用于可调速驱动器中接地故障检测和保护的系统和方法
用于可调速驱动器中接地故障检测和保护的系统和方法
【专利摘要】用于检测AC电动机驱动器中接地故障的系统和方法被公开。用于AC电动机驱动器的故障检测和保护的系统包括用于测量第一和第二相输出电流的电流传感器，用于测量DC链路电压的电压传感器，以及用于确定跨用于输出中的第三相的PWM逆变器开关的电压和关联电流的去饱和控制电路。控制器将第一和第二相电流、所测量的DC链路电压、以及跨第三相上的PWM逆变器开关的电压与多个阀值相比较。该控制器基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨开关的电压与阀值的比较，检测至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
【专利说明】用于可调速驱动器中接地故障检测和保护的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及可调速驱动器(ASD)，更特别是，涉及用于检测ASD中的接地故障，并且在检测时保护该ASD不受这类接地故障损坏的系统和方法。
【背景技术】
[0002]可调速驱动器(ASD)被广泛地用于电动机控制领域，以提高能量效率。这样的ASD通常被连接到三相AC电源，其中，该ASD包括用于将从三相AC电源提供的三相AC电力转换为DC电力的AC/DC转换器，并且还包括用于将从AC/DC转换器输出的DC电力转换为用于给电动机供电的三相AC电力的DC/AC转换器。
[0003]在通过ASD给电动机提供电力的过程中，必须能够检测到可能发生的电流故障，并且在当这类故障被检测到时给ASD提供保护。这类电流故障的常见原因是在运行过程中发生电动机绕组绝缘失效。这种绕组绝缘失效可能会导致绕组与电动机接地外壳短路，从而引起接地故障。当这种故障发生时，在ASD输出相上的短路相电流将急剧上升，并且如果在适当的位置上没有故障检测和保护，该ASD设备可能被损坏。因此，可以明白，在检测这类故障时，用于ASD的电流故障检测和保护方案实现在电动机驱动应用中是非常重要的考虑。
[0004]用于检测电流故障的常见解决方案是通过使用电流传感器来测量电动机侧上的所有三相电流。为了这个目的，过电流保护电路通常包括用于监测所有三相电动机电流的装置(即，三个电流传感器)，以及用于在电流紊乱被识别出来时关断逆变器IGBT (绝缘栅双极型晶体管)的装置。当线路电流之一超过预定阀值时，该电路认识到短路的可能性，并关断到所有三个电动机相的逆变器，从而有效地停止电动机，直到紊乱的原因被识别出来。这种解决方案在接地故障检测和保护中是非常有效的，然而，所有三个电流传感器以及支持电路的成本可能很昂贵。
[0005]因为通过使用三个电流传感器测量所有三相电流进行的电流故障检测可能很昂贵，因此，以前也已经使用仅两个电流传感器来实现电流故障检测。在这样的系统中，通过假设三相电流之和为零，三个相电流中剩余的一个可以通过计算来获得。不幸的是，在仅两个线路电流被测量并且第三个电流被推导的情况下，此推导出的电流可能不反映第三线路上对地的故障。这是因为第三线路上对地的连接可能不对第一和第二线路上的电流有显著的影响。如果在第三线路上发生短路，并且由于第三线路电流是通过所感测的第一和第二电流推导出来的而导致该短路没有被检测到，则过电流电路不能正确地工作来关断到三相的电流，且电动机损坏可能发生。
[0006]因此期望提供一种电流感测和保护的装置和方法，其中，三相电动机系统中的所有电流都能够使用少于三个的电流传感器来推导，并且也能够通过感测的电流和特定的电压(例如DC链路(link)电压和逆变器IGBT饱和电压)来提供完全的过电流保护。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例提供了一种用于检测ASD中的接地故障，并且在检测的时候保护该ASD不受这类接地故障损坏的系统和方法。
[0008]根据本发明的一个方面，具有可连接到AC电源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的三相输出的AC电动机驱动器被提供，并且该AC电动机驱动器包括脉冲宽度调制(PWM)逆变器，该逆变器中具有多个开关，以控制AC电动机中的电流流动和端电压。该AC电动机驱动器还包括连接到PWM转换器的故障检测和保护系统，并且该故障检测和保护系统进一步包括用于测量AC电动机驱动器输出中的第一相和第二相上的电流的电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器的DC链路上的DC链路电压的电压传感器，被配置为确定跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压和关联电流的去饱和控制电路，以及控制器，该控制器被配置为将在三相输出中的第一相和第二相上测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨PWM逆变器的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较，并且基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，检测至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
[0009]根据本发明的另一个方面，一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的方法包括，提供串联在AC电源和AC电动机之间的AC电动机驱动器，该AC电动机驱动器包括具有多个开关并被配置为调节至AC电动机的三相输出的脉冲宽度调制(PWM)逆变器。该方法还包括通过在第一相和第二相上包括的电流传感器，测量至少在三相输出中的第一相和第二相中每一相上的电流，测量AC电动机驱动器的DC链路上的电压，以及通过去饱和控制电路测量跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压，并且还基于所测量的电压确定跨PWM逆变器中的与第三相对应的开关的电流。该方法进一步包括将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨PWM逆变器中的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较，并且基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，判定至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障的存在。
[0010]根据本发明的又一个方面，一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的系统包括，用于测量AC电动机驱动器的三相输出中的第一相和第二相上的电流的电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器中DC链路上的DC链路电压的电压传感器，以及被配置为确定跨AC电动机驱动器中逆变器的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电压和关联电流的去饱和控制电路，该去饱和控制电路确定至少在三相输出中的第三相上的电压和关联电流。该系统还包括控制器，该控制器被配置为将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压与第三阀值相比较，以及如果第一和第二相电流之一高于第一阀值并且DC链路电压高于第二阀值，或者如果第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，并且跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压高于第三阀值，则宣布三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
[0011]根据以下的详细描述和附图，将使本发明的各种其它的特征和优点显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]【专利附图】
【附图说明】了当前所考虑的用于执行本发明的优选实施例。
[0013]在附图中:
[0014]图1是根据本发明的实施例的可调速电动机驱动器(ASD)的示意图。
[0015]图2和3是说明改变ASD中故障电流流动路径的示例的权利要求1的ASD的示意图。
[0016]图4是根据本发明的实施例，用在图1的ASD中的去饱和控制电路的示意图。
[0017]图5是根据本发明的实施例，说明当由ASD驱动的电动机处于电动机停止状态时，用于图1的ASD中接地故障检测的技术的流程图。
[0018]图6是说明当处于电动机停止状态时，对应于图1的ASD中的一相上接地故障的电流和电压值的曲线图。
[0019]图7是根据本发明的实施例，说明当由ASD驱动的电动机正在运行时，用于图1的ASD中接地故障检测的技术的流程图。
[0020]图8是说明用于将ASD的三相输出电压处理为两相输出的技术的不意图。
[0021]图9是说明当电动机正在运行时，对应于图1的ASD中的一相上接地故障的电流和电压值的曲线图。
【具体实施方式】
[0022]这里所描述的本发明的实施例涉及一种用于检测可调速驱动器(ASD)中接地故障，以及用于在检测时保护该ASD不受这类接地故障损坏的系统和方法。
[0023]本发明的实施例是针对于包含多种结构和控制方案的AC电动机驱动器。可以被植入本发明实施例的AC电动机驱动器10的结构如图1所示。该电动机驱动器10可以被配置为，例如，可调速驱动器(ASD)，其被设计成接收三路AC电力输入，整流该AC输入，并且执行DC/AC转换，以将整流部分转换为被提供给负载的具有可变频率和振幅的三相交流电压。在优选的实施例中，该ASD 10根据典型的伏特每赫兹特性来工作。在这方面，该电动机驱动器在稳定状态中提供了 ±1%的电压调节，并具有小于3%的总谐波失真，输出频率上的±0.1Hz,以及在整个负载范围的快速动态阶跃负载响应。
[0024]在示例性的实施例中，三相AC输入12a - 12c被馈送给三相整流桥14。在所有三相中输入线阻抗是相等的。整流桥14将AC电力输入转换为DC电力，使得DC链路电压存在于整流桥14和开关阵列16之间。该链路电压由DC链路电容器组18来平滑化。该开关阵列16由共同构成PWM逆变器24的一系列绝缘栅双极型晶体管开关20 (IGBT)和反并联二极管22组成。该PWM逆变器24以固定的频率和振幅合成AC电压波形，用于传送给负载，例如感应电动机26。
[0025]逆变器24的操作是通过控制系统28来进行的，控制系统28进一步可以由多个PID控制器组成，每个PID控制器具有执行高速操作(例如，诸如空间矢量调制、DC链路电压去耦、以及保护之类)的系统层和可编程应用层。该控制系统28通过栅极驱动信号以及(例如通过电压传感器30)感测DC链路电压和极电流接入到PWM逆变器24，从而感测DC链路电压中的变化。这些电压的变化可以被解释为瞬态负载情况，并且被用于控制PWM逆变器24的开关阵列16的切换，使得邻近的稳态负载条件被保持。另外，控制系统28用于识别ASD 10中的与接地电流有关的故障，并且保护ASD不受这些故障影响，包括保护IGBT开关20。在执行这样的故障检测和保护的过程中，在输出IGBT栅极驱动信号的同时，控制系统接收DC链路电压、所测量的IGBT饱和电压、以及两相输出电流作为输入，并且响应于所述输入的故障识别和保护信号，将在下面做更详细的说明。
[0026]如图1进一步示出，AC电动机驱动器10还包括被设置在DC链路34的正和负电轨(rail)上的DC链路扼流圈L1、L2 (在图1中被表示为32)。该DC链路扼流圈32在AC电动机驱动器10和电动机26的运行期间在该DC链路上提供能量存储和滤波。
[0027]现在参照图2和3，AC电动机驱动器10被显示在接地故障被引入电动机负载侧上的相C(在图2和3中被表示为36，以及相B和相A被分别表示为38、40)时的操作期间。首先参照图2，故障电流流动路径42被显示在相C上的上开关晶体管44被接通的时候。随着上开关晶体管44被接通，发生故障的相C变为升压电路。这样故障电流通过正DC链路上的DC扼流圈LI提供能量存储。如图3所示，当相C上的上开关晶体管44被关断，并且相C上的下开关晶体管46被接通时，电流流动路径42发生改变。也就是说，电流流动路径42继续在相同的方向上流动，但是现在改变路径以对DC链路电容器组18的DC链路电容器进行充电。这个循环，即故障电流流动路径42交替进行通过DC扼流圈LI提供能量存储以及对DC链路电容器组18的DC链路电容器充电，被重复，因为在逆变器24的脉冲宽度调制模式中上、下晶体管44、46被接通和关断。
[0028]如果发生故障的相恰好是其它相的任意之一，也就是，相B或相A，其中与其对应的开关被接通和关断，则关于故障电流流动路径的特性是类似的。为清楚起见，影响DC链路电压的成对开关是用于相C接地故障的开关44、46，用于相B接地故障的开关48、50，以及用于相A接地故障的开关52、54。
[0029]如图2和3所示，在输出IGBT栅极驱动信号的同时，控制系统28接收DC链路电压、所测量的IGBT饱和电压、以及两相输出电流作为输入，并且响应于所述输入的故障识别和保护信号，将在下面做更详细的说明。控制系统28被配置为识别ASD 10中的与接地电流有关的故障，并且保护该ASD不受这些故障影响，包括保护IGBT开关20。对于相A、B或C上的接地故障的识别，可认识到的是在输出电动机负载侧上通常有三个电流传感器来实现这种接地故障检测。然而，根据本发明的实施例，所提供的用于ASD系统中的接地故障检测的技术仅仅利用两个电流传感器，例如图2和3中的分别在相A和相B 40,38上的电流传感器56、58。在对在ASD系统中仅仅利用两个电流传感器来进行接地故障检测的技术的使用中，已安装在ASD中的每个相电力结构上的用于检测过电流情况(例如在诸如短路之类的情况下)的去饱和控制电路被采用，并且已测量的DC链路电压也被使用，该DC链路电压通过电压传感器来测量，例如图1中所示的电压传感器30之类。
[0030]去饱和控制电路60的示意图被提供在图4中，根据本发明的实施例，该去饱和控制电路包括控制逆变器(例如，逆变器24)中开关的选通的栅极驱动器62。该去饱和控制电路60还包括自身具有控制算法的数字信号处理器(DSP) 64，该数字信号处理器既发送信号给栅极驱动器62，也从栅极驱动器62接收信号。去饱和控制电路60用作保护机构的操作原理是基于这样的事实:跨功率电子开关(例如IGBT开关20)的电压是流过该开关的电流的函数。如果该开关电流超过其最大允许值，则跨该开关的电压将越过与其最大允许电流对应的阀值电压。此处，开关状态应该被考虑-在“关”状态中(例如，栅极信号为0)，跨该开关的电压等于DC链路电压，即使通过该开关的电流为零。根据本发明的实施例，去饱和电路60可以仅被安装在短路相上的上、下晶体管上(例如，图2和3中的晶体管/IGBT44、46)，或者被安装在所有三相上的上、下晶体管上。
[0031]现在参照图5，并且继续参照图2和3，显示了通过在仅仅两相上使用电流传感器来检测ASD中接地故障的技术70的示例性的实施例，这是在这样的场景中，其中，与ASD 10相关联的电动机26是处于电机停止状态。该技术70可以利用与ASD相关联的控制器来实现，例如与ASD 10相连接的控制器28。相A和相B上的电流传感器56、58的组合，与去饱和控制电路60 —起(图4)，允许实现在ASD 10的输出中的所有三相上检测接地故障的技术70，即使在输出到电动机的相C上没有电流传感器。
[0032]如图5所示，技术70随着处于停止状态的电动机的启动在步骤72处开始。然后通过控制逆变器中的开关的选通，脉冲宽度调制(PWM)在步骤74处开始，其中此PWM要么是三相同步PWM，要么是顺序PWM，在顺序PWM中，三相被顺序开启。当PWM开始时，在步骤76处技术继续进行，其中做出判定，即关于是否相A或相B上所测量的电流，ian或ibn，超过了预先确定的电流阀值(阀值_1)，这与是否ASD 10的DC链路34上的电压，Vd。，超过了预先确定的电压阀值(阀值_2)的判定一起。值得注意的是，电压Vd。被与相C相对应的开关44、46影响，在相C上，没有输出电流传感器被使用。如果在步骤76处确定，相电流ian或ibn超出了预先确定的电流阀值(阀值_1)，并且DC链路电压Vd。超出了预先确定的电压阀值(阀值_2)，在78处已被指出，那么在步骤80和82处技术继续进行，其中，宣布接地故障存在于ASD 10中并且关断ASD 10中的IGBT (也就是，IGBT 44-54)，以保护ASD免遭损坏。这样，如果接地故障存在于ASD 10中的相A或相B中，则在步骤76处所做的确定78将为这样的接地故障的检测做好了准备。
[0033]相反地，如果在步骤76处确定，电流im或ibn没有超出预先确定的电流阀值，和/或电压Vde没有超出预先确定的电压阀值，在84处已被指出，那么在步骤86处技术继续进行，其中为了确定接地故障的存在，另一种电压和电流分析被执行。也就是说，在步骤86处，做出判定，即关于电流im和ibn是否低于预先确定的电流阀值(阀值_1)。更进一步的判定在步骤86处被做出，即关于是否电压Vd。超出了预先确定的电压阀值(阀值_2)，以及是否所测量的相C上的IGBT饱和电压(也就是，图2和3中的跨开关44、46的电压)，V。desat (正如通过去饱和控制电路所确定的那样(图4))，高于预先确定的阀值(阀值_3)。关于所测量的IGBT饱和电压，Vcjesat，可以认识到的是，如果所测量的跨IGBT (例如44、46)的电压，超过了预先确定的电压阀值(阀值_3)，那么流过IGBT 44、46的电流也将超过相应的电流阀值。
[0034]如果在步骤86处确定，电流im和ibn低于预先确定的电流阀值(阀值_1)，DC链路电压Vd。超过了预先确定的电压阀值(阀值_2)，以及电压Vcjesat高于预先确定的阀值(阀值_3)，正如在88处所指出的那样，那么在步骤80和82处技术继续进行，其中宣布接地故障存在于ASD 10中并且关断ASD 10中的IGBT，以保护ASD免遭损坏。这样，如果接地故障存在于ASD 10中的相C中，则在步骤88处所做的确定将为这样的接地故障的检测做好了准备。图6通过在电动机停止状态下的相C上的接地故障情况下的电动机电流和DC链路电压的图示，说明了相C上的这样的接地故障的确定。图6中上面的窗口 90是对三相电动机电流的说明，而下面的窗口 92是对DC链路电压的说明。如图6所示，相C电流94急剧增加，而相A和B的电流96、98也增加，但是不可能一样快地达到它们的断路电平(即，阈值_1)。与此同时，DC链路电压100也增加。在技术70的执行(图5)，以及在步骤86处所做判定的过程中，控制器28中的逻辑以系统将断路(trip)的方式来配置，通过相C过电压检测(Vcjesat)来触发，然后定时器继续运行，从而捕获是否也存在DC链路过电压(也就是，Vd。〉阀值_2)。当两个信号，Vc^jPVd。，达到各自的阀值时，接地故障情况被确认。
[0035]再次参照图5，如果在步骤86处确定，或者电压Vd。不超过预先确定的电压阀值(阀值_2)，或者所测量的IGBT饱和电压Vcjesat不高于预先确定的电压阀值(阀值_3)，正如在102处所指示的那样，则在步骤104处技术继续进行，其中宣布没有接地故障存在于ASD 10中。技术70随后将被结束，并且电动机从静止状态转变为运行状态，这将在下面参照图7被详细讨论。
[0036]这样，技术70通过利用仅仅两相上的电流传感器，在电动机停止状态下，为ASD中的接地故障的检测做好了准备。来自两个电流传感器的反馈，结合来自去饱和控制电路的电压(以及相应的电流)反馈，并且结合DC链路电压信息来分析，为ASD的输出中的所有三相上的接地故障的检测做好了准备，即使在到电动机的输出中的一相上没有电流传感器。
[0037]现在参照图7，并且继续参照图2和3，显示了技术110的示例性的实施例，该技术通过使用仅仅两相上的电流传感器，检测ASD中的接地故障，这是在与ASD相关联的电动机正在运行的情况下。在执行技术110的过程中，可以设想，在某一相(例如相C)上突然发生接地故障时，电动机正在正常的操作条件下驱动负载，例如，正如对技术110所做的描述。与用于在电动机停止状态下检测接地故障的技术70 (图5)相类似，用于在电动机操作过程中检测接地故障的技术110可以通过与ASD相关的控制器来实现，例如连接到ASD 10的控制器28。相A和相B上的电流传感器56、58的组合，与去饱和控制电路60 (图4)和DC链路电压分布一起，允许实现用于检测ASD 10的输出中的所有三相上的接地故障的技术110，即使在输出到电动机的相C上没有电流传感器。
