专利名称：用于测量it网络隔离电阻的方法
技术领域：
本发明描述了一种用于确定独立的完全隔离电网、即所谓IT网 络中的隔离电阻的方法。这种类型的IT网络例如应用在汽车中。
背景技术：
IT网络一般被认为是这样一种电气技术网络形式，其中馈电电 源不是像通常那样接地。这样，在第一种故障情况下，例如绝缘故障， 不会建立起闭合的电流回路，并且也不会发生危险的电流流过人体的 情况。同样，在第一种故障下，不必停止IT网络的操作，这得到了较 高的故障安全性。但是缺点在于，只要相对于地的隔离没有由隔离监 控装置测量到，这种笫一故障也不会被识别出来。根据现有技术的IT 网络是本发明的出发点，具有至少一个电源、最好是发电机，至少一 个整流器，带有至少一个电容器和至少一个变流器的中间电路，以及 用于测量中间电路电压的测量装置。基于IT网络的上述特性，在操作开始时以及在操作期间对隔离 进行控制是特别有利的。为此，EP0751396B1描述了一种方法，它需 要超出现有IT网络的额外电路技术开销。IT网络中已知的主要故障情况是隔离电阻的不同类型的变化， 这些变化都必须通过适当地监控可靠地识别出来。在这些故障情况中 例如包括隔离的老化，这会导致时间上;f艮緩慢的、甚至往往在所有阶 段对称的隔离电阻变化。同样已知的一种故障情况例如是由于隔离的 损坏，这在大多数情况下仅在一个阶段造成隔离电阻的时间上快速的 变化。
发明内容
本发明的任务在于提出一种用于测量IT网络中隔离电阻的方 法，其中这种测量能够可靠地识别出对称的变化以及非对称的变化， 并且其中所需要的额外电路技术开销应当尽可能地小。根据本发明，这一任务通过具有权利要求1所述特征的措施来完 成。在从属权利要求中描述了优选的实施方式。本发明的构思是从一种IT网络出发，其最好具有发电机或其它 电源，具有通过所述电源来馈电的直流中间电路，以及至少一个自换 向的变流器。所述变流器具有至少一个第一功率开关和第二功率开关， 以及一个中央抽头。此外，所述IT网络具有一个用于测量中间电路电压的测量装置。 所述测量装置最好具有一个对称设计的分压器和两个相应的测量单 元，用于相对于地电位对两个中间电路电位进行电位测量。根据本发明的用于测量隔离电阻的方法由"离线"测量和"在线" 测量组成。在离线测量期间，例如在操作开始时，所有变流器的所有 第一或第二功率开关都闭合。在这种开关状态下，对中间电路的两个电位进行测量。当测得的电位为非对称的情况下并且通过测量单元所 了解的情况，在测量电子的特殊情况下，可靠地识别出发生了隔离故 障。通过有选择地断开不同的功率开关可以对这种故障进行定位。同 样，借助于这种离线测量可以对测量装置本身的功能进行测试。当所 有开关都断开时，中间电路的两个电位必须在数值上相同。当一个开 关闭合时，测量值必须遵照一个已知的时间特性。具有优点的是，在 电位测量中由所存在的寄生负载电容引起的瞬态过程被用于对隔离测 量单元的功能进行检验，从而对于隔离故障的这类模拟不需要额外的 硬件开销。在IT网络操作期间的在线测量再次对上述的两个电位进行测 量，并对该次测量的时间特性进行分析。在第一种实施方式中，将测 得的两个电位相加，接着对相加之和进行傅立叶变换，并针对其时间 特性对频i脊的变化进行分析。在在线测量的第二种实施方式中，将测得的两个电位相加，将相
加的和的数值适当求平均，并针对其时间特性对这个平均值进行分析。
将借助具体实施例和图l至6更详细地描述本发明的技术方案。 图1示出了一种根据现有技术的IT网络。图2 示出了在第一种示例隔离故障的情况下IT网络中的反用 换流器和电机。图3示出了在其他示例隔离故障的情况下IT网络中带有整流器 的发电机和测量单元。图4示出了在没有隔离故障的情况下在线测量时的电位变化。图5示出了在第一种隔离故障的情况下在线测量的测量值之和的 数值的时间特性。图6示出了在第二种隔离故障的情况下在线测量的测量值之和的 数值的时间特性。
具体实施方式
