用于检测功率转换器的直流供电线上的缺陷的方法和系统

摘要

本发明涉及一种用于检测连接至配电网络（RD）的功率转换器的DC供电总线上的缺陷的方法。该方法包括步骤：确定转换器的DC供电总线的电压（Vbus）的平均值

说明书

技术领域

本发明属于一种用于检测功率转换器的DC供电总线上的缺陷的方法。

本发明还属于一种能够实现所述方法的检测系统。

背景技术

已知，功率转换器包括对其施加DC电压的DC供电总线。DC供电总 线包括两条供电线。在DC供电总线的上游，功率转换器包括整流模块，整 流模块旨在对由配电网络提供的AC电压整流，并将它转换为施加到总线的 DC电压。这样的功率转换器还包括总线电容器，总线电容器连接至总线的 两条供电线并旨在将总线电压维持在恒定值。此外，功率转换器可以包括： 连接至DC供电总线的一条、另一条或两条供电线的滤波电感器，以及当开 始可变速驱动时采用的、装有预充电继电器的预充电电路。

因为各种部件的存在，所以DC供电总线容易呈现某些工作缺陷。例如 这些缺陷是：

-总线电容器的超前耗损（wear），

-连接至DC供电总线的电感器线圈之间的短路，

-DC供电总线的电压过载，

-预充电继电器的不合时宜的断开或它的未闭合。

目前的功率转换器没有针对这些缺陷进行保护，也没有包括用于检测它 们的任何简单装置。

本发明的目标是提出一种用于检测功率转换器的DC供电总线上的缺陷 的方法和系统。对于缺陷的检测，检测系统不需要任何额外的传感器。

发明内容

通过一种用于检测连接至配电网络的功率转换器的DC供电总线上的缺 陷的方法来实现此目标，所述功率转换器包括：整流模块，连接至配电网络 并且旨在将由配电网络提供的电压转换为施加到DC供电总线的电压；总线 电容器；电感器及连接至DC供电总线的预充电电路，所述方法包括步骤：

-确定DC供电总线的电压的平均值，

-确定DC供电总线的电压的波纹，

-监视所述平均值相对于所述波纹的变化，

-根据所述变化的速率确定DC供电总线上的缺陷，所述缺陷包括 DC供电总线的电感器上的异常、功率转换器的功率过载或者总线电容器的 超前损耗。

根据特定的特征，监视步骤包括监视DC供电总线的电压的波纹和DC 供电总线的电压的平均值之间的比率。

根据另一特定特征，监视比率的步骤包括相对于第一速率和相对于第二 速率比较所述变化速率。

如果比率的变化速率大于第一速率，则确定步骤包括确定DC供电总线 的电压的平均值是否已经变化。如果DC供电总线的电压的平均值已经变化， 则缺陷包括预充电电路的预充电继电器上的异常。如果DC供电总线的电压 的平均值没有变化，则缺陷包括电感器上的异常。

另一方面，如果比率的变化速率落在第二速率和第一速率之间，则确定 步骤包括确定由功率转换器提供的功率是否已经增加。如果由功率转换器提 供的功率已经增加，则缺陷包括功率转换器的功率过载。如果由功率转换器 提供的功率没有增加，则确定步骤包括在取决于比率的值与极限值之间的比 较步骤。根据执行的比较的结果，缺陷包括总线电容器的超前损耗或配电网 络的频率的变化。

根据本发明，优选地在DC供电总线的电压的第一谐波上并在两个连续 的极值之间测量波纹。

本发明还涉及一种用于检测连接至配电网络的功率转换器的DC供电总 线上的缺陷的系统，所述功率转换器包括：整流模块，连接至配电网络并且 旨在将由配电网络提供的电压转换为施加到DC供电总线的电压；总线电容 器；电感器及连接至DC供电总线的预充电电路，所述系统包括：

-第一装置，用于确定DC供电总线的电压的平均值，

-第二装置，用于确定DC供电总线的电压的波纹，

-用于监视所述平均值相对于所述波纹的变化的装置，

-第三装置，用于根据所述变化的速率确定DC供电总线上的缺陷， 所述缺陷包括DC供电总线的电感器上的异常、功率转换器的功率过载或者 总线电容器的超前损耗。

根据特定的特征，该系统包括第四装置，用于确定DC供电总线的电压 的波纹和DC供电总线的电压的平均值之间比率。

根据另一特定特征，监视装置被设计成将该比率的变化速率相对于第一 速率和相对于第二速率进行比较。

如果比率的变化速率大于第一速率，则第三确定装置被设计成监视DC 供电总线的电压的平均值的变化。如果DC供电总线的电压的平均值已经变 化，则缺陷包括预充电电路的预充电继电器上的异常。如果DC供电总线的 电压的平均值没有变化，则缺陷包括电感器上的异常。

