专利名称：用于监视未接地电网中的绝缘电阻的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于监视未接地电网中的绝缘电阻的方法和设备。
背景技术：
为了在混合动力或电动汽车中驱动，一般采用按照感应式电机形式的电机，这些电机与变流器一通常也称为逆变器一连接地运行。用于运行电机的电能在此由与汽车的车载电网分离的、未接地的电流供应(例如按照高效的高压电池的形式)提供。通过这种方式实现的未接地电网一通常也称为IT (Isole Terre)电网一减小了例如维护人员的危险，因为在单个故障时，例如在绝缘故障时，没有建立闭合的电路。此外在出现单个故障时不需要调整运行，从而可以对绝缘故障进行通知，而不会导致系统失效。但是为此需要在汽车运行期间也要连续或至少周期性地监视电网的绝缘电阻。
由DE 10 2006 031 663 B3已知一种用于测量IT电网中的绝缘电阻的方法，该 IT电网具有直流电压中间电路和至少一个自引导的换流器以及用于相对于地电势测量中间电路电压的测量装置，在该方法中设置离线测量和在线测量。在该文献中，在离线测量期间一在离线测量期间换流器的所有功率开关都闭合一测量电势上升了和上升了多少以及测量中间电路电压，并且由此确定绝缘电阻。在在线测量期间，测量电势上升了和上升了多少并且对测量的时间曲线变化进行分析。为此尤其是将两个电势求和，对和进行傅立叶变换并且在频谱的时间曲线变化中评估频谱的改变。
由EP I 909 369 A2已知一种用于为在运行中的变频器装置进行绝缘监视的方法，其中该变频器装置具有包括至少一个正支路和负支路的电压中间电路、至少一个具有至少两个相位接头的电设备、以及至少一个包括用于将相位接头与电压中间电路的正支路或负支路电连接的开关元件的变频器。在该文献中规定，通过检测变频器控制装置的参数来确定变频器的运行状态，在该运行状态期间变频器处于运行中并且向在此期间同样处于正常运行中的电设备馈电。此外，测量正支路或负支路的至少一个电压。最后根据所测量的一个或多个电压以及变频器的运行状态确定电压中间回路上和/或相位接头上和/或电设备上的绝缘故障。发明内容
本发明实现了一种用于监视未接地电网中的绝缘电阻的方法，该未接地电网具有直流电压中间电路和至少一个与直流电压中间电路连接的变流器用于控制η相电网中的η 相电消耗器，其中η>1。在此，在消耗器运行期间首先确定待监视的电压，所述待监视的电压代表直流电压中间电路的供电电压电势相对于参考电势的电压波动。此外还确定表征电消耗器的电频率的参数，尤其是电消耗器的电角速度。接着在电消耗器的η倍电频率的情况下确定待监视的电压的第一谱幅度，将待监视的电压的第一谱幅度与第一参考值相比较，并且当所述比较得出第一幅度值与第一参考值存在偏差时探测到直流电压中间电路或 η相电网中的对称绝缘故障。
在电消耗器运行期间以及由此在变流器运行期间，直流电压中间电路的供电电压汇流排的直流电压电势被叠加了交流电压分量，所述交流电压分量导致直流电压中间电路的供电电压电势相对于例如通过汽车车身形成的参考电势产生电压波动。本发明基于以下基本想法在直流电压中间电路一通常也称为牵引电网一中或在η相电网中的对称绝缘故障影响电压的谱分布，该谱分布代表直流电压中间电路的供电电压电势相对于参考电势的电压波动。在此谱分布按照以下方式改变，即与正常运行、也就是没有绝缘故障的运行相反，在电消耗器的η倍电频率时或者换句话说在消耗器的电频率的第η次谐波时也产生信号分量。由此通过对属于η倍电频率的(第一)谱幅度的分析，可以用小的电路技术耗费可靠地识别对称绝缘故障。在此以及在下面，用术语“对称绝缘故障”表示绝缘电阻的恶化， 所述恶化按照与例如由于老化过程而可能导致的情况相同的方式出现在直流电压中间电路的两个供电电压汇流排上或η相电网的所有相上。
