专利名称：相故障检测器和包括相故障检测器的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的相故障检测器和包括相故障检测器的设备。
背景技术：
这种相故障检测器用在多相电压供电网中用于检测一相或几相中电压的损失或减少。
相故障检测器是利用电网供电的许多设备中特别重要的一个元件。在许多设备中，甚至仅一相损失或明显减少也会导致出现问题。例如当一相完全缺失或明显减少时，由于被馈送的电源或系统的负荷变得不稳定而导致出现问题。这种不平衡的出现还可以导致难于对系统进行控制或导致其他的故障。而且例如当相电压恢复到正常的过程中也可能出现问题。
需要相故障检测器的系统例如包括三相电动机、变压器、整流器和电网逆变器的电源。尤其在使用半受控的晶闸管桥的整流器中，能够检测出很短暂的电网中断，从而保证一旦主电压恢复，不再继续以二极管模式控制该桥是非常重要的。这是因为在这种解决方案中，中间电路的电压会在断电期间跌落，而导致当该供电电压恢复时熔断器熔断，结果导致运行中断。
相故障检测器因此能够用于许多不同的工业应用、船运和国家供电网中。
美国专利3001100公开了一种用于监测多相电网运行的解决方案。该解决方案在电网电压的电势处需要辅助电压源(8；26)，其不能用来确定哪一相有故障。而且该解决方案运行缓慢，这使其不适合与例如现代变频器一起使用。该解决方案运行缓慢是由于半波方向(4；22)和该时间常数。所公开的电路也不能区分是全部相中电压的正常损耗还是一或二相的缺失。另外，该电路也不能在没有中性导体的浮动电网中工作。
美国专利US4027204公开了一种用于监测多相电网运行的第二解决方案。这种解决方案确实能够在不带有独立的电网电势处的辅助电压源的情况下工作，但是必要的辅助功率是通过电阻(31，32，33，和37)获得的，这导致在正常运行时，尤其是需要涉及大电压范围时功率损耗显著。由于电力消耗巨大，该解决方案不能切合实际地实施，例如集成在电路板中。而且，在该电路中的整流二极管(12)也必须能够承受该存在于电网电压中的电压峰值，因而当使用高电压时需要具有很高的反向电压容量的元件。此电路的另一个基本问题是它不能用于检测是哪个相缺失。另外，该电路也不能区分是所有相缺失引起的正常电压中断还是一相或两相的缺失引起的中断。
申请公开SU1332448公开了用于监测多相电网运行的第三解决方案。该解决方案基于机电辅助继电器(3，4，5，17和20)，其线圈通过分压器电容器器(1)被供电。在正常的电网频率下，运行需要相当大的电容值，这使得该解决方案集成在电路板上既不明智甚至也不可能。该电路不能检测缺失相或者全部相中的正常电压断电。此外，该解决方案运行缓慢，以致于其不适合用于与现代变频器相连。此运行缓慢是由于该机电元件。此外该解决方案是昂贵的和需要大量空间的。
发明内容
本发明的目的是创造一种简单的和廉价的相故障检测器，其不但能检测故障状态而且能检测是哪个相有故障。
本发明基于配备有用于每个被监测相的单独的检测器电路的相故障检测器。该检测器电路连在该被监测的相和公共连接点之间，以便该公共连接点形成参考电平。该参考电平可以是浮动的，在此情况下它与该供电网的虚中性点对应。该参考电平还可以连接到实中性点、地电势或其它的合适电势。检测器电路本身包括分压器元件和触发电路以及检测器，被监测的电压以降低的形式从该分压器元件馈送。
更具体地说，根据本发明的该相故障检测器的特征如权利要求1的特征部分所述。
根据本发明的利用多相电网供电的设备的特征又如权利要求9的特征部分所述。
通过本发明可以获得相当多的优点。
通过本发明，可以实现一种简单的和廉价的相故障检测器，其不仅能够检测故障状态而且检测哪个相有故障。
