适用于检测三相交流发电机故障的方法、检测故障的装置以及相关的计算机程序的制作方法
【专利摘要】本发明涉及连接着三相整流桥的三相交流发电机的故障检测方法。该方法包括下列步骤：对三相交流发电机所产生的电压进行整流(70)；将在第一相位和第二相位所产生的整流电压相加(76)，以获得电压之和；从所述电压之和中减去(78)在第三相位所产生的两倍整流电压，以获得电压之差；将该电压之差与高阈值和低阈值作比较(80)；当电压之差小于所述低阈值或者电压之差大于所述高阈值时，检测(82)到故障。本发明还涉及到故障检测装置以及相关的计算机程序。
【专利说明】
适用于检测三相交流发电机故障的方法、检测故障的装置以及相关的计算机程序
技术领域
[0001]本发明涉及三相交流发电机的故障检测方法及其相关的故障检测装置。
【背景技术】
[0002]具体而言，该检测方法适用于检测交流发电机的一相的开路和/或一相对地的短路。
[0003]例如，该方法可适用于检测为发动机控制单元供电的交流发电机的故障，例如，所述发动机为飞机发动机。这种控制单兀根据海拔、外部压力、外部温度、喷射燃料的流量等控制发动机的运行。在这种用途中，为了乘客安全，检测交流发电机的故障，以便快速建立备用电源模式是十分重要的。当然，检测故障的方法和装置也可适用于采用三相交流发电机供电的任何其它用途。
[0004]故障检测通常是通过测量交流发电机所提供的三个电压之间的相移来进行的。在无故障的情况下，各电压之间有120°相移。在开路或对地短路的情况下，这些相位关系就会改变。相移的测量可采用在三相整流桥的二极管处采样、整形和与参考电平相比的电压来进行。然后，通过可编程逻辑电路或者通过微处理器的内部计数器的直接计数来分析表示各个相位的逻辑信号。
[0005]然而，通过测量相移来检测故障的方法并不能检测所有类型的对地短路及所有类型的开路。实际上，为了保护电子电路免受电磁辐射(符合电磁兼容性(EMC)标准-闪电)，在各个相位与接地之间都安装有电容器。如果断开其中一个相位，则整流桥的相应输入端仍然可以通过这些电容器所构成的串并联组合连接着其余电路。因此，残余电压仍会出现在相移测量装置的相应输入端。在较高的交流发电机负载下，该残余电压可高于交流发电机在低负载的情况下所产生的正常电压并且可足以激活相位测量电路。所以，通过测量相移检测故障的这个方法就不能区分出在高负载情况下的开路的情况与在低负载情况下的无故障的情况。
[0006]此外，如果其中一个相位对地短路，则共模电流在回流线和其它相位中流动，并且产生与线长成比例的压降。如果交流发电机和在交流发电机启动阶段所使用的电池与负载(例如，发动机控制单元)相距的距离超过几米远，则所产生的压降就会使相移测量中断。
[0007]最后，相移测量值是采用微处理器或可编程逻辑电路来测量经过一段时间的数值。这些元件成本都很高。此外，采用这些元件需要认证，所述认证成本也都很高。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种检测方法及其装置，它适用于检测其中一个相位的开路，无论在电路周围是否有防护器件以及无论交流发电机的运行条件如何。
[0009]有利的是，本发明的故障检测方法和装置无论布线长度有多长都能够检测对地短路。
[0010]有利的是，可以采用模拟部件或软件部件来实现所述检测装置。
[0011]为此，本发明涉及连接着三相整流桥的三相交流发电机的故障检测方法;所述检测方法包括下列步骤:
[0012]对三相交流发电机以第一相位、第二相位和第三相位所产生的电压进行整流；
[0013]将从第一相位采样的整流电压与从第二相位采样的整流电压相加，以便获得其电压之和；
[0014]从所述电压之和减去从第三相位采样的两倍的整流电压，以便获得其电压之差；
[0015]将电压之差与高阈值和低阈值作比较；以及，
