專利名稱：具有電流傳感器的扼流器的制作方法
技術領域：
發明一般地涉及感測馬達驅動器中的接地故障。具體地，本發明涉及一種用于感測接地故障的集成共模扼流器。
背景技術：
馬達驅動器通常包 括用于將引入的AC電力轉換為DC電力的轉換器電路，以及用于將DC電力轉換為受控頻率的AC電力輸出的逆變器電路。可以感測AC電力的三個相的輸出電流，以進行馬達控制和保護。例如，可以通過將所有三個測量到的相電流相加來確定接地電流。當三相電流之和超過閾值(例如，馬達驅動器的額定電流的20%)時，可以認為發生了馬達驅動器的接地故障。通常，基于固件的接地故障檢測對三相電流的和進行采樣，對結果進行濾波，并在超過閾值時生成警報。閾值可以能夠被調整為低水平，但該接地故障檢測方法仍然對噪聲和反饋準確度有些敏感。此外，在不穩固地接地的AC電力系統上，接地故障電流可能通常很低(例如，低于10安培)，因此，馬達驅動器在或許應該出故障時可能沒出故障。這樣，基于固件的接地故障警報方法不能可靠地檢測馬達驅動器的接地故障。因此，需要對馬達驅動器的低水平的接地故障電流進行更可靠的檢測。
發明內容
本發明一般地涉及用于檢測馬達驅動器系統中的接地故障(即，線路接地故障)的系統和方法。具體地，這里說明的實施例包括馬達驅動器系統的共模扼流器，共模扼流器的芯周圍纏繞著附加(即，副)匝(turn)。這些副匝是除纏繞共模扼流器的芯的多組主匝之外、且與該多組主匝分開的匝，每一組主匝與共模扼流器直接耦合到的AC電力的相相對應。副匝與負載電阻器串聯地端接(terminate)。可以通過監視跨負載電阻器的電壓來檢測接地故障。更具體地，這里描述的實施例包括控制器，控制器包括這樣的程序指令該程序指令用于接收指示跨負載電阻器的電壓的信號，并且用于監視跨負載電阻器的電壓，以確定馬達驅動器系統中何時發生接地故障。
當參考附圖閱讀下面詳細的說明時，將更好地理解本發明的這些和其它特征、方面和優點，在所有附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件，其中圖I是馬達驅動器系統的說明性實施例的圖解表示；圖2A和圖2B是圖I的馬達驅動器系統的共模扼流器的說明性實施例的側視圖；圖3是具有與負載電阻器端接的附加匝的圖2A和圖2B的共模扼流器的說明性實施例的側視圖；圖4是馬達驅動器系統的圖3的共模扼流器的AC電力的三個相的相應三組主匝、附加(副)匝以及負載電阻器的電路圖；以及圖5是跨負載電阻器的電壓隨時間變化的說明性圖表。
具體實施例方式現在轉到附圖，圖I表示根據本公開各方面的馬達驅動器系統10。馬達驅動器系統10被配置為耦合到由附圖標記12指示的AC電源(諸如電網)，并將經調節的電力傳遞給馬達14或任何其它合適的負載。控制器16被耦合到馬達驅動器系統10的電路，并被配置為如下面更充分說明地控制該電路的操作。在當前考慮的實施例中，控制器16可以被容納在驅動器中，或容納在單獨的外殼中。提供適當的線纜(例如，光纖線纜)，以在控制器16和各個驅動器的電路之間傳輸控制信號和反饋信號。在圖I中所示的實施例中，電力濾波電路18可以被設置在馬達驅動器的上游。這種電路可以包括電感器、電容器、斷路器、熔斷器等，這些是一般設計和應用中慣用的。馬達驅動器系統10還可以包括將來自AC電源12的三相AC電力轉換為DC電力的轉換器電路20，該DC電力被施加到DC總線22。轉換器電路20可以是無源的或有源的。即，在當前考慮的實施例中，非切換電路單獨被用來限定將引入的AC電力轉換為施加到DC總線22的DC電力的全波整流器。