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Gebiet der Offenbarung
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Die Offenbarung bezieht sich auf einen leistungselektronischen Umrichter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Wechselspannungssystem und einem Gleichspannungssystem. Weiterhin bezieht sich die Offenbarung auf eine Steuerung zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters, ein Verfahren zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters und ein Computerprogramm zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters.
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Hintergrund
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In vielen Fällen umfasst ein leistungselektronischer Umrichter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Wechselspannungssystem und einem Gleichspannungssystem eine steuerbare Umrichterbrücke. Das Wechselspannungssystem kann beispielsweise ein dreiphasiges Netz oder ein Generator sein und das Gleichspannungssystem kann beispielsweise ein Zwischenkreis eines Frequenzumrichters oder eines anderen elektrischen Geräts oder Systems mit einem Gleichspannungsanschluss sein. Die Umrichterbrücke weist high side steuerbare Schalter auf, die mit einer positiven Gleichspannungsschiene und einer Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters verbunden ist, low side steuerbare Schalter, die mit einer negativen Gleichspannungsschiene und der Wechselspannungsseite verbunden ist, und Freilaufdioden auf, die jeweils antiparallel mit einem jeweiligen der steuerbaren Schalter verbunden sind. Die steuerbaren Schalter können beispielsweise Bipolartransistoren mit isoliertem Gate „IGBT“, abschaltbare Thyristoren „GTO“, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren „MOSFETS“, bipolare Transistoren oder andere geeignete Halbleiterschalter sein. Der leistungselektronische Umrichter weist ein Steuersystem zum Steuern der steuerbaren Schalter während der Verwendung des leistungselektronischen Umrichters auf. Der leistungselektronische Umrichter weist typerweise Eingangssicherungen zwischen der Wechselspannungsseite und einem externen Wechselspannungssystem auf. Weiterhin kann der leistungselektronische Umrichter eine Filterschaltung zwischen der Umrichterbrücke und dem externen Wechselspannungssystem aufweisen. Der leistungselektronische Umrichter kann beispielsweise ein aktiver Gleichrichter, ein Netzwechselrichter oder beides sein.
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US 2013 / 0 208 514 A1 zeigt eine Steuerung zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters, der high side steuerbare Schalter, die mit einer positiven Gleichspannungsschiene des leistungselektronischen Umrichters und mit einer Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters verbunden sind, und low side steuerbare Schalter aufweist, die mit einer negativen Gleichspannungsschiene des leistungselektronischen Umrichters und mit der Wechselspannungsseite verbunden sind. Man kann den high side steuerbaren Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in einen leitenden Zustand versetzen, während der low side steuerbare Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in einem nicht leitenden Zustand gehalten wird oder man kann den low side steuerbaren Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in den leitenden Zustand versetzen, während der high side steuerbare Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in dem nicht leitenden Zustand gehalten wird.
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Eine normale Art, auf einen Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite eines leistungselektronischen Umrichters der oben beschriebenen Art zu reagieren, besteht darin, die steuerbaren Schalter in einem nicht leitfähigen Zustand zu halten und Kurzschlussströme durch die Freilaufdioden fließen zu lassen, bis Eingangssicherungen durchgebrannt sind. Das bedeutet, dass die Zeitintegrale der quadratischen Ströme, d.h. I2t-Werte, der Freilaufdioden höher sein können als die entsprechenden I2t-Werte der Eingangssicherungen. Dies ist in vielen Fällen ein begrenzender Faktor für die Dimensionierung der Freilaufdioden, der dazu führt, die Freilaufdioden für den Normalbetrieb zu überdimensionieren.
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Zusammenfassung
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Im Folgenden wird eine vereinfachte Zusammenfassung vorgestellt, um ein grundlegendes Verständnis von einigen Aspekten von verschiedenen Ausführungsformen zu vermitteln. Die Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick über die Erfindung. Es ist weder beabsichtigt, wesentliche oder kritische Elemente der Erfindung zu identifizieren noch den Umfang der Erfindung zu begrenzen. Die folgende Zusammenfassung stellt lediglich einige Konzepte in vereinfachter Form als Auftakt zu einer detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen vor.
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Nach der Erfindung wird eine neue Steuerung zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters angegeben, die high side steuerbare Schalter, die mit einer positiven Gleichspannungsschiene des leistungselektronischen Umrichters und mit einer Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters verbunden ist, und low side steuerbare Schalter, die mit einer negativen Gleichspannungsschiene des leistungselektronischen Umrichters und mit der Wechselspannungsseite verbunden sind, aufweist.
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Eine Steuerung nach der Erfindung weist ein Verarbeitungssystem auf, das ausgebildet ist, um:
- - eine Richtung eines Stroms zu erkennen, der von einer Phase der Wechselspannungsseite als Reaktion auf ein Fehlersignal getragen wird, das einen Kurzschluss in einer Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters anzeigt,
- - Versetzen des high side steuerbaren Schalters der Phase der Wechselspannungsseite in einen leitenden Zustand, während der low side steuerbare Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in einem nicht leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stroms von dem leistungselektronischen Umrichter nach außen gerichtet ist, und
- - Versetzen des low sidesteuerbaren Schalters der Phase der Wechselspannungsseite in den leitenden Zustand, während der high side steuerbare Schalter der Phasen der Wechselspannungsseite in einem nicht-leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stroms nach innen zum leistungselektronischen Umrichter gerichtet ist.
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Die oben beschriebene Arbeitsweise der steuerbaren Schalter zielt darauf ab, Fehlerströme zwischen Freilaufdioden des leistungselektronischen Umrichters und den oben genannten steuerbaren Schaltern zu verteilen, um sicherzustellen, dass die maximal zulässigen I2t-Werte der Freilaufdioden und die maximal zulässigen I2t-Werte der steuerbaren Schalter nicht überschritten werden, bevor Eingangssicherungen durchbrennen oder andere Überstromschalter nicht leitfähig werden.
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Nach der Erfindung wird auch ein neuer leistungselektronischer Umrichter bereitgestellt, der beispielsweise ein aktiver Gleichrichter, ein Netzwechselrichter oder beides sein kann. Ein leistungselektronischer Umrichter nach der Erfindung weist auf:
- - eine Umrichterbrücke, die positive und negative Gleichspannungsschienen, die mit der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters verbunden sind, high side steuerbare Schalter, die mit der positiven Gleichspannungsschiene und einer Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters verbunden sind, low side steuerbare Schalter, die mit der negativen Gleichspannungsschiene und der Wechselspannungsseite verbunden sind, und Freilaufdioden, die jeweils antiparallel mit einem der high side steuerbaren Schalter und der low side steuerbaren Schalter verbunden sind, aufweist, und
- - ein Steuersystem zum Steuern der high side steuerbaren Schalter und der low side steuerbaren Schