本发明一般涉及一种故障检测系统。
背景技术：
故障检测系统保护功率电子器件免受由于电源中断、输入功率质量差以及功率电子器件部件故障所引起的故障状况影响。已有的故障检测系统有许多缺点和劣势。仍然存在未满足的需求，包括改善响应时间、降低系统复杂度以及增加对故障的敏感度和选择性。例如，带有输入变压器的保护电动机驱动的某些故障检测系统需要在变压器的初级绕组和次级绕组上设置多个传感器。检测故障需要来自每一个传感器的输入，这就增加了检测方案的成本和复杂度。因此，对本文所公开的独特的设备、系统、方法和技术存在显著的需求。
技术实现要素：
为了清晰、简洁和准确描述本公开的非限定性示例性实施例、制作和使用本公开的非限定性示例性实施例的方式和过程的目的，将引用某些示例性实施例，包括在图中示出的部分，并且将使用特定的语言来描述非限定性示例性实施例。然而需要明白的是，并未因此建立对本公开范围的限定，并且本公开包括并保护本领域技术人员在本公开的帮助下对各示例性实施例所作的改变、修改以及进一步的应用。
附图说明
示例性实施例包括用于故障检测系统的独特的系统、方法、技术和设备。本公开的更多的实施例、形式、目的、特性、优势、方面和益处将从下文的描述和附图中变得显而易见。
图1示出了示例性故障检测系统。
图2示出了另一个示例性故障检测系统。
具体实施方式
参照图1，示出了包括受保护设备110和故障检测系统130的示例性功率系统100。在所示实施例中，设备110为中压驱动器。应当明白的是，系统100可以实施在各种应用中，举几个例子来说，包括低压驱动器应用、高压驱动器应用以及ac/ac功率变流器。
系统100包括电源101。在所示实施例中，电源101为功率网络，例如公用电网。在其他实施例中，电源101为发电机、风力发电机组、耦合到逆变器上的dc电源或者构造成输出交流(ac)电的其他电源。在所示实施例中，电源101提供三相ac功率。在某些实施例中，电源101输出单相ac功率。在其他实施例中，电源101提供另一种类型的多相ac功率。
电源101耦合到中断(保护)设备105。在所示实施例中，设备105为断路器。在其他实施例中，设备105为开关、继电器或者构造成中断来自电源101的电流流动的其他类型设备。
受保护设备110耦合到保护设备105。在所示实施例中，设备110为中压驱动器，该中压驱动器包括变压器111、多个整流器117、dc连接121以及逆变器123。变压器111包括初级绕组113和四个次级绕组115。在某些实施例中，次级绕组115的数目可以多于或者少于图1中示出的次级绕组115的数目。变压器111被构造成用初级绕组113接收来自电源101的ac功率，对接收的ac功率升压或者降压，并且用多个次级绕组115输出调整后的ac功率。在所示实施例中，每个次级绕组115都被构造成输出三相功率。
每个次级绕组115都耦合到多个整流器117中的一个整流器，该整流器被构造成从多个次级绕组115中的一个次级绕组接收ac功率，把ac功率转换为dc功率，并且输出该dc功率。多个整流器117串联耦合在一起。在所示实施例中，多个整流器117中的每一个整流器都包括无源部件，例如二极管。在其他实施例中，多个整流器117中的一个或者多个整流器包括有源部件，例如半导体开关。
多个整流器117中的两个整流器耦合到包括第一母线119a和第二母线119b的dc母线上，并被构造成接收来自多个整流器117的经转换的dc功率。dc连接121耦合到母线119a与母线119b之间。在所示实施例中，dc连接121包括两个串联耦合的电容器。在其他实施例中dc连接121包括一个或者多个串联耦合的电容器。
逆变器123耦合到母线119a和母线119b上并且被构造成接收dc功率、把该dc功率转换为三相ac功率，并且输出该ac功率。在其他实施例中，逆变器123被构造成输出单相ac功率或者另一种类型的多相ac功率。负载103耦合到逆变器123并且被构造成接收来自逆变器123的经转换的ac功率。在所示实施例中，负载103是被构造成接收中压功率的马达。在其他实施例中，负载103是被构造成接收ac功率的任意设备或者系统。
故障检测系统130包括第一组传感器133，该第一组传感器133被构造成测量从电源101传输到变压器111的ac功率的电气特性。故障检测系统130还包括第二组传感器135，该第二组传感器135被构造成测量从受保护设备110传输到负载103的ac功率的电气特性。当负载103为具有耦合成星形连接绕组的电力机械时，传感器组135的每一个传感器都可以耦合在绕组末端与中性点之间。对于每一相，每个传感器组133和135都包括一个传感器。传感器组133和135可以是被构造成测量电流的电流传感器。在某些实施例中，传感器组133和135被构造成测量用于计算电流的电气特性。在某些实施例中，传感器133和135被构造成测量电流有功或者无功分量。
