專利名稱：用于測(cè)量it網(wǎng)絡(luò)隔離電阻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述了一種用于確定獨(dú)立的完全隔離電網(wǎng)、即所謂IT網(wǎng) 絡(luò)中的隔離電阻的方法。這種類型的IT網(wǎng)絡(luò)例如應(yīng)用在汽車中。
背景技術(shù)：
IT網(wǎng)絡(luò)一般被認(rèn)為是這樣一種電氣技術(shù)網(wǎng)絡(luò)形式，其中饋電電 源不是像通常那樣接地。這樣，在第一種故障情況下，例如絕緣故障， 不會(huì)建立起閉合的電流回路，并且也不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的電流流過(guò)人體的 情況。同樣，在第一種故障下，不必停止IT網(wǎng)絡(luò)的操作，這得到了較 高的故障安全性。但是缺點(diǎn)在于，只要相對(duì)于地的隔離沒(méi)有由隔離監(jiān) 控裝置測(cè)量到，這種笫一故障也不會(huì)被識(shí)別出來(lái)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的IT 網(wǎng)絡(luò)是本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)，具有至少一個(gè)電源、最好是發(fā)電機(jī)，至少一 個(gè)整流器，帶有至少一個(gè)電容器和至少一個(gè)變流器的中間電路，以及 用于測(cè)量中間電路電壓的測(cè)量裝置?；贗T網(wǎng)絡(luò)的上述特性，在操作開始時(shí)以及在操作期間對(duì)隔離 進(jìn)行控制是特別有利的。為此，EP0751396B1描述了一種方法，它需 要超出現(xiàn)有IT網(wǎng)絡(luò)的額外電路技術(shù)開銷。IT網(wǎng)絡(luò)中已知的主要故障情況是隔離電阻的不同類型的變化， 這些變化都必須通過(guò)適當(dāng)?shù)乇O(jiān)控可靠地識(shí)別出來(lái)。在這些故障情況中 例如包括隔離的老化，這會(huì)導(dǎo)致時(shí)間上;f艮緩慢的、甚至往往在所有階 段對(duì)稱的隔離電阻變化。同樣已知的一種故障情況例如是由于隔離的 損壞，這在大多數(shù)情況下僅在一個(gè)階段造成隔離電阻的時(shí)間上快速的 變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提出一種用于測(cè)量IT網(wǎng)絡(luò)中隔離電阻的方 法，其中這種測(cè)量能夠可靠地識(shí)別出對(duì)稱的變化以及非對(duì)稱的變化， 并且其中所需要的額外電路技術(shù)開銷應(yīng)當(dāng)盡可能地小。根據(jù)本發(fā)明，這一任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1所述特征的措施來(lái)完 成。在從屬權(quán)利要求中描述了優(yōu)選的實(shí)施方式。本發(fā)明的構(gòu)思是從一種IT網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，其最好具有發(fā)電機(jī)或其它 電源，具有通過(guò)所述電源來(lái)饋電的直流中間電路，以及至少一個(gè)自換 向的變流器。所述變流器具有至少一個(gè)第一功率開關(guān)和第二功率開關(guān)， 以及一個(gè)中央抽頭。此外，所述IT網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)用于測(cè)量中間電路電壓的測(cè)量裝置。 所述測(cè)量裝置最好具有一個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì)的分壓器和兩個(gè)相應(yīng)的測(cè)量單 元，用于相對(duì)于地電位對(duì)兩個(gè)中間電路電位進(jìn)行電位測(cè)量。根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量隔離電阻的方法由"離線"測(cè)量和"在線" 測(cè)量組成。