[0038]如图7所示，技术110在步骤112处开始，此时电动机运行在“正常”条件下(也就是，没有接地电流故障存在)。然后，该技术在步骤114处继续进行，其中作出判定，关于相A或者相B上所测量的电流，ian或ibn，是否超过预先确定的电流阀值(阀值_1)，并且在ASD的DC链路上的电压Vde是否超过预先确定的电压阀值(阀值_2)。也是在步骤114处，作出判定，关于用于逆变器PWM指令的d-q电压分量的电动机输出参考电压，VMf d，是否下降到(也就是，低于)预先确定的电压阀值(阀值_4)。该电动机输出参考电压Vref d是基于PWM参考电压a、VMf b、VMf。的处理来确定，如图8所示，其中，PWM参考电压值首先被变换为两相交流值，然后被变换为两相d-q DC值。如图8所示，alpha-beta变换(α β变换)116被应用于产生α β参考系内的参考电压，VMf—α、VMf—e。该α β参考电压118,以及α β参考电压120的反正切,然后被插入d-q变换122以产生d_q参考系内的参考电压，Vref d> Vref q0这样，从PWM参考电压VMf—a、Vref b, Vref_c的处理中来获取电动机输出参考电压Vref d，如图8所示。关于PWM参考电压，a、VMf b、VMf。，可以认识到，电动机三相输出参考电压是基于DC链路电压Vd。的变化来动态调节的。这样，例如，当电压Vd。增大时，PWM占空t匕、以及相应的电动机输出参考电压VMf d被降低，并且反之亦然。这样，基于参考电压VMfd、Vref_q以及DC链路电压Vd。，最终调节的电压Vd、Vq被输出到逆变器。
[0039]现在再次参照图7，如果在步骤114处确定，电流ian或ibn超过了预先确定的电流阀值(阀值_1)，并且电压Vd。超过了预先确定的电压阀值(阀值_2)，以及电动机输出参考电压VMf—d下降到低于(也就是，小于)预先确定的电压阀值(阀值_4)，在116处被指出，则在步骤118和120处技术继续进行，其中，宣布接地故障存在于ASD 10中并且关断ASD中的IGBT，从而保护ASD免遭损坏。这样，如果接地故障存在于ASD 10中的相A或者相B中，则在步骤114处被做出的确定116，将为这样的接地故障的检测做好了准备。
[0040]相反地，如果在步骤114处确定，电流ian或ibn没有超过预先确定的电流阀值，和/或DC链路电压Vd。没有超过预先确定的电压阀值，和/或电动机输出参考电压VMf d没有下降到低于(也就是，大于)预先确定的电压阀值(阀值_4)，在122处被指出，则技术在步骤124处继续进行，其中为了确定接地故障的存在，另一种电压和电流分析被执行。也就是说，在步骤124处，作出判定，关于电流im和ibn是否低于预先确定的电流阀值(阀值_1)，以及电压Vd。是否超过预先确定的电压阀值(阀值_2)。在步骤124处，还作出判定，关于电动机输出参考电压Vref d是否低于预先确定的电压阀值(阀值_4)，以及相C上至少一个所测量的IGBT饱和电压(也就是，图2和3中的跨开关44、46的电压)V。desat (正如通过去饱和控制电路所确定的那样(图4))，是否高于预先确定的电压阀值(阀值_3)。关于所测量的IGBT饱和电压，Vcjesat，可以认识到的是，如果所测量的跨IGBT 44,46的电压超过了预先确定的电压阀值(阀值_3)，则流过IGBT 44,46的电流也将超过相应的电流阀值。
[0041]如果在步骤124处确定，电流ian和ibn低于预先确定的电流阀值(阀值_1)，DC链路电压Vd。超过预先确定的电压阀值(阀值_2)，并且电动机输出参考电压VMf d下降到低于(也就是少于/小于)预先确定的电压阀值(阀值_4)，以及至少一个所测量的IGBT饱和电压V。desat高于预先确定的阀值(阀值_3)，正如在126处所指示的那样，则技术在步骤118和120处继续进行，其中宣布接地故障存在于ASD 10中并且关断ASD中的IGBT，从而保护ASD免遭损坏。这样，如果接地故障存在于ASD 10中的相C中，则在步骤126处被做出的确定，将为这样的接地故障的检测做好了准备。图9通过电动机电流、DC链路电压、以及电动机输出参考电压的图示说明了相C上的这样的接地故障的确定，其中，当在相C中发生接地故障的时候，电动机正在驱动负载。图9中上面的窗口 128是三相电动机电流的图示，并且中间的窗口 130是DC链路电压的图示，以及下面的窗口 132是输出到逆变器的最终调节的电压Vd、Vq的两相d和q分量的图示。如图9所示，相C电流134急剧增大，而相A和B的电流136、138也增大，但是不可能一样快地达到它们的断路电平(也就是，阀值_1)。在这期间，DC链路电压140增大。如图9所示，在相C过电流检测i。desat达到其过电流断路阀值(阀值_3)和DC链路电压Vd。达到其过电压断路阀值(阀值_2)之间可能存在延时，并且DC链路电压也影响输出到逆变器的最终调节的电压Vd、\。当两个信号达到各自的阀值时，在步骤120处接地故障情况被确认并被宣布。
[0042]再次参照图7，如果在步骤124处确定，或者电压Vdc没有超过预先确定的电压阀值(阀值_2)，或者至少一个所测量的IGBT饱和电压Vcjesat不高于预先确定的阀值(阀值_3)，正如在142处所指示的那样，则技术在步骤144处继续进行，其中宣布没有接地故障存在于ASD 10中。然后，通过闭环回到步骤112，技术110可以继续进行，其中，电动机继续运行，并且执行接下来的ASD中的电流和电压分析。
[0043]这样，通过使用仅仅两相上的电流传感器，在电动机的正常操作/运行期间，技术110为ASD中的接地故障的检测做好了准备。来自两个电流传感器的反馈，结合来自去饱和控制电路的电压(以及相应的电流)反馈，以及DC链路电压的特性来分析，这为在ASD的输出中的所有三相上的接地故障的检测做好了准备，即使在到电动机的输出中的某一相上没有电流传感器。
[0044]可以认识到的是，取决于ASD系统运行条件一例如负载变化，开关频率设置，接地故障以特定电流振幅发生时的时刻，系统阻抗变化，等等——可能每个接地故障具有不同的严重程度，以及故障的连续变化。例如，在某一接地故障的情况中，电动机相电流可以在时间上第一个超过故障阀值，然后DC链路电压可以在时间上第二个超过故障阀值。在另一个接地故障的情况中，DC链路电压可以在时间上第一个超过故障阀值，然后电动机相电流可以在时间上第二个超过故障阀值。不管这些情况如何变化，根据本发明的实施例所提供的方法可以为ASD系统提供接地故障的检测、识别、以及保护。
[0045]有益地，这样本发明的实施例在仅仅使用两个输出电流传感器的可调速驱动器中提供接地故障检测和保护的系统和方法，而不需要DC链路上的电流分流器。该检测方法实现了已有的电动机电流测量、DC链路电压测量、IGBT去饱和电路、以及控制逻辑的组合。如果该故障是独立于接地故障的过电流故障，或者是独立于接地故障的DC链路电压故障，或者它真正地是接地故障，则该技术对隔离故障是有效的，并且不管电动机是处在停止状态还是处在运行状态中都能够被实现。本发明的实施例不仅识别ASD系统中的接地故障情况，而且准确地确定三路电动机输出中的哪一相输出上发生接地故障。然后，当接地故障被识别出来时，在ASD中的IGBT能够被关断，以保护设备免遭任何损坏。这样，本发明的实施例独一无二地提供了精确的接地故障诊断和保护特性。
[0046]所公开的方法和设备的技术贡献在于它为计算机实现的技术做好了准备，该技术用于检测ASD中的接地故障，并且在其检测时保护该ASD免遭这类接地故障的损坏。该技术实现了已有的电动机电流测量、DC链路电压测量、IGBT去饱和电路、以及控制逻辑的组合以检测ASD中的接地故障，并且仅需要在输出中的两相上的两个输出电流传感器。
[0047]根据本发明的一实施例，具有可连接到AC电源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的三相输出的AC电动机驱动器被提供，并且该AC电动机驱动器包括脉冲宽度调制(PWM)逆变器，该逆变器中具有多个开关，以控制AC电动机中的电流流动和端电压。该AC电动机驱动器还包括连接到PWM转换器的故障检测和保护系统，并且该故障检测和保护系统进一步包括用于测量AC电动机驱动器输出中的第一相和第二相上的电流的电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器的DC链路上的DC链路电压的电压传感器，被配置为确定跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压和关联电流的去饱和控制电路，以及控制器，该控制器被配置为将在三相输出中的第一相和第二相上测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨PWM逆变器的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较，并且基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，检测至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
[0048]根据本发明的另一实施例，一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的方法包括，提供串联在AC电源和AC电动机之间的AC电动机驱动器，该AC电动机驱动器包括具有多个开关并被配置为调节至AC电动机的三相输出的脉冲宽度调制(PWM)逆变器。该方法还包括通过在第一相和第二相上包括的电流传感器，测量至少在三相输出中的第一相和第二相中每一相上的电流，测量AC电动机驱动器的DC链路上的电压，以及通过去饱和控制电路测量跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压，并且还基于所测量的电压确定跨PWM逆变器中的与第三相对应的开关的电流。该方法进一步包括将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨PWM逆变器中的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较，并且基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，判定至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障的存在。
[0049]根据本发明的又一实施例，一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的系统包括，用于测量AC电动机驱动器的三相输出中的第一相和第二相上的电流的电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器中DC链路上的DC链路电压的电压传感器，以及被配置为确定跨AC电动机驱动器中逆变器的IGBT的电压和关联电流的去饱和控制电路，该去饱和控制电路确定至少在三相输出中的第三相上的电压和关联电流。该系统还包括控制器，该控制器被配置为将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压与第三阀值相比较，以及如果第一和第二相电流之一高于第一阀值并且DC链路电压高于第二阀值，或者如果第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，并且跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压高于第三阀值,贝U宣布三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