故障检测系统130还包括构造成测量dc连接121的电气特性的dc母线传感器136。在某些实施例中，传感器136被构造成测量dc连接121两端的dc母线电压。
故障检测系统130包括控制器131，该控制器131被构造成接收来自传感器组133和135以及传感器136的信息，例如数据或者信号，并且使用该从传感器接收到的信息来确定在受保护设备110中是否发生故障状况。例如，控制器131可以检测电流不平衡、变压器111失灵、整流器117失灵、接地故障、单相故障、多相故障以及穿越状况。
控制器131被配置成使用来自dc母线传感器136的信息对来自传感器组133或者传感器组135的信息进行缩放，以确定在系统100中是否发生故障状况。故障检测的概念可以由以下示例示出。假设负载103是电机，其要求额定电压4000v、功率因数0.85的1mw功率。电源101以13800v的额定电压向受保护设备110传输功率，dc连接电容器额定电压为6000v，并且系统100的效率为95％。0.2欧的损耗常数表示系统100的预期损耗。所需的输入功率可以由以下等式确定，其中pnominput是由受保护设备110从电源101处接收的输入功率，pload是由受保护设备110向负载103的功率输出，且ηtotal是系统效率：
使用等式(1)，受保护设备110接收的额定功率为1.053mw。
负载电流可以用以下等式计算，其中inomload是由受保护设备110向负载103的额定电流输出，并且vnomload是由受保护设备110向负载103的功率输出的额定电压：
使用等式(2)，受保护设备110向负载103的负载电流输出被计算为144.38a。
额定输入电流可由以下等式计算，其中inominput是从电源101到受保护设备110的额定电流输入，并且vnominput是由电源101至设备110的所传输功率的额定输入电压：
使用等式(3)，从电源101至受保护设备110的额定电流输入被计算为44.039a。
在第一种情形中，传感器组133检测到从电源101到受保护设备110的42a的电流，传感器组135检测到从受保护设备110到负载103的140a的电流，并且dc母线传感器136检测到6700v的dc连接电容器电压。为了确定系统中是否发生故障，控制器131使用所测量的dc母线电压和预期dc母线电压计算比例系数。控制器131用以下等式来计算预期dc母线电压，其中vdcexp是预期dc母线电压值，vnomdc是额定dc母线电压，i1input是传感器组133测量的电流，并且kdc是损耗常数：
vdcexp＝vnomdc+(inominput-i1input)×kdc(4)
使用等式(4)，计算出的预期dc母线电压约为6.6kv。
比例系数可以用以下等式计算，其中k1是比例系数，并且v1dc是传感器136测量的电压：
使用等式(5)，计算出的比例系数k1为1.015。
用下列一组等式，计算受保护设备110接收功率和设备110输出功率的差值，其中p1input是计算得到的输入功率，p1out是计算得到的输出功率，并且pdiff为功率差值百分比：
使用等式组(6)，计算出的输入功率p1input是1.019mw，计算出的输出功率p1out是0.97mw，并且计算出的功率差值百分比pdiff是0.191％。在pdiff具有该值时，控制器131未检测出故障。
在第二种情形中，传感器组133检测到从电源101到受保护设备110的40a的电流，传感器组135检测到从受保护设备110到负载103的50a的电流，并且dc母线传感器136检测到6700v的dc连接电容器电压。使用等式(4)，计算出vdcexp约为6.6kv。使用等式(5)，计算出的k1是1.015。使用等式组(6)，计算出的输入功率p1input是0.97mw，计算出的输出功率p1out是0.346mw，并且计算出的功率差值百分比pdiff是166.14％。在pdiff具有该值时，控制器131检测出了故障。