本发明的方法还存在其它优点，即所述监视在电消耗器运行期间以及由此在变流器运行期间可以连续或周期性(近似连续)地进行。通过对第一谱幅度与第一参考值的偏差的进一步分析，还可以确定是在直流电压中间电路中还是在η相电网中出现了对称绝缘故障。从而当第一谱幅度小于参考值时在直流电压中间电路中探测到对称绝缘故障，而当第一谱幅度大于参考值时，在η相电网中探测到对称绝缘故障。
为了也能探测到非对称绝缘故障，也就是其中仅涉及直流电压中间电路的一个供电电压汇流排或仅涉及η相电网的一部分相的绝缘电阻恶化，根据本发明的一种实施方式规定在电消耗器的(I倍)电频率时确定待监视的电压的第二谱幅度，将该第二谱幅度与第二参考值进行比较，并且当该比较得出第二谱幅度与第二参考值之间存在偏差时探测到η 相电网中非对称绝缘故障。
与对称绝缘故障相同，非对称绝缘故障也影响待监视的电压的谱分布。但是与对称故障相反，改变不是通过在消耗器的η倍电频率的范围中出现附加信号分量来表现出的，而是通过在(I倍)电频率的范围中的信号分量改变来表现出。因此通过分析在该频率时出现的(第二)谱幅度，还可以用小的电路技术耗费可靠地识别非对称绝缘故障。在此，对于对称绝缘故障以及对于非对称绝缘故障都成立的是第一或第二谱幅度的绝对值变化分别是绝缘电阻恶化的度量，从而也可以对绝缘电阻的变化做出定量的说明。
对于待监视的电压来说，重要的仅仅是待监视的电压代表直流电压中间电路的供电电压电势相对于参考电势的电压波动。整个系统中的不同电压都满足这条标准。
根据本发明的第一实施方式，测量直流电压中间电路相对于参考电势的至少一个供电电压电势以及测量直流电压中间电路的中间电路电压，并且通过形成所测量的这些电压的和来确定待监视的电压。但同样还可以测量直流电压中间电路相对于参考电势的两个供电电压电势并且从中通过形成和来确定待监视的电压。
根据本发明的另一实施方式，在直流电压中间电路的供电电压电势之间接入分压器，尤其是对称的分压器。在这种情况下，在分压器的中间抽头上测量的第一测量电压被用作待监视的电压。该实施方式的优点是，只需要唯一的一次电压测量并且不需要附加的计算耗费来确定待监视的电压。此外，测量范围可与最大波动幅度匹配，这导致了测量精度的提高。还可以测量表征电压的其它参数来代替电压，例如电流。
在本发明的另一实施方式中，在(人工地)星形点中经由阻抗将η相电网的这些相交汇在一起。然后在该星形点可以测量相对于参考电势的第二测量电压，该第二测量电压可以从在星形点处相对于中间电路电压的一半得出的星形点电压中减去。通过这种方式计算的辅助电压同样代表直流电压中间电路的供电电压电势相对于参考电势的电压波动并且由此用作待监视的电压。在该实施方式中也仅需要唯一的一次电压测量，其中测量范围可以与最大波动幅度匹配。替换对测量电压的直接测量，在此还可以测量从测量电压推导出的、表征测量电压的参数。
根据本发明的另一实施方式规定，参考值表示在没有绝缘故障的正常运行时的相应电频率情况下待监视的电压的谱幅度。
为了确定待监视的电压的谱幅度，根据本发明的一种实施方式规定，尤其是借助快速傅里叶变换(FFT )形成待监视的电压的频率谱。
替换于此地，还可以对待监视的电压进行带通滤波，并且可以借助经过滤波的待监视的电压确定谱幅度。两种方法都允许用相对小的电路技术耗费来确定谱幅度。
如果由于探测到的绝缘故障仅输出一个故障通知，则为了消除例如在车间中的故障必须检查整个系统是否存在可能的故障。因此值得追求的是除了纯故障通知之外还提供在整个系统的哪个区域出现绝缘故障的信息。