在其它實施例中，轉換器電路20可以是有源的，包括在導電和非導電狀態之間切換以控制施加到DC總線22的DC電力的特性的受控電力電子開關。另外，可以設置對沿DC總線22傳送的DC電力進行調節的總線濾波電路24。這種濾波電路例如可以包括電容器、電感器(例如扼流器)、制動電阻器等。馬達驅動器系統10還包括逆變器電路26。如本領域技術人員將會了解的，這種電路通常包括諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和二極管的電力電子開關組，其被布置以允許將來自DC總線22的DC電力轉換為受控頻率的AC輸出波形。從而，逆變器生成可以被施加到輸出濾波電路28的三相受控頻率輸出，輸出濾波電路28可以包括耦合各相之間的輸出電力的磁部件。除了電力濾波電路18和/或輸出濾波電路28之外(或者作為電力濾波電路18和/或輸出濾波電路28的一部分)，馬達驅動器系統10可以包括馬達驅動器的上游和/或下游的共模扼流器30。例如，在特定實施例中，馬達驅動器系統10可以包括AC電源12和電力濾波電路18之間的上游共模扼流器30，和/或輸出濾波電路28和馬達14之間的下游共模扼流器30。通常，共模扼流器30被用來減少已知為共模噪聲的電噪聲。此外，共模扼流器30通常防護與其它電氣設備的干擾，其它電氣設備諸如是可編程控制器、傳感器、模擬電路等。另外，如下面更詳細說明的，這里描述的實施例包括部分地用來檢測馬達驅動器系統10的接地故障的共模扼流器30。共模扼流器30可以被用來遵守電磁兼容性(EMC)標準。例如，如圖I中所示，共模扼流器30可以被添加在馬達驅動器系統10的輸出處。具體地，共模扼流器30可以在高電力馬達驅動器中使用。可以通過封裝限制、電力損失和EMC性能來確定共模扼流器30的使用。從150kHz到30MHz測量通常進行的發射頻譜。共模扼流器30可以在150kHz到IMHz的范圍中尤其有用。在大于IMHz時，芯的電感可以適當地下降(例如，用于共模扼流器30的芯的典型材料的磁導率在IMHz以上快速下降)。由于共模芯被設計為滿足通常以短線纜長度測試的EMC規則，所以共模扼流器30的飽和電流可以相對低(例如，大約5-10安培)。 控制器16通常包括控制電路32，控制電路32被配置為通過適當地向逆變器26發送信號(并且，在適當的情況下，向轉換器電路20發送信號)以控制這些電路內的電力電子開關，來實現各種控制方式。控制電路32例如可以包括諸如微處理器、場可編程門陣列(FPGA)、存儲器電路、支持電源等的任何合適的處理器。在馬達驅動器應用中，控制電路32可以被配置為實現各種期望的控制方式，諸如速度調整、轉矩控制、向量控制、啟動方式等。在圖I中所示實施例中，各種功能電路板34被鏈接到控制電路32，并可以用于特定功能。例如，通過使用這種電路可以實現寬范圍的選項，包括上述的控制方式，以及各種通信選項、安全選項等。控制器16通常允許到操作員接口 36的連接，操作員接口 36可以位于控制器處，以及/或者可以遠離控制器。在當前考慮的實施例中，例如，操作員接口 36可以被物理定位在控制器16上，但是是可移除的，以用于手持接口操作。接口電路(例如，便攜式計算機)也可以諸如經由因特網線纜或其它網絡協議(包括標準工業控制協議)永久地或臨時地耦合到控制器16。最后，控制器16可以被耦合到各種遠程監視和控制電路38。這種電路可以包括監視站、控制站、控制室、遠程編程站等。請注意，這種電路也可以包括其它驅動器，使得在期望的情況下馬達驅動器系統10的操作可以與其它設備的操作相協作。這種協作在以協作方式執行大量操作的自動化設定中尤其有用。因此，控制電路32可以與由自動化控制器、單獨的計算機等實現的邏輯相協作地形成其控制。