在所示实施例中，控制器131耦合到保护设备105，并且被构造成：响应于确定系统100中发生故障已持续一段时间，向设备105传输中断信号。控制器131还耦合到外部设备137，并且被构造成：响应于确定系统100中发生故障已持续一段时间，向设备137传输警告信号。在某些实施例中，该时间段为一个周期。在某些实施例中，该时间段由故障的严重性确定。在某些实施例中，外部设备137是scada网络。在某些实施例中，控制器131可以耦合到外部设备137或者保护设备135上。应当明白的是，系统100上文提到的任何或者全部特性也可以存在于本文中公开的其他故障检测系统中。
参照图2，示出了包括监测系统230的示例故障检测系统200。电源201耦合到保护设备205，且该保护设备构造成接收来自电源201的ac功率。受保护设备210耦合到保护设备205，且被构造成接收来自设备205的ac功率、把该ac功率转换成dc功率，把该dc功率转换成ac功率，并且输出该ac功率。负载203耦合到受保护设备210，且被构造成接收设备210的ac功率输出。监测系统230包括电流测量设备223和235，电流测量设备223和235被构造成测量系统200的电气特性，并且将所测量的电气特性输出至控制器231。受保护设备210包括dc母线和监测系统230的dc母线传感器，该dc母线传感器被构造成测量dc母线的电气特性，并且将所测量的电气特性输出至控制器231。
控制器231包括变量转换模块237和239、比例模块241、减法模块243、逻辑模块245、警告模块249以及故障模块247。变量转换模块237被构造成接收来自设备233的测量值，将该测量值从旋转参考系转换到静止参考系，并且输出所转换的测量值至减法模块243。转换模块239被构造成接收来自设备235的测量值，将该测量值从旋转参考系转换到静止参考系，并且输出所转换的测量值到比例模块241。比例模块241被构造成接收来自模块239的所转换的测量值以及来自受保护设备210的dc母线测量值，并且使用来自受保护设备210的dc母线测量值对所接收的转换后的测量值进行缩放。比例模块241继而被配置成向减法模块243输出该缩放后的测量值。减法模块243被配置成从模块237的输出减去模块241的输出，并且把结果传输到逻辑模块245。
逻辑模块245被构造成接收来自设备233和235的测量值，以及来自减法模块243的计算值。使用所接收到的值，逻辑模块确定在系统200中是否有故障发生。如果逻辑模块确定在系统200中有故障发生，警告模块249可以与诸如scada网络的外部设备137通信，并且故障模块247可以与保护设备205通信，该保护设备205被配置成中断从电源201到受保护设备210的电流流动。
许多示例性实施例的进一步书面描述将在这里提供。一个实施例是故障检测系统，包括：ac/ac变流器，包括dc母线的，该ac/ac变流器被构造成接收ac功率且提供ac功率；dc母线传感器，被构造成测量dc母线电气特性；输入传感器，被构造成测量由该ac/ac变流器接收的ac功率的电气特性；输出传感器，被构造成测量由ac/ac变流器提供的ac功率的电气特性；以及监测设备，该监测设备被配置成接收来自dc母线传感器、输入传感器和输出传感器的测量值信息，并且使用评估来确定ac/ac变流器内故障状况的存在，该评估是结合dc母线传感器的测量值信息的、输入传感器和输出传感器中的一个的测量值信息相对于输入传感器和输出传感器中的另外一个的测量值信息的评估。
在前述系统的某些形式中，输入传感器测量由ac/ac变流器接收的ac功率的电流，输出传感器测量由ac/ac变流器提供的ac功率的有功分量，并且dc母线传感器测量dc母线两端的电压。在某些形式中，监测设备配置成通过将输出传感器的测量值和输入传感器的测量值中的一个测量值进行缩放，并且将该输出传感器的测量值和输入传感器的测量值中的缩放的测量值与输出传感器的测量值和输入传感器的测量值中的另外一个测量值进行比较，来检测故障。在某些形式中，使用dc母线传感器的测量值来确定该缩放的大小。在某些形式中，ac/ac变流器监测设备配置成检测故障状况，该故障状况包括电流不平衡、ac/ac变流器子部件的短路以及ac/ac变流器子部件的开路故障当中的一个或者多个。在某些形式中，监测设备被配置成：响应于确定故障状况的存在，向保护设备传输中断信号，该中断信号被构造成指令保护设备来中断ac/ac变流器接收的ac功率的流动。在某些形式中，ac/ac变流器是包括变压器的变速驱动器。在某些形式中，系统包括电机，该电机具有多个在中性点连接处耦合的定子绕组，并且输出传感器被构造成测量该中性点连接点处的电特性。