[0050]本发明已经就优选实施例进行了描述，并且可以认识到的是，这些清楚陈述之外的等同物、替代物、以及修改都是可能的，并且在所附的权利要求的范围之内。
【权利要求】
1.一种AC电动机驱动器，其具有可连接到AC电源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的三相输出，该AC电动机驱动器包括: 脉冲宽度调制(PWM)逆变器，其中具有多个开关，以控制AC电动机中的电流流动和端电压；和 连接到PWM转换器的故障检测和保护系统，该故障检测和保护系统包括: 电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器输出中的第一相和第二相上的电流； 电压传感器，用于测量AC电动机驱动器的DC链路上的DC链路电压； 去饱和控制电路，其被配置为确定跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压和关联电流；以及控制器，其被配置为: 将在三相输出中的第一相和第二相上测量的电流与第一阀值相比较； 将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较； 将跨PWM逆变器的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较；以及基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，检测至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
2.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中控制器被进一步配置为在AC电动机处于停止状态时检测接地故障。
3.根据权利要求2的AC电动机驱动器，其中控制器被进一步配置为当第一和第二相电流之一高于第一阀值，并且DC链路电压高于第二阀值时，宣布接地故障。
4.根据权利要求2的AC电动机驱动器，其中控制器被配置为当第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，以及跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压闻于第三阀值时，宣布接地故障。
5.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中控制器被配置为在AC电动机正在运行时检测接地故障。
6.根据权利要求5的AC电动机驱动器，其中控制器被进一步配置为进一步包括: 确定电动机输出参考电压的d_q电压分量；和 将电动机输出参考电压的d_q电压分量与第四阀值相比较。
7.根据权利要求6的AC电动机驱动器，其中控制器被配置为当第一和第二相电流之一高于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，以及电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值时，宣布接地故障。
8.根据权利要求6的AC电动机驱动器，其中控制器被配置为当第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值，以及跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压高于第三阀值时，宣布接地故障。
9.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中第三阀值包括电压阀值，并且其中当跨第三相上的开关的电压超过该电压阀值时，跨第三相上的开关的关联电流超过对应的电流阀值。
10.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中PWM逆变器中的所述多个开关包括IGBT，并且其中控制器被进一步配置为当接地故障被检测到时关断所述多个IGBT，以便保护AC电动机驱动器免受接地故障引起的损坏。
11.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中控制器被进一步配置为检测在第一、第二和第三相中的哪一相上发生了接地故障。
12.—种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的方法，包括: 提供串联在AC电源和AC电动机之间的AC电动机驱动器，该AC电动机驱动器包括具有多个开关并被配置为调节至AC电动机的三相输出的脉冲宽度调制(PWM)逆变器； 通过在第一相和第二相上包括的电流传感器，测量至少在三相输出中的第一相和第二相中每一相上的电流； 测量AC电动机驱动器的DC链路上的电压； 通过去饱和控制电路测量跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压，并且还基于所测量的电压确定跨PWM逆变器中的与第三相对应的开关的电流； 将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较； 将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较； 将跨PWM逆变器中的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较；以及 基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，判定至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障的存在。
13.根据权利要求12的方法，其中在AC电动机处于停止状态时，在AC电动机驱动器中检测接地故障。
14.根据权利要求13的方法，进一步包括当第一和第二相电流之一高于第一阀值，并且DC链路电压高于第二阀值时，宣布接地故障。
15.根据权利要求13的方法，进一步包括当第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，以及跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压高于第三阀值时，宣布接地故障。
16.根据权利要求12的方法，其中在AC电动机正在运行时，在AC电动机驱动器中检测接地故障。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括: 确定电动机输出参考电压的d-q电压分量；和 将电动机输出参考电压的d_q电压分量与第四阀值相比较。
18.根据权利要求17的方法，进一步包括当第一和第二相电流之一高于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，并且电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值时，宣布接地故障。
19.根据权利要求17的方法，进一步包括当第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值，并且跨PWM逆变器中的三相输出中第三相上的开关的电压高于第三阀值时，宣布接地故障。
20.根据权利要求12的方法，其中所述多个开关包括多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)； 并且其中，当确定接地故障存在时，该方法进一步包括关断所述多个IGBT，以便保护AC电动机驱动器免受接地故障引起的损坏。
21.根据权利要求12的方法，其中第三阀值包括电压阀值，并且其中当跨第三相上的开关的电压超过该电压阀值时，跨第三相上的开关的关联电流超过对应的电流阀值。
22.一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的系统，该系统包括: 电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器的三相输出中的第一相和第二相上的电流； 电压传感器，用于测量AC电动机驱动器中DC链路上的DC链路电压； 去饱和控制电路，其被配置为确定跨AC电动机驱动器中逆变器的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电压和关联电流，该去饱和控制电路确定至少在三相输出中的第三相上的电压和关联电流；以及 控制器，其被配置为: 将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较； 将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较； 将跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压与第三阀值相比较；以及 如果满足以下条件，则宣布三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障: 第一和第二相电流之一高于第一阀值，并且DC链路电压高于第二阀值；或者第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，并且跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压高于第三阀值。
23.根据权利要求22的系统，其中控制器被进一步配置为: 确定电动机输出参考电压的d_q电压分量； 将电动机输出参考电压的d_q电压分量与第四阀值相比较；以及 如果满足以下条件，则宣布三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障: 第一和第二相电流之一高于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值,并且电动机输出参考电压的d_q电压分量低于第四阀值；或者 第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值，并且跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电流高于第三阀值。
【文档编号】H02H3/16GK104285350SQ201380023469