如上所述，可以在沿馬達驅動器系統10的各個點處監視馬達驅動器系統10中的AC電力的所有三個相40、42、44的電流，以控制和保護馬達驅動器系統10。例如，可以通過在沿馬達驅動器系統10的任一點處將馬達驅動器系統10的所有三個相40、42、44的電流相加，來確定接地電流。當三個相40、42、44的電流之和超過閾值(例如，馬達驅動器的額定電流的20% )時，可以認為發生了馬達驅動器系統10的接地故障。接地故障檢測的一個方法包括基于固件進行采樣，以及對三個相40、42、44的電流進行濾波，以在超過三個相40、42,44的電流之和的閾值的情況下，針對馬達驅動器系統10生成警報。閾值可以是能夠調整為低水平，但該接地故障檢測方法仍然對噪聲和反饋準確度有些敏感。該接地故障保護方法可以應用于接地故障電流相對高(例如，大于馬達驅動器的額定電流)的固定接地馬達驅動器系統。在AC電力系統具有相對高電阻接地(HRG)的情況下，當三相AC電源的中性點經由電阻器(例如，中性點接地電阻器)接地時，或者當AC電源被與地隔離時(例如，浮動電力系統)，接地故障電流可能很低(例如，低于10安培)，從而，馬達驅動器系統10在或許應該發生故障時可能沒有發生故障。對于HRG系統，檢測接地故障的另一個方法包括感測跨中性點接地電阻器的電壓，或感測通過中性點電阻器的電流。然而，該接地故障檢測方法是系統級的，這樣，該方法不能識別系統的哪個驅動器發生了故障。接地故障保護的再一個方法包括感測AC輸入線、DC總線或AC輸出線上的驅動器內部到地電壓的中性點(S卩，虛擬的)。通常用電阻器或電容器的網絡創建虛擬中性點。該接地故障檢測方法不僅僅檢測驅動器輸出處的接地故障，而且還檢測在系統中任何地方發生的接地故障。因此，該方法不能鑒別。因此，需要附加的 處理來確定何處發生了接地故障。實際上，在特定情況下，甚至可能無法確定何處發生接地故障。接地故障檢測的再一個方法包括在驅動器的輸出處使用專用接地故障電流傳感器。該傳感器只響應于接地故障電流，而不響應于馬達驅動器的工作電流。這樣，該方法需要通常不使用的附加硬件。該方法能夠明確地識別哪個驅動器具有輸出接地故障，但是不會檢測系統中其它地方的接地故障。如上所述，馬達驅動器系統10可以包括馬達驅動器上游的共模扼流器30 (例如，AC電源12和電力濾波電路18之間的上游共模扼流器30)，或馬達驅動器下游的共模扼流器30(例如，輸出濾波電路28和馬達14之間的下游共模扼流器30)。實際上，盡管示例說明了位于(例如，電氣耦合)馬達驅動器10的上游或下游，共模扼流器30也可以用在沿馬達驅動器系統10的其它位置處。例如，在特定實施例中，共模扼流器30可以直接耦合到DC總線22。如上所述，共模扼流器30通常減少共模噪聲干擾，以及保護免受與其它電氣設備的干擾。然而，如在下面更詳細描述的，共模扼流器30也可以被修改以用作接地故障檢測設備。圖2A和圖2b是圖I的馬達驅動器系統10的共模扼流器30的說明性實施例的側視圖。具體地，圖2A的共模扼流器30是在下游位置處(例如，馬達驅動器和馬達14之間)連接到馬達驅動器系統10的共模扼流器。然而，圖2A中所例示的共模扼流器30可以被用在上游位置處(例如，AC電源12和馬達驅動器系統10之間)，或用在沿馬達驅動器系統10的任何其它位置處(例如，DC總線22上)。如所示出的，共模扼流器30可以被連接到馬達驅動器系統10的三個相40、42、44的每一個。更具體地，馬達驅動器系統10的每一相40、42、44可以包括卷繞(即纏繞)共模扼流器30的總體環形芯46的多個主匝(即，繞組)。