如果在直流电压中间电路的供电电压汇流排之一中出现非对称绝缘故障，则在直流电压中间电路的两个供电电压电势的绝对值之间产生直流电压偏移。根据本发明的一种实施方式，例如借助对待监视的电压的低通滤波来确定该直流电压偏移。如果该直流电压偏移达到预先给定的极限值，则可以推断在直流电压中间电路的供电电压汇流排之一的区域中必定存在非对称绝缘故障。然后依据直流电压偏移的符号，仍然还可以探测分别涉及的供电电压汇流排。
如果绝缘故障存在于η相电网的区域中，则有利的是确定待监视的电压的相位以及电消耗器的相电压的相位。然后依据待监视的电压与相电压的相位的相对相位，可以确定在η相电网中是否存在单相或多相的非对称绝缘故障。此外仍然还可以识别分别涉及的相。
为了探测到在η相电网的区域中的两相非对称绝缘故障，替换或附加还可以确定待监视的电压的能量含量。由于能量含量随着绝缘故障所涉及的相的数量增加而下降，因此依据能量含量可以探测绝缘故障涉及多少个相。
待监视的电压的有效值也随着绝缘故障所涉及的相的数量增加而下降。由此还可以依据有效值确定绝缘故障涉及多少个相。
本发明还实现一种用于监视未接地电网中的绝缘电阻的设备，其中该电网包括直流电压中间电路、具有η相电消耗器的η相电网以及至少一个连接到直流电压中间电路的变流器来控制电消耗器。本发明的设备在此包括-至少两个测量装置，用于测量直流电压中间电路的一个供电电压电势以及中间电路电压，或者测量直流电压中间电路的两个供电电压电势，-计算单元，用于通过对所测量的这些电压形成和来确定待监视的电压，其中待监视的电压代表直流电压中间电路的供电电压电势相对于参考电势的电压波动，以及-分析单元，其确定在电消耗器的η倍电频率时待监视的电压的第一谱幅度，将第一谱幅度与第一参考值进行比较，并且当该比较得出第一谱幅度与第一参考值之间存在偏差时探测到直流电压中间电路或η相电网中的对称绝缘故障。
计算单元和分析单元在此还可以通过唯一的一个单元例如以微控制器的形式实现。
如果在直流电压中间电路中设置分压器，尤其是对称的分压器，该分压器连接在直流电压中间电路的供电电压电势之间并且具有中间抽头，则唯一一个用于测量分压器的中间抽头上的第一测量电压的电压测量装置就足以。于是第一测量电压直接表示待监视的电压，而待监视的电压代表直流电压中间电路的供电电压电势相对于参考电势的电压波动。于是，由此合适地还取消了计算单元。替换对测量电压的直接测量，还可以测量由测量电压推导出的其它参数，该参数由此来表征测量电压。
如果η相电网的相经由阻抗在(人工)星形点交汇在一起，则相对于参考电势测量星形点处的第二测量电压的唯一的一个电压测量装置就足以。于是，计算单元通过形成在星形点处相对于中间电路电压的一半得出的星形点电压与辅助电压的第二测量电压之间的差来形成。于是辅助电压代表直流电压中间电路的供电电压电势相对于参考电势的电压波动。替换对第二测量电压的直接测量，还可以测量由该测量电压推导出的参数，该参数由此来表征第二测量电压。
本发明的实施方式的其它特征和优点由以下参照附图的描述中得出。
其中图I示出根据本发明的第一实施方式具有直流电压中间电路、与直流电压中间电路连接的变流器、3相电机和测量设备的未接地电网的示意框图，图2示出根据本发明的第二实施方式具有直流电压中间电路、与直流电压中间电路连接的变流器、3相电机和测量设备的未接地电网的示意框图，图3示出根据本发明的第三实施方式具有直流电压中间电路、与直流电压中间电路连接的变流器、3相电机和测量设备的未接地电网的示意框图，图4是待监视的电压在没有绝缘故障的正常运行中的时间曲线变化的图形示意，图5示出根据图4的待监视的电压的频率谱的图形示意，图6示出待监视的电压在3相电网中出现单相非对称绝缘故障时的时间曲线变化的图形示意，图7示出根据图6的待监视的电压的频率谱的图形示意，图8示出待监视的电压在3相电网中出现对称绝缘故障时的时间曲线变化的图形示思 图9示出根据图8的待监视的电压的频率谱的图形示意，图10示出待监视的电压在3相电网中出现两相非对称绝缘故障时的时间曲线变化的图形示意。
