CN111025089A - 将绝缘监视设备耦合到非接地电源***的电路布置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于经由耦合阻抗将绝缘监视设备耦合到非接地电源***的电路布置和方法，耦合阻抗被实现为对电源***的每个有源导体有效并且被形成为欧姆电阻电路，该欧姆电阻电路具有可改变的可设置的电阻值，并且具有用于将绝缘监视设备与网络解耦的关断功能，并且被实现为包括以镜像反转方式提供的两个晶体管的串联电路的双向级联，每个晶体管具有并联连接的二极管，通过控制电路来实现用于设置可改变的电阻值的晶体管的电阻的受控改变，并且通过设置最大电阻值来实现用于从电网解耦的关断功能。

Description

将绝缘监视设备耦合到非接地电源***的电路布置和方法
技术领域
本发明涉及经由耦合阻抗将绝缘监视设备耦合到非接地电源***的电路布置和方法，该耦合阻抗被实现为对电源***的每个有源导体有效并且被形成为欧姆电阻电路。
背景技术
与接地电源***相比，其中网络的任何和所有有源器件都与地隔离的非接地电源***(也称为隔离网络，法语：IsoléTerre–IT电源***或IT网络)的优势在于，在发生绝缘故障(第一故障)的情况下，网络可以被连续使用，因为，由于理想地不受限制的阻抗值，无法在网络的有源导体和地之间形成闭合电路。
因此，必须不断监视非接地电源***对地的电阻(绝缘电阻-在发生故障的情况下也称为绝缘故障电阻或故障电阻)，因为故障回路将由不同有源导体处的另一个潜在故障(第二故障)造成并且随之而来的故障电流将导致装置断开连接，包括操作停止。
因此，法律要求使用符合ICE标准IEC 61557-8的绝缘监视设备(IMD)来永久监视绝缘电阻。
在IT网络的首次操作期间，经由耦合阻抗建立绝缘监视设备与要监视的非接地电源***之间的电连接，该耦合阻抗是固定的、调整到适合IT网络的标称电压并且通常集成在绝缘监视设备中。
一些绝缘监视设备还通过分离设备额外配备有关断功能，当各个IT网络互连以形成综合网络时，该分离设备造成解耦，以避免耦合网络中若干绝缘监视设备之间的相互干扰。
固定的耦合阻抗(意味着其电阻值在操作期间不可更改)的缺点是不可能在操作中切换绝缘监视设备的测量范围。
此外，分离设备还必须以不利的方式与耦合路径串联地集成到电路中，并且由于要克服的高电压差，它们需要相当数量的附加空间以及附加开支。
到目前为止，取决于应用的领域，通过安装绝缘监视设备的特殊设备版本或具有耦合阻抗的分离的耦合设备的特殊设备版本，已经解决了在将耦合阻抗调整到适合要监视的电源***方面关于耦合阻抗符合不同要求的问题，其中耦合阻抗的欧姆电阻电路具有不同但固定(恒定)的电阻值。
根据现有技术，关断功能通过光耦合器或继电器形式的分立的分离设备来实现，该分离设备与耦合阻抗串联连接。
发明内容
因此，本发明的目的是提出用于将绝缘监视设备耦合到非接地电源***的电路布置和方法，该电路布置和方法在电路上允许关于测量准确度、电调整和关断功能的简单、灵活和成本有效的实现。
结合权利要求1的前序部分的特征，这个目的通过将欧姆电阻电路设计为具有可改变的可设置电阻值并且具有用于使绝缘监视设备与网络解耦的关断功能来实现。
本发明的基本概念有利地基于通过将这种耦合阻抗设计为欧姆电阻电路而不是分立的分离设备和固定的耦合阻抗来克服现有技术中与由于附加开关造成的努力相结合的已知的耦合阻抗缺乏可设置性和有限的灵活性的缺点，所述欧姆电阻电路包括可设置的电阻值，该电阻值是可变的并且同样引起用于使绝缘监视设备与网络解耦的关断功能。
因此，当网络特点改变(例如绝缘恶化)时，有可能增加绝缘监视设备在操作期间的测量准确度，因为，由于欧姆电阻电路具有可改变的可设置的电阻值，因此绝缘监视设备能够通过适当的测量和控制算法独立地调整以适应测量环境。
关断功能与可设置的电阻值相结合，实现了集成的分离设备，而无需现有技术中已知的必须与耦合阻抗串联连接的光耦合器或继电器形式的单独的开关。