更具體地，第一相40可以包括在第一圓周位置50附近纏繞共模扼流器30的芯46的第一組主匝48，第二相42可以包括在第二圓周位置54附近纏繞共模扼流器30的芯46的第二組主匝52，以及，第三相44可以包括在第三圓周位置58附近纏繞共模扼流器30的芯46的第三組主匝56。通常，三組主匝48、52、56可以在共模扼流器30的芯46的圓周上等間隔地設置(即，沿共模扼流器30的芯46的圓周以大約120度間隔彼此分開地設置)。在圖2B中所示實施例中，主匝48、52、56的每一組包括纏繞共模扼流器30的芯46的5匝電繞組。然而，在主匝48、52、56的每一組中可以使用任何合適的匝數。例如，在其它實施例中，主匝48、52、56的每一組可以包括I個、2個、3個、4個、6個、7個、8個、9個、10個或更多匝。通常，基于馬達驅動器系統10所需的共模干擾減少量來確定主匝48、52、56的每一組的匝數。如上所述，這里描述的實施例針對使用圖2A和圖2B中所示修改形式的共模扼流器30檢測圖I的馬達驅動器系統10中的接地故障的方法。更具體地，這里描述的實施例包括與各組主匝48、52、56分開的附加匝。例如，圖3是具有與負載電阻器60端接的附加匝(即，副匝)的圖2A和圖2B的共模扼流器30的說明性實施例的側視圖。更具體地，副匝58的端部匝(即，起始和結束)將被電氣耦合到負載電阻器60。在圖3中所示實施例中，副匝組58包括纏繞共模扼流器30的芯46的3匝附加(即，單獨的)電繞組。然而，在副匝組58中可以使用任何合適的匝數。例如，在其它實施例中，副匝組58可以包括2個、4個、5個、6個、7個、8個、9個、10個或更多匝。如下面更詳細地說明的，跨負載電阻器60的 電壓是通過芯46的共模電流的測量(至少直到芯46飽和為止)。通常，將副匝58設計為使得負載電阻器60和副匝58的插入阻抗不會可感知地影響馬達驅動器系統10的EMC頻譜。另外，負載電阻器60被設計為使得在負載電阻器60中只發生最小電力消耗(例如，峰值和平均值二者)。此外，副匝58和負載電阻器60被設計為使得在負載電阻器60打開(open up)的情況下副匝58上的峰值電壓受限。
如上所述，可以基于跨負載電阻器60的電壓來檢測接地故障。例如，圖4是馬達驅動器系統10的圖3的共模扼流器30的三個相40、42、44的相應三組主匝48、52、56，副匝58以及負載電阻器60的電路圖62。如所不出的,主阻48、52、56的每一組被建模為電感器。更具體地，如圖4中所示，主匝48、52、56的每一組被建模為具有自感Lsi。另外，副匝58被建模為與負載電阻器60串聯的單獨的電感器。更具體地，如圖4中所示，副匝58被建模為具有單獨的自感LS2，與具有電阻Rb的負載電阻器60串聯。
如所示出的，4個電感(即，與主匝組48、52、56相關聯的第一、第二和第三電感Lsi，以及與副匝58相關聯的第四電感Ls2)也互相耦合。更具體地，M1是三組主匝48、52、56中任兩組之間的互感，而M2是三組主匝48、52、56中任一組與副匝58之間的互感。通常，三組主匝48、52、56中任兩組之間的互感M1近似等于與主匝組48、52、56中任一組相關聯的自感Lsi。另外，與副阻58相關聯的電感Ls2等于Ls2 = N2Lsl其中，N是副匝58的匝數(例如，在圖3中所示實施例中為3)與主匝組48、52、56中每一組的匝數(例如，在圖3中所示實施例中為5)之比。此外，三組主匝48、52、56中任一組與副匝58之間的互感M2等于M2 = NLsl如圖4中所示，共模扼流器30的共模電流iCM在共模扼流器30的三組主匝48、52、56之間被相等的分流(即Lm/3)。另外，跨主匝組48、52、56的電壓被表示為％。跨負載電阻器60的電壓表示為V2，而通過負載電阻器60的電流表示為i2。通常，跨主匝組48、52、56的電壓V1等于