具体实施方式
在附图中相同或功能相同的部件分别用相同的附图标记表示。
图I示出具有三相电机2的3相电网I的示意图，该电机可以例如实施为同步电机、异步电机或磁阻电机，具有与该电机连接的脉冲变流器3。脉冲变流器3包括功率开关形式的开关元件4a-4f，它们与电机2的各个相U，V，W连接并且相U，V，W或者相对于施加在直流电压中间电路6的正供电电压汇流排5上的正供电电压电势T+或者相对于施加在直流电压中间电路6的负供电电压汇流排7上的负供电电压电势T-开关。与正供电电压汇流排5连接的开关元件4a-4c在此也称为“高侧开关”，与负供电电压汇流排7连接的开关4d-4f称为“低侧开关”，并且例如可以实施为绝缘栅极双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)。此外脉冲变流器3还包括多个空转二极管8a-8f，它们分别与一个开关元件4a-4f并联地设置。脉冲变流器3确定电机2的功率和运行方式，并且相应地由例如微控制器形式的控制设备9控制。电机2在此可选择地在电机运行或发电机运行下运行。脉冲变流器3还包括所谓的中间电路电容器10，该中间电路电容器基本上用于对在直流电压中间电路6中的高压电池11形式的高压储能器的电压进行稳定。具有低压电池13形式的低压储能器的汽车的车载电网12经由直流电压变换器14与中间电路电容器6并联连接。电机2在所示出的实施例中实施为三相，但是也可以仅具有两相或多于三相。但是优选的，相的数量等于三或至少可被三除。例如对于维护目的来说，需要将处于静止状态的高压电池11与直流电压中间电路6—通常也称为牵引电网或高压电路一分离。为此设置两个主接触器15和16以及一个预充电接触器17。预充电接触器在此使得可以经由预充电电阻18对中间电路电容器进行限流地充电。此外设置测量装置19，20和21，借助它们可以测量正供电电压电势T+与参考电势(例如按照通过汽车车身形成的汽车地的形式)之间的电压
LWw咖,负供电电压电势T-与参考电势之间的电压UTW_Ma_，或中间电路电容器
10上的中间电路电压Uat。要指出的是，对于本发明的应用性而言，设置所示出的三个测量装置19，20和21中的两个就足以。术语“电压测量”原则上还可以包括对表征电压的参数(例如电流)的测量。所测量的供电电压汇流排5和7上的电压UTPius-Itesa, Ujiy|ini .Masse以及中间电路
电压U 必要时在经过合适的信号处理之后输送给计算单元22，所述信号处理例如可以包括A/D转换，所述计算单元在所示出的实施例中集成在控制设备9中，但是替换于此的也可以作为独立的单元实现。通过计算单元22计算和电压Us，其中
或
权利要求
1.一种用于监视未接地电网中的绝缘电阻的方法,该未接地电网具有直流电压中间电路(6)和至少一个与直流电压中间电路连接的变流器(3)用于控制η相电网(I)中的η相电消耗器(2)，其中η>1，其中在消耗器(2)运行期间-确定待监视的电压(Us ；UM1 ;UM2)，所述待监视的电压代表直流电压中间电路(6)的供电电压电势(T+，T_)相对于参考电势的电压波动，-确定表征电消耗器的电频率的参数，尤其是电消耗器的电角速度()，-在电消耗器(2)的η倍电频率的情况下确定待监视的电压(Us ；UM1 ^m2)的第一谱幅度，-将待监视的电压(Us ；UM1 ；UM2)的第一谱幅度与第一参考值相比较，并且-当所述比较得出第一谱幅度与第一参考值存在偏差时探测到直流电压中间电路(6)或η相电网(I)中的对称绝缘故障。
