专利名称：具有电流传感器的扼流器的制作方法
技术领域：
发明一般地涉及感测马达驱动器中的接地故障。具体地，本发明涉及一种用于感测接地故障的集成共模扼流器。
背景技术：
马达驱动器通常包 括用于将引入的AC电力转换为DC电力的转换器电路，以及用于将DC电力转换为受控频率的AC电力输出的逆变器电路。可以感测AC电力的三个相的输出电流，以进行马达控制和保护。例如，可以通过将所有三个测量到的相电流相加来确定接地电流。当三相电流之和超过阈值(例如，马达驱动器的额定电流的20%)时，可以认为发生了马达驱动器的接地故障。通常，基于固件的接地故障检测对三相电流的和进行采样，对结果进行滤波，并在超过阈值时生成警报。阈值可以能够被调整为低水平，但该接地故障检测方法仍然对噪声和反馈准确度有些敏感。此外，在不稳固地接地的AC电力系统上，接地故障电流可能通常很低(例如，低于10安培)，因此，马达驱动器在或许应该出故障时可能没出故障。这样，基于固件的接地故障警报方法不能可靠地检测马达驱动器的接地故障。因此，需要对马达驱动器的低水平的接地故障电流进行更可靠的检测。
发明内容
本发明一般地涉及用于检测马达驱动器系统中的接地故障(即，线路接地故障)的系统和方法。具体地，这里说明的实施例包括马达驱动器系统的共模扼流器，共模扼流器的芯周围缠绕着附加(即，副)匝(turn)。这些副匝是除缠绕共模扼流器的芯的多组主匝之外、且与该多组主匝分开的匝，每一组主匝与共模扼流器直接耦合到的AC电力的相相对应。副匝与负载电阻器串联地端接(terminate)。可以通过监视跨负载电阻器的电压来检测接地故障。更具体地，这里描述的实施例包括控制器，控制器包括这样的程序指令该程序指令用于接收指示跨负载电阻器的电压的信号，并且用于监视跨负载电阻器的电压，以确定马达驱动器系统中何时发生接地故障。
当参考附图阅读下面详细的说明时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中图I是马达驱动器系统的说明性实施例的图解表示；图2A和图2B是图I的马达驱动器系统的共模扼流器的说明性实施例的侧视图；图3是具有与负载电阻器端接的附加匝的图2A和图2B的共模扼流器的说明性实施例的侧视图；图4是马达驱动器系统的图3的共模扼流器的AC电力的三个相的相应三组主匝、附加(副)匝以及负载电阻器的电路图；以及图5是跨负载电阻器的电压随时间变化的说明性图表。
具体实施例方式现在转到附图，图I表示根据本公开各方面的马达驱动器系统10。马达驱动器系统10被配置为耦合到由附图标记12指示的AC电源(诸如电网)，并将经调节的电力传递给马达14或任何其它合适的负载。控制器16被耦合到马达驱动器系统10的电路，并被配置为如下面更充分说明地控制该电路的操作。在当前考虑的实施例中，控制器16可以被容纳在驱动器中，或容纳在单独的外壳中。提供适当的线缆(例如，光纤线缆)，以在控制器16和各个驱动器的电路之间传输控制信号和反馈信号。在图I中所示的实施例中，电力滤波电路18可以被设置在马达驱动器的上游。这种电路可以包括电感器、电容器、断路器、熔断器等，这些是一般设计和应用中惯用的。马达驱动器系统10还可以包括将来自AC电源12的三相AC电力转换为DC电力的转换器电路20，该DC电力被施加到DC总线22。转换器电路20可以是无源的或有源的。即，在当前考虑的实施例中，非切换电路单独被用来限定将引入的AC电力转换为施加到DC总线22的DC电力的全波整流器。在其它实施例中，转换器电路20可以是有源的，包括在导电和非导电状态之间切换以控制施加到DC总线22的DC电力的特性的受控电力电子开关。另外，可以设置对沿DC总线22传送的DC电力进行调节的总线滤波电路24。这种滤波电路例如可以包括电容器、电感器(例如扼流器)、制动电阻器等。马达驱动器系统10还包括逆变器电路26。如本领域技术人员将会了解的，这种电路通常包括诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管的电力电子开关组，其被布置以允许将来自DC总线22的DC电力转换为受控频率的AC输出波形。从而，逆变器生成可以被施加到输出滤波电路28的三相受控频率输出，输出滤波电路28可以包括耦合各相之间的输出电力的磁部件。