[0016]当电压之差小于所述低阈值时或者电压之差大于所述高阈值时，则检测故障。
[0017]根据某些具体实施例，检测方法包括下列的一项或多项特征:
[0018]进一步包括过滤从第一相位、第二相位和第三相位所采样的整流电压的步骤，所述过滤步骤在所述的相加步骤和相减步骤之前。
[0019]进一步包括将从第一相位、第二相位和第三相位所采样的整流电压衰减的步骤，所述衰减步骤在所述相加步骤和相减步骤之前。
[0020]本发明涉及三相交流发电机的故障检测装置，所述检测装置包括:
[0021 ]三相整流桥，其连接着所述三相交流发电机的第一相位、第二相位和第三相位；
[0022]相加和相减单元，适用于将从第一相位所采样的整流电压和从第二相位所采样的电压相加以便获得其电压之和;所述相加和相减单元适用于从所述电压之和减去从所述第三相位所采样的两倍电压，从而获得其电压之差；
[0023]窗口比较器，适用于把所述电压之差与高阈值和低阈值作比较；
[0024]监测单元，适用于在所述电压之差小于低阈值的情况下或者在所述电压之差大于高阈值的情况下发送故障信号。
[0025]根据某些具体实施例，检测装置包括下列一项或多项特征:
[0026]所述相加和相减单元包括放大器，所述放大器具有反相输入端和非反相输入端，反相输入端经由第一电阻器连接着第一相位和经由第二电阻器连接着第二相位，非反相输入端经由第三电阻器连接着第三相位;而且第一电阻器的数值等于第二电阻器的数值，第三电阻器的数值等于第一电阻器的数值的一半。
[0027]所述窗口比较器是具有迟滞性的窗口比较器。
[0028]所述具有迟滞性的窗口比较器包括第一比较器和第二比较器且各自分别具有输出端;第一隔离二极管(isolating d1de)连接着第一比较器的输出端，第二隔离二极管连接着第二比较器的输出端。
[0029]它包括接地、第一滤波电路、第二滤波电路和第三滤波电路，适用于过滤由三相交流发电机所产生的电压;第一滤波电路、第二滤波电路和第三滤波电路分别连接在所述接地与第一相位、第二相位和第三相位之间。
[0030]它包括接地、第一衰减电路、第二衰减电路和第三衰减电路，适合使三相交流发电机所产生的电压衰减;第一衰减电路、第二衰减电路和第三衰减电路分别连接在所述接地与第一相位、第二相位和第三相位之间。
[0031]最后，本发明涉及计算机程序，该计算机程序包括在处理器执行该计算机程序时可执行上述方法的指令。
【附图说明】
[0032]图1是整体电路图，展示根据本发明第一实施例的向负载供电的电路以及故障检测装置的滤波电路和衰减电路；
[0033]图2是根据本发明第一实施例的部分故障检测装置的展示图；
[0034]图3是根据本发明的检测方法的步骤展示图；以及，
[0035]图4是根据本发明的故障检测装置的第二实施例的展示图。
【具体实施方式】
[0036]参照图1，供电电路2包括三相交流发电机4、连接着三相交流发电机4的非受控三相整流桥6以及电连接三相整流桥6的负载8。
[0037]交流发电机4包括转子和具有第一相位12、第二相位14和第三相位16的定子。
[0038]采用三对二极管10按传统的方式实现三相整流桥6。各对二极管10相并联的。同一对的两个二极管以相同的方向串联。交流发电机的第一相位12、第二相位14和第三相位16分别连接着每对二极管1的中点。
[0039]负载8是由任何能够由三相交流发电机4供电的负载构成的，例如发动机的控制单元，但不限于此，例如，所述发动机的控制单元安装在飞机上。来自负载8的回流线20连接着接地22。
[0040]供电电路2进一步包括辅助电源18，通过二极管19与交流发电机4-整流桥6组件相并联。该辅助电源18用于三相交流发电机4的启动阶段。例如，它包括提供28伏直流电的电池。
[0041]根据本发明的故障检测装置24在三相整流桥6的输出端、在分别用A、B、C表示的各接触点连接着第一相位12、第二相位14和第三相位16。
