DE102012208594A1 - Method of operating inverter e.g. pulse inverter, involves determining function of external cooling system in response to integrated power and change in temperature detected over predetermined time - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters, insbesondere Pulswechselrichter, wobei der Wechselrichter mehrere Phasensysteme mit jeweils mindestens einem Halbleiterschalter sowie eine Temperaturüberwachungseinrichtung mit mindestens einem Temperatursensor aufweist, wobei mittels des Temperatursensors eine Temperaturveränderung mindestens eines der Phasensysteme erfasst wird, und wobei der Wechselrichter mittels eines externen Kühlsystems gekühlt wird.The invention relates to a method for operating an inverter, in particular pulse inverters, wherein the inverter has a plurality of phase systems each having at least one semiconductor switch and a temperature monitoring device with at least one temperature sensor, wherein by means of the temperature sensor, a temperature change of at least one of the phase systems is detected, and wherein the inverter means an external cooling system is cooled.
Ferner betrifft die Erfindung einen Wechselrichter.Furthermore, the invention relates to an inverter.
Stand der TechnikState of the art
Verfahren und Wechselrichter der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der Wechselrichter hat die Aufgabe, einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln, wobei er auch in umgekehrter Richtung arbeiten, also Wechselstrom in Gleichstrom wandeln kann. Häufig wird der Wechselrichter auch als Inverter bezeichnet. In der Regel verfügt der Wechselrichter über mehrere Phasensysteme, die jeweils mindestens einen Halbleiterschalter aufweisen. Dabei sind die Halbleiterschalter in der Regel sogenannten Außenleitern des Wechselrichters zugeordnet. Mittels der Halbleiterschalter kann beispielsweise für das Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom der Außenleiter periodisch derart geschaltet werden, dass an dem Außenleiter der Wechselstrom vorliegt. Ein Ansteuern des Wechselrichters beziehungsweise der Halbleiterschalter erfolgt mit einer entsprechenden Steuerschaltung beziehungsweise mit einem Steuergerät, in welchem ein entsprechendes Steuerprogramm hinterlegt ist und ausgeführt wird.Method and inverter of the type mentioned are known from the prior art. The inverter has the task to convert a direct current into an alternating current, where he also work in the opposite direction, so can convert alternating current into direct current. Often the inverter is also referred to as an inverter. In general, the inverter has several phase systems, each having at least one semiconductor switch. The semiconductor switches are usually associated so-called outer conductors of the inverter. By means of the semiconductor switches, for example, for converting the direct current into alternating current, the outer conductor can be switched periodically such that the alternating current is present at the outer conductor. A triggering of the inverter or the semiconductor switch is carried out with a corresponding control circuit or with a control unit in which a corresponding control program is stored and executed.
Die Halbleiterbauelemente haben einen charakteristischen ohmschen Innenwiderstand, der bei Vorliegen eines durch den jeweiligen Halbleiterschalter fließenden Strom zu einem Wärmeeintrag und somit zu einem Temperaturanstieg führt. Fließt durch den Halbleiterschalter hingegen kein Strom, passt sich die Temperatur des Halbleiterschalters an die Umgebungstemperatur an und erhält dadurch eine stabile Temperatur.The semiconductor devices have a characteristic ohmic internal resistance, which leads to a heat input and thus to an increase in temperature in the presence of a current flowing through the respective semiconductor switch. On the other hand, if no current flows through the semiconductor switch, the temperature of the semiconductor switch adapts to the ambient temperature and thus obtains a stable temperature.