如果比率的变化速率落在第二速率和第一速率之间，则第三确定装置被 设计成监视由功率转换器提供的功率的变化。如果由功率转换器提供的功率 已经增加，则缺陷包括功率转换器的功率过载。如果由功率转换器提供的功 率没有增加，则第三确定装置被设计成实现在取决于比率的值与极限值之间 的比较。根据执行的比较的结果，缺陷包括总线电容器的超前损耗或配电网 络的频率的变化。

根据本发明，该系统包括用于测量或估计总线电容器的内部温度的装 置。

附图说明

在下面针对附图提供的详细描述中，其它特征和优点将变得清楚，在附 图中：

-图1表示包括本发明的检测系统的功率转换器；

-图2表示在本发明的检测方法中实现的算法。

具体实施方式

本发明涉及一种用于检测功率转换器的DC供电总线上的缺陷的方法。 在一种检测系统S中实现此检测方法，检测系统S包括在功率转换器中或连 接至功率转换器。

本发明应用于功率转换器，功率转换器包括：

-整流模块REC，连接至配电网络RD，并且旨在将由网络RD提供的 AC电压转换为DC电压Vbus。

-包括两条供电线的DC供电总线，第一供电线10处于正电势并且第二 供电线11处于负电势。在整流模块REC的输出处，向DC供电总线施加电 压Vbus。

-连接至总线的第一供电线10和第二供电线11的总线电容器Cbus，旨 在将DC供电总线的电压Vbus维持在恒定值。当然，将总线电容器Cbus的 表述理解为也意味着包括连接在一起的几个电容器的组（bank）。

-与第一供电线10和/或与第二供电线11串行连接的至少一个滤波电感 器L1，在总线电容器Cbus的上游。

-与总线的第一供电线10（如图1中）或第二供电线11串行连接的或与 总线电容器Cbus串行连接的预充电电路。通常，此预充电电路包括限流电 阻器RL，与其并联地装有预充电继电器Sw。此限流电阻器RL在DC供电 总线充电阶段期间启动时是起作用的。它使得可以限制通过整流模块REC 的输入电流。一旦总线电容器Cbus已经被充电，就通过闭合并行安装的继 电器Sw来使限流电阻器RL短路。

此外，本发明还可以应用于包括逆变器模块INV的功率转换器，逆变器 模块INV连接在DC供电总线的下游并且被采用来将施加到总线的DC电压 Vbus转换为发往电负载C的交变电压。

本发明的方法使得可以检测在功率转换器的DC供电总线上出现的缺 陷。在检测系统S中实仅仅依靠DC供电总线的电压Vbus的测量来现此方 法。

DC供电总线的电压Vbus分解为平均值和关于其平均值的波纹

从而用下面的方式表示电压Vbus：

$V_{\mathrm{bus}}=\bar{V}+\tilde{V}$

一旦实现连续的传导，如果仅考虑第一谐波，则DC供电总线的电压 Vbus就为：

$V_{\mathrm{bus}}=\bar{V}+{\tilde{V}}_{H1}*\cos \left({6\omega }_{R}t\right)$

DC供电总线的电压Vbus的平均值等于：

其中V_main是简单网络电压（simple network voltage）。

总线的电压波纹的第一谐波是：

${\tilde{V}}_{H1}=V_{\mathrm{main}}\sqrt{2}\sqrt{3}\frac{6}{35\pi }\frac{1}{\sqrt{{(1-{\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2)}^2}}$

其中：

f_R：网络频率，

f₀：LC滤波器的截止频率。

根据本发明，当由功率转换器传递的功率足以允许供电总线的连续传导 时，需要观察DC供电总线的电压Vbus的平均值相对于DC供电总线的 电压Vbus的波纹的变化。在第一谐波上并在两个连续的极值之间执行波 纹的测量从而基于DC供电总线的电压Vbus 的波纹和DC供电总线的电压Vbus的平均值之间的比率η来执行此 监视。

从而用下面的方式表示比率：

$\eta =\frac{\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}}{\bar{V}}$

其中：

$\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}=\frac{4\bar{V}}{35}\frac{1}{\sqrt{{(1-{\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2)}^2}}$

因为通常那么可以作以下近似：

$\sqrt{{(1-{\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2)}^2}={\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2$

即：

$\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}=\frac{4\bar{V}}{35}\frac{1}{{\left(\frac{{6f}_R}{f_0}\right)}^2}=\frac{4\bar{V}}{35}{\left(\frac{f_0}{{6f}_R}\right)}^2=\frac{\bar{V}}{35{\left({6\mathrm{\pi f}}_R\right)}^2\mathrm{LC}}$

基于以上近似，总线电压的波纹和总线电压的平均值之间的比率η可以 写为：

$\frac{\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}}{\bar{V}}=\frac{1}{35{\left({6\mathrm{\pi f}}_R\right)}^2\mathrm{LC}}$

可以用以下形式重写比率η：

$\frac{\tilde{V}{\mathrm{pp}}_{H1}}{\bar{V}}=k{\left(\frac{f_0}{f_R}\right)}^2=\eta$

从而检测系统以确定的或随机的时间间隔，重新获得DC供电总线的电 压Vbus的测量，并且实现用于确定DC供电总线的电压Vbus的平均值和DC供电总线的电压Vbus的波纹的手段3。接下来，检测系统 实现用于基于这个DC供电总线的电压Vbus的平均值并基于DC供 电总线的电压Vbus的对应波纹来确定比率η的手段4。

此后，本发明的检测系统S实现一种用于监视允许其检测DC供电总线 上的可能缺陷的比率η的算法。

在此算法中，检测检测将能够通过比率的变化速率v_η相对于第一速率 v₁（对应于在少于1秒中至少10%的变化）和相对于低于第一速率的第二速 率v₂（对应于几年中25%的变化）的比较来影响比率η的快或慢的增加。如 果比率的增加速率v_η大于第一速率v₁，则增加将被认为是快的，并且如果 比率的增加速率v_η落于第二速率v₂和第一速率v₁之间，则增加将被认为是 慢的。

在图2中图解示出检测算法。

在步骤E1，检测系统S监视比率η。如果总线电容器Cbus的热模型可 获得，则检测系统S可以将比率η对照参考温度，以便改善η的测量精度。

在功率转换操作期间比率η的快速增加可以具有两个原因：

-预充电继电器Sw的断开，如果转换器包括这样的继电器，

-DC供电总线的电感器L1的若干线圈之间的短路。

在步骤E2中，为了区分这两种缺陷，然后检测系统S确定此快速增加 是否与DC供电总线的电压Vbus的平均值的变化有关。

如果比率η的快速增加伴有DC供电总线的电压Vbus的平均值的变 化，则缺陷当然是源自预充电继电器Sw的断开。因此在步骤E3中，检测 系统S推断出在预充电继电器Sw上的缺陷，并且例如向操作员信号示意。

另一方面，如果比率η的快速变化与DC供电总线的电压Vbus的平均值 的变化无关，则此表示缺陷当然源自电感器L1的线圈之间的短路。因此 在步骤E4中，检测系统S推断出在DC供电总线滤波电感器L1上的缺陷， 并且例如向操作员发信号示意。

不管预充电电路的位置是什么，就是说与DC供电总线的供电线10、11 串联（如在图1中）或者与总线电容器Cbus串联，这两种缺陷的检测都有 效。但是在第二种情况下，为了能够为缺陷定性，DC供电总线的电压Vbus 的测量不能包括预充电电路的两端的电压。

参照图2，功率转换器的正常操作期间比率η的慢增加可能具有三种不 同的原因：

-功率转换器的电压过载，

-总线电容器的超前耗损，

-配电网络的频率变化。

在比率η慢增加的情况下，检测系统S在步骤E5中检验由功率转换器 提供的功率Pf的电平。如果由功率转换器提供的功率Pf增加了，则缺陷当 然是源自功率转换器的功率过载。因此在步骤E6中，检测系统S推断缺陷 与功率转换器的功率过载有关，并且例如向操作员发信号示意。

另一方面，如果由功率转换器提供的功率Pf没有增加，则检测系统S 确定缺陷是否于总线电容器Cbus的超前损耗有关。因此，在步骤E7中，检 测系统S执行相对于极限值（lim）的比较，基于比率的参考值η₀确定此极 限值。例如在转换器的第一次上电时确定此参考值η₀，并且通过检测系统S 存储。那么可以想到两种解决方案：

-如果测量了网络的频率f_R，则检测系统S用网络RD的频率f_R乘 以比率η，并且将结果与比率的参考值η₀乘以网络的频率f_R的乘积比较。当 乘积η*f_R的值比η₀*f_R大25%时，总线电容器Cbus将处于它的寿命的终点。

-如果没有测量网络的频率f_R，则检测系统将比率η与表达式 比较，其中“tol”是网络频率的值的容差。当时总线电 容器将处于它的寿命的终点。

在图2的步骤E7中，通过考虑可获得的网络的频率f_R的测量来执行比 较。

如果测量了配电网络的频率，则监视乘积η*f_R直接相当于监视总线电容 器的电容值的倒数。从而，如果检测系统具有采用用于测量或估计总线电容 器的内部温度的装置的总线电容器的热模型，则它能够更精确地估计总线电 容器的剩余寿命。

在步骤E7中执行的比较期间，如果检测系统S推断比率η或比率η乘网 络频率f_R的乘积大于极限值（lim），则检测系统S在步骤E8中推断总线电 容器Cbus的超前损耗，并且例如向操作员发信号示意。

另一方面，在步骤E7中，如果检测系统S推断比率η或比率η乘网络频 率f_R的乘积不大于极限值（lim），则检测系统S在步骤E9中推断功率转换 器中没有缺陷。那么比率η的慢增加仅仅源于配电网络的频率f_R的变化。然 后检测系统可以在步骤E1中恢复监视比率。