[0042]故障检测装置24适合检测其中一相对地的短路或者其中一相的开路。它基于交流发电机各相之间的平衡原则。在无故障时，除了由于交流发电机以及检测装置部件的制造误差而可能存在的固有不平衡之外，由交流发电机的三个相位12、14、16所提供的电压是相同的。因此，对于在接触点A、B、C处所采样的整流电压VA、VB、VC也是同样如此。
[0043]在平衡时，每个相位对于向负载8所提供的电力起到相同的作用。因此，可以表示为:
[0044]Va=Vb = Vc
[0045]由此，我们可以推导出:
[0046]2XVc-(Va+Vb)=0(I)
[0047]相反，这个代数之和与零的任何偏差都表示故障的存在。
[0048]根据本发明的故障检测方法以该原则为基础。例如，它是通过图1和图2所阐释的故障检测装置24来实现的。
[0049]参照图2，根据本发明第一实施例的故障检测装置24包括适合计算代数和(I)的相加和相减单元38、具有两个阈值且适合将代数和的结果与零作比较的窗口比较器40，以及如果其差值超出所给定的阈值适合发送故障信号的监测单元42。
[0050]相加和相减单元38包括运算放大器44，所述运算放大器安装在一个加法和微分组件中。具体而言，运算放大器44的反相输入端-经由第一电阻器46连接至第一相位12以及经由第二电阻器48连接至第二相位14。非反相输入端+经由第三电阻器50连接至第三相位16和经由第四电阻器52接地22。第三电阻器50和第四电阻器52相串联。最后，第五电阻器54配置成运算放大器44的输入端-和输出端之间的负反馈。
[0051]为了使从第三相位16所采样的电压加倍，第一电阻器46的数值等于第二电阻器48的数值，第三电阻器50的数值等于第一电阻器46的数值的一半。
[0052]在相加和相减单元38的输出端D所采样的电压Vana代表交流发电机各相之间的平衡，换言之，即电压2XVC-(VA+VB)之差。采用窗口比较器40将该电压Vana与零作比较。
[0053]窗口比较器40连接着相加和相减单元38的输出端D。它包括第一集电极开路比较器56和第二集电极开路比较器58。第一比较器56的非反相输入端+连接着第一电压源60，所述第一电压源适合提供高阈值电压Vh，称为高阈值Vh。第二比较器58的反相输入端_连接着第二电压源62，所述第二电压源适合提供低阈值电压VL，称为低阈值VL。第一比较器56的反相输入端-和第二比较器58的非反相输入端+连接着相加和相减单元38的运算放大器44的输出端。第一比较器56的输出端和第二比较器58的输出端经由第六电阻器66电连接着第三电压源64，第六电阻器66被称之为“上拉”电阻器。
[0054]在窗口比较器40的输出端E所测量到的电压Vlcig具有两个逻辑状态:
[0055]如果￥[〈￥咖〈￥11，则￥1。{；等于1 ；以及，
[0056]如果V_〈Vl或者如果V_>Vh，贝丨JV1g等于O。
[0057]监测单元42连接着窗口比较器40的输出端E。它适合测量该输出端E的电压Vi。#发送故障信号，例如，当电压Vlcig为零时，则把故障信号发送到未显示的控制单元。
[0058]参照图1，在三相交流发电机4提供高电压的情况下，故障检测装置24进一步包括在接地22和第一相位12之间相连接的第一衰减电路26，以便使交流发电机所产生的电压衰减。例如，该衰减电路26包括两个相串联的电阻器的。以同样的方式并且出于同样的原因，第二衰减电路28和第三衰减电路30可以分别连接在接地22与第二相位14和第三相位16之间。
[0059]因为在整流桥输出端采样的电压时常含有噪声，所以第一滤波电路32优选连接在接地22和第一相位12之间，以便过滤整流桥6的输出端电压。例如，该滤波电路32包括与衰减电路的腿部电阻器相并联的电容器。同样，第二滤波电路34和第三滤波电路36还可以分别连接在接地22与第二相位14和第三相位16之间。
