注入电源设定电压v_g1，起始时刻设为t₁，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

步骤2：调制信号采用模式0，注入电源设定电压v_g2，起始时刻设为t₂，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

通过步骤1和步骤2可以通过下式得到如下两个参数：

Δv_g＝v_g1-v_g2 (2)

步骤3：调制信号采用模式1，注入电源设定电压v_g2，起始时刻设为t₃，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

通过步骤2和步骤3可以通过下式得到如下两个参数：

进而可以通过以上得到的参数分别求得交流侧绝缘电阻R_fAC和直流侧绝缘电阻R_fDC，求取公式如下：

步骤4：调制信号采用模式1，注入电源设定电压v_g1，起始时刻设为t₄，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

通过步骤3和步骤4可以通过下式得到如下两个参数：

Δv_g＝v_g2-v_g1 (8)

随后又回到步骤1，即调制信号采用模式0，注入电源设定电压v_g1，起始时刻设为t₁，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

可得到下式：

于是，根据式(7)-式(10)得到的

Δv_g、

代入式(5)和式 (6)，可以再次得到交流侧绝缘电阻R_fAC和直流侧绝缘电阻R_fDC。

这样，步骤4完成后返回步骤1，实现绝缘电阻的循环监测。设一个循环周期为T_g，即T_g＝4T_o，则一个循环周期T_g可以计算2次绝缘电阻。这里的T_o应为交流电压工频周期的整数倍。本发明实施例对应的各变量各阶段变化波形如图3 所示。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种三相逆变器直流侧和交流侧绝缘电阻的监测方法，其特征在于：该监测方法采用的绝缘监测电路包括正电桥电阻、负电桥电阻、采样电阻和注入电源，正电桥电阻与负电桥电阻的阻值相同，注入电源能够输出两种不同电压值的电压，正电桥电阻的一端与三相逆变器直流侧的正极相连，负电桥电阻的一端与三相逆变器直流侧的负极相连，正电桥电阻的另一端与负电桥电阻的另一端相连后与采样电阻的一端相连，采样电阻的另一端与注入电源的一端相连，注入电源的另一端与大地相连，通过采样电阻测得对地电流i_e；将该监测方法分为两个阶段，其中一个阶段只改变注入电源的电压，而保持三相逆变器的调制模式不变，另一个阶段保持注入电源的电压不变，而只改变三相逆变器的调制模式，根据两个阶段得到的相关参数计算出三相逆变器直流侧绝缘电阻和交流侧绝缘电阻；

该监测方法，既要对注入电源v_g进行控制，又要对三相调制信号m_a(t)、m_b(t)、m_c(t)进行控制；对调制信号的控制，有如下两种模式：

调制模式0：在原有调制信号基础上，叠加A_cr-max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]，得到调制信号m_2a(t)、m_2b(t)、m_2c(t)，其中A_cr表示三角载波的幅值，是一个已设定的定值，max[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]表示当下时刻三相调制信号中最大的值；

调制模式1：在原有调制信号基础上，叠加-min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]，其中min[m_a(t),m_b(t),m_c(t)]表示当下时刻三相调制信号中最小的值；

具体实现步骤如下：

步骤1：调制信号采用模式0，注入电源设定电压v_g1，起始时刻设为t₁，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

步骤2：调制信号采用模式0，注入电源设定电压v_g2，起始时刻设为t₂，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

通过步骤1和步骤2得到如下两个参数：

Δv_g＝v_g1-v_g2 (2)

步骤3：调制信号采用模式1，注入电源设定电压v_g2，起始时刻设为t₃，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

通过步骤2和步骤3得到如下两个参数：

进而，求得交流侧绝缘电阻R_fAC和直流侧绝缘电阻R_fDC，求取公式如下：

步骤4：调制信号采用模式1，注入电源设定电压v_g1，起始时刻设为t₄，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

通过步骤3和步骤4得到如下两个参数：

Δv_g＝v_g2-v_g1 (8)

随后又回到步骤1，调制信号采用模式0，注入电源设定电压v_g1，起始时刻设为t₁，持续时间为T_o，对应T_o周期的i_e平均值为

可得到下式：

于是，根据式(7)-式(10)得到的

Δv_g、

代入式(5)和式(6)，再次得到交流侧绝缘电阻R_fAC和直流侧绝缘电阻R_fDC。

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