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Die Erfindung bezieht sich auf ein Strommesssystem eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, an dessen lastseitigten Wechselrichter ein Wechselstrommotor angeschlossen ist.
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Um einen Wechselstrommotor eine Motorspannung variabler Amplitude und Frequenz zur Verfügung zu stellen, ist dieser mit Ausgängen eines lastseitigen Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters verknüpft. Wenn dieser lastseitige Stromrichter überwiegend Energie aus einem Spannungszwischenkreis des Spannungszwischenkreis-Umrichters zum Motor treibt, arbeitet dieser lastseitige Stromrichter als Wechselrichter. Aus diesem Grund wird der lastseitige Stromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters auch als Wechselrichter bezeichnet. Zur Steuerung dieses Motors wird der Istwert des Motorstroms benötigt. Dieser muss möglichst genau ermittelt werden. Es ist naheliegend, den in den zwischen Wechselrichter und Wechselstrommotor vorhandenen Anschlussleitungen fließenden Motorstrom mittels Strommesseinrichtungen zu messen. Da die Steuerelektronik des Spannungszwischenkreis-Umrichters auf Erdpotential bzw. auf dem Minus-Potential des Spannungszwischenkreises bezogen ist, müssen die Strommesseinrichtungen spannungsmäßig vom Bezugspotential isoliert sein.
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Es ist ebenfalls wünschenswert, dass im Falle eines Kurzschlusses an den Ausgängen des Wechselrichters dieser in der Lage noch sein soll, möglichst schnell abschalten zu können, bevor seine Halbleiterschalter in Folge seines Überstromes zerstört werden.
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Aus der
EP 1 092 981 A2 ist eine Vorrichtung zum Messen eines im Spannungszwischenkreis eines Spannungszwischenkreis-Umrichters fließenden Stromes bekannt. Zur Bestimmung dieses Stromes wird der Strom im Gleichspannungszwischenkreis des Spannungszwischenkreis-Umrichters gemessen. Dieser Strom im Gleichspannungszwischenkreis ist in einen Transistorstrom und in einen Diodenstrom unterteilt. Dazu sind die unteren Dioden einer sechspulsigen Stromrichterbrücke nicht mit der Minus-Stromschiene des Spannungszwischenkreises des Spannungszwischenkreis-Umrichters verknüpft, sondern mit einer separaten Minus-Stromschiene. D. h., die unteren Dioden der sechspulsigen Stromrichterbrücke sind nicht mehr elektrisch parallel zu korrespondierenden Halbleiterschaltern der sechspulsigen Stromrichterbrücke geschaltet. Zur Stromerfassung weist jede Minus-Stromschiene einen Widerstand auf, deren Spannungsabfälle jeweils einer Verarbeitungseinrichtung zugeführt werden. Ausgangsseitig sind diese beiden Verarbeitungseinrichtungen mit einer Recheneinheit verknüpft, an deren Ausgang der Wert des im Spannungszwischenkreis fließenden Stromes ansteht. Nachteilig wirkt sich bei dieser Vorrichtung aus, dass kein handelsübliches Sixpack-Modul verwendet werden kann. D. h., auf Kundenwunsch wird ein modifiziertes Sixpack-Modul hergestellt.
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Aus der
GB 2 426 393 A ist eine Vorrichtung zum Messen eines Umrichterausgangsstromes bekannt. Bei dieser Vorrichtung weist jeder Brückenzweig einer sechspulsigen Stromrichterbrücke einen Widerstand auf, deren Spannungsabfälle mittels eines Analog-/Digital-Wandlers einer Recheneinheit zugeführt werden. Jeder Widerstand ist derart in einem Brückenzweig verschaltet, dass dieser einerseits mit einem Emitteranschluss eines unteren Halbleiterschalters dieses Brückenzweiges und andererseits mit einem Minusanschluss des Spannungszwischenkreises eines Spannungszwischenkreis-Umrichters verbunden ist. Mittels dieser Widerstände werden Zweigströme ermittelt, aus denen dann der Wert eines Motorstroms berechnet wird. Gegenüber der Vorrichtung der EP-Anmeldung wird für den Wechselrichter des Spannungszwischenkreis-Umrichters der GB-Anmeldung ein handelsübliches Sixpack-Modul verwendet, aber es werden drei Analog-/Digital-Wandler benötigt. Somit sind beide bekannte Vorrichtungen aufwändig und kostenintensiv.