本发明也有许多的实施例，通过这些实施例可以获得其他显著的优点。
在一个实施例中，其中的检测器电路连到带有已知电势的公共参考点，该相故障检测器还可以检测全部相都缺失的故障状态。
本发明允许该相故障检测器被设计成具有非常简单的结构。在这种简单实施例中，仅仅需要少量分立元件用于该相故障检测器并且制造成本很少。该相故障检测器还可以集成在电路板上并且以很小的尺寸制造。
本发明也使得电路能够用于电网电压范围较宽的情况。根据一些实施例的电路也能够同样应用于整个低电压范围，而且通过借助于变压器也可以应用到中等电压和高电压。
利用实施例也获得另外的优点，在该实施例中该分压元件的电容器被用作能量存储器并且用于该触发电路和检测器的能量从该能量存储器提供。在上述的实施例中，该触发电路和该检测器不需要辅助电源或分离的能量源；相反该必需的能量是直接从该被监测的电网获得的。
本发明也允许从该系统电分离以隔离故障信息。
本发明的一相关申请是被用于电动机电力馈电的功率变换器。该相故障检测器因此能结合进该设备组件中并且被设置为监测提供给整流器的交流电压。如果该相故障检测器的检测器电路的公共连结点被连接到该从整流器的直流电压电路引入的参考电势，例如连接到该直流电压电路的中等电压(该电势电平在负和正电势的中间)，不依赖于其它相的运行，该相故障检测器就能够检测各有故障的相。
在下文中，通过实施例并且参考附图分析本发明。
图1示出根据本发明的连接到三相电压源的一相故障检测器。
图2示出图1的相故障检测器的检测器电路图。
图3示出作用于三相系统的电压矢量图。
图4示出三相系统的电压矢量图，其中一相电压已经缺失。
图5示出根据本发明的一相故障检测器的电路图。
具体实施例方式
以下的实施例描述在本发明在三相系统中的使用，该系统是能够被用作实施例的最简单的系统。然而，该相应的原理也可以用于其他的多相系统，尤其是在其中的相位是3的倍数(n×3相系统)的系统中。
图1示出用于三相电网的相故障检测器1。该相故障检测器1包括分离的检测器电路3，其具有用于电网的每一相2的第一连接点4和第二连接点5的。每一检测器电路3的第一连接点4电连接到被检测器电路3监测的相2的连接点12。检测器电路3的第二连接点5又连接到检测器电路的公共连接点9，其相应于被监测的电网的中性点。该连接点9因此能够被称为虚起始点。在图1的电路中，该连接点9是浮动的，以使得它不连接到该电网实起始点-这就是它被称为虚中性点的原因。图1的该相故障检测器当然也能通过连接在连接点9上的连接器11而连到外部的接地点、中性点、或相应的参考电平。
图2示出用在图1的相故障检测器中的检测器电路3的细节。图2的检测器电路3包括容性分压器元件6，其连接在第一连接点4和第二连接点5之间。因此，该分压器元件6分隔在相2和虚中性点9之间的电压(相电压)，作为降低电压。由于电容器具有某些优良的性质，因此该分压器元件6一般由电容器构成。例如电容器具有低功耗。此外，采用电容器作为能量存储器，可为检测器电路3的运行提供优良的可能性。连接到该分压器元件6的是输入点7，分压电压被馈送到该点并且通过该点储存在该分压器元件6的能量能够被释放。检测器电路3还包括连接到输入点7和第二连接点5之间的触发和检测器电路8。
该触发和检测器电路8是当在输入点7的电压达到触发电平时产生检测脉冲的电路。例如合适的三端双向可控硅开关元件或晶闸管电路能够用在该触发电路中。该触发器被设计成例如当输入点7的电压(其因此跟随该相电压)绝对值上升到特定的触发电平时能始终被激活。因此，在交流电压的一个周期中，如果该相2被监测为运行正常，该触发和检测器电路8产生两个检测脉冲。如果没有在预定时间内收到检测脉冲，该检测脉冲能够从电路8向前传输给检测故障状态的监测设备(未示出)。原则上，该反应时间甚至可以少于该交流电压的周期，但是在大多数应用中警报或故障报告仅仅在没有脉冲的较长时期之后，例如1-5秒之后是有价值的。在优选实施例中，触发和检测器电路8从包含于分压器元件6中的能量存储器获得其能量。这样的实施例是很简单的，并且使用此实施例可以获得相当大的优点，即如果电路3本身有故障，故障状态也被检测出。因此，在相故障检测器1的故障状态中，得出在电压源中不存在故障的错误结论是不可能的。