Um den Wechselrichter und insbesondere die Halbleiterschalter vor einer Überhitzung zu schützen, verfügt der Wechselrichter außerdem über die Temperaturüberwachungseinrichtung. Diese weist wenigstens einen Temperatursensor auf, mittels dessen die Temperatur des Wechselrichters, insbesondere die Temperatur mindestens eines Phasensystems und besonders bevorzugt die Temperatur mindestens eines der Halbleiterschalter erfasst wird. Bedingt durch den Wärmeleitungs- und/oder Wärmeübertragungseffekt entspricht die mittels des jeweiligen Temperatursensors erfasste Temperatur üblicherweise nicht der Temperatur des gesamten Phasensystems, sondern nur eines Teils davon. Ist diesem Phasensystem jedoch ein Element aus gut wärmeleitendem Material zugeordnet, welches mit zu kühlenden Bereichen des Phasensystems in Berührungskontakt steht, und ist der Temperatursensor an diesem Element angeordnet, so kann zumindest näherungsweise davon ausgegangen werden, dass die erfasste Temperatur der tatsächlichen Temperatur des Phasensystems zumindest im Wesentlichen entspricht.To protect the inverter and in particular the semiconductor switches against overheating, the inverter also has the temperature monitoring device. This has at least one temperature sensor, by means of which the temperature of the inverter, in particular the temperature of at least one phase system and particularly preferably the temperature of at least one of the semiconductor switches is detected. Due to the heat conduction and / or heat transfer effect, the temperature detected by the respective temperature sensor usually does not correspond to the temperature of the entire phase system, but only a part thereof. If, however, an element of good heat-conducting material is associated with this phase system, which is in contact with areas of the phase system to be cooled, and if the temperature sensor is arranged on this element, it can at least approximately be assumed that the detected temperature is at least the actual temperature of the phase system essentially corresponds.
Um eine hohe Leistung des Wechselrichters zu erzielen, ist es außerdem bekannt, den Wechselrichter durch ein externes Kühlsystem zu kühlen, so dass die Phasensysteme weniger schnell und/oder weniger stark im Betrieb aufgeheizt werden. Fällt das Kühlsystem jedoch aus, kann dies schnell zu einer Überhitzung des Wechselrichters führen.In order to achieve a high performance of the inverter, it is also known to cool the inverter by an external cooling system, so that the phase systems are heated less quickly and / or less in operation. However, if the cooling system fails, this can quickly lead to overheating of the inverter.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln auf die Funktionsfähigkeit des Kühlsystems geschlossen werden kann, ohne dem Kühlsystem selbst eine eigene Diagnoseeinrichtung mit einem eigenen Temperatursensor zuordnen zu müssen. Vielmehr kann auf Basis der Daten, die der Wechselrichter liefert, auf eine Funktion des Kühlsystems geschlossen werden. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Strom wenigstens eines der Phasensysteme erfasst und über eine vorgegebene Zeit integriert und über dieselbe Zeit die Temperaturveränderung des Wechselrichters, insbesondere des einen Phasensystems erfasst wird, und dass ein Kühlleistungsindex, der die Funktion des externen Kühlsystems anzeigt, in Abhängigkeit von dem integrierten Strom und der Temperaturveränderung ermittelt wird. Bei der Integration des Stroms wenigstens eines der Phasensysteme wird insbesondere der effektive Strom, insbesondere der quadratische Mittelwert des Stroms, oder der Betrag des Stroms oder nur die positiven oder nur die negativen Werte des Stroms berücksichtigt. Der durch die Phasensysteme fließende Strom wird bei Wechselrichtern zur korrekten Ansteuerung in der Regel bereits erfasst, so dass entsprechende Signale für die Erfindung genutzt werden können. Die durch die Temperatursensoren erfasste Temperatur des entsprechenden Phasensystems erlaubt über die Zeit gesehen eine einfache Aussage über eine Temperaturveränderung beziehungsweise ein sogenanntes Temperaturdelta. Die Erfindung nutzt dieses Temperaturdelta sowie den über die Zeit integrierten Strom um einen Kühlleistungsindex zu ermitteln. Findet eine zu dem integrierten Strom überproportionale Temperaturveränderung statt, deutet dies beispielsweise auf einen Fehler im externen Kühlsystem hin, dass im Normalbetrieb eine derartige Temperaturverändeurng nicht ermöglichen würde. Eine kritische Abweichung lässt sich beispielsweise durch eine Applikation erfassen und kennfeldbasiert im weiteren Verfahren zur Bestimmung des Kühlleistungsindexes verwenden. Insgesamt lässt sich somit auf einfache Art und Weise ohne zusätzliche Diagnostikmittel, insbesondere ohne zusätzliche dem Kühlsystem zugeordnete Temperatursensoren, die Funktion des Kühlsystems erfassen oder zumindest einschätzen.The method according to the invention has the advantage that the functionality of the cooling system can be concluded with simple means, without having to assign the cooling system itself its own diagnostic device with its own temperature sensor. Rather, a function of the cooling system can be deduced based on the data supplied by the inverter. For this purpose, the invention provides that the current of at least one of the phase systems is detected and integrated over a predetermined time and over the same time the temperature change of the inverter, in particular of a phase system is detected, and that a cooling performance index indicating the function of the external cooling system, depending is determined by the integrated current and the temperature change. When integrating the current of at least one of the phase systems, in particular the effective current, in particular the square mean value of the current, or the magnitude of the current or only the positive or only the negative values of the current is taken into account. The current flowing through the phase systems is usually already detected in inverters for correct control, so that corresponding signals can be used for the invention. The temperature of the corresponding phase system detected by the temperature sensors allows, over time, a simple statement about a temperature change or a so-called temperature delta. The invention uses this temperature delta as well as the integrated over the time stream to determine a cooling performance index. If there is a disproportionate temperature change to the integrated current, this indicates, for example, an error in the external one Cooling system out that in normal operation would not allow such Temperaturverändeurng. A critical deviation can be detected, for example, by an application and used in a map-based manner in the further method for determining the cooling performance index. Overall, the function of the cooling system can thus be detected or at least estimated in a simple manner without additional diagnostic means, in particular without additional temperature sensors assigned to the cooling system.
