变频器和用于识别和阻断变频器中故障电流的方法
【专利说明】
[00011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
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009]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:Common mode current)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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
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