T, RjjL s\S .V1=--
RB + sN Lsl其中，s是拉普拉斯變換中的復角頻率(即，在頻域中；在時域中，s對應于微分算子d/dt)。另外，經由副匝58和負載電阻器60生成的電流i2等于
.NLslS .12=~-
Rb + sN Lsl圖4的電路圖62可以依據Ls1、Rb和N的具體值，以如下說明的兩種模式之一進行操作。例如，在模式I中，電路圖62可以這樣工作如同副匝58不影響共模扼流器30的工作。可以使用模式I直到達到特定頻率f(即，截止頻率)為止。在模式I中，針對給定角頻率w =2 Hf，負載電阻器60的參考值(即，Rb/N2)顯著高于(例如，至少高一個數量級)與主匝組48、52、56相關聯的自感(S卩，《 Lsl)。因此，在模式I中，將跨主匝組48、52、56的電壓V1的等式和經由副匝58和負載電阻器60生成的電流i2的等式簡化為V1 = Lsl(Siai)
.NL^ / .、h = —(.sicm)另外，在模式I中，跨負載電阻器60的電壓V2等于V2 = NLsl(Siai)換句話說，在模式I中，跨負載電阻器60的電壓V2與共模電流ieM的導數成比例。因此，在模式I中，負載電阻器60不影響共模芯46的電感特性。為了保護共模扼流器30的EMC性能，電流參數將被設計為確保模式I直到特定最大頻率(即，截止頻率)為止皆有效。在模式2中，電路圖62這樣操作如同副匝58對共模扼流器30的工作有顯著的影響。在模式2中，針對給定角頻率《 =2 Hf，負載電阻器60的參考值(即，Rb/N2)顯著低于(例如，至少低一個數量級)與主匝組48、52、56相關聯的自感(S卩，《Lsl)。因此，在模式2中，將跨主匝組48、52、56的電壓V1的等式和經由副匝58和負載電阻器60生成的電流i2的等式簡化為
權利要求
1.一種馬達驅動器系統，包括 轉換器電路，配置為從交流電源接收輸入的三相交流電力，以及將所述三相交流電力轉換為直流電力； 直流總線，配置為從所述轉換器電路接收所述直流電力； 逆變器電路，配置為從所述直流總線接收所述直流電力，以及將其轉換為由三相馬達使用的受控頻率輸出交流電力；以及 共模扼流器，其具有多組主匝和與所述多組主匝分離的副匝組，主匝的每一組直接連接到交流電力的相，其中，所述副匝組不直接連接到交流電力的相，并且其中所述副匝組與負載電阻器端接。
2.根據權利要求I所述的馬達驅動器系統，包括控制器，配置為通過監視跨所述負載電阻器的電壓來檢測接地故障。
3.根據權利要求2所述的馬達驅動器系統，其中，所述控制器被配置為在用于截止頻率之下的工作頻率的第一模式下檢測接地故障，以及所述控制器被配置為在用于所述截止頻率之上的工作頻率的第二模式下檢測接地故障。
4.根據權利要求3所述的馬達驅動器系統，其中，所述控制器被配置為在假設所述負載電阻器的參考阻抗實質大于所述主匝組的每個的自阻抗的情況下，在所述第一模式下檢測接地故障。
5.根據權利要求3所述的馬達驅動器系統，其中，所述控制器被配置為在假設所述負載電阻器的參考阻抗實質小于所述主匝組的每個的自阻抗的情況下，在所述第二模式下檢測接地故障。
6.根據權利要求I所述的馬達驅動器系統，其中，所述共模扼流器電氣耦合在所述交流電源和所述轉換器電路之間。
7.根據權利要求I所述的馬達驅動器系統，其中，所述共模扼流器電氣耦合在所述逆變器電路和所述馬達之間。
8.根據權利要求I所述的馬達驅動器系統，其中，所述共模扼流器直接耦合到所述直流總線。