[0060]参照图3，本发明的故障检测方法包括步骤70，在该步骤中，对交流发电机4各相所产生的电压进行整流。
[0061]然后，在步骤72过程中，使各相的整流电压衰减。在步骤74过程中，对各相的整流衰减电压进行过滤。
[0062]在步骤76中，把从第一相位12所采样的整流电压与从第二相位14所采样的整流电压相加。然后，在步骤78过程中，将步骤76所计算的数量中减去从第三相位16所采样的整流电压的两倍。
[0063]在上文所述的实施例中，这些操作是通过相加和相减单元38进行的，相加和相减单元首先把在接触点A所采样的第一相位12的整流电压Va与在接触点B所采样的第二相位14的整流电压Vb相加并反转，从而获得反向电压之和-(Va+Vb)。
[0064]然后，相加和相减单元38把反向电压之和-(Va+Vb)与在接触点C所采样的第三相位的整流电压VC的两倍相加，从而获得电压之差2VC- (Va+Vb)。
[0065]然后，在步骤80中，窗口比较器40把所述电压之差2VC_(Va+Vb)与高阈值Vh和低阈值Vl作比较。
[0066]最后，在步骤82中，监测单元42测量输出端E的电压Vlcig，并且在所述电压之差小于低阈值Vl时和所述电压之差大于高阈值Vh时，检测到故障。然后，例如，监测单元42可以向控制装置(未显示)发送故障信号。
[0067]根据本发明第二个实施例的检测装置84与根据本发明第一个实施例的检测装置24相似，除了窗口比较器被具有迟滞性的窗口比较器90代替，以及增加了两个隔离二极管86、880
[0068]与根据第一实施例的检测装置的部件相同或相似的根据第二实施例的检测装置的部件可采用相同标记来表示且不再对其进行赘述。
[0069]参照图4，窗口比较器的迟滞电路包括:连接在第一电压源60和第一比较器56的非反相输入端+之间的第七电阻器92;连接在第一比较器56的非反相输入端+和输出端之间呈正反馈的第八电阻器94;以及连接在第一比较器56的输出端和具有迟滞性的窗口比较器90的输出端E之间的第一隔离二极管86。
[0070]迟滞电路并行地包括:连接在相加和相减单元38的输出端D和第二比较器58的非反相输入端+之间的第九电阻器96;连接在第二比较器58的非反相输入端+和输出端之间呈正反馈的第十电阻器98;以及连接在第二比较器58的输出端和具有迟滞性的窗口比较器90的输出端E之间的第二隔离二极管88。第一隔离二极管86和第二隔离二极管88的传导方向是从输出端E到第一比较器56和第二比较器58的各自输出端。需要隔离二极管86使得比较器56的开关阈值不受比较器58状态变换的干扰。同样，需要隔离二极管88也使得比较器58的开关阈值不受比较器56状态变化的干扰。
[0071]有利的是，根据该第二实施例的检测装置更稳定。
[0072]根据一个不太有利的实施例，用数字装置代替具有或不具有迟滞电路的窗口比较器。在这种情况下，通过模数转换器将输出端电压V-转换为数字信号，然后与数字阈值作数字化比较。这可以通过微处理器中的软件或者通过专用逻辑电路中的硬件来完成。
[0073]作为选择，图3所阐释的检测方法的步骤是通过计算机程序来执行的，所述计算机程序在可编程逻辑电路或微处理器类型的处理器执行时包括执行该方法的指令。
【主权项】
1.适用于检测连接着三相整流桥(6)的三相交流发电机(4)的故障的方法;所述方法包括下列步骤: -对所述三相交流发电机(4)在第一相位(12)、第二相位(14)和第三相位(16)所产生的电压进行整流(70); -将从所述第一相位(12)所采样的整流电压与从所述第二相位(14)所采样的整流电压相加(76)，以便获得其电压之和； -将所述电压之和减去(78)两倍从所述第三相位(16)所采样的整流电压，以便获得电压之差； -将所述电压之差与高阈值(Vh)和与低阈值(Vl)作比较(80);以及， -当所述电压之差小于所述低阈值(Vl)时或者电压之差大于所述高阈值(Vh)时，检测(82)到故障。