在另一个有利的实施例中，欧姆电阻电路被实现为双向级联，其包括以镜像反转方式提供的两个晶体管的串联电路，每个晶体管具有并联连接的二极管，其中用于设置可改变的电阻值的晶体管的电阻的受控改变受控制电路影响，并且通过设置最大电阻值来实现用于与电网解耦的关断功能。
这种双向结构可以既用于交流电源***又用于直流电源***中，并且形成欧姆电阻电路的功能，通过晶体管特性图中的受控操作点位移，该欧姆电阻电路的电阻值在最小电阻和最大电阻的范围内可改变。
通过以最大电阻值(R∞)完全控制晶体管并且通过仅具有可忽略的反向电流来实现关断功能。
在这个上下文中，通过指定可设置的目标电阻值的控制电路来控制晶体管。
在这个上下文中，控制电路是根据本发明的电路布置的功能部件。控制电路的部件，诸如控制器，可以在结构上(客观地)在绝缘监视设备中的微处理器上实现。
控制电路包括以下优点：变换块，其通过实际电流将可设置的目标电阻值变换成目标电压作为参考变量；电流测量，其测量流经晶体管级联的晶体管电流，并将按实际电流缩放的所述晶体管电流提供回变换块；比较元件，其将目标电压与实际电压进行比较，并形成差异电压作为控制偏差；电压测量，其测量晶体管级联两端下降的晶体管电压，并将按实际电压缩放的所述晶体管电压提供回比较元件；控制器，其从差异电压生成用于控制受控区段的受操纵变量，所述受操纵变量是通过具有可改变的电阻值作为受控变量的双向晶体管级联而形成的。
被实现为具有可改变的电阻值作为控制变量的双向晶体管级联的欧姆电阻电路形成控制电路的受控区段。在受控区段内，晶体管驱动电路连接在双向晶体管级联的上游，所述晶体管驱动电路由控制器提供的受操纵变量控制。控制器进而从比较元件中生成的差异电压生成这个受操纵变量。这个差异电压表示目标电压与实际电压之间的控制偏差，晶体管级联两端下降的晶体管电压通过电压测量而被测量并按实际电压缩放地供给比较元件，并且作为可设置的目标电阻值的参考变量的目标电压通过实际电流在变换块中被放掉。
流经晶体管级联的晶体管电流通过电流测量而被测量并按实际电流缩放地供给变换块。
为了设置期望的电阻值，仅给予电路布置电阻值的目标值。通过在控制电路中执行的晶体管级联中流动的晶体管电流的电流测量并通过在控制电路中执行的晶体管级联两端下降的晶体管电压的电压测量，独立地自己设置期望的电阻值。
此外，该控制的优点是补偿周围环境(诸如温度改变)作用在晶体管上的干扰影响。
控制器优选地被设计为PI控制器。
除了其比例行为(p比例)还包括积分部分的PI控制器优选地在控制电路中使用，因此不会造成永久的控制偏差。
用于每个有源导体的保护电阻器有利地串联连接到相应的欧姆电阻电路。
在晶体管级联短路故障的情况下，提供保护电阻器。
在另一个实施例中，电路布置被设计为绝缘监视设备的扩展模块或者被设计为单独的结构单元。
根据本发明的电路布置可以被设计为绝缘监视设备的组成部件，由此允许将标称电压的操作范围调整到要监视的电源***的标称电压，并且还具有分离设备的功能。
可替代地，根据本发明的电路布置可以被设计为单独的结构单元，其作为耦合设备被连接在要监视的电源***和绝缘监视设备之间。
此外，本发明的目的通过用于经由耦合阻抗将绝缘监视设备耦合到非接地电源***的方法来实现，耦合阻抗被实现为对电源***的每个有源导体均有效并且被形成为欧姆电阻电路，其中实现欧姆电阻电路的可改变的电阻值的设置，并且可以通过设置电阻值来引起用于将绝缘监视设备与网络解耦的关断功能。
根据本发明的前述电路布置基于用于经由具有可改变的电阻值和用于将绝缘监视设备与网络解耦的关断功能的欧姆电阻电路将绝缘监视设备耦合到非接地电源***的方法。因此，上面提到的技术效果和由此产生的优点也适用于方法的特征。
更具体而言，根据本发明的方法允许通过被设计为欧姆电阻电路的耦合阻抗的无级可设置的电阻值来调整绝缘监视设备以适应分别相关的网络条件，因此可以减少绝缘电阻测量的稳定时间并且可以增加测量准确度，而无需改变绝缘监视设备的硬件。
为了将绝缘监视设备耦合到要监视的非接地电源***，本发明基于功率半导体实现无级可设置的耦合阻抗，这也与关断功能(网络断开)的可能性相结合。