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Aus der
US 6,693,404 B2 ist ein Strommesssystem eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, an dessen lastseitigen Wechselrichter ein Drehstrommotor angeschlossen ist, bekannt, das aus einer Messung des Gleichspannungs-Zwischenkreisstromes und der Messung eines Motorstromes einer Phase den Wechselrichter-Ausgangsstrom bestimmt. Bei diesem Strommesssystem halbiert sich der Aufwand an Strommesseinrichtungen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen eines Motorstromes anzugeben, die die vorgenannten Nachteile nicht mehr aufweist, die kostengünstiger ist und die schnell auf einen auftretenden Kurzschlussstrom reagieren kann.
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Diese Aufgabe wird mit Merkmalen den Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Mit dem erfindungsgemäßen Strommesssystem werden ein im Gleichspannungszwischenkreis eines Spannungszwischenkreis-Umrichters fließender Strom und ein Phasenstrom genau eines Brückenzweiges eines mehrpulsigen Wechselrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters gemessen. Aus diesem ermittelten Phasenstrom wird eine Wechselstromkomponente ermittelt, die mit dem ermittelten Strom im Gleichspannungszwischenkreis addiert wird. Dieser zusammengesetzte Strom entspricht einem Motorstrom.
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Beim erfindungsgemäßen Strommesssystem wird gegenüber den beiden bekannten Strommesssystemen ein handelsübliches Sixpack-Modul für den Wechselrichter verwendet. Bei manchen bekannten Strommesssystemen werden nur zwei Widerstände benötigt. D. h., es werden somit auch nur zwei Analog-/Digital-Wandler benötigt. Das erfindungsgemäße Strommesssystem weist nicht mehr die Nachteile der bekannten Strommesssysteme auf und ist außerdem kostengünstiger.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Strommesssystems schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt einen Wechselrichter mit einem Strommesssystem, in der
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2 ist ein Blockschaltbild des Strommesssystems nach der 1 näher dargestellt, in der
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3 ist ein Flussdiagramm einer Schutzfunktion des Strommesssystems nach der Erfindung dargestellt, die
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4 zeigt ein Flussdiagramm einer Stromüberwachungsfunktion des Strommesssystems nach der Erfindung und in der
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5 ist eine Ausführungsform eines Wechselrichters mit einem erfindungsgemäßen Strommesssystem dargestellt.
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Die 1 zeigt einen Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einem Strommesssystem. Der Spannungszwischenkreis-Umrichter weist netzseitig eine Einspeisevorrichtung 3 und lastseitig einen Wechselrichter 1 auf. Die Einspeisevorrichtung 3 und der Wechselrichter 1 sind gleichspannungsseitig mit einem Spannungszwischenkreis, bestehend aus einem Zwischenkreiskondensator und zwei Stromschienen 4 und 5, verknüpft. Der Zwischenkreiskondensator ist elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen +DC und –DC der Einspeiseschaltung 3 geschaltet. Diese gleichspannungsseitigen Anschlüsse +DC und –DC sind mittels der Stromschienen 4 bzw. 5 mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen des Wechselrichters 1 verknüpft. An den Ausgangsanschlüssen dieses Wechselrichters 1 ist ein Wechselstrommotor 2 angeschlossen. Die beiden Stromschienen 4 und 5 des Spannungszwischenkreises sind jeweils mit einem Widerstand 6 bzw. 7, insbesondere einem Shunt-Widerstand, versehen. Außerdem ist in einem Brückenzweig des dreiphasigen Wechselrichters 1 ein Widerstand 8, insbesondere ein Shunt-Widerstand, angeordnet. Dieser Widerstand 8 ist derart im Brückenzweig verschaltet, dass dieser einen Emitteranschluss eines unteren Halbleiterschalters mit einem negativen Gleichspannungs-Anschluss des Umrichters 1 elektrisch leitend verbindet. An den Widerständen 7 und 8 abfallende Spannungen, die durch einen Gleichspannungs-Zwischenkreisstrom Idc bzw. einen Phasenstrom Ie erzeugt werden, sind der Messeinrichtung 9 zugeführt. Da nur zwei Strommesswerte in der Messeinrichtung 9 verarbeitet werden, weist diese Messeinrichtung 9 eingangsseitig zwei Sigma-Delta-Wandler 10 und 16 auf.