图1示出了一种根据现有技术的IT网络，其例如可以应用在公 路汽车中。这种IT网络具有一个用于产生电流的发电机10，在其之 后接有一个用于为直流中间电路30供电的有源整流器20。具有优点 的是，所述中间电路30还具有至少一个用于存储能量的电容器32。 在所述中间电路30上连接有一个带有电池60的直流逆变器40。同样， 这里在中间电路30上还连接有两个反用换流器50a/b，其分别带有一 个电机70a/b。为了测量中间电路电压，还连接有一个测量单元80。图2在第一种示例隔离故障卯a的情况下IT网络中的反用换流 器50和电机70。所述直流中间电路30为一个自换向的反用换流器50 馈电，其中所述反用换流器具有三个第一功率开关52a/b/c。每个功率 开关由至少一个IGBT (绝缘栅极双极性晶体管)和至少一个空栽二 极管56形成的反并联结构组成。类似地，反用换流器还具有三个同样 由IGBT和空载二极管56形成的功率开关54a/b/c。三个第一功率开
关52a/b/c和三个第二功率开关54a/b/c构成了三相反用换流器50的 桥电路。在所述三相的输出端设置了电机70。其阻抗表现为每相分别 由一个欧姆电阻和一个电感组成的串联电路的形式。这里电阻90a表示发生了一种隔离故障。这个电阻90a的值Rf 借助于本发明所述的方法来确定。图3示出了在其他可能的隔离故障的情况下，作为IT网络一部 分的带有整流器20的发电机10的例子。图中所示为发电机10的内部 电阻和电感，以及寄生电容92a/b/c，其数量级为十分之一纳法，其在 IT网络操作中会对相对于地电位的阻抗起到作用。同样示出了在所考虑的IT网络中为了对其进行调节在现有技术 中已经存在的测量单元(80，参照图1)。这个测量单元由一个第一 分压器82和一个第二分压器84构成。所述分压器被设计为对称形式， 并与相应的中间电路电位以及地电位相连。中间电路30的第一电位 Uzkp经由第一分压器82而下降，第二电位Uzkm经由第二分压器84 而下降。分压器被如此设计，使得相应的第一电阻820、 840的数量级 Rl为兆欧姆，相应的第二电阻822、 842的数量级为千欧姆。这两个 电阻之间分别设置用于相对于地电位测量相应的第一电位Up及第二 电位Um的抽头。此外，图中示出了多个电阻90b/c/d/e，其代表不同的隔离故障 Rf,其可能单个出现或者成组地出现。例如，IT网络中的隔离的时间 上緩慢的改变可通过均匀地减小电阻90c/d/e的所有电阻值来体现。而与此相对地，电阻90b的电阻值Rf的减小对应于中间电路30 的第一电位的隔离的变差。为了进行离线测量以及借助微控制器来确定隔离电阻，所述微控 制器是所述测量单元80的组成部件，所考虑的IT网络的所有变流器 (对照图1和图2)的所有第一开关52a/b/c和所有第二开关52a/b/c 均闭合。通过这种切换方式，所考虑的IT网络的所有导线整体上通过 测量其隔离电阻来进行检验，从而确定整个IT网络的隔离电阻。为了 进行这种测量，只需要一个测量单元80的电路部件，这些电路部件根
据现有技术总是包含在作为本发明的出发点的所考虑的IT网络中。特别有利的是，测量单元80的这两个部件相对于与地电位的连 接的中点对称形成，从而以下述方式实现了图2所示的例如对隔离故 障90a的测量。中间电路电压Uzk可以和隔离故障的电阻值Rf无关，如下所示 Uzk = (((Rl + R2) Up) / R2) + (((Rl + R2). Um) / R2) 其中Uzk=中间电路电压Rl =电阻820、 840的电阻值R2 =电阻822、 842的电阻值Up =通过测量单元860测得的电位 Um =通过测量单元862测得的电位隔离故障卯a的电阻值Rf越小，则Up与Uzk之间的比也越小。 在地端以及最小值为Rf = 0时，Up也等于零。对上述等式进行变形 并消去Um得到Up = Uzk (R2 / (Rl + R2)). (Rf / (Rl + R2 + 2 . Rf)) 其中111>>112,该等式可以简化为 Up = Uzk (R2 / Rl) (1 / ((R1/ + 2)当现在合理地选择R1/R1时，后接的A/D转换器的测量范围得 到充分利用，在测量精度为1%、测量阻抗例如为1MQ的情况下，得 到要检测的Rf的最小值的数量级为10kft。这种分辨率对于隔离监控 的 一般要求来说已经足够了 。为了定位隔离故障，第一或第二开关可以单独地闭合，然后重复 进行所述测量，从而确定发生了隔离故障的区域。在线测量的实现与上面所述的所考察的IT网络正常工作中的离 线测量不同。对电阻Rf的分析计算由于例如所考虑的IT网络阻抗92 a/b/c的变化和复杂性而不可能借助于一个在现有技术中作为测量单 元的一部分的微控制器来完成。