2.根据权利要求I的方法，其中当第一谱幅度小于参考值时在直流电压中间电路(6)中探测到对称绝缘故障，而当第一谱幅度大于参考值时在η相电网(I)中探测到对称绝缘故障。
3.根据权利要求I或2的方法，其中—在电消耗器(2)的该电频率时确定待监视的电压(Us ；UM1 ^m2)的第二谱幅度，-将待监视的电压(Us ；UM1 ；UM2)的第二谱幅度与第二参考值进行比较，并且-当该比较得出第二幅度值与第二参考值之间存在偏差时在η相电网(I)中探测到非对称绝缘故障。
4.根据权利要求I至3之一的方法，其中相对于参考电势测量直流电压中间电路(6)的至少一个供电电压电势(T+，T-)以及测量直流电压中间电路(6)的中间电路电压(UZK)，或者相对于参考电势测量直流电压中间电路(6)的两个供电电压电势(T+，T_)并且从中通过形成和来确定待监视的电压(Us)。
5.根据权利要求I至3之一所述的方法，其中通过在分压器(30)、尤其是对称分压器的中间抽头(M)上相对于参考电势测量的第一测量电压(Umi)形成待监视的电压，其中分压器(30)连接在直流电压中间电路(6)的供电电压电势(T+，T-)之间。
6.根据权利要求I至3之一的方法，其中-在星形点(Pl)处相对于参考电势测量第二测量电压(UM2)，其中在该星形点(Pl)处η相电网(I)的相(U，V，Μ)经由阻抗(Z1, Z2, Z3)交汇在一起，-通过在星形点(Pl)处相对于一半中间电路电压(Uzk)得出的星形点电压与第二测量电压(Um2)之间形成差来形成表示待监视的电压的辅助电压(UH)。
7.根据上述权利要求之一的方法，其中参考值表示在没有绝缘故障的正常运行时的相应电频率情况下待监视的电压(Us ；UM1 ；UM2)的谱幅度。
8.根据上述权利要求之一的方法，其中尤其是借助快速傅里叶变换(FFT)形成待监视的电压(Us ；UM1 ;UM2)的频率谱，并且从中确定待监视的电压(Us ；uM1 ;uM2)的谱幅度，或者对待监视的电压(Us ；UM1 ;UM2)进行带通滤波，并且借助经过滤波的待监视的电压确定幅度值。
9.根据上述权利要求之一的方法，其中尤其是通过对待监视的电压(Us；UM1 ；UM2)的低通滤波来确定直流电压中间电路(6)的供电电压电势(T+，T_)的绝对值之间的直流电压偏移，并且依据直流电压偏移的符号，在直流电压中间电路(6)的供电电压汇流排(5，7)之一中探测到非对称绝缘故障。
10.根据权利要求3至9之一的方法，其中确定待监视的电压(Us；UM1 ^m2)的相位以及电消耗器(2)的相电压的相位，并且依据待监视的电压(Us ；UM1仏)与相电压的相位的相对相位探测在η相电网(I)的区域中是否存在单相或多相的非对称绝缘故障和/或所述绝缘故障涉及哪些相(U，V，Μ)。
11.根据权利要求3至10之一的方法，其中确定待监视的电压(Us；UM1 ；UM2)的能量含量，并且依据能量含量确定在η相电网(I)的区域中是否存在单相或多相非对称绝缘故障。
12.根据权利要求3至11之一的方法，其中确定待监视的电压(Us；UM1 ^m2)的有效值， 并且依据有效值确定在η相电网(I)的区域中是否存在单相或多相非对称绝缘故障。