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In der 2 ist ein Blockschaltbild der Messeinrichtung 9 naher dargestellt. Wegen der Übersichtlichkeit ist der Wechselrichter nur als Block dargestellt. Gemäß diesem Blockschaltbild ist der Sigma-Delta-Wandler 10 mit seinen beiden Anschlüssen mit den Anschlüssen des Shunt-Widerstandes 7 elektrisch leitend verbunden. Der Sigma-Delta-Wandler 16 ist mit seinen beiden Anschlüssen mit den Anschlüssen des Shunt-Widerstandes 8 verknüpft. Ausgangsseitig sind diese beiden Sigma-Delta-Wandler 10 und 16 jeweils mit einem Eingang eines Integrierers 12 bzw. 18 verknüpft. Der Ausgang des Sigma-Delta-Wandlers 10 ist außerdem mittels eines Filters 13 mit kurzer Zeitkonstante mit einem nicht invertierenden Eingang eines Komparators 15 verknüpft. Am invertierenden Eingang dieses Komparators 15 steht ein Schwellwert an. Deshalb wird diese Komparatorschaltung auch als Vergleicher bezeichnet. An den Ausgängen der beiden Integrierer 12 und 18 stehen Stromwerte für einen Gleichspannungszwischenkreis-Strom Idc und für einen Phasenstrom Ie an. Sobald der Schwellenwert am Komparator 15 vom Ausgangswert des Filters überstiegen wird, wird ein Abschaltsignal Trip generiert, wodurch der Wechselrichter 1 umgehend ausgeschaltet wird. Außerdem weist diese Messeinrichtung 9 einen Prozessor 17 auf, der die ermittelten Werte eines Gleichspannungszwischenkreis-Stromes Idc und eines Phasenstromes Ie weiter verarbeitet.
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Mittels dieser Messeinrichtung 9 werden zwei Funktionen bereitgestellt, nämlich eine Schutzfunktion der Halbleiterschalter des Wechselrichters 1 und eine Stromüberwachungsfunktion. Beide Funktionen werden gleichzeitig ausgeführt, werden aber separat beschrieben.
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Das Flussdiagramm der Schutzfunktion ist in der 3 näher dargestellt. Bei einem ersten Schritt 20 wird ein Strom Idc durch den Shunt-Widerstand 7 erfasst. Im Schritt 21 bestimmt der Prozessor 17 der Messeinrichtung 9 die reelle Komponente eines Motorstromes anhand der Beziehung: Ireel(rms) = Idc/(M·√1,5) wobei M der Aussteuergrad der Ausgangsspannung des Wechselrichters 1 ist. Bei dieser Messeinrichtung 9 ist der Aussteuergrad M derart skaliert, dass ein Wert von M = 1 den größten Aussteuergrad einer Raumzeigermodulation angibt, bevor die Wellenform der Ausgangsspannung verzerrt wird. Diese reelle Komponente des Motorstromes wird im Schritt 22 des Flussdiagramms gemäß 3 mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Wird dieser Schwellenwert überschritten, wird im Schritt 23 umgehend ein Abschaltsignal Trip generiert, womit der Umrichter 1 umgehend abgeschaltet wird. Wird dieser Schwellenwert nicht überschritten, beginnt der Prozess von vorne.