Vorzugsweise wird der Kühlleistungsindex dadurch ermittelt, dass der integrierte Strom durch die Temperaturveränderung beziehungsweise durch das Temperaturdelta geteilt wird. Hierdurch wird ein normierter Wert erhalten, der proportional zum aktuellen Zustand der externen Kühlleistung ist. Damit lässt sich eine genaue Aussage über die Funktion des externen Kühlsystems treffen.The cooling performance index is preferably determined by dividing the integrated current by the temperature change or by the temperature delta. As a result, a normalized value is obtained, which is proportional to the current state of the external cooling capacity. This makes it possible to make a precise statement about the function of the external cooling system.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren durchgeführt wird, während das zumindest eine Phasensystem, insbesondere alle Phasensysteme, mit Strom beaufschlagt wird. Nur in diesem Zustand lässt sich der integrierte Strom mit der Temperaturveränderung sinnvoll kombinieren, da erst wenn sich die Halbleiterschalter beziehungsweise das eine oder die Phasensysteme erwärmen, auch eine Aussage über das Kühlsystem getroffen werden kann.According to an advantageous development of the invention it is provided that the method is carried out while the at least one phase system, in particular all phase systems, is supplied with current. Only in this state can the integrated current with the temperature change meaningfully combine, because only when the semiconductor switches or the one or the phase systems heat, a statement about the cooling system can be made.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren nur dann durchgeführt, wenn zuvor zumindest das wenigstens eine Phasensystem für eine vorgebbare Zeitdauer nicht bestromt wurde. Wenn die Phasensysteme für eine bestimmte Zeitdauer nicht bestromt werden, so erreichen sie eine stabile Temperatur. Hiervon ausgehend lässt sich bei der Bestromung der Temperaturanstieg besonders sicher erfassen. Vorzugsweise sind die Phasensysteme vor Durchführung des Verfahrens mindestens 20 bis 60 Sekunden, insbesondere 40 Sekunden, nicht bestromt. Dadurch wird eine stabile Ausgangstemperatur der Phasensysteme, insbesondere der Halbleiterschalter, gewährleistet.The method is particularly preferably carried out only if at least the at least one phase system has not been energized for a predefinable period of time. If the phase systems are not energized for a certain period of time, they reach a stable temperature. On this basis, the increase in temperature can be recorded particularly reliably during energization. The phase systems are preferably not energized for at least 20 to 60 seconds, in particular 40 seconds, before the method is carried out. This ensures a stable output temperature of the phase systems, in particular the semiconductor switches.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorgegebene Zeitdauer, über welche der Strom des zumindest einen Phasensystems integriert und die Temperaturveränderung erfasst wird, 40 bis 60 Sekunden, insbesondere 50 Sekunden beträgt. Die gewählte Zeit lässt eine ausreichende Aussage über die Temperaturveränderung sicher zu.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the predetermined time duration over which the current of the at least one phase system is integrated and the temperature change is detected is 40 to 60 seconds, in particular 50 seconds. The selected time certainly allows a sufficient statement about the temperature change.