除了电力滤波电路18和/或输出滤波电路28之外(或者作为电力滤波电路18和/或输出滤波电路28的一部分)，马达驱动器系统10可以包括马达驱动器的上游和/或下游的共模扼流器30。例如，在特定实施例中，马达驱动器系统10可以包括AC电源12和电力滤波电路18之间的上游共模扼流器30，和/或输出滤波电路28和马达14之间的下游共模扼流器30。通常，共模扼流器30被用来减少已知为共模噪声的电噪声。此外，共模扼流器30通常防护与其它电气设备的干扰，其它电气设备诸如是可编程控制器、传感器、模拟电路等。另外，如下面更详细说明的，这里描述的实施例包括部分地用来检测马达驱动器系统10的接地故障的共模扼流器30。共模扼流器30可以被用来遵守电磁兼容性(EMC)标准。例如，如图I中所示，共模扼流器30可以被添加在马达驱动器系统10的输出处。具体地，共模扼流器30可以在高电力马达驱动器中使用。可以通过封装限制、电力损失和EMC性能来确定共模扼流器30的使用。从150kHz到30MHz测量通常进行的发射频谱。共模扼流器30可以在150kHz到IMHz的范围中尤其有用。在大于IMHz时，芯的电感可以适当地下降(例如，用于共模扼流器30的芯的典型材料的磁导率在IMHz以上快速下降)。由于共模芯被设计为满足通常以短线缆长度测试的EMC规则，所以共模扼流器30的饱和电流可以相对低(例如，大约5-10安培)。 控制器16通常包括控制电路32，控制电路32被配置为通过适当地向逆变器26发送信号(并且，在适当的情况下，向转换器电路20发送信号)以控制这些电路内的电力电子开关，来实现各种控制方式。控制电路32例如可以包括诸如微处理器、场可编程门阵列(FPGA)、存储器电路、支持电源等的任何合适的处理器。在马达驱动器应用中，控制电路32可以被配置为实现各种期望的控制方式，诸如速度调整、转矩控制、向量控制、启动方式等。在图I中所示实施例中，各种功能电路板34被链接到控制电路32，并可以用于特定功能。例如，通过使用这种电路可以实现宽范围的选项，包括上述的控制方式，以及各种通信选项、安全选项等。控制器16通常允许到操作员接口 36的连接，操作员接口 36可以位于控制器处，以及/或者可以远离控制器。在当前考虑的实施例中，例如，操作员接口 36可以被物理定位在控制器16上，但是是可移除的，以用于手持接口操作。接口电路(例如，便携式计算机)也可以诸如经由因特网线缆或其它网络协议(包括标准工业控制协议)永久地或临时地耦合到控制器16。最后，控制器16可以被耦合到各种远程监视和控制电路38。这种电路可以包括监视站、控制站、控制室、远程编程站等。请注意，这种电路也可以包括其它驱动器，使得在期望的情况下马达驱动器系统10的操作可以与其它设备的操作相协作。这种协作在以协作方式执行大量操作的自动化设定中尤其有用。因此，控制电路32可以与由自动化控制器、单独的计算机等实现的逻辑相协作地形成其控制。如上所述，可以在沿马达驱动器系统10的各个点处监视马达驱动器系统10中的AC电力的所有三个相40、42、44的电流，以控制和保护马达驱动器系统10。例如，可以通过在沿马达驱动器系统10的任一点处将马达驱动器系统10的所有三个相40、42、44的电流相加，来确定接地电流。当三个相40、42、44的电流之和超过阈值(例如，马达驱动器的额定电流的20% )时，可以认为发生了马达驱动器系统10的接地故障。接地故障检测的一个方法包括基于固件进行采样，以及对三个相40、42、44的电流进行滤波，以在超过三个相40、42,44的电流之和的阈值的情况下，针对马达驱动器系统10生成警报。阈值可以是能够调整为低水平，但该接地故障检测方法仍然对噪声和反馈准确度有些敏感。该接地故障保护方法可以应用于接地故障电流相对高(例如，大于马达驱动器的额定电流)的固定接地马达驱动器系统。在AC电力系统具有相对高电阻接地(HRG)的情况下，当三相AC电源的中性点经由电阻器(例如，中性点接地电阻器)接地时，或者当AC电源被与地隔离时(例如，浮动电力系统)，接地故障电流可能很低(例如，低于10安培)，从而，马达驱动器系统10在或许应该发生故障时可能没有发生故障。对于HRG系统，检测接地故障的另一个方法包括感测跨中性点接地电阻器的电压，或感测通过中性点电阻器的电流。然而，该接地故障检测方法是系统级的，这样，该方法不能识别系统的哪个驱动器发生了故障。