根据本发明进行在线测量的方法的第 一种实施方式例如借助于图3和图4来描述。在IT网络的理想情况下，并且在没有发生隔离故障的工作中，在每个操作时间点，电位Up和Um是相对于地电位对称的，因此它 们的数值相等。因此在形成相加之和的过程中得到了近似为零的值2U (参照图4)。其中，由于相应测量单元860或862的测量值Up或Um发生了改变，隔离故障会使得所形成的相加之和的值i:u偏离零线，从而能够识别出隔离故障(90b，参照图3)。在考虑了所有阻抗的情况下，在没有发生隔离故障时，对和值EU 的傅立叶变换得到了一个频镨，这个频语可以在微处理器中计算，并 与新的计算结果进行比较被存储。通过用分别调节的反用换流器输出 电压的基波对要存储的值进行归一化，有利地降低了为存储已经执行 的测量所需的开销。在三相上非对称出现的每个隔离故障导致了所述 频谱的改变，其通过与所存储的值的比较并通过适当的分析可以被识 别出来。频镨的改变既涉及所出现的频率也涉及其幅度。所有三相的隔离电阻的完全对称的改变，即电阻(90c/d/e，参照 图3)的电阻值的对称改变，对于这里所述的在线测量的第一种实施 方式是不可能发生的。根据本发明进行在线测量的方法的第二种实施方式例如借助图 3、图5和图6来描述。其中，将电位测量的测量值相加，由和值2U 适当地得到数值并从中得到时间上的平均值，并将其存储在微控制器 中。图5示出了在图3中的三个电阻90c/d/e中的任意一个的阻值例如 为80kQ的情况下，形成平均值的过程以及该平均值。与此相比，图 6示出了这样一个过程其中图3中的三个电阻90c/d/e中的任意两个 的阻值分别为160kQ，像图5中一样，隔离的总电阻为80kfl。将实际值与存储在微控制器中的值进行比较，并对这个比较结果 进行适当的分析，同样可以检测出IT网络中的隔离故障。
权利要求
1.一种用于测量IT网络中隔离电阻的方法，所述IT网络具有直流中间电路(30)和至少一个自换向的变流器(50a/b)，所述变流器具有至少一个第一功率开关(52a/b/c)和第二功率开关(54a/b/c)，所述IT网络还具有一个用于相对于地电位(100)测量中间电路电压的测量装置(80)，所述测量装置具有分压器(82，84)和两个相应的电位测量单元(860，862)，所述方法由离线测量和在线测量组成，其中，在离线测量期间，所有的第一功率开关(52a/b/c)或第二功率开关(54a/b/c)都闭合,分别测量电位Up及Um，以及中间电路电压Uzk，并由此确定隔离电阻Rf，其中，在在线测量期间，对这两个电位Up和Um进行测量，并适当地分析所述测量的时间特性。
2. 根据权利要求l的方法，其中在在线测量期间，将测得的两 个电位相加，对这个和进行傅立叶变换，并针对其时间特性分析频镨 的改变。
3. 根据权利要求l的方法，其中在在线测量期间，将测得的两 个电位相加，并适当对这个和的数值求平均，并针对其时间特性分析 这个平均值。
4. 根据权利要求l的方法，其中在离线测量期间，在电位测量 中由所存在的寄生负载电容引起的瞬态过程被用于对隔离测量单元的 功能进行检验。
5. 根据权利要求l的方法，其中所述分压器(82， 84)被设计 为对称的。
6. 根据权利要求l的方法，其中所述功率开关(52a/b/c，54a/b/c) 被设计为带有并联的空载二极管(56)的IGBT (绝缘栅极双极性晶 体管)。
全文摘要
本发明描述了一种用于测量IT网络中隔离电阻的方法。其通常具有直流中间电路和至少一个自换向的变流器，所述变流器具有至少一个第一功率开关和第二功率开关。同样，一个用于相对于地电位测量中间电路电压的测量装置是IT网络的组成部件，它由分压器和两个相应的电位测量单元组成。所述方法具有离线测量和在线测量，其中在离线测量期间，所有的第一或第二功率开关都闭合，分别测量电位Up及Um，以及中间电路电压Uzk，并由此确定隔离电阻Rf。在在线测量期间，对这两个电位Up和Um进行测量，并适当地分析所述测量的时间特性。
文档编号G01R27/02GK101101310SQ200710127979
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月6日 优先权日2006年7月8日
发明者克劳斯·巴克豪斯 申请人:塞米克朗电子有限及两合公司