Vorzugsweise wird die Ermittlung des Kühlleistungsindex nur dann durchgeführt, wenn der integrierte Strom einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Je mehr Strom durch das mindestens eine Phasensystem fließt, desto größer wird die Temperaturdifferenz in dieser Zeit beziehungsweise in dem gemessenen Zeitfenster und die Diagnose wird schärfer. Der Kühlleistungsindex wird vorzugsweise erst dann berechnet, wenn der integrierte Strom eine Schwelle von 3000 Ampere, insbesondere bei 60 Sekunden Integrationszeit überschreitet.Preferably, the determination of the cooling performance index is only carried out if the integrated current exceeds a predefinable threshold value. The more current flows through the at least one phase system, the greater becomes the temperature difference in this time or in the measured time window and the diagnosis becomes sharper. The cooling performance index is preferably calculated only when the integrated current exceeds a threshold of 3000 amps, in particular at 60 seconds integration time.
Vorzugsweise wird der Kühlleistungsindex für jedes der Phasensysteme ermittelt. Dazu wird jedem Phasensystem eine entsprechende Zeit, in welcher der Strom integriert und phasensystembezogene Temperaturveränderungen erfasst werden, vorgegeben, um einen phasensystemabhängigen Kühlleistungsindex zu ermitteln.Preferably, the cooling performance index is determined for each of the phase systems. For this purpose, each phase system is given a corresponding time, in which the current is integrated and phase-system-related temperature changes are detected, in order to determine a phase system-dependent cooling performance index.
Alternativ ist vorgesehen, dass der Kühlleistungsindex in Abhängigkeit aller Phasensysteme ermittelt wird. Hierbei kann beispielsweise der Wert eines zentralen Temperatursensors des Wechselrichters erfasst und in Verbindung mit den Stromintegralen der einzelnen Phasensysteme oder eines ausgewählten Phasensystems, gebracht werden. Alternativ kann aus den Signalen mehrerer Temperatursensoren ein Mittelwert bestimmt und mit einem Mittelwert der Stromintegrale der einzelnen Phasensysteme in Verbindung gebracht werden, um wie zuvor beschrieben den Kühlleistungsindex zu ermitteln. Vorzugsweise ist jedem der Phasensysteme ein eigener Temperatursensor zugeordnet.Alternatively, it is provided that the cooling performance index is determined as a function of all the phase systems. In this case, for example, the value of a central temperature sensor of the inverter can be detected and brought into connection with the current integrals of the individual phase systems or of a selected phase system. Alternatively, an average value can be determined from the signals of a plurality of temperature sensors and associated with an average value of the current integrals of the individual phase systems in order to determine the cooling performance index as described above. Preferably, each of the phase systems is assigned its own temperature sensor.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass bei Überschreiten einer Sensorminimaltemperatur oder bei Überschreiten einer Sensormaximaltemperatur durch die mittels des jeweiligen Temperatursensors erfasste Temperatur ein Fehler der Temperaturüberwachungseinrichtung oder des Wechselrichters erkannt wird. Jedem Temperatursensor ist eine jeweilige Sensorminimaltemperatur und/oder eine jeweilige Sensormaximaltemperatur zugeordnet. Diese Temperaturen beschreiben den Temperaturbereich, innerhalb dessen die mittels des Temperatursensors erfasste Temperatur zulässig ist. Wird die entsprechende Temperatur über- beziehungsweise unterschritten, kann davon ausgegangen werden, dass ein Temperatursensor defekt ist. Somit kann dadurch ein Fehler der Temperaturüberwachungseinrichtung beziehungsweise des Wechselrichters erkannt werden. Der Vergleich der aktuellen Temperatur mit der Sensorminimaltemperatur und/oder der Sensormaximaltemperatur wird bevorzugt vor dem Bestimmen des Kühlleistungsindexes durchgeführt, um Folgefehler zu vermeiden.Furthermore, it is preferably provided that when a sensor minimum temperature is exceeded or a sensor maximum temperature is exceeded, an error of the temperature monitoring device or of the inverter is detected by the temperature detected by means of the respective temperature sensor. Each temperature sensor is assigned a respective sensor minimum temperature and / or a respective sensor maximum temperature. These temperatures describe the temperature range within which the temperature detected by the temperature sensor is permitted. If the corresponding temperature is exceeded or fallen below, it can be assumed that a temperature sensor is defective. Thus, an error of the temperature monitoring device or the inverter can be detected. The comparison of the current temperature with the sensor minimum temperature and / or the maximum sensor temperature is preferably carried out prior to determining the cooling performance index in order to avoid subsequent errors.