2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，进一步包括从所述第一相位(12)、所述第二相位(14)和所述第三相位(16)所采样的所述整流电压的过滤步骤(74)，所述过滤步骤(74)在所述相加步骤(76)和相减步骤(78)之前。3.根据权利要求1或权利要求2所述的检测方法，其特征在于，进一步包括将从所述第一相位(12)、所述第二相位(14)和所述第三相位(16)所采样的所述整流电压的衰减步骤(72)，所述衰减步骤(72)在所述相加步骤(76)和相减步骤(78)之前。4.适用于检测三相交流发电机(4)故障的装置(24、84)，所述检测装置(24、90)包括: -三相整流桥(6)，其连接着所述三相交流发电机(4)的第一相位(12)、第二相位(I 4)和第三相位(16); -相加和相减单元(38)，适合将从所述第一相位(12)所采样的整流电压和从所述第二相位(14)所采样的电压相加以便获得电压之和;所述相加和相减单元(38)适合从所述电压之和减去两倍从所述第三相位(16)所采样的电压，以便获得其电压之差； -窗口比较器(40、90)，其适合将所述电压之差与高阈值(Vh)和与低阈值(Vl)作比较；以及， -监测单元(42)，其适合在所述电压之差小于低阈值(I)的情况下或者在所述电压之差大于高阈值(Vh)的情况下发送故障信号。5.根据权利要求4所述的检测装置(24、84)，其特征在于，所述相加和相减单元(38)包括放大器(44)，所述放大器具有反相输入端(-)和非反相输入端( + )，所述反相输入端(-)经由第一电阻器(46)连接着所述第一相位(12)和经由第二电阻器(48)连接着所述第二相位(14)，所述非反相输入端(+ )经由第三电阻器(50)连接着所述第三相位(16);而且其中，所述第一电阻器(46)的值等于所述第二电阻器(48)的值，所述第三电阻器(50)的值等于所述第一电阻器(46)的值的一半。6.根据权利要求4或5所述的检测装置(24、84)，其特征在于，所述窗口比较器是具有迟滞性的窗口比较器(90)。7.根据权利要求6所述的检测装置(24、84)，其特征在于，所述具有迟滞性的窗口比较器(90)包括第一比较器(56)和第二比较器(58)且两者分别具有输出端；第一隔离二极管(86)连接着第一比较器(56)的输出端，第二隔离二极管(88)连接着第二比较器(58)的输出端。8.根据权利要求4至7中任一项所述的检测装置(24、84)，包括接地(22)、第一滤波电路(32)、第二滤波电路(34)和第三滤波电路(36)，它们适合过滤由所述三相交流发电机(4)所产生的电压;所述第一滤波电路(32)、所述第二滤波电路(34)和所述第三滤波电路分别连接在所述接地(22)与所述第一相位(12)、所述第二相位(14)和所述第三相位(16)之间。9.根据权利要求4至7中任一项所述的检测装置(24、84)，包括接地(22)、第一衰减电路(26),第二衰减电路(28)和第三衰减电路(30)，它们适合衰减所述三相交流发电机(4)所产生的电压;所述第一衰减电路(26)、所述第二衰减电路(28)和所述第三衰减电路(30)分别连接在所述接地(22)与所述第一相位(12)、所述第二相位(14)和所述第三相位(16)之间。10.计算机程序，其特征在于，它包括在处理器执行该计算机程序时执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法的指令。
【文档编号】G01R31/34GK105917245SQ201480058102
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年8月12日
【发明人】乔尔·瓦诺利, 托尼·福尔蒙特
【申请人】萨基姆防务安全公司