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年4月23日 优先权日:2012年5月4日
【发明者】H·李, Y·L·法米利安特 申请人:伊顿公司
【专利摘要】用于检测AC电动机驱动器中接地故障的系统和方法被公开。用于AC电动机驱动器的故障检测和保护的系统包括用于测量第一和第二相输出电流的电流传感器，用于测量DC链路电压的电压传感器，以及用于确定跨用于输出中的第三相的PWM逆变器开关的电压和关联电流的去饱和控制电路。控制器将第一和第二相电流、所测量的DC链路电压、以及跨第三相上的PWM逆变器开关的电压与多个阀值相比较。该控制器基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨开关的电压与阀值的比较，检测至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
【专利说明】用于可调速驱动器中接地故障检测和保护的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及可调速驱动器(ASD)，更特别是，涉及用于检测ASD中的接地故障，并且在检测时保护该ASD不受这类接地故障损坏的系统和方法。
【背景技术】
[0002]可调速驱动器(ASD)被广泛地用于电动机控制领域，以提高能量效率。这样的ASD通常被连接到三相AC电源，其中，该ASD包括用于将从三相AC电源提供的三相AC电力转换为DC电力的AC/DC转换器，并且还包括用于将从AC/DC转换器输出的DC电力转换为用于给电动机供电的三相AC电力的DC/AC转换器。
[0003]在通过ASD给电动机提供电力的过程中，必须能够检测到可能发生的电流故障，并且在当这类故障被检测到时给ASD提供保护。这类电流故障的常见原因是在运行过程中发生电动机绕组绝缘失效。这种绕组绝缘失效可能会导致绕组与电动机接地外壳短路，从而引起接地故障。当这种故障发生时，在ASD输出相上的短路相电流将急剧上升，并且如果在适当的位置上没有故障检测和保护，该ASD设备可能被损坏。因此，可以明白，在检测这类故障时，用于ASD的电流故障检测和保护方案实现在电动机驱动应用中是非常重要的考虑。
[0004]用于检测电流故障的常见解决方案是通过使用电流传感器来测量电动机侧上的所有三相电流。为了这个目的，过电流保护电路通常包括用于监测所有三相电动机电流的装置(即，三个电流传感器)，以及用于在电流紊乱被识别出来时关断逆变器IGBT (绝缘栅双极型晶体管)的装置。当线路电流之一超过预定阀值时，该电路认识到短路的可能性，并关断到所有三个电动机相的逆变器，从而有效地停止电动机，直到紊乱的原因被识别出来。这种解决方案在接地故障检测和保护中是非常有效的，然而，所有三个电流传感器以及支持电路的成本可能很昂贵。
[0005]因为通过使用三个电流传感器测量所有三相电流进行的电流故障检测可能很昂贵，因此，以前也已经使用仅两个电流传感器来实现电流故障检测。在这样的系统中，通过假设三相电流之和为零，三个相电流中剩余的一个可以通过计算来获得。不幸的是，在仅两个线路电流被测量并且第三个电流被推导的情况下，此推导出的电流可能不反映第三线路上对地的故障。这是因为第三线路上对地的连接可能不对第一和第二线路上的电流有显著的影响。如果在第三线路上发生短路，并且由于第三线路电流是通过所感测的第一和第二电流推导出来的而导致该短路没有被检测到，则过电流电路不能正确地工作来关断到三相的电流，且电动机损坏可能发生。
[0006]因此期望提供一种电流感测和保护的装置和方法，其中，三相电动机系统中的所有电流都能够使用少于三个的电流传感器来推导，并且也能够通过感测的电流和特定的电压(例如DC链路(link)电压和逆变器IGBT饱和电压)来提供完全的过电流保护。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例提供了一种用于检测ASD中的接地故障，并且在检测的时候保护该ASD不受这类接地故障损坏的系统和方法。
[0008]根据本发明的一个方面，具有可连接到AC电源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的三相输出的AC电动机驱动器被提供，并且该AC电动机驱动器包括脉冲宽度调制(PWM)逆变器，该逆变器中具有多个开关，以控制AC电动机中的电流流动和端电压。该AC电动机驱动器还包括连接到PWM转换器的故障检测和保护系统，并且该故障检测和保护系统进一步包括用于测量AC电动机驱动器输出中的第一相和第二相上的电流的电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器的DC链路上的DC链路电压的电压传感器，被配置为确定跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压和关联电流的去饱和控制电路，以及控制器，该控制器被配置为将在三相输出中的第一相和第二相上测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨PWM逆变器的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较，并且基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，检测至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
[0009]根据本发明的另一个方面，一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的方法包括，提供串联在AC电源和AC电动机之间的AC电动机驱动器，该AC电动机驱动器包括具有多个开关并被配置为调节至AC电动机的三相输出的脉冲宽度调制(PWM)逆变器。该方法还包括通过在第一相和第二相上包括的电流传感器，测量至少在三相输出中的第一相和第二相中每一相上的电流，测量AC电动机驱动器的DC链路上的电压，以及通过去饱和控制电路测量跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压，并且还基于所测量的电压确定跨PWM逆变器中的与第三相对应的开关的电流。该方法进一步包括将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨PWM逆变器中的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较，并且基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，判定至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障的存在。
[0010]根据本发明的又一个方面，一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的系统包括，用于测量AC电动机驱动器的三相输出中的第一相和第二相上的电流的电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器中DC链路上的DC链路电压的电压传感器，以及被配置为确定跨AC电动机驱动器中逆变器的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电压和关联电流的去饱和控制电路，该去饱和控制电路确定至少在三相输出中的第三相上的电压和关联电流。该系统还包括控制器，该控制器被配置为将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压与第三阀值相比较，以及如果第一和第二相电流之一高于第一阀值并且DC链路电压高于第二阀值，或者如果第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，并且跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压高于第三阀值，则宣布三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
[0011]根据以下的详细描述和附图，将使本发明的各种其它的特征和优点显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]【专利附图】
【附图说明】了当前所考虑的用于执行本发明的优选实施例。
[0013]在附图中:
[0014]图1是根据本发明的实施例的可调速电动机驱动器(ASD)的示意图。
[0015]图2和3是说明改变ASD中故障电流流动路径的示例的权利要求1的ASD的示意图。
[0016]图4是根据本发明的实施例，用在图1的ASD中的去饱和控制电路的示意图。
[0017]图5是根据本发明的实施例，说明当由ASD驱动的电动机处于电动机停止状态时，用于图1的ASD中接地故障检测的技术的流程图。
[0018]图6是说明当处于电动机停止状态时，对应于图1的ASD中的一相上接地故障的电流和电压值的曲线图。
[0019]图7是根据本发明的实施例，说明当由ASD驱动的电动机正在运行时，用于图1的ASD中接地故障检测的技术的流程图。
[0020]图8是说明用于将ASD的三相输出电压处理为两相输出的技术的不意图。
[0021]图9是说明当电动机正在运行时，对应于图1的ASD中的一相上接地故障的电流和电压值的曲线图。
【具体实施方式】
[0022]这里所描述的本发明的实施例涉及一种用于检测可调速驱动器(ASD)中接地故障，以及用于在检测时保护该ASD不受这类接地故障损坏的系统和方法。
[0023]本发明的实施例是针对于包含多种结构和控制方案的AC电动机驱动器。可以被植入本发明实施例的AC电动机驱动器10的结构如图1所示。该电动机驱动器10可以被配置为，例如，可调速驱动器(ASD)，其被设计成接收三路AC电力输入，整流该AC输入，并且执行DC/AC转换，以将整流部分转换为被提供给负载的具有可变频率和振幅的三相交流电压。在优选的实施例中，该ASD 10根据典型的伏特每赫兹特性来工作。在这方面，该电动机驱动器在稳定状态中提供了 ±1%的电压调节，并具有小于3%的总谐波失真，输出频率上的±0.1Hz,以及在整个负载范围的快速动态阶跃负载响应。
[0024]在示例性的实施例中，三相AC输入12a - 12c被馈送给三相整流桥14。在所有三相中输入线阻抗是相等的。整流桥14将AC电力输入转换为DC电力，使得DC链路电压存在于整流桥14和开关阵列16之间。该链路电压由DC链路电容器组18来平滑化。该开关阵列16由共同构成PWM逆变器24的一系列绝缘栅双极型晶体管开关20 (IGBT)和反并联二极管22组成。该PWM逆变器24以固定的频率和振幅合成AC电压波形，用于传送给负载，例如感应电动机26。