接地故障保护的再一个方法包括感测AC输入线、DC总线或AC输出线上的驱动器内部到地电压的中性点(S卩，虚拟的)。通常用电阻器或电容器的网络创建虚拟中性点。该接地故障检测方法不仅仅检测驱动器输出处的接地故障，而且还检测在系统中任何地方发生的接地故障。因此，该方法不能鉴别。因此，需要附加的 处理来确定何处发生了接地故障。实际上，在特定情况下，甚至可能无法确定何处发生接地故障。接地故障检测的再一个方法包括在驱动器的输出处使用专用接地故障电流传感器。该传感器只响应于接地故障电流，而不响应于马达驱动器的工作电流。这样，该方法需要通常不使用的附加硬件。该方法能够明确地识别哪个驱动器具有输出接地故障，但是不会检测系统中其它地方的接地故障。如上所述，马达驱动器系统10可以包括马达驱动器上游的共模扼流器30 (例如，AC电源12和电力滤波电路18之间的上游共模扼流器30)，或马达驱动器下游的共模扼流器30(例如，输出滤波电路28和马达14之间的下游共模扼流器30)。实际上，尽管示例说明了位于(例如，电气耦合)马达驱动器10的上游或下游，共模扼流器30也可以用在沿马达驱动器系统10的其它位置处。例如，在特定实施例中，共模扼流器30可以直接耦合到DC总线22。如上所述，共模扼流器30通常减少共模噪声干扰，以及保护免受与其它电气设备的干扰。然而，如在下面更详细描述的，共模扼流器30也可以被修改以用作接地故障检测设备。图2A和图2b是图I的马达驱动器系统10的共模扼流器30的说明性实施例的侧视图。具体地，图2A的共模扼流器30是在下游位置处(例如，马达驱动器和马达14之间)连接到马达驱动器系统10的共模扼流器。然而，图2A中所例示的共模扼流器30可以被用在上游位置处(例如，AC电源12和马达驱动器系统10之间)，或用在沿马达驱动器系统10的任何其它位置处(例如，DC总线22上)。如所示出的，共模扼流器30可以被连接到马达驱动器系统10的三个相40、42、44的每一个。更具体地，马达驱动器系统10的每一相40、42、44可以包括卷绕(即缠绕)共模扼流器30的总体环形芯46的多个主匝(即，绕组)。更具体地，第一相40可以包括在第一圆周位置50附近缠绕共模扼流器30的芯46的第一组主匝48，第二相42可以包括在第二圆周位置54附近缠绕共模扼流器30的芯46的第二组主匝52，以及，第三相44可以包括在第三圆周位置58附近缠绕共模扼流器30的芯46的第三组主匝56。通常，三组主匝48、52、56可以在共模扼流器30的芯46的圆周上等间隔地设置(即，沿共模扼流器30的芯46的圆周以大约120度间隔彼此分开地设置)。在图2B中所示实施例中，主匝48、52、56的每一组包括缠绕共模扼流器30的芯46的5匝电绕组。然而，在主匝48、52、56的每一组中可以使用任何合适的匝数。例如，在其它实施例中，主匝48、52、56的每一组可以包括I个、2个、3个、4个、6个、7个、8个、9个、10个或更多匝。通常，基于马达驱动器系统10所需的共模干扰减少量来确定主匝48、52、56的每一组的匝数。如上所述，这里描述的实施例针对使用图2A和图2B中所示修改形式的共模扼流器30检测图I的马达驱动器系统10中的接地故障的方法。更具体地，这里描述的实施例包括与各组主匝48、52、56分开的附加匝。例如，图3是具有与负载电阻器60端接的附加匝(即，副匝)的图2A和图2B的共模扼流器30的说明性实施例的侧视图。更具体地，副匝58的端部匝(即，起始和结束)将被电气耦合到负载电阻器60。在图3中所示实施例中，副匝组58包括缠绕共模扼流器30的芯46的3匝附加(即，单独的)电绕组。然而，在副匝组58中可以使用任何合适的匝数。例如，在其它实施例中，副匝组58可以包括2个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多匝。如下面更详细地说明的，跨负载电阻器60的 电压是通过芯46的共模电流的测量(至少直到芯46饱和为止)。通常，将副匝58设计为使得负载电阻器60和副匝58的插入阻抗不会可感知地影响马达驱动器系统10的EMC频谱。另外，负载电阻器60被设计为使得在负载电阻器60中只发生最小电力消耗(例如，峰值和平均值二者)。此外，副匝58和负载电阻器60被设计为使得在负载电阻器60打开(open up)的情况下副匝58上的峰值电压受限。