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In der 4 ist eine Stromüberwachungsfunktion anhand eines Flussdiagramms näher dargestellt. In einem ersten Schritt 30 dieses Flussdiagramms wird ein Phasenstrom Ie bestimmt. Diese Bestimmung wird über einen Motorzyklus fortgesetzt. Im Schritt 31 wird ein Wechselstromanteil des ermittelten Phasenstromes Ie durch Subtraktion des Istwertes Idc/3 bestimmt. Im nachfolgenden Schritt 32 wird der Mittelwert dieses Wechselstromanteils des Phasenstromes Ie über den Motorzyklus hinweg bestimmt. Im Schritt 33 wird eine Approximation des Effektivwertes des Motorstromzeigers durch Multiplizieren des ermittelten Wechselstromanteils des Phasenstromes Ie für einen Motorzyklus mit einem Faktor 3,2/√2 bestimmt. Wird vor dem Neuskalieren vom Wechselstromanteil des Phasenstromes Ie der Wert 0,05·Idc subtrahiert, verbessert sich die Genauigkeit der Stromüberwachungsfunktion.
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In der 5 ist eine Ausführungsform eines Strommesssystems nach der Erfindung für einen Wechselrichter 1 mit ausgangsseitigem Drehstrommotor 2 dargestellt. Gegenüber der Ausführungsform gemäß 1 weist nun jeder Brückenzweig des Wechselrichters 2 einen Shunt-Widerstand 40a, 40b und 40c auf. Der im Zwischenkreis fließende Strom Idc wird bei dieser Ausführungsform mit drei Widerständen 41, 42 und 43 gemessen, die jeweils einerseits mit einem Emitteranschluss eines unteren Halbleiterschalters eines Brückenzweiges und andererseits mit einem Eingang 44 der Messeinrichtung 9 elektrisch leitend verbunden sind. Ein weiterer Eingang 45 dieser Messeinrichtung 9 ist mit der negativen Stromschiene 5 des Spannungszwischenkreises verknüpft. Somit entfällt der Shunt-Widerstand 7 im Gleichspannungs-Zwischenkreis. Der emitterseitige Anschluss des Shunt-Widerstandes 40c ist außerdem mit dem Eingang 46 der Messeinrichtung 9 elektrisch leitend verbunden. Der Anschluss 45 der Messeinrichtung 9 ist jeweils mit einem Minus-Anschluss der beiden Sigma-Delta-Wandler 10 und 16 verbunden, wobei der Eingang 44 der Messeinrichtung 9 mit dem Plus-Anschluss des Sigma-Delta-Wandlers 10 und der Eingang 46 mit dem Plus-Anschluss des Sigma-Delta-Wandlers 16 verknüpft. Der bei dieser Ausführungsform bestimmte Gleichspannungs-Zwischenkreisstrom Idc beträgt 1/3 des Wertes, der mit der Ausführungsform gemäß 1 bestimmt wird. Obwohl in dieser Ausführungsform drei Shunt-Widerstände 40a, 40b und 40c für den Wechselrichter 1 und weitere drei Shunt-Widerstände 41, 42 und 43 für die Messung eines Gleichspannungs-Zwischenkreisstromes Idc benötigt werden, weist die Messeinrichtung 9 weiterhin nur zwei Wandler 10 und 16 auf. Somit ist diese Ausführungsform gegenüber den eingangs genannten Strommesssystemen immer noch kostengünstiger. Die zweite Ausführungsform des Strommesssystems unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich durch die Anzahl der verwendeten Shunt-Widerstände.