[0025]逆变器24的操作是通过控制系统28来进行的，控制系统28进一步可以由多个PID控制器组成，每个PID控制器具有执行高速操作(例如，诸如空间矢量调制、DC链路电压去耦、以及保护之类)的系统层和可编程应用层。该控制系统28通过栅极驱动信号以及(例如通过电压传感器30)感测DC链路电压和极电流接入到PWM逆变器24，从而感测DC链路电压中的变化。这些电压的变化可以被解释为瞬态负载情况，并且被用于控制PWM逆变器24的开关阵列16的切换，使得邻近的稳态负载条件被保持。另外，控制系统28用于识别ASD 10中的与接地电流有关的故障，并且保护ASD不受这些故障影响，包括保护IGBT开关20。在执行这样的故障检测和保护的过程中，在输出IGBT栅极驱动信号的同时，控制系统接收DC链路电压、所测量的IGBT饱和电压、以及两相输出电流作为输入，并且响应于所述输入的故障识别和保护信号，将在下面做更详细的说明。
[0026]如图1进一步示出，AC电动机驱动器10还包括被设置在DC链路34的正和负电轨(rail)上的DC链路扼流圈L1、L2 (在图1中被表示为32)。该DC链路扼流圈32在AC电动机驱动器10和电动机26的运行期间在该DC链路上提供能量存储和滤波。
[0027]现在参照图2和3，AC电动机驱动器10被显示在接地故障被引入电动机负载侧上的相C(在图2和3中被表示为36，以及相B和相A被分别表示为38、40)时的操作期间。首先参照图2，故障电流流动路径42被显示在相C上的上开关晶体管44被接通的时候。随着上开关晶体管44被接通，发生故障的相C变为升压电路。这样故障电流通过正DC链路上的DC扼流圈LI提供能量存储。如图3所示，当相C上的上开关晶体管44被关断，并且相C上的下开关晶体管46被接通时，电流流动路径42发生改变。也就是说，电流流动路径42继续在相同的方向上流动，但是现在改变路径以对DC链路电容器组18的DC链路电容器进行充电。这个循环，即故障电流流动路径42交替进行通过DC扼流圈LI提供能量存储以及对DC链路电容器组18的DC链路电容器充电，被重复，因为在逆变器24的脉冲宽度调制模式中上、下晶体管44、46被接通和关断。
[0028]如果发生故障的相恰好是其它相的任意之一，也就是，相B或相A，其中与其对应的开关被接通和关断，则关于故障电流流动路径的特性是类似的。为清楚起见，影响DC链路电压的成对开关是用于相C接地故障的开关44、46，用于相B接地故障的开关48、50，以及用于相A接地故障的开关52、54。
[0029]如图2和3所示，在输出IGBT栅极驱动信号的同时，控制系统28接收DC链路电压、所测量的IGBT饱和电压、以及两相输出电流作为输入，并且响应于所述输入的故障识别和保护信号，将在下面做更详细的说明。控制系统28被配置为识别ASD 10中的与接地电流有关的故障，并且保护该ASD不受这些故障影响，包括保护IGBT开关20。对于相A、B或C上的接地故障的识别，可认识到的是在输出电动机负载侧上通常有三个电流传感器来实现这种接地故障检测。然而，根据本发明的实施例，所提供的用于ASD系统中的接地故障检测的技术仅仅利用两个电流传感器，例如图2和3中的分别在相A和相B 40,38上的电流传感器56、58。在对在ASD系统中仅仅利用两个电流传感器来进行接地故障检测的技术的使用中，已安装在ASD中的每个相电力结构上的用于检测过电流情况(例如在诸如短路之类的情况下)的去饱和控制电路被采用，并且已测量的DC链路电压也被使用，该DC链路电压通过电压传感器来测量，例如图1中所示的电压传感器30之类。
[0030]去饱和控制电路60的示意图被提供在图4中，根据本发明的实施例，该去饱和控制电路包括控制逆变器(例如，逆变器24)中开关的选通的栅极驱动器62。该去饱和控制电路60还包括自身具有控制算法的数字信号处理器(DSP) 64，该数字信号处理器既发送信号给栅极驱动器62，也从栅极驱动器62接收信号。去饱和控制电路60用作保护机构的操作原理是基于这样的事实:跨功率电子开关(例如IGBT开关20)的电压是流过该开关的电流的函数。如果该开关电流超过其最大允许值，则跨该开关的电压将越过与其最大允许电流对应的阀值电压。此处，开关状态应该被考虑-在“关”状态中(例如，栅极信号为0)，跨该开关的电压等于DC链路电压，即使通过该开关的电流为零。根据本发明的实施例，去饱和电路60可以仅被安装在短路相上的上、下晶体管上(例如，图2和3中的晶体管/IGBT44、46)，或者被安装在所有三相上的上、下晶体管上。
[0031]现在参照图5，并且继续参照图2和3，显示了通过在仅仅两相上使用电流传感器来检测ASD中接地故障的技术70的示例性的实施例，这是在这样的场景中，其中，与ASD 10相关联的电动机26是处于电机停止状态。该技术70可以利用与ASD相关联的控制器来实现，例如与ASD 10相连接的控制器28。相A和相B上的电流传感器56、58的组合，与去饱和控制电路60 —起(图4)，允许实现在ASD 10的输出中的所有三相上检测接地故障的技术70，即使在输出到电动机的相C上没有电流传感器。
[0032]如图5所示，技术70随着处于停止状态的电动机的启动在步骤72处开始。然后通过控制逆变器中的开关的选通，脉冲宽度调制(PWM)在步骤74处开始，其中此PWM要么是三相同步PWM，要么是顺序PWM，在顺序PWM中，三相被顺序开启。当PWM开始时，在步骤76处技术继续进行，其中做出判定，即关于是否相A或相B上所测量的电流，ian或ibn，超过了预先确定的电流阀值(阀值_1)，这与是否ASD 10的DC链路34上的电压，Vd。，超过了预先确定的电压阀值(阀值_2)的判定一起。值得注意的是，电压Vd。被与相C相对应的开关44、46影响，在相C上，没有输出电流传感器被使用。如果在步骤76处确定，相电流ian或ibn超出了预先确定的电流阀值(阀值_1)，并且DC链路电压Vd。超出了预先确定的电压阀值(阀值_2)，在78处已被指出，那么在步骤80和82处技术继续进行，其中，宣布接地故障存在于ASD 10中并且关断ASD 10中的IGBT (也就是，IGBT 44-54)，以保护ASD免遭损坏。这样，如果接地故障存在于ASD 10中的相A或相B中，则在步骤76处所做的确定78将为这样的接地故障的检测做好了准备。
[0033]相反地，如果在步骤76处确定，电流im或ibn没有超出预先确定的电流阀值，和/或电压Vde没有超出预先确定的电压阀值，在84处已被指出，那么在步骤86处技术继续进行，其中为了确定接地故障的存在，另一种电压和电流分析被执行。也就是说，在步骤86处，做出判定，即关于电流im和ibn是否低于预先确定的电流阀值(阀值_1)。更进一步的判定在步骤86处被做出，即关于是否电压Vd。超出了预先确定的电压阀值(阀值_2)，以及是否所测量的相C上的IGBT饱和电压(也就是，图2和3中的跨开关44、46的电压)，V。desat (正如通过去饱和控制电路所确定的那样(图4))，高于预先确定的阀值(阀值_3)。关于所测量的IGBT饱和电压，Vcjesat，可以认识到的是，如果所测量的跨IGBT (例如44、46)的电压，超过了预先确定的电压阀值(阀值_3)，那么流过IGBT 44、46的电流也将超过相应的电流阀值。
[0034]如果在步骤86处确定，电流im和ibn低于预先确定的电流阀值(阀值_1)，DC链路电压Vd。超过了预先确定的电压阀值(阀值_2)，以及电压Vcjesat高于预先确定的阀值(阀值_3)，正如在88处所指出的那样，那么在步骤80和82处技术继续进行，其中宣布接地故障存在于ASD 10中并且关断ASD 10中的IGBT，以保护ASD免遭损坏。这样，如果接地故障存在于ASD 10中的相C中，则在步骤88处所做的确定将为这样的接地故障的检测做好了准备。图6通过在电动机停止状态下的相C上的接地故障情况下的电动机电流和DC链路电压的图示，说明了相C上的这样的接地故障的确定。图6中上面的窗口 90是对三相电动机电流的说明，而下面的窗口 92是对DC链路电压的说明。如图6所示，相C电流94急剧增加，而相A和B的电流96、98也增加，但是不可能一样快地达到它们的断路电平(即，阈值_1)。与此同时，DC链路电压100也增加。在技术70的执行(图5)，以及在步骤86处所做判定的过程中，控制器28中的逻辑以系统将断路(trip)的方式来配置，通过相C过电压检测(Vcjesat)来触发，然后定时器继续运行，从而捕获是否也存在DC链路过电压(也就是，Vd。〉阀值_2)。当两个信号，Vc^jPVd。，达到各自的阀值时，接地故障情况被确认。
[0035]再次参照图5，如果在步骤86处确定，或者电压Vd。不超过预先确定的电压阀值(阀值_2)，或者所测量的IGBT饱和电压Vcjesat不高于预先确定的电压阀值(阀值_3)，正如在102处所指示的那样，则在步骤104处技术继续进行，其中宣布没有接地故障存在于ASD 10中。技术70随后将被结束，并且电动机从静止状态转变为运行状态，这将在下面参照图7被详细讨论。
[0036]这样，技术70通过利用仅仅两相上的电流传感器，在电动机停止状态下，为ASD中的接地故障的检测做好了准备。来自两个电流传感器的反馈，结合来自去饱和控制电路的电压(以及相应的电流)反馈，并且结合DC链路电压信息来分析，为ASD的输出中的所有三相上的接地故障的检测做好了准备，即使在到电动机的输出中的一相上没有电流传感器。
[0037]现在参照图7，并且继续参照图2和3，显示了技术110的示例性的实施例，该技术通过使用仅仅两相上的电流传感器，检测ASD中的接地故障，这是在与ASD相关联的电动机正在运行的情况下。在执行技术110的过程中，可以设想，在某一相(例如相C)上突然发生接地故障时，电动机正在正常的操作条件下驱动负载，例如，正如对技术110所做的描述。与用于在电动机停止状态下检测接地故障的技术70 (图5)相类似，用于在电动机操作过程中检测接地故障的技术110可以通过与ASD相关的控制器来实现，例如连接到ASD 10的控制器28。相A和相B上的电流传感器56、58的组合，与去饱和控制电路60 (图4)和DC链路电压分布一起，允许实现用于检测ASD 10的输出中的所有三相上的接地故障的技术110，即使在输出到电动机的相C上没有电流传感器。