在触发和检测器电路8和监测设备之间的连接能够被设计成电隔离。因此该监测脉冲能够例如通过光或声音脉冲被传输。
以下通过图3和4的矢量图描述在相故障位置上的相故障检测器1的运行。三相系统的电压可以用三相电压矢量示出。图3示出这样的图。如果该电压源网是对称的，则相对于中性点9的电压矢量的绝对值彼此具有同样的幅值以及彼此成120度角。
然而，如果该相输入之一发生故障(例如U相)，则该电压矢量图呈现图4所示的形式。该两个剩余相2的电压矢量仍然彼此有同样的幅值，但是在它们之间存在180度的相位偏移，也就是说它们处于彼此相反的方向上。该明显的中性点9已经移至矢量点之间的直线上的中点。
如果U相具有故障，则对应于U相电压的区段长度是零并且整个区段仍然位于上述明显的中性点9，这是因为在该相故障检测器1中所述的相2的分压器6连接到公共的中性点9。因此，没有任何类型的电压作用于该故障相的分压器6上。该U相的触发和检测器电路8因此没有给出检测脉冲。
图5示出一个非常简单的电路，依靠它图1和2中所示的相故障检测器能够实现。在图5示出的该电路中，受监测的相U、V、和W中的每一个通过由电阻R1以及电容器C1和C2形成的分压器(分压器元件6)对着连接到虚中性点9。电压作用于电容器C2上，它的幅值取决于元件值、相电压和电网频率。
作用于电容器C2的电压通过电阻R2以及齐纳二极管V1和V2被引入到三端双向可控硅开关元件V3(触发和检测器电路8)的门极。如果该电压超过该齐纳电压，门电流开始流向该三端双向可控硅开关元件，在此情况下，它被触发到导通状态。电容器C2现在通过电阻R2、桥V4、光连接(opto-link)V5的LED和三端双向可控硅开关元件V3进行放电，由此产生电流脉冲。该脉冲的幅值和持续时间取决于电阻R2和电容器C2的值。
电容器C2的能量因此通过光连接的LED进行放电，以便该LED的光使得该光连接的接收器变成导通状态。这种状态被以适当的方式指示，例如给微控制器产生中断请求。
在图5的电路中，当该设备被接通并且假如在其中存在快速上升和下降的电压峰值或在电网电压中存在凹陷的电压边时，电阻R1的任务是限制通过电容器C1和C2的冲击电流。在三相电源应用中，电阻R1一般具有大约千欧级的电阻值并且应该能承受至少几个瓦特的功率。
作用于电容器C2的电压能够通过改变分压器元件C1和C2的值而被自由地选择。实践中，电阻R1对于电压的分压比的影响是不显著的。该电容器的电容能被选择为使得在使用最大电网频率下的均方根电流(有效电流的均方根)大约为10-15mA。因此，如果在60赫兹的频率下该有效的电网(主)电压是600伏特，或在50赫兹的频率下为690伏特，那么分压器的总电容在大约100nF的量级。
一般选择大约15伏特作为齐纳二极管VI和V2的值，其确定了三端双向可控硅开关元件V3的触发器的值，在此情况下限制LED的电流的电阻R2的值例如可以是470欧姆。R2因此保护该LED免受过载电流，以及另一方面减缓电容器C2的放电，并因此拉长从LED获得的光脉冲。作为被用在这种连接中的小型三端双向可控硅开关元件的触发电流大约为几毫安，作用于电容器C2的峰值电压需要仅仅稍大于齐纳电压，以用于三端双向可控硅开关元件V3的触发。