考虑到干扰的影响，控制电路允许实际电阻值与目标电阻值之间的偏差的最小化。
附图说明
从下面的描述和附图中可以得出其它有利的实施例，这些附图图示了本发明的优选示例性实施例。在图中：
图1是根据现有技术的绝缘监视设备，
图2是根据本发明的电路布置，其具有包括可设置的电阻值的耦合阻抗，以及
图3是根据本发明的电路布置的控制电路。
具体实施方式
图1图示了具有有源导体(L1，L2)的非接地电源***2，在有源导体(L1，L2)和保护地(PE)之间，绝缘监视设备4与分离设备9串联连接。非接地电源***2的特征还在于与PE相关的泄漏电容Ce1、Ce2和与PE相关的绝缘电阻Rf，该电阻将由绝缘监视设备4进行监视。
绝缘监视设备4包括电压测量发生器5，该电压测量发生器5生成测量电压Um并将其叠加在非接地电源***2上。绝缘电阻Rf闭合测量电路并生成测量电流Im，这造成测量电阻Rm下的压降，据此可以通过评估设备6来确定绝缘电阻Rf的值。
为了控制分离设备9，评估设备6附加地包括信号输出端7，经由此可以停用绝缘监视。
此外，在绝缘监视设备4中提供具有固定电阻值的电阻R1和R2作为耦合阻抗，以便将绝缘监视设备4的操作范围调整为适应非接地电源***2的电网电压。
图2图示了根据本发明的具有耦合阻抗的电路布置10，耦合阻抗作为具有可改变的可设置电阻值的欧姆电阻电路12。
与图1所示的现有技术已知的固定耦合阻抗R1和R2相比，根据本发明的作为用于每个有源导体L1、L2的耦合阻抗的用于耦合绝缘监视设备4的电路布置10包括被设计为双向晶体管级联14的欧姆电阻电路12。
双向晶体管级联14包括以镜像反转方式提供的两个晶体管(16a，16b)的串联电路，每个晶体管具有并联连接的二极管(18a，18b)。MOSFET优选地用作晶体管(16a，16b)，受控的操作点位移由MOSFET驱动电路实现，从而导致以电压受控的方式设置期望的电阻值。
在晶体管级联14短路的情况下，提供保护电阻器R s作为保护电路，用于电流限制。
晶体管级联14经由控制电路30受控，该控制电路30集成在本发明的绝缘监视设备4的评估设备6中。在所示的实施例中，根据本发明的用于耦合绝缘监视设备4的电路布置10被设计为绝缘监视设备4的扩展模块。作为单独的结构单元的实施例也是可能的。
在两个实施例中，根据本发明的电路布置10在电路上表示用于绝缘监视设备4的耦合的简单且成本有效的实现，这是由于，基于半导体部件，可改变的可设置的电阻值具有集成的关断功能。
图3图示了用于耦合绝缘监视设备4的根据本发明的电路布置的控制电路30。首先，将期望的电阻值R0指定为控制电路的输入变量，所述电阻值R0经由变换块32被变换为目标电压U0。变换是通过测量流经晶体管级联14的晶体管电流IT并将按实际电流Ix缩放的所述晶体管电流IT供回到变换块32的电流测量35进行的。
在比较元件34中从目标电压U0和实际电压Ux形成差异电压Ud，所述实际电压Ux通过电压测量36从晶体管级联14两端下降的晶体管电压UT获得。
流经晶体管级联的晶体管电流通过电流测量进行测量，并按实际电流缩放地供给变换块。
差异电压Ud被供给控制器40，该控制器40从所述差异电压Ud形成用于控制晶体管级联14的受操纵变量W，所述控制器40优选地被实现为PI控制器。
除了实际的晶体管(串联)电路46之外，晶体管级联14还包括用于控制晶体管电路46的驱动电路44。晶体管级联14的实际电阻值Rx接近作为受控变量的可设置的目标电阻值R0。

Claims (11)

1.一种电路布置(10)，用于将绝缘监视设备(4)耦合到具有耦合阻抗的非接地电源***(2)，所述耦合阻抗被实现为对电源***(2)的每个有源导体有效并且被形成为欧姆电阻电路(12)，其特征在于，
欧姆电阻电路(12)被设计为具有可改变的可设置的电阻值，并具有用于将绝缘监视设备(4)与网络解耦的关断功能。
2.如权利要求1所述的电路布置(10)，其特征在于，