[0038]如图7所示，技术110在步骤112处开始，此时电动机运行在“正常”条件下(也就是，没有接地电流故障存在)。然后，该技术在步骤114处继续进行，其中作出判定，关于相A或者相B上所测量的电流，ian或ibn，是否超过预先确定的电流阀值(阀值_1)，并且在ASD的DC链路上的电压Vde是否超过预先确定的电压阀值(阀值_2)。也是在步骤114处，作出判定，关于用于逆变器PWM指令的d-q电压分量的电动机输出参考电压，VMf d，是否下降到(也就是，低于)预先确定的电压阀值(阀值_4)。该电动机输出参考电压Vref d是基于PWM参考电压a、VMf b、VMf。的处理来确定，如图8所示，其中，PWM参考电压值首先被变换为两相交流值，然后被变换为两相d-q DC值。如图8所示，alpha-beta变换(α β变换)116被应用于产生α β参考系内的参考电压，VMf—α、VMf—e。该α β参考电压118,以及α β参考电压120的反正切,然后被插入d-q变换122以产生d_q参考系内的参考电压，Vref d> Vref q0这样，从PWM参考电压VMf—a、Vref b, Vref_c的处理中来获取电动机输出参考电压Vref d，如图8所示。关于PWM参考电压，a、VMf b、VMf。，可以认识到，电动机三相输出参考电压是基于DC链路电压Vd。的变化来动态调节的。这样，例如，当电压Vd。增大时，PWM占空t匕、以及相应的电动机输出参考电压VMf d被降低，并且反之亦然。这样，基于参考电压VMfd、Vref_q以及DC链路电压Vd。，最终调节的电压Vd、Vq被输出到逆变器。
[0039]现在再次参照图7，如果在步骤114处确定，电流ian或ibn超过了预先确定的电流阀值(阀值_1)，并且电压Vd。超过了预先确定的电压阀值(阀值_2)，以及电动机输出参考电压VMf—d下降到低于(也就是，小于)预先确定的电压阀值(阀值_4)，在116处被指出，则在步骤118和120处技术继续进行，其中，宣布接地故障存在于ASD 10中并且关断ASD中的IGBT，从而保护ASD免遭损坏。这样，如果接地故障存在于ASD 10中的相A或者相B中，则在步骤114处被做出的确定116，将为这样的接地故障的检测做好了准备。
[0040]相反地，如果在步骤114处确定，电流ian或ibn没有超过预先确定的电流阀值，和/或DC链路电压Vd。没有超过预先确定的电压阀值，和/或电动机输出参考电压VMf d没有下降到低于(也就是，大于)预先确定的电压阀值(阀值_4)，在122处被指出，则技术在步骤124处继续进行，其中为了确定接地故障的存在，另一种电压和电流分析被执行。也就是说，在步骤124处，作出判定，关于电流im和ibn是否低于预先确定的电流阀值(阀值_1)，以及电压Vd。是否超过预先确定的电压阀值(阀值_2)。在步骤124处，还作出判定，关于电动机输出参考电压Vref d是否低于预先确定的电压阀值(阀值_4)，以及相C上至少一个所测量的IGBT饱和电压(也就是，图2和3中的跨开关44、46的电压)V。desat (正如通过去饱和控制电路所确定的那样(图4))，是否高于预先确定的电压阀值(阀值_3)。关于所测量的IGBT饱和电压，Vcjesat，可以认识到的是，如果所测量的跨IGBT 44,46的电压超过了预先确定的电压阀值(阀值_3)，则流过IGBT 44,46的电流也将超过相应的电流阀值。
[0041]如果在步骤124处确定，电流ian和ibn低于预先确定的电流阀值(阀值_1)，DC链路电压Vd。超过预先确定的电压阀值(阀值_2)，并且电动机输出参考电压VMf d下降到低于(也就是少于/小于)预先确定的电压阀值(阀值_4)，以及至少一个所测量的IGBT饱和电压V。desat高于预先确定的阀值(阀值_3)，正如在126处所指示的那样，则技术在步骤118和120处继续进行，其中宣布接地故障存在于ASD 10中并且关断ASD中的IGBT，从而保护ASD免遭损坏。这样，如果接地故障存在于ASD 10中的相C中，则在步骤126处被做出的确定，将为这样的接地故障的检测做好了准备。图9通过电动机电流、DC链路电压、以及电动机输出参考电压的图示说明了相C上的这样的接地故障的确定，其中，当在相C中发生接地故障的时候，电动机正在驱动负载。图9中上面的窗口 128是三相电动机电流的图示，并且中间的窗口 130是DC链路电压的图示，以及下面的窗口 132是输出到逆变器的最终调节的电压Vd、Vq的两相d和q分量的图示。如图9所示，相C电流134急剧增大，而相A和B的电流136、138也增大，但是不可能一样快地达到它们的断路电平(也就是，阀值_1)。在这期间，DC链路电压140增大。如图9所示，在相C过电流检测i。desat达到其过电流断路阀值(阀值_3)和DC链路电压Vd。达到其过电压断路阀值(阀值_2)之间可能存在延时，并且DC链路电压也影响输出到逆变器的最终调节的电压Vd、\。当两个信号达到各自的阀值时，在步骤120处接地故障情况被确认并被宣布。
[0042]再次参照图7，如果在步骤124处确定，或者电压Vdc没有超过预先确定的电压阀值(阀值_2)，或者至少一个所测量的IGBT饱和电压Vcjesat不高于预先确定的阀值(阀值_3)，正如在142处所指示的那样，则技术在步骤144处继续进行，其中宣布没有接地故障存在于ASD 10中。然后，通过闭环回到步骤112，技术110可以继续进行，其中，电动机继续运行，并且执行接下来的ASD中的电流和电压分析。
[0043]这样，通过使用仅仅两相上的电流传感器，在电动机的正常操作/运行期间，技术110为ASD中的接地故障的检测做好了准备。来自两个电流传感器的反馈，结合来自去饱和控制电路的电压(以及相应的电流)反馈，以及DC链路电压的特性来分析，这为在ASD的输出中的所有三相上的接地故障的检测做好了准备，即使在到电动机的输出中的某一相上没有电流传感器。
[0044]可以认识到的是，取决于ASD系统运行条件一例如负载变化，开关频率设置，接地故障以特定电流振幅发生时的时刻，系统阻抗变化，等等——可能每个接地故障具有不同的严重程度，以及故障的连续变化。例如，在某一接地故障的情况中，电动机相电流可以在时间上第一个超过故障阀值，然后DC链路电压可以在时间上第二个超过故障阀值。在另一个接地故障的情况中，DC链路电压可以在时间上第一个超过故障阀值，然后电动机相电流可以在时间上第二个超过故障阀值。不管这些情况如何变化，根据本发明的实施例所提供的方法可以为ASD系统提供接地故障的检测、识别、以及保护。
[0045]有益地，这样本发明的实施例在仅仅使用两个输出电流传感器的可调速驱动器中提供接地故障检测和保护的系统和方法，而不需要DC链路上的电流分流器。该检测方法实现了已有的电动机电流测量、DC链路电压测量、IGBT去饱和电路、以及控制逻辑的组合。如果该故障是独立于接地故障的过电流故障，或者是独立于接地故障的DC链路电压故障，或者它真正地是接地故障，则该技术对隔离故障是有效的，并且不管电动机是处在停止状态还是处在运行状态中都能够被实现。本发明的实施例不仅识别ASD系统中的接地故障情况，而且准确地确定三路电动机输出中的哪一相输出上发生接地故障。然后，当接地故障被识别出来时，在ASD中的IGBT能够被关断，以保护设备免遭任何损坏。这样，本发明的实施例独一无二地提供了精确的接地故障诊断和保护特性。
[0046]所公开的方法和设备的技术贡献在于它为计算机实现的技术做好了准备，该技术用于检测ASD中的接地故障，并且在其检测时保护该ASD免遭这类接地故障的损坏。该技术实现了已有的电动机电流测量、DC链路电压测量、IGBT去饱和电路、以及控制逻辑的组合以检测ASD中的接地故障，并且仅需要在输出中的两相上的两个输出电流传感器。
[0047]根据本发明的一实施例，具有可连接到AC电源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的三相输出的AC电动机驱动器被提供，并且该AC电动机驱动器包括脉冲宽度调制(PWM)逆变器，该逆变器中具有多个开关，以控制AC电动机中的电流流动和端电压。该AC电动机驱动器还包括连接到PWM转换器的故障检测和保护系统，并且该故障检测和保护系统进一步包括用于测量AC电动机驱动器输出中的第一相和第二相上的电流的电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器的DC链路上的DC链路电压的电压传感器，被配置为确定跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压和关联电流的去饱和控制电路，以及控制器，该控制器被配置为将在三相输出中的第一相和第二相上测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨PWM逆变器的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较，并且基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，检测至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
[0048]根据本发明的另一实施例，一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的方法包括，提供串联在AC电源和AC电动机之间的AC电动机驱动器，该AC电动机驱动器包括具有多个开关并被配置为调节至AC电动机的三相输出的脉冲宽度调制(PWM)逆变器。该方法还包括通过在第一相和第二相上包括的电流传感器，测量至少在三相输出中的第一相和第二相中每一相上的电流，测量AC电动机驱动器的DC链路上的电压，以及通过去饱和控制电路测量跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压，并且还基于所测量的电压确定跨PWM逆变器中的与第三相对应的开关的电流。该方法进一步包括将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨PWM逆变器中的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较，并且基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，判定至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障的存在。
[0049]根据本发明的又一实施例，一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的系统包括，用于测量AC电动机驱动器的三相输出中的第一相和第二相上的电流的电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器中DC链路上的DC链路电压的电压传感器，以及被配置为确定跨AC电动机驱动器中逆变器的IGBT的电压和关联电流的去饱和控制电路，该去饱和控制电路确定至少在三相输出中的第三相上的电压和关联电流。该系统还包括控制器，该控制器被配置为将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较，将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较，将跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压与第三阀值相比较，以及如果第一和第二相电流之一高于第一阀值并且DC链路电压高于第二阀值，或者如果第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，并且跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压高于第三阀值,贝U宣布三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