该分压用来将该触发电压设定成相应于希望监测到发生缺失相的电网电压电平。因此，如果希望该相故障检测器在400-690伏特的额定电压的范围内运行，用于检测缺失相的合适检测电平可以是，例如280伏特。通过该相故障检测器查到的相电压电平是160伏特rms，也就是在大约225伏特的峰值，从而使得使用15伏特的齐纳二极管的分压比为大约15。这是通过选择100nF作为电容器C1的值以及1.5uF(微法)作为电容器C2的值获得足够高的精确度而得到的。电容器C1应该承受全部电网电压，但是对于电容器C2，足够的耐电压是例如25伏特。
在该检测电平和50赫兹的交流电压下，足够触发该三端双向可控硅开关元件的大约6毫安的峰值电流将通过分压器。
上面公开的实施例不趋于限制该专利保护的范围，可以设想出不同于上述的公开的实施例而代替本发明的实施例。
权利要求
1.一种用于多相电网的相故障检测器(1)，该相故障检测器包括用于每一相(2)的检测器电路(3)，该检测器电路(3)具有用于连接到被监测的相(2)的第一连接点(4)和连接到检测器电路的公共连接点(9)的第二连接点(5)，其中每一检测器电路(3)包括；用于对在第一连接点(4)和第二连接点(5)之间的电压进行分压的分压器元件(6)，其用于给输入点(7)馈送降低电压；和连接在降低电压的输入点(7)和第二连接点(5)之间的触发和检测器电路(8)，其特征在于每一个触发和检测器电路(8)被配置成当降低电压达到触发值时产生检测脉冲，由此除了检测到故障状态，该相故障检测器还可以检测到哪个相发生故障。
2.根据权利要求1的相故障检测器，其特征在于分压器元件(6)包括至少两个参与分压的电容性元件(C1，C2)以及其中至少一个电容性元件(C2)被配置成存储能量并且通过触发和检测器电路(8)释放其储存的能量。
3.根据权利要求2的相故障检测器，其特征在于相故障检测器包括在电容性元件(C1，C2)和第一连接点(4)之间的电阻性元件。
4.根据权利要求1-3中任一项的相故障检测器，其特征在于触发和检测器电路(8)的工作能量是从分压器元件(6)获得。
5.根据权利要求1-4中任一项的相故障检测器，其特征在于触发和检测器电路(8)包括当控制电压上升到特定的触发电平时触发至导通状态的触发电路元件(V1，V2，V3)。
6.根据权利要求1-5中任一项的相故障检测器，其特征在于触发和检测器电路(8)包括整流器(V4)。
7.根据权利要求1-6中任一项的相故障检测器，其特征在于触发和检测器电路(8)包括光连接(V5)。
8.根据权利要求1-7中任一项的相故障检测器，其特征在于该相故障检测器被配置为用于三相电网，在此情形下该相故障检测器恰好包括三个检测器电路(3)。
9.一种利用多相电网输入的设备，其特征在于它包括根据权利要求1-8中任一项的相故障检测器(1)。
10.根据权利要求9的设备，其特征在于它是整流器并且相故障检测器(1)的检测器电路的公共连接点(9)连接到从整流器的直流电压电路获得的参考电势。
全文摘要
该申请公开了一种用于多相电网的相故障检测器(1)。该相故障检测器包括一个用于每一相(2)的检测器电路(3)，其具有用于连接到被监测的相(2)的第一连接点(4)和连接到检测器电路的公共连接点(9)的第二连接点(5)。该检测器电路(3)又包括位于第一连接点(4)和第二连接点(5)之间的电容性分压器元件(6)并且借助于该分压器元件分压降低电压并且将其馈送给触发和检测电路(8)，该电路被配置为当该降低电压达到触发值时产生检测脉冲。
文档编号H02H3/24GK1894836SQ200480013189
公开日2007年1月10日 申请日期2004年5月13日 优先权日2003年5月15日
发明者E·米蒂宁 申请人:Abb 有限公司