专利名称：用于反相器的接地故障检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种接地故障检测系统，并且具体地说涉及一种用于反相器的接地故障检测系统和方法，其可以检测在该反相器的输出端和地之间的接地故障，并且鉴别其中已经发生该接地故障的相。
背景技术：
通常，反相器是一种用于变速马达的驱动装置，其可以通过从公用电源接收能量、转换该能量为DC、转换该DC为可变电压可变频率AC，和提供该AC给马达来有效地控制马达的速度和扭矩。该反相器通过精确地控制马达的速度来降低能量消耗和改善质量。因此，反相器已经被广泛地用于自动设施，诸如各种各样的吹风机、泵、机床和光纤用具。
另一方面，使用该反相器的配电线路系统实施接地，以防止出现由于与高和低电压的故障接触造成的过电流损害。例如，为了防止过电流，在三相Y形接线中中点接地，在三相Δ连接中RST相的一个被用作接地。但是，如果该反相器的输出线路由于打闪或者老化接触地，大量的电流经由该反相器的整流二极管和开关元件流过地，这造成二次意外事故，诸如元件损害和火灾。因此，用于处理在该反相器的输出端和地之间产生的接地故障的保护系统需要使用反相器去形成控制系统。
图1是举例说明在驱动交流马达中在已经发生接地故障的状态中的等效电路的示范图。
参考图1，在用于从交流电源1接收每个和经由反相器驱动AC马达5的现有系统中，当RST相的R相用作接地的时候，如果从反相器输出的U相接触地而导致接地故障，漏电流iG流过接地电阻器6。漏电流iG经由不同的路径影响系统，诸如开关元件4、整流二极管2、用于平滑DC电压的滤波电容器3和AC马达5。
图2是举例说明用于检测和克服接地故障的现有接地故障检测系统的框图。
如在图2中举例说明的，现有接地故障检测系统包括(V/f PWM)反相器9，其用于转换直流电为交流电并且输出该交流电；电流检测器10，其用于检测流过反相器9的输出端的U、V、W相的电流；主控制器7，用于基于由电流检测器10检测的电流来计算接地故障电流，和确定故障或者连续工作；以及可变电压/可变频率PWM控制器8，用于具体表现用于驱动反相器9的转换模式。
现在将描述现有的接地故障检测方法。
图3是示出现有的接地故障检测方法的顺序步骤的流程图。
如图3所示，主控制器7设置接地故障电流电平，作为用于估算接地故障的基准值，并设置接地故障计数器值，作为用于判定接地故障的基准值(ST10)。
当反相器9开始输出的时候，检流器10检测流过反相器9的输出端的每个相的电流(ST11)。主控制器7将通过累加流过反相器9的输出端的每个相的电流获得的电流值与设置的接地故障电流电平相比较(ST13)。如果计算的接地故障电流大于设置的接地故障电流电平，主控制器7在计数器内增加计数器(ST14)。
最后，如果增加的计数器值大于预先设置的接地故障计数器值，主控制器7处理接地故障(ST15和ST16)。
图4是举例说明一般的接地故障检测结果的信号波形图。
如在图4中描述的，信道1表示U相电流，且信道2表示接地故障电流。在这里，已经通过使交流电源的频率与反相器的输出频率均衡和操作反相器进行了实验。也就是说，虽然相电流由于外部接地故障和大量的接地故障电流流动被严重地扭曲，现有的接地故障检测方法不能总是处理接地故障。
因此，在现有的接地故障检测系统中，在供电之后产生接地故障并且该接地故障电流流过过电流脱扣器的情况下，该系统可以通过过电流保护电路来保护。但是，如果该接地故障电流没有达到过电流电平，马达被损坏。此外，当反相器的电源频率类似于输出频率的时候，没有检测到接地故障。因此，在现有的接地故障检测系统中，接地故障电流经由反相器的整流二极管和开关元件流过地，这造成二次意外事故，诸如元件损坏和火灾，并且降低了产品的可靠性。当感应电动机的输入电压互相重叠时，产生扭矩不均衡，并且该交流马达的预定速度的性能恶化。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于反相器的接地故障检测系统和方法，其通过当在负载工作期间在输出线路中发生接地故障或者反相器的电源频率类似于输出频率的时候检测接地故障，可以改善反相器的工作可靠性，并且防止二次的意外事故，诸如元件损害和火灾。
为了实现这些和其他的优点，以及按照本发明的目的，如在此处具体地和广泛地描述的，提供了一种用于反相器的接地故障检测系统，其包括用于检测和输出流过反相器的输出端的每个相的电流的电流检测器；和接地故障检测器，用于基于通过该电流检测器检测的每个相的电流信息来估算接地故障电流，和鉴别其中通过引起相转变已经发生接地故障的相。
按照本发明的另一个方面，一种用于反相器的接地故障检测方法，包括基准值设置步骤，用于设置用于估算接地故障电流的基准值和用于判定接地故障的基准值；接地故障电流估算步骤，用于将通过累加流过反相器的输出端的每个相的电流值获得的电流值与用于估算接地故障电流的基准值比较，并且当计算的电流值大于基准值的时候，估算接地故障电流的产生；和接地故障相判定步骤，用于基于在每个相的0矢量部分的开始和结束点之间，或者在每个相的7矢量部分的开始和结束点之间的电流差值，判定其中已经发生接地故障的相。
从下面结合伴随的附图的详细说明中，本发明的上述和其他的目的、特点、方式以及优点将变得更加清晰可见。
该伴随的附图被包括以提供对本发明进一步的理解，并且被结合进和构成本说明书的一部分，其举例说明本发明的实施例，并且与该说明书一起可以起解释本发明原理的作用。
在附图中图1是举例说明在驱动现有的AC马达中在已经发生接地故障的状态中的等效电路的示范图；图2是举例说明用于检测和克服接地故障的现有接地故障检测系统的框图；图3是示出现有的接地故障检测方法的顺序步骤的流程图；图4是举例说明一般的接地故障检测结果的信号波形图；图5是举例说明用于按照本发明的反相器的接地故障检测系统的结构图；且图6是示出用于按照本发明的反相器的接地故障检测方法的顺序步骤的流程图。
具体实施例方式
现在将详细地介绍本发明的优选实施例，在伴随的附图中举例说明其例子。
图5是举例说明用于按照本发明的反相器的接地故障检测系统的结构图。
参考图5，用于反相器的接地故障检测系统包括转换器31，用于转换交流电为直流电并且输出该直流电；起始充电电阻(R)33，用于防止在电源中流入起动功率；电磁接触器32，用于在限制起动功率之后隔离起始充电电阻33与电路；滤波电容器34，用于平滑来自转换器31的直流电；可变电压/可变频率PWM反相器35(在下文中，被称为“反相器”)，其包括控制开关元件(例如，晶体管、MOSFET、IGBT、GTO等等)，其转换直流电为交流电，并且输出交流电；由反相器35操作的交流马达37；电流检测器36，用于检测流过反相器35的输出端的U、V和W相的电流iU、iV和iW；主控制器38，用于基于各种信息，诸如反相器35的直流电压和相电流来输出电压命令值V*和频率命令值f*；和可变电压/可变频率PWM控制器39，用于基于来自该主控制器38的电压命令值V*和频率命令值f*来产生PWM信号波形，并且施加转换电压给反相器35的每个相的开关元件。在这里，主控制器38包括接地故障检测器40，其用于基于流过反相器35的输出端的每个相的电流信息来估算接地故障电流，并且鉴别其中已经通过引起相转变产生接地故障电流的相。
接地故障检测器40包括用于存储零矢量频带(ZVB)的存储器41，该零矢量频带示出在每个相的0矢量和7矢量电压应用中每个相的电流的大小差值；检测频率调节器42，用于调节电流检测中断频率以接收更多电流信息；相转变调节器43，用于使每个相的基准电压值的相与电流基准值的相均衡；和接地故障相鉴别器44，用于计算在每个相的0矢量和7矢量电压的应用中的电流差值，和按照电流差值和ZVB的大小来鉴别其中已经发生接地故障电流的相。
现在将参考图6描述用于按照本发明的反相器的接地故障检测系统的工作。
图6是示出用于按照本发明的反相器的接地故障检测方法的顺序步骤的流程图。
首先，主控制器38在存储器41中设置接地故障电流电平和接地故障计数器值(ST20)，该接地故障电流电平是用于估算接地故障的基准值，且该接地故障计数器值是当接地故障估算工作发生预定的次数的时候用于判定接地故障的基准值。
电流检测器36在通过反相器35的工作的负载工作中检测流过反相器35的输出端的每个相的电流iU、iV和iW(ST21)。
主控制器38将接地故障电流电平与由检流器36检测的每个相的电流值的总和相比较，并且当计算的接地故障电流大于接地故障电流电平的时候开始接地故障检测(ST23)。也就是说，当反相器35的输出端的每个相的电流的总和是零的时候，主控制器38判定反相器正常工作。但是，如果每个相的电流的总和具有预定值，主控制器38估算已经产生接地故障电流(或者漏电流)，并且执行用于判定其中已经产生接地故障电流(或者漏电流)的相的工作。
也就是说，当确定接地故障检测的时候，接地故障检测器40设置ZVB(ST24)，其是在0矢量和7矢量电压的应用中用于每个相的电流的大小差值的基准值，并且通过调整每个相的电流的检测频率来增加电流信息(ST25)。此外，相转变调节器43使电压基准值的相与电流基准值的相均衡(ST26)。
接地故障相鉴别器44比较在每个相的0矢量部分的开始和结束点和每个相的7矢量部分的开始和结束点之间的电流差值与ZVB，从而判定其中已经发生接地故障电流的相(ST27和ST28)。
更详细地说，从反相器35输出的电压矢量可以被分成八个类型的电压矢量V0至V7。也就是说，该电压矢量可以被作为有效矢量V1至V6和具有“0”的线电压的电压矢量V0和V7显示。在这里，如果检测到在每个相的0矢量部分的开始和结束点或者每个相的7矢量部分的开始和结束点中具有用于电流值的斜率的相，该相被认为是接地故障电流流经的相。因此，认识到接地故障电流在反相器35的输出相之中流过具有增加的斜率的相。
当判定接地故障电流流经的相的时候，主控制器38增加计数器(ST29)。增加的计数器值可与设置在主控制器38中的接地故障计数器值相比较(ST30)。如果计数器值(即，接地故障检测工作)高于预定的数量，判定接地故障的产生，并且停止交流马达37的驱动(ST31)。
按照本发明，用于反相器的接地故障检测方法估算接地故障电流，判定其中已经产生接地故障的相，并且比较计数器值与预先设置的接地故障计数器值，从而确认接地故障的产生。
如以前论述的，用于反相器的接地故障检测系统和方法通过使输出电压的相与电流的相均衡，判断在反相器的输出端的相之中接地故障电流流动的相，并且检测接地故障。因此，即使在负载工作期间在输出线路中出现接地故障，或者反相器的电源频率类似于输出频率，用于反相器的接地故障检测系统和方法可以检测接地故障，以改善反相器的工作可靠性。此外，用于反相器的接地故障检测系统和方法可以防止由于不检测接地故障而出现的二次的意外事故，诸如元件损坏和火灾。
由于本发明可以不脱离其精神或者基本的特性以若干形式实施，除非另作说明的，应该理解以上所述的实施例不受先前描述的任何细节的限制，而是应该广泛地解释为在所附的权利要求限定的其精神和范围内，因此，落在权利要求的范围内，或者这样的范围的等价的所有的变化和修改因此意欲被所附的权利要求所包含。
权利要求
1.一种用于反相器的接地故障检测方法，包括基准值设置步骤，用于设置用于估算接地故障电流的基准值和用于判定接地故障的基准值；接地故障电流估算步骤，用于将通过累加流过反相器的输出端的每个相的电流值获得的电流值与用于估算接地故障电流的基准值比较，并且当计算的电流值大于基准值的时候，估算接地故障电流的产生；和接地故障相判定步骤，用于基于在每个相的0矢量部分的开始和结束点之间，或者在每个相的7矢量部分的开始和结束点之间的电流差值，判定其中已经发生接地故障的相。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该接地故障电流估算步骤当反相器的输出端的每个相的电流的总和是零的时候判断反相器正常工作，并且当每个相的电流的总和是预定值的时候，估算流过反相器的接地故障电流。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤设置零矢量频带，其是在电压矢量、0矢量和7矢量的应用中用于每个相的电流的大小差值的基准值；通过调整每个相的电流的检测频率来增加电流信息；和使电压基准值的相与电流基准值的相均衡。
4.如权利要求3所述的方法，其中，该接地故障相判定步骤通过比较在每个相的0矢量部分的开始和结束点和每个相的7矢量部分的开始和结束点之间的电流差值与零矢量频带，判定其中已经发生接地故障的相。
5.如权利要求1所述的方法，其中，该接地故障相判定步骤判定具有增加的斜率的相为其中已经发生接地故障的相，该增加的斜率是在每个相的0矢量部分的开始和结束点，或者每个相的7矢量部分的开始和结束点电流值的增加的斜率。
6.如权利要求1所述的方法，其中，该基准值设置步骤在存储器中存储接地故障电流电平和接地故障计数器值，该接地故障电流电平是用于估算接地故障电流的基准值，该接地故障计数器值是当接地故障估算工作发生预定的次数的时候，用于判定接地故障的基准值。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括步骤通过判定其中已经产生接地故障电流的相使计数器增加；将增加的计数器值与接地故障计数器值比较；和当计数器值高于预定的数量的时候，判定已经发生接地故障。
8.一种用于反相器的接地故障检测方法，包括步骤当通过累加流过反相器的每个相获得的电流值大于接地故障电流电平的时候，确定接地故障检测；按照确定的接地故障检测，设置零矢量频带，其是在电压矢量、0矢量和7矢量的应用中每个相的电流的大小差值的基准值；通过调整每个相的电流的检测频率来增加电流信息；使基准电压值的相与电流的相均衡；通过比较在每个相的0矢量和7矢量的应用中的电流差值与零矢量频带的大小，判定其中已经发生接地故障的相；和当接地故障检测被执行预定的数量的时候，判定接地故障。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该接地故障相判定步骤通过比较在每个相的0矢量部分的开始和结束点和每个相的7矢量部分的开始和结束点之间的电流差值与零矢量频带，判定其中已经发生接地故障的相。
10.如权利要求8所述的方法，其中，该接地故障相判定步骤判定具有增加的斜率的相为其中已经发生接地故障的相，该增加的斜率是在每个相的0矢量部分的开始和结束点，或者每个相的7矢量部分的开始和结束点的电流值的增加的斜率。
11.一种用于反相器的接地故障检测系统，包括电流检测器，用于检测和输出流过反相器的输出端的每个相的电流；和接地故障检测器，用于基于通过电流检测器检测的每个相的电流信息来估算接地故障电流，和鉴别其中通过引起相转变已经发生接地故障的相。
12.如权利要求11所述的系统，其中，该接地故障检测器包括存储器，其用于存储零矢量频带，该零矢量频带是在0矢量和7矢量电压的应用中每个相的电流的大小差值的基准值；相转变调节器，用于使每个相的电压基准值的相与电流基准值的相均衡；和接地故障相鉴别器，用于计算在每个相的0矢量和7矢量电压的应用中的电流差值，和按照电流差值和零矢量频带的大小来鉴别其中已经发生接地故障的相。
13.如权利要求12所述的系统，其中，该接地故障相鉴别器通过比较在每个相的0矢量部分的开始和结束点和每个相的7矢量部分的开始和结束点之间的电流差值与零矢量频带，判定其中已经发生接地故障的相。
14.如权利要求12所述的系统，其中，该接地故障检测器进一步包括检测频率调节器，其用于调节电流检测中断频率以接收电流信息。
15.如权利要求11所述的系统，其中，该存储器进一步包括接地故障电流电平和接地故障计数器值，该接地故障电流电平是用于估算接地故障的基准值，该接地故障计数器值是当接地故障估算工作发生预定的次数的时候，用于判定接地故障的基准值。
16.如权利要求11所述的系统，其中，通过累加由电流检测器检测的每个相的电流值获得的电流值可与接地故障电流电平相比较，并且当计算的电流值大于接地故障电流电平的时候，计算的电流值被估算为接地故障电流。
17.如权利要求11所述的系统，其中，该接地故障检测器判定具有一斜率的相为其中已经发生接地故障的相，该斜率是在每个相的0矢量部分的开始和结束点，或者每个相的7矢量部分的开始和结束点的电流值的斜率。
18.如权利要求11所述的系统，其中，该接地故障检测器判定具有增加的斜率的相为其中已经发生接地故障的相，该增加的斜率是在每个相的0矢量部分的开始和结束点，或者每个相的7矢量部分的开始和结束点的电流值的增加的斜率。
19.如权利要求11所述的系统，进一步包括转换器，用于转换交流电为直流并且输出直流；起始充电电阻，用于防止在电源中流入起动功率；电磁接触器，用于在限制起动功率之后隔离起始充电电阻与电路；滤波电容器，用于平滑来自该转换器的直流；和反相器，其包括控制开关元件，转换直流电为交流电，并且输出交流电。
20.如权利要求19所述的系统，其中，该控制开关元件是晶体管、MOSFET、IGBT和GTO的任何一个。
全文摘要
一种用于反相器的接地故障检测系统和方法。该方法包括用于设置用于估算接地故障电流的基准值和用于判定接地故障的基准值的步骤；用于将通过累加流过反相器的输出端的每个相的电流值获得的电流值与用于估算接地故障电流的基准值比较的步骤，并且当计算的电流值大于基准值的时候，估算接地故障电流的产生；和用于基于在每个相的0矢量部分的开始和结束点之间，或者在每个相的7矢量部分的开始和结束点之间的电流差值，判定其中已经发生接地故障的相的判定步骤。因此，即使在该负载工作期间在输出线路中出现接地故障，或者反相器的电源频率类似于输出频率，用于反相器的接地故障检测系统和方法可以检测接地故障，以改善反相器的工作可靠性。
文档编号H02H3/16GK1617434SQ200410092949
公开日2005年5月18日 申请日期2004年11月11日 优先权日2003年11月11日
发明者李正杓 申请人:Lg产电株式会社