在離線測(cè)量期間，例如在操作開始時(shí)，所有變流器的所有 第一或第二功率開關(guān)都閉合。在這種開關(guān)狀態(tài)下，對(duì)中間電路的兩個(gè)電位進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)得的電位為非對(duì)稱的情況下并且通過(guò)測(cè)量單元所 了解的情況，在測(cè)量電子的特殊情況下，可靠地識(shí)別出發(fā)生了隔離故 障。通過(guò)有選擇地?cái)嚅_不同的功率開關(guān)可以對(duì)這種故障進(jìn)行定位。同 樣，借助于這種離線測(cè)量可以對(duì)測(cè)量裝置本身的功能進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)所 有開關(guān)都斷開時(shí)，中間電路的兩個(gè)電位必須在數(shù)值上相同。當(dāng)一個(gè)開 關(guān)閉合時(shí)，測(cè)量值必須遵照一個(gè)已知的時(shí)間特性。具有優(yōu)點(diǎn)的是，在 電位測(cè)量中由所存在的寄生負(fù)載電容引起的瞬態(tài)過(guò)程被用于對(duì)隔離測(cè) 量單元的功能進(jìn)行檢驗(yàn)，從而對(duì)于隔離故障的這類模擬不需要額外的 硬件開銷。在IT網(wǎng)絡(luò)操作期間的在線測(cè)量再次對(duì)上述的兩個(gè)電位進(jìn)行測(cè) 量，并對(duì)該次測(cè)量的時(shí)間特性進(jìn)行分析。在第一種實(shí)施方式中，將測(cè) 得的兩個(gè)電位相加，接著對(duì)相加之和進(jìn)行傅立葉變換，并針對(duì)其時(shí)間 特性對(duì)頻i脊的變化進(jìn)行分析。在在線測(cè)量的第二種實(shí)施方式中，將測(cè)得的兩個(gè)電位相加，將相
加的和的數(shù)值適當(dāng)求平均，并針對(duì)其時(shí)間特性對(duì)這個(gè)平均值進(jìn)行分析。


將借助具體實(shí)施例和圖l至6更詳細(xì)地描述本發(fā)明的技術(shù)方案。 圖1示出了一種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的IT網(wǎng)絡(luò)。圖2 示出了在第一種示例隔離故障的情況下IT網(wǎng)絡(luò)中的反用 換流器和電機(jī)。圖3示出了在其他示例隔離故障的情況下IT網(wǎng)絡(luò)中帶有整流器 的發(fā)電機(jī)和測(cè)量單元。圖4示出了在沒(méi)有隔離故障的情況下在線測(cè)量時(shí)的電位變化。圖5示出了在第一種隔離故障的情況下在線測(cè)量的測(cè)量值之和的 數(shù)值的時(shí)間特性。圖6示出了在第二種隔離故障的情況下在線測(cè)量的測(cè)量值之和的 數(shù)值的時(shí)間特性。
具體實(shí)施方式
圖1示出了一種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的IT網(wǎng)絡(luò)，其例如可以應(yīng)用在公 路汽車中。這種IT網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)用于產(chǎn)生電流的發(fā)電機(jī)10，在其之 后接有一個(gè)用于為直流中間電路30供電的有源整流器20。具有優(yōu)點(diǎn) 的是，所述中間電路30還具有至少一個(gè)用于存儲(chǔ)能量的電容器32。 在所述中間電路30上連接有一個(gè)帶有電池60的直流逆變器40。同樣， 這里在中間電路30上還連接有兩個(gè)反用換流器50a/b，其分別帶有一 個(gè)電機(jī)70a/b。為了測(cè)量中間電路電壓，還連接有一個(gè)測(cè)量單元80。圖2在第一種示例隔離故障卯a(chǎn)的情況下IT網(wǎng)絡(luò)中的反用換流 器50和電機(jī)70。所述直流中間電路30為一個(gè)自換向的反用換流器50 饋電，其中所述反用換流器具有三個(gè)第一功率開關(guān)52a/b/c。每個(gè)功率 開關(guān)由至少一個(gè)IGBT (絕緣柵極雙極性晶體管)和至少一個(gè)空栽二 極管56形成的反并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成。類似地，反用換流器還具有三個(gè)同樣 由IGBT和空載二極管56形成的功率開關(guān)54a/b/c。三個(gè)第一功率開