9.一種方法，包括 監視指示跨負載電阻器的電壓的信號，所述負載電阻器與纏繞馬達驅動器系統的共模扼流器的芯的副匝組串聯；以及 基于所述跨負載電阻器的電壓隨時間的改變確定所述馬達驅動器系統中是否發生了接地故障。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，每組主匝關聯于交流電力的相應相。
11.根據權利要求10所述的方法，包括在用于截止頻率之下的工作頻率的第一模式下確定所述馬達驅動器系統中是否發生了接地故障，以及在用于所述截止頻率之上的工作頻率的第二模式下確定所述馬達驅動器系統中是否發生了接地故障。
12.根據權利要求11所述的方法，包括在假設所述負載電阻器的參考阻抗實質大于所述主匝組的每個的自阻抗的情況下，在所述第一模式下確定所述馬達驅動器系統中是否發生了接地故障。
13.根據權利要求11所述的方法，包括在假設所述負載電阻器的參考阻抗實質小于所述主匝組的每個的自阻抗的情況下，在所述第二模式下確定所述馬達驅動器系統中是否發生了接地故障。
14.根據權利要求9所述的方法，包括監視指示所述跨負載電阻器的電壓的信號，所述負載電阻器與纏繞所述共模扼流器的芯的副匝組串聯，所述共模扼流器電氣耦合在所述馬達驅動器系統的交流電源和轉換器電路之間。
15.根據權利要求9所述的方法，包括監視指示所述跨負載電阻器的電壓的信號，所述負載電阻器與纏繞所述共模扼流器的芯的副匝組串聯，所述共模扼流器電氣耦合在所述馬達驅動器系統的逆變器電路和馬達之間。
16.根據權利要求9所述的方法，包括監視指示所述跨負載電阻器的電壓的信號，所述負載電阻器與纏繞所述共模扼流器的芯的副匝組串聯，所述共模扼流器直接耦合到所述馬達驅動器系統的直流總線。
17.—種共模扼流器系統,包括 多組主匝，其中，每組主匝直接連接到交流電力的相；以及 與主匝組分離的副匝組，其中所述副匝組不直接連接到交流電力的相，并且其中所述副匝組與負載電阻器端接。
18.根據權利要求17所述的共模扼流器系統，包括控制器，配置為通過監視跨所述負載電阻器的電壓來檢測接地故障。
19.根據權利要求18所述的共模扼流器系統，其中，所述控制器被配置為在用于截止頻率之下的工作頻率的第一模式下檢測接地故障，以及，所述控制器被配置為在用于所述截止頻率之上的工作頻率的第二模式下檢測接地故障。
20.根據權利要求17所述的共模扼流器系統，其中，所述多組主匝中的每組被連接到用于馬達驅動器系統的交流電源的相應相。
全文摘要
本發明一般涉及用于檢測馬達驅動器系統中的接地故障(即，線路接地故障)的系統和方法。具體地，這里說明的實施例包括馬達驅動器系統的共模扼流器，附加(即，副)匝纏繞共模扼流器的芯。這些副匝是除纏繞共模扼流器的芯的多組主匝之外的匝，且與該多組主匝分開，每一組主匝與共模扼流器直接耦合到的AC電力的相相對應。副匝與負載電阻器串聯地端接。可以通過監視跨負載電阻器的電壓來檢測接地故障。更具體地，這里描述的實施例包括控制器，控制器包括這樣的程序指令其用于接收指示跨負載電阻器的電壓的信號，以及用于監視跨負載電阻器的電壓，以確定馬達驅動器系統中何時發生接地故障。
文檔編號G01R31/02GK102624325SQ20121002087
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月30日 優先權日2011年1月26日
發明者蘭加拉詹·塔拉姆, 卡洛斯·羅德里格斯·瓦爾德斯, 拉塞爾·克爾克曼 申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司