13.一种用于监视未接地电网中的绝缘电阻的设备，其中该电网包括-直流电压中间电路(6)，-具有η相电消耗器(2)的η相电网(1)，以及-至少一个连接到直流电压中间电路的变流器(3)用于控制电消耗器(2)，其中该设备包括-至少两个测量装置(19，20，21)，用于测量直流电压中间电路(6)的一个供电电压电势(T+，T-)以及中间电路电压(UZK)，或者测量直流电压中间电路(6)的两个供电电压电势 (T+，T-),-计算单元(22)，用于通过对所测量的这些电压形成和来确定待监视的电压(Us)，其中待监视的电压(Us)代表直流电压中间电路(6)的供电电压电势(T+，T_)相对于参考电势的电压波动，以及-分析单元(23)，其确定在电消耗器的η倍电频率时待监视的电压(Us)的第一谱幅度， 将第一谱幅度与第一参考值进行比较，并且当该比较得出第一谱幅度与第一参考值之间存在偏差时探测到直流电压中间电路(6 )或η相电网(I)中的对称绝缘故障。
14.一种用于监视未接地电网中的绝缘电阻的设备，其中该电网包括-直流电压中间电路(6)，-具有η相电消耗器(2)的η相电网(1)，-至少一个连接到直流电压中间电路(6)的变流器(3)用于控制电消耗器(2)，以及-分压器(30 )，尤其是对称的分压器，该分压器连接在直流电压中间电路(6 )的供电电压电势(T+，T-)之间并且具有中间抽头(Μ)，其中该设备包括-测量装置(31)，用于在分压器(30)的中间抽头(M)上测量表征待监视的电压(Umi)的参数，其中待监视的电压(Umi)代表直流电压中间电路(6)的供电电压电势(T+，T-)相对于参考电势的电压波动，以及-分析单元(23)，其确定在电消耗器的η倍电频率时待监视的电压(Umi)的第一谱幅度， 将第一谱幅度与第一参考值进行比较，并且当该比较得出第一谱幅度与第一参考值之间存在偏差时探测到直流电压中间电路(6 )或η相电网(I)中的对称绝缘故障。
15.一种用于监视未接地电网中的绝缘电阻的设备，其中该电网包括-直流电压中间电路(6)，-具有η相电消耗器(2)的η相电网(1)，-至少一个连接到直流电压中间电路(6)的变流器(3)用于控制电消耗器(2)，以及 -星形点(Ρ1)，在该星形点处η相电网(I)的各个相(U，V，Μ)经由阻抗(Z1, Z2, Z3)交汇在一起，其中该设备包括-测量装置(40)，用于在星形点(Pl)处相对于参考电势测量表征第二测量电压(Um2)的参数，-计算单元(41 )，用于通过形成在星形点(Pl)处相对于一半中间电路电压(Uzk)得出的星形点电压与第二测量电压(Um2)之间的差来形成辅助电压(UH)，其中该辅助电压(Uh)代表直流电压中间电路(6)的供电电压电势(T+，T-)相对于参考电势的电压波动，以及-分析单元(23)，其确定在电消耗器的η倍电频率时待监视的电压(Um)的第一谱幅度， 将第一谱幅度与第一参考值进行比较，并且当该比较得出第一谱幅度与第一参考值之间存在偏差时探测到直流电压中间电路(6 )或η相电网(I)中的对称绝缘故障。
全文摘要
本发明涉及一种用于监视未接地电网中的绝缘电阻的方法和设备，该未接地电网具有直流电压中间电路(6)和至少一个与直流电压中间电路连接的变流器(3)用于控制n相电网(1)中的n相电消耗器(2)。在此在消耗器(2)运行期间确定待监视的电压(US；UM1；UM2)，所述待监视的电压代表直流电压中间电路(6)的供电电压电势(T+,T-)相对于参考电势的电压波动。此外确定表征电消耗器的电频率的参数，尤其是电消耗器的电角速度()。在电消耗器(2)的n倍电频率的情况下将待监视的电压(US；UM1；UM2)的第一谱幅度与第一参考值相比较，并且当所述比较得出第一谱幅度与第一参考值存在偏差时探测到直流电压中间电路(6)或n相电网(1)中的对称绝缘故障。
文档编号G01R31/02GK102933975SQ201180029380
公开日2013年2月13日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年6月15日
发明者A.特劳特曼, V.加西亚阿尔瓦雷斯, D.米库莱克 申请人:罗伯特·博世有限公司