如上所述，可以基于跨负载电阻器60的电压来检测接地故障。例如，图4是马达驱动器系统10的图3的共模扼流器30的三个相40、42、44的相应三组主匝48、52、56，副匝58以及负载电阻器60的电路图62。如所不出的,主阻48、52、56的每一组被建模为电感器。更具体地，如图4中所示，主匝48、52、56的每一组被建模为具有自感Lsi。另外，副匝58被建模为与负载电阻器60串联的单独的电感器。更具体地，如图4中所示，副匝58被建模为具有单独的自感LS2，与具有电阻Rb的负载电阻器60串联。
如所示出的，4个电感(即，与主匝组48、52、56相关联的第一、第二和第三电感Lsi，以及与副匝58相关联的第四电感Ls2)也互相耦合。更具体地，M1是三组主匝48、52、56中任两组之间的互感，而M2是三组主匝48、52、56中任一组与副匝58之间的互感。通常，三组主匝48、52、56中任两组之间的互感M1近似等于与主匝组48、52、56中任一组相关联的自感Lsi。另外，与副阻58相关联的电感Ls2等于Ls2 = N2Lsl其中，N是副匝58的匝数(例如，在图3中所示实施例中为3)与主匝组48、52、56中每一组的匝数(例如，在图3中所示实施例中为5)之比。此外，三组主匝48、52、56中任一组与副匝58之间的互感M2等于M2 = NLsl如图4中所示，共模扼流器30的共模电流iCM在共模扼流器30的三组主匝48、52、56之间被相等的分流(即Lm/3)。另外，跨主匝组48、52、56的电压被表示为％。跨负载电阻器60的电压表示为V2，而通过负载电阻器60的电流表示为i2。通常，跨主匝组48、52、56的电压V1等于
T, RjjL s\S .V1=--
RB + sN Lsl其中，s是拉普拉斯变换中的复角频率(即，在频域中；在时域中，s对应于微分算子d/dt)。另外，经由副匝58和负载电阻器60生成的电流i2等于
.NLslS .12=~-
Rb + sN Lsl图4的电路图62可以依据Ls1、Rb和N的具体值，以如下说明的两种模式之一进行操作。例如，在模式I中，电路图62可以这样工作如同副匝58不影响共模扼流器30的工作。可以使用模式I直到达到特定频率f(即，截止频率)为止。在模式I中，针对给定角频率w =2 Hf，负载电阻器60的参考值(即，Rb/N2)显著高于(例如，至少高一个数量级)与主匝组48、52、56相关联的自感(S卩，《 Lsl)。因此，在模式I中，将跨主匝组48、52、56的电压V1的等式和经由副匝58和负载电阻器60生成的电流i2的等式简化为V1 = Lsl(Siai)
.NL^ / .、h = —(.sicm)另外，在模式I中，跨负载电阻器60的电压V2等于V2 = NLsl(Siai)换句话说，在模式I中，跨负载电阻器60的电压V2与共模电流ieM的导数成比例。因此，在模式I中，负载电阻器60不影响共模芯46的电感特性。为了保护共模扼流器30的EMC性能，电流参数将被设计为确保模式I直到特定最大频率(即，截止频率)为止皆有效。在模式2中，电路图62这样操作如同副匝58对共模扼流器30的工作有显著的影响。在模式2中，针对给定角频率《 =2 Hf，负载电阻器60的参考值(即，Rb/N2)显著低于(例如，至少低一个数量级)与主匝组48、52、56相关联的自感(S卩，《Lsl)。因此，在模式2中，将跨主匝组48、52、56的电压V1的等式和经由副匝58和负载电阻器60生成的电流i2的等式简化为
权利要求
1.一种马达驱动器系统，包括 转换器电路，配置为从交流电源接收输入的三相交流电力，以及将所述三相交流电力转换为直流电力； 直流总线，配置为从所述转换器电路接收所述直流电力； 逆变器电路，配置为从所述直流总线接收所述直流电力，以及将其转换为由三相马达使用的受控频率输出交流电力；以及 共模扼流器，其具有多组主匝和与所述多组主匝分离的副匝组，主匝的每一组直接连接到交流电力的相，其中，所述副匝组不直接连接到交流电力的相，并且其中所述副匝组与负载电阻器端接。
2.根据权利要求I所述的马达驱动器系统，包括控制器，配置为通过监视跨所述负载电阻器的电压来检测接地故障。
3.根据权利要求2所述的马达驱动器系统，其中，所述控制器被配置为在用于截止频率之下的工作频率的第一模式下检测接地故障，以及所述控制器被配置为在用于所述截止频率之上的工作频率的第二模式下检测接地故障。