關(guān)52a/b/c和三個(gè)第二功率開關(guān)54a/b/c構(gòu)成了三相反用換流器50的 橋電路。在所述三相的輸出端設(shè)置了電機(jī)70。其阻抗表現(xiàn)為每相分別 由一個(gè)歐姆電阻和一個(gè)電感組成的串聯(lián)電路的形式。這里電阻90a表示發(fā)生了一種隔離故障。這個(gè)電阻90a的值Rf 借助于本發(fā)明所述的方法來(lái)確定。圖3示出了在其他可能的隔離故障的情況下，作為IT網(wǎng)絡(luò)一部 分的帶有整流器20的發(fā)電機(jī)10的例子。圖中所示為發(fā)電機(jī)10的內(nèi)部 電阻和電感，以及寄生電容92a/b/c，其數(shù)量級(jí)為十分之一納法，其在 IT網(wǎng)絡(luò)操作中會(huì)對(duì)相對(duì)于地電位的阻抗起到作用。同樣示出了在所考慮的IT網(wǎng)絡(luò)中為了對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)在現(xiàn)有技術(shù) 中已經(jīng)存在的測(cè)量單元(80，參照?qǐng)D1)。這個(gè)測(cè)量單元由一個(gè)第一 分壓器82和一個(gè)第二分壓器84構(gòu)成。所述分壓器被設(shè)計(jì)為對(duì)稱形式， 并與相應(yīng)的中間電路電位以及地電位相連。中間電路30的第一電位 Uzkp經(jīng)由第一分壓器82而下降，第二電位Uzkm經(jīng)由第二分壓器84 而下降。分壓器被如此設(shè)計(jì)，使得相應(yīng)的第一電阻820、 840的數(shù)量級(jí) Rl為兆歐姆，相應(yīng)的第二電阻822、 842的數(shù)量級(jí)為千歐姆。這兩個(gè) 電阻之間分別設(shè)置用于相對(duì)于地電位測(cè)量相應(yīng)的第一電位Up及第二 電位Um的抽頭。此外，圖中示出了多個(gè)電阻90b/c/d/e，其代表不同的隔離故障 Rf,其可能單個(gè)出現(xiàn)或者成組地出現(xiàn)。例如，IT網(wǎng)絡(luò)中的隔離的時(shí)間 上緩慢的改變可通過(guò)均勻地減小電阻90c/d/e的所有電阻值來(lái)體現(xiàn)。而與此相對(duì)地，電阻90b的電阻值Rf的減小對(duì)應(yīng)于中間電路30 的第一電位的隔離的變差。為了進(jìn)行離線測(cè)量以及借助微控制器來(lái)確定隔離電阻，所述微控 制器是所述測(cè)量單元80的組成部件，所考慮的IT網(wǎng)絡(luò)的所有變流器 (對(duì)照?qǐng)D1和圖2)的所有第一開關(guān)52a/b/c和所有第二開關(guān)52a/b/c 均閉合。通過(guò)這種切換方式，所考慮的IT網(wǎng)絡(luò)的所有導(dǎo)線整體上通過(guò) 測(cè)量其隔離電阻來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，從而確定整個(gè)IT網(wǎng)絡(luò)的隔離電阻。為了 進(jìn)行這種測(cè)量，只需要一個(gè)測(cè)量單元80的電路部件，這些電路部件根
據(jù)現(xiàn)有技術(shù)總是包含在作為本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)的所考慮的IT網(wǎng)絡(luò)中。特別有利的是，測(cè)量單元80的這兩個(gè)部件相對(duì)于與地電位的連 接的中點(diǎn)對(duì)稱形成，從而以下述方式實(shí)現(xiàn)了圖2所示的例如對(duì)隔離故 障90a的測(cè)量。中間電路電壓Uzk可以和隔離故障的電阻值Rf無(wú)關(guān)，如下所示 Uzk = (((Rl + R2) Up) / R2) + (((Rl + R2). Um) / R2) 其中Uzk=中間電路電壓Rl =電阻820、 840的電阻值R2 =電阻822、 842的電阻值Up =通過(guò)測(cè)量單元860測(cè)得的電位 Um =通過(guò)測(cè)量單元862測(cè)得的電位隔離故障卯a(chǎn)的電阻值Rf越小，則Up與Uzk之間的比也越小。 在地端以及最小值為Rf = 0時(shí)，Up也等于零。對(duì)上述等式進(jìn)行變形 并消去Um得到Up = Uzk (R2 / (Rl + R2)). (Rf / (Rl + R2 + 2 . Rf)) 其中111>>112,該等式可以簡(jiǎn)化為 Up = Uzk (R2 / Rl) (1 / ((R1/ + 2)當(dāng)現(xiàn)在合理地選擇R1/R1時(shí)，后接的A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量范圍得 到充分利用，在測(cè)量精度為1%、測(cè)量阻抗例如為1MQ的情況下，得 到要檢測(cè)的Rf的最小值的數(shù)量級(jí)為10kft。這種分辨率對(duì)于隔離監(jiān)控 的 一般要求來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了 。為了定位隔離故障，第一或第二開關(guān)可以單獨(dú)地閉合，然后重復(fù) 進(jìn)行所述測(cè)量，從而確定發(fā)生了隔離故障的區(qū)域。在線測(cè)量的實(shí)現(xiàn)與上面所述的所考察的IT網(wǎng)絡(luò)正常工作中的離 線測(cè)量不同。對(duì)電阻Rf的分析計(jì)算由于例如所考慮的IT網(wǎng)絡(luò)阻抗92 a/b/c的變化和復(fù)雜性而不可能借助于一個(gè)在現(xiàn)有技術(shù)中作為測(cè)量單 元的一部分的微控制器來(lái)完成。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行在線測(cè)量的方法的第 一種實(shí)施方式例如借助于圖3和圖4來(lái)描述。在IT網(wǎng)絡(luò)的理想情況下，并且在沒(méi)有發(fā)生隔離故障的工作中，在每個(gè)操作時(shí)間點(diǎn)，電位Up和Um是相對(duì)于地電位對(duì)稱的，因此它 們的數(shù)值相等。因此在形成相加之和的過(guò)程中得到了近似為零的值2U (參照?qǐng)D4)。其中，由于相應(yīng)測(cè)量單元860或862的測(cè)量值Up或Um發(fā)生了改變，隔離故障會(huì)使得所形成的相加之和的值i:u偏離零線，從而能夠識(shí)別出隔離故障(90b，參照?qǐng)D3)。在考慮了所有阻抗的情況下，在沒(méi)有發(fā)生隔離故障時(shí)，對(duì)和值EU 的傅立葉變換得到了一個(gè)頻鐠，這個(gè)頻語(yǔ)可以在微處理器中計(jì)算，并 與新的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較被存儲(chǔ)。通過(guò)用分別調(diào)節(jié)的反用換流器輸出 電壓的基波對(duì)要存儲(chǔ)的值進(jìn)行歸一化，有利地降低了為存儲(chǔ)已經(jīng)執(zhí)行 的測(cè)量所需的開銷。在三相上非對(duì)稱出現(xiàn)的每個(gè)隔離故障導(dǎo)致了所述 頻譜的改變，其通過(guò)與所存儲(chǔ)的值的比較并通過(guò)適當(dāng)?shù)姆治隹梢员蛔R(shí) 別出來(lái)。頻鐠的改變既涉及所出現(xiàn)的頻率也涉及其幅度。所有三相的隔離電阻的完全對(duì)稱的改變，即電阻(90c/d/e，參照 圖3)的電阻值的對(duì)稱改變，對(duì)于這里所述的在線測(cè)量的第一種實(shí)施 方式是不可能發(fā)生的。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行在線測(cè)量的方法的第二種實(shí)施方式例如借助圖 3、圖5和圖6來(lái)描述。其中，將電位測(cè)量的測(cè)量值相加，由和值2U 適當(dāng)?shù)氐玫綌?shù)值并從中得到時(shí)間上的平均值，并將其存儲(chǔ)在微控制器 中。圖5示出了在圖3中的三個(gè)電阻90c/d/e中的任意一個(gè)的阻值例如 為80kQ的情況下，形成平均值的過(guò)程以及該平均值。與此相比，圖 6示出了這樣一個(gè)過(guò)程其中圖3中的三個(gè)電阻90c/d/e中的任意兩個(gè) 的阻值分別為160kQ，像圖5中一樣，隔離的總電阻為80kfl。將實(shí)際值與存儲(chǔ)在微控制器中的值進(jìn)行比較，并對(duì)這個(gè)比較結(jié)果 進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觯瑯涌梢詸z測(cè)出IT網(wǎng)絡(luò)中的隔離故障。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量IT網(wǎng)絡(luò)中隔離電阻的方法，所述IT網(wǎng)絡(luò)具有直流中間電路(30)和至少一個(gè)自換向的變流器(50a/b)，所述變流器具有至少一個(gè)第一功率開關(guān)(52a/b/c)和第二功率開關(guān)(54a/b/c)，所述IT網(wǎng)絡(luò)還具有一個(gè)用于相對(duì)于地電位(100)測(cè)量中間電路電壓的測(cè)量裝置(80)，所述測(cè)量裝置具有分壓器(82，84)和兩個(gè)相應(yīng)的電位測(cè)量單元(860，862)，所述方法由離線測(cè)量和在線測(cè)量組成，其中，在離線測(cè)量期間，所有的第一功率開關(guān)(52a/b/c)或第二功率開關(guān)(54a/b/c)都閉合,分別測(cè)量電位Up及Um，以及中間電路電壓Uzk，并由此確定隔離電阻Rf，其中，在在線測(cè)量期間，對(duì)這兩個(gè)電位Up和Um進(jìn)行測(cè)量，并適當(dāng)?shù)胤治鏊鰷y(cè)量的時(shí)間特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在在線測(cè)量期間，將測(cè)得的兩 個(gè)電位相加，對(duì)這個(gè)和進(jìn)行傅立葉變換，并針對(duì)其時(shí)間特性分析頻鐠 的改變。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在在線測(cè)量期間，將測(cè)得的兩 個(gè)電位相加，并適當(dāng)對(duì)這個(gè)和的數(shù)值求平均，并針對(duì)其時(shí)間特性分析 這個(gè)平均值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在離線測(cè)量期間，在電位測(cè)量 中由所存在的寄生負(fù)載電容引起的瞬態(tài)過(guò)程被用于對(duì)隔離測(cè)量單元的 功能進(jìn)行檢驗(yàn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述分壓器(82， 84)被設(shè)計(jì) 為對(duì)稱的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述功率開關(guān)(52a/b/c，54a/b/c) 被設(shè)計(jì)為帶有并聯(lián)的空載二極管(56)的IGBT (絕緣柵極雙極性晶 體管)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于測(cè)量IT網(wǎng)絡(luò)中隔離電阻的方法。其通常具有直流中間電路和至少一個(gè)自換向的變流器，所述變流器具有至少一個(gè)第一功率開關(guān)和第二功率開關(guān)。同樣，一個(gè)用于相對(duì)于地電位測(cè)量中間電路電壓的測(cè)量裝置是IT網(wǎng)絡(luò)的組成部件，它由分壓器和兩個(gè)相應(yīng)的電位測(cè)量單元組成。所述方法具有離線測(cè)量和在線測(cè)量，其中在離線測(cè)量期間，所有的第一或第二功率開關(guān)都閉合，分別測(cè)量電位Up及Um，以及中間電路電壓Uzk，并由此確定隔離電阻Rf。在在線測(cè)量期間，對(duì)這兩個(gè)電位Up和Um進(jìn)行測(cè)量，并適當(dāng)?shù)胤治鏊鰷y(cè)量的時(shí)間特性。
文檔編號(hào)G01R27/02GK101101310SQ200710127979
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月8日
發(fā)明者克勞斯·巴克豪斯 申請(qǐng)人:塞米克朗電子有限及兩合公司