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wechselrichter deaktiviert wird, wenn der ermittelte Kühlleistungsindex eine Fehlfunktion des externen Kühlsystems anzeigt, so dass eine Beschädigung des Wechselrichters vermieden wird. Der ermittelte Kühlleistungsindex kann beispielsweise mit einer Kennlinie oder einem Kennfeld des Wechselrichters verglichen werden, in welchem zu erwartende Kühlleistungsindexe hinterlegt sind. Liegt der ermittelte Kühlleistungsindex in einem unzulässigen Bereich, wird vorteilhafterweise eine Fehlfunktion des externen Kühlsystems erkannt.Furthermore, it is preferably provided that the inverter is deactivated if the determined cooling performance index indicates a malfunction of the external cooling system, so that damage to the inverter is avoided. The determined cooling performance index can, for example, with a characteristic curve or a map of the inverter are compared, in which expected cooling performance indexes are stored. If the determined cooling performance index is in an impermissible range, a malfunction of the external cooling system is advantageously detected.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 10 hat den Vorteil, dass ein zusätzliches Diagnosesystem für das externe Kühlsystem nicht notwendig ist. Der Wechselrichter zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperaturüberwachungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Strom des Wechselrichters, insbesondere zumindest eines Phasensystems zu erfassen und über eine vorgegebene Zeit zu integrieren und über dieselbe Zeit die Temperaturveränderung des Wechselrichters, insbesondere des zumindest einen Phasensystems zu erfassen, wobei die Temperaturüberwachungseinrichtung einen Kühlleistungsindex, der die Funktion des externen Kühlsystems anzeigt, in Abhängigkeit von dem integrierten Strom und der Temperaturveränderung ermittelt. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus dem zuvor beschriebenen.The inverter according to the invention with the features of
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. To show:
Jedes der Phasensysteme
Der Wechselrichter
Weiterhin ist dem Wechselrichter ein externes Kühlsystem
In einem ersten Schritt
Weiterhin wird in einem Block
Als Weiteres wird in einem Block
In einer Abfrage
In einer weiteren Abfrage
Der Kühlleistungsindex KL wird mit einem Schwellwert KL0 verglichen. Weicht der Kühlleistungsindex KL ausreichend weit von dem Schwellwert KL0 ab, so wird im Schritt
Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens soll
Anhand des gebildeten Kühlleistungsindex KL lassen sich dann beispielsweise folgende Aussagen über die Kühlleistung, in Abhängigkeit vorgebbarer beziehungsweise vorgegebener Grenzwerte W1, W2, W3 und W4 mit W1 < W2 < W3 < W4, ableiten:
Ist der Kühlleistungsindex KL ≤ 1 kleiner als ein vorgegebener Wert W1 (KL ≤ W1), so befindet sich die erfasste Temperatur in dem zulässigen Bereich und verläuft nahezu konstant. Es besteht keine Überhitzungsgefahr für die Leistungselektronik beziehungsweise den Wechselrichter
If the cooling performance index KL ≦ 1 is smaller than a predetermined value W1 (KL ≦ W1), the detected temperature is in the allowable range and is almost constant. There is no risk of overheating for the power electronics or the inverter
Liegt der Kühlleistungsindex zwischen W2 und W4 (W2 ≤ KL ≤ W4), so steigt die interne Temperatur des Wechselrichters kontinuierlich und es besteht eine Überhitzungsgefahr, wobei das externe Kühlsystem
Liegt der Kühlleistungsindex oberhalb von W4 (KL > W4) steigt die Temperatur des Wechselrichters
Überschreitet der Kühlleistungsindex einen applizierbaren Wert, der projektspezifisch vorgebbar ist, dann wird der Fehler beispielsweise einem Diagnosemanagement des Steuergeräts
Die Diagnose lässt sich somit insgesamt über nur wenige Parameter einstellen, nämlich über die Wartezeit, innerhalb derer der Wechselrichter
Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, ohne zusätzliche Temperaturinformation des externen Kühlsystems die Funktion des externen Kühlsystems
Ergibt die Abfrage
Wird im Block
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