4.根据权利要求3所述的马达驱动器系统，其中，所述控制器被配置为在假设所述负载电阻器的参考阻抗实质大于所述主匝组的每个的自阻抗的情况下，在所述第一模式下检测接地故障。
5.根据权利要求3所述的马达驱动器系统，其中，所述控制器被配置为在假设所述负载电阻器的参考阻抗实质小于所述主匝组的每个的自阻抗的情况下，在所述第二模式下检测接地故障。
6.根据权利要求I所述的马达驱动器系统，其中，所述共模扼流器电气耦合在所述交流电源和所述转换器电路之间。
7.根据权利要求I所述的马达驱动器系统，其中，所述共模扼流器电气耦合在所述逆变器电路和所述马达之间。
8.根据权利要求I所述的马达驱动器系统，其中，所述共模扼流器直接耦合到所述直流总线。
9.一种方法，包括 监视指示跨负载电阻器的电压的信号，所述负载电阻器与缠绕马达驱动器系统的共模扼流器的芯的副匝组串联；以及 基于所述跨负载电阻器的电压随时间的改变确定所述马达驱动器系统中是否发生了接地故障。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，每组主匝关联于交流电力的相应相。
11.根据权利要求10所述的方法，包括在用于截止频率之下的工作频率的第一模式下确定所述马达驱动器系统中是否发生了接地故障，以及在用于所述截止频率之上的工作频率的第二模式下确定所述马达驱动器系统中是否发生了接地故障。
12.根据权利要求11所述的方法，包括在假设所述负载电阻器的参考阻抗实质大于所述主匝组的每个的自阻抗的情况下，在所述第一模式下确定所述马达驱动器系统中是否发生了接地故障。
13.根据权利要求11所述的方法，包括在假设所述负载电阻器的参考阻抗实质小于所述主匝组的每个的自阻抗的情况下，在所述第二模式下确定所述马达驱动器系统中是否发生了接地故障。
14.根据权利要求9所述的方法，包括监视指示所述跨负载电阻器的电压的信号，所述负载电阻器与缠绕所述共模扼流器的芯的副匝组串联，所述共模扼流器电气耦合在所述马达驱动器系统的交流电源和转换器电路之间。
15.根据权利要求9所述的方法，包括监视指示所述跨负载电阻器的电压的信号，所述负载电阻器与缠绕所述共模扼流器的芯的副匝组串联，所述共模扼流器电气耦合在所述马达驱动器系统的逆变器电路和马达之间。
16.根据权利要求9所述的方法，包括监视指示所述跨负载电阻器的电压的信号，所述负载电阻器与缠绕所述共模扼流器的芯的副匝组串联，所述共模扼流器直接耦合到所述马达驱动器系统的直流总线。
17.—种共模扼流器系统,包括 多组主匝，其中，每组主匝直接连接到交流电力的相；以及 与主匝组分离的副匝组，其中所述副匝组不直接连接到交流电力的相，并且其中所述副匝组与负载电阻器端接。
18.根据权利要求17所述的共模扼流器系统，包括控制器，配置为通过监视跨所述负载电阻器的电压来检测接地故障。
19.根据权利要求18所述的共模扼流器系统，其中，所述控制器被配置为在用于截止频率之下的工作频率的第一模式下检测接地故障，以及，所述控制器被配置为在用于所述截止频率之上的工作频率的第二模式下检测接地故障。
20.根据权利要求17所述的共模扼流器系统，其中，所述多组主匝中的每组被连接到用于马达驱动器系统的交流电源的相应相。
全文摘要
本发明一般涉及用于检测马达驱动器系统中的接地故障(即，线路接地故障)的系统和方法。具体地，这里说明的实施例包括马达驱动器系统的共模扼流器，附加(即，副)匝缠绕共模扼流器的芯。这些副匝是除缠绕共模扼流器的芯的多组主匝之外的匝，且与该多组主匝分开，每一组主匝与共模扼流器直接耦合到的AC电力的相相对应。副匝与负载电阻器串联地端接。可以通过监视跨负载电阻器的电压来检测接地故障。更具体地，这里描述的实施例包括控制器，控制器包括这样的程序指令其用于接收指示跨负载电阻器的电压的信号，以及用于监视跨负载电阻器的电压，以确定马达驱动器系统中何时发生接地故障。
文档编号G01R31/02GK102624325SQ20121002087
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月30日 优先权日2011年1月26日
发明者兰加拉詹·塔拉姆, 卡洛斯·罗德里格斯·瓦尔德斯, 拉塞尔·克尔克曼 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司