欧姆电阻电路(12)被实现为双向级联(14)，包括以镜像反转方式提供的两个晶体管(16a，16b)的串联电路，每个晶体管具有并联连接的二极管(18a，18b)，其中通过控制电路(30)来实现用于设置可改变的电阻值的晶体管(16a，16b)的电阻的受控改变，并通过设置最大电阻值来实现从电网解耦的关断功能。
3.如权利要求2所述的电路布置(10)，其特征在于，控制电路(30)包括：
变换块(32)，通过实际电流(Ix)将可设置的目标电阻值(R0)变换成目标电压(U0)作为参考变量；
电流测量(35)，测量流经晶体管级联(14)的晶体管电流(IT)，并将按实际电流(Ix)缩放的所述晶体管电流(IT)供回变换块(32)；
比较元件(34)，将目标电压(U0)与实际电压(Ux)进行比较，并形成差异电压(Ud)作为控制偏差；
电压测量(36)，测量晶体管级联(14)两端下降的晶体管电压(UT)，并将按实际电压(Ux)缩放的所述晶体管电压(UT)供回比较元件(34)；
控制器(40)，从差异电压(Ud)生成用于控制受控区段的受操纵变量(W)，所述受操纵变量(W)通过具有可改变的电阻值作为受控变量的双向晶体管级联(14)形成。
4.如权利要求3所述的电路布置(10)，其特征在于，
控制器(40)被设计为PI控制器。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电路布置(10)，其特征在于，还包括：
串联连接到相应的欧姆电阻电路(12)的用于每个有源导体(L1，L2)的保护电阻器(Rs)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的电路布置(10)，其特征在于，
所述电路布置(10)被设计作为绝缘监视设备(4)的扩展模块或作为单独的结构单元。
7.一种用于经由耦合阻抗将绝缘监视设备(4)耦合到非接地电源***(2)的方法，所述耦合阻抗被实现为对电源***(2)的每个有源导体均有效并且被形成为欧姆电阻电路(12)，其特征在于，所述方法包括：
欧姆电阻电路(12)的可改变的电阻值的设置，其中能够通过设置电阻值来引起用于将绝缘监视设备与网络解耦的关断功能。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
对于被实现为包括以镜像反转方式提供的两个晶体管(16a，16b)的串联电路的双向级联(14)的欧姆电阻电路(12)，每个晶体管具有并联连接的二极管(18a，18b)，可改变的电阻值的设置通过控制电路(30)内的晶体管(16a，16b)的电阻的受控改变来实现，并且通过设置最大电阻值来实现用于与网络解耦的关断功能。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在控制电路(30)中，
可设置的目标电阻值(R0)通过变换块(32)通过实际电流(Ix)被变换成目标电压(U0)作为参考变量；
流经晶体管级联(14)的晶体管电流(IT)通过电流测量(35)被测量并按实际电流(Ix)缩放地供给变换块(32)；
在比较元件(34)中将目标电压(U0)与实际电压(Ux)进行比较，并形成差异电压(Ud)作为控制偏差；
晶体管级联(14)两端下降的晶体管电压(UT)通过电压测量(36)被测量并按实际电压(Ux)缩放地供给比较元件(34)；
在控制器中从差异电压(Ud)生成受操纵变量，所述受操纵变量控制由双向晶体管级联(14)形成的受控区段，所述双向晶体管级联(14)具有可改变的电阻值作为受控变量。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，
控制器(40)被实现为PI控制器。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，
用于每个有源导体(L1，L2)的保护电阻器(Rs)串联连接到相应的欧姆电阻电路(12)。
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