[0050]本发明已经就优选实施例进行了描述，并且可以认识到的是，这些清楚陈述之外的等同物、替代物、以及修改都是可能的，并且在所附的权利要求的范围之内。
【权利要求】
1.一种AC电动机驱动器，其具有可连接到AC电源的输入和可连接到AC电动机的输入端子的三相输出，该AC电动机驱动器包括: 脉冲宽度调制(PWM)逆变器，其中具有多个开关，以控制AC电动机中的电流流动和端电压；和 连接到PWM转换器的故障检测和保护系统，该故障检测和保护系统包括: 电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器输出中的第一相和第二相上的电流； 电压传感器，用于测量AC电动机驱动器的DC链路上的DC链路电压； 去饱和控制电路，其被配置为确定跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压和关联电流；以及控制器，其被配置为: 将在三相输出中的第一相和第二相上测量的电流与第一阀值相比较； 将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较； 将跨PWM逆变器的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较；以及基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，检测至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障。
2.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中控制器被进一步配置为在AC电动机处于停止状态时检测接地故障。
3.根据权利要求2的AC电动机驱动器，其中控制器被进一步配置为当第一和第二相电流之一高于第一阀值，并且DC链路电压高于第二阀值时，宣布接地故障。
4.根据权利要求2的AC电动机驱动器，其中控制器被配置为当第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，以及跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压闻于第三阀值时，宣布接地故障。
5.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中控制器被配置为在AC电动机正在运行时检测接地故障。
6.根据权利要求5的AC电动机驱动器，其中控制器被进一步配置为进一步包括: 确定电动机输出参考电压的d_q电压分量；和 将电动机输出参考电压的d_q电压分量与第四阀值相比较。
7.根据权利要求6的AC电动机驱动器，其中控制器被配置为当第一和第二相电流之一高于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，以及电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值时，宣布接地故障。
8.根据权利要求6的AC电动机驱动器，其中控制器被配置为当第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值，以及跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压高于第三阀值时，宣布接地故障。
9.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中第三阀值包括电压阀值，并且其中当跨第三相上的开关的电压超过该电压阀值时，跨第三相上的开关的关联电流超过对应的电流阀值。
10.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中PWM逆变器中的所述多个开关包括IGBT，并且其中控制器被进一步配置为当接地故障被检测到时关断所述多个IGBT，以便保护AC电动机驱动器免受接地故障引起的损坏。
11.根据权利要求1的AC电动机驱动器，其中控制器被进一步配置为检测在第一、第二和第三相中的哪一相上发生了接地故障。
12.—种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的方法，包括: 提供串联在AC电源和AC电动机之间的AC电动机驱动器，该AC电动机驱动器包括具有多个开关并被配置为调节至AC电动机的三相输出的脉冲宽度调制(PWM)逆变器； 通过在第一相和第二相上包括的电流传感器，测量至少在三相输出中的第一相和第二相中每一相上的电流； 测量AC电动机驱动器的DC链路上的电压； 通过去饱和控制电路测量跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压，并且还基于所测量的电压确定跨PWM逆变器中的与第三相对应的开关的电流； 将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较； 将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较； 将跨PWM逆变器中的第三相上的开关的电压与第三阀值相比较；以及 基于第一和第二相电流、DC链路电压、以及跨第三相上的开关的电压与第一、第二和第三阀值的比较，判定至AC电动机的三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障的存在。
13.根据权利要求12的方法，其中在AC电动机处于停止状态时，在AC电动机驱动器中检测接地故障。
14.根据权利要求13的方法，进一步包括当第一和第二相电流之一高于第一阀值，并且DC链路电压高于第二阀值时，宣布接地故障。
15.根据权利要求13的方法，进一步包括当第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，以及跨PWM逆变器中的与三相输出中的第三相对应的开关的电压高于第三阀值时，宣布接地故障。
16.根据权利要求12的方法，其中在AC电动机正在运行时，在AC电动机驱动器中检测接地故障。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括: 确定电动机输出参考电压的d-q电压分量；和 将电动机输出参考电压的d_q电压分量与第四阀值相比较。
18.根据权利要求17的方法，进一步包括当第一和第二相电流之一高于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，并且电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值时，宣布接地故障。
19.根据权利要求17的方法，进一步包括当第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值，并且跨PWM逆变器中的三相输出中第三相上的开关的电压高于第三阀值时，宣布接地故障。
20.根据权利要求12的方法，其中所述多个开关包括多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)； 并且其中，当确定接地故障存在时，该方法进一步包括关断所述多个IGBT，以便保护AC电动机驱动器免受接地故障引起的损坏。
21.根据权利要求12的方法，其中第三阀值包括电压阀值，并且其中当跨第三相上的开关的电压超过该电压阀值时，跨第三相上的开关的关联电流超过对应的电流阀值。
22.一种用于检测AC电动机驱动器中接地故障的系统，该系统包括: 电流传感器对，用于测量AC电动机驱动器的三相输出中的第一相和第二相上的电流； 电压传感器，用于测量AC电动机驱动器中DC链路上的DC链路电压； 去饱和控制电路，其被配置为确定跨AC电动机驱动器中逆变器的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电压和关联电流，该去饱和控制电路确定至少在三相输出中的第三相上的电压和关联电流；以及 控制器，其被配置为: 将在三相输出中的第一相和第二相上所测量的电流与第一阀值相比较； 将所测量的DC链路电压与第二阀值相比较； 将跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压与第三阀值相比较；以及 如果满足以下条件，则宣布三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障: 第一和第二相电流之一高于第一阀值，并且DC链路电压高于第二阀值；或者第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，并且跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电压高于第三阀值。
23.根据权利要求22的系统，其中控制器被进一步配置为: 确定电动机输出参考电压的d_q电压分量； 将电动机输出参考电压的d_q电压分量与第四阀值相比较；以及 如果满足以下条件，则宣布三相输出中的第一、第二和第三相之一上的接地故障: 第一和第二相电流之一高于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值,并且电动机输出参考电压的d_q电压分量低于第四阀值；或者 第一和第二相电流低于第一阀值，DC链路电压高于第二阀值，电动机输出参考电压的d-q电压分量低于第四阀值，并且跨逆变器中的与第三相对应的IGBT的电流高于第三阀值。
【文档编号】H02H3/16GK104285350SQ201380023469
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年4月23日 优先权日:2012年5月4日
【发明者】H·李, Y·L·法米利安特 申请人:伊顿公司
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