另一个示例性实施例为耦合到功率系统的监测系统，该功率系统包括受保护设备，该受保护设备被配置成接收ac功率、把所接收的ac功率转换为dc功率，把该dc功率转换为ac功率、并且输出所转换的ac功率，该监测系统包括：第一传感器，被配置成测量由该受保护设备接收的ac功率；第二传感器，被配置成测量由该受保护设备输出的ac功率；第三传感器，被配置成测量dc功率；监测设备，被构造成从第一传感器、第二传感器以及第三传感器接收测量值，并且该监测设备被配置成使用评估来确定在受保护设备中是否有故障发生，该评估是、结合第三传感器的测量值中的一个测量值的、第一传感器的测量值中的一个测量值相对于第二传感器的测量值中的一个测量值的评估。
在前述系统的某些形式中，受保护设备接收的ac功率为多相ac功率。在某些形式中，第一传感器被配置成被测量由受保护设备所接收的ac功率的多相电流，第二传感器被配置成测量由受保护设备输出的ac功率的多相电流，并且第三传感器被构造成测量dc功率的电压。在某些形式中，监测设备被配置成通过对第一传感器的测量值和第二传感器的测量值中的一个值进行缩放，并且将第一传感器或者第二传感器缩放后的测量值与另一个传感器的测量值进行比较，以确定在受保护设备中故障的发生。在某些形式中，故障为电流不平衡、受保护设备中的短路状况、接地故障、马达穿越状况以及受保护设备中的开路状况中的一个。在某些形式中，系统包括保护设备，该保护设备被构造成：响应于使用来自第一传感器、第二传感器以及第三传感器的测量值确定故障发生，来中断ac功率向受保护设备的流动。在某些形式中，监测设备被配置成：响应于使用来自第一传感器、第二传感器以及第三传感器的测量值确定故障发生，来向通信网络传输警告消息。
又一个示例性实施例是用于保护设备的方法，该设备包括变流器，该变流器被构造成接收ac功率、把该ac功率转换为dc功率、把该dc功率转换为ac功率，并且输出所转换的ac功率，该方法包括：测量该设备接收的ac功率；测量dc功率；测量该设备输出的ac功率；使用dc功率的测量值，对该设备接收的ac功率的测量值或者该设备输出的ac功率的测量值进行缩放；将该设备接收的ac功率的测量值中的一个测量值和该设备输出的ac功率的测量值中的一个测量值中经缩放的测量值，相对于该设备接收的ac功率的测量值的一个测量值和该设备输出的ac功率的测量值中的一个测量值中的另一个测量值进行比较；并且响应于对该设备接收的ac功率的测量值与设备输出的ac功率的测量值进行比较，来确定该设备内故障状况的发生。
在前述方法的某些形式中，设备接收的ac功率和设备输出的ac功率是多相ac功率，并且对设备接收的ac功率的测量值与设备输出的ac功率的测量值进行比较包括对每一相计算所缩放的测量值与另一个测量值之间的差值。在某些形式中，该方法包括响应于确定该设备中有故障状况发生，来中断ac功率向设备的流动。在某些形式中，设备为包括变压器和变流器的变速驱动器。在某些形式中，故障状况包括变压器相故障或者无源整流器短路状况。
可以设想的是，除非另有明确说明，否则各实施例中的各个方面、特性、过程以及操作可以用于其他任何实施例中。示出的某些操作可以通过计算机在非瞬态计算机可读存储介质中执行计算机程序产品来实施，其中该计算机程序产品包括使得计算机执行一个或者多个操作的指令，或者向其他设备发出执行一个或者多个操作的命令。
在已经用附图和上文描述详细示出和描述本公开的同时，该附图和描述应被认为本质上是示意性的而不是限制性的，应该明白的是仅有特定的示例实施例被示出和描述，并且所有符合本公开含义的改变和调整都期望得到保护。应该明白的是，在上文描述中使用的诸如“优选的”、“优选地”或者“更优选地”这些词语表明这样描述的特性可能更为可取，然而这些词语可以不是必需的并且缺少这些词语的实施例可以认为在本公开当中由下文的权利要求所限定的范围之内。在阅读权利要求时，当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或者“至少一部分”这样的词语时，并没有意图将该权利要求限定为只有一个项目，除非权利要求中另有特别地相反的说明。术语“...的…”可以表示与另一个项目的联系或者连接，也可以表示属于其他项目或者与其他项目连接，根据该术语使用处的上下文来确定。术语“耦合到”、“耦合于”以及类似术语包括非直接的连接和耦合，并且进一步地但不是必须包括直接耦合或者连接，除非另有明确相反指示。当使用语句“至少一部分”和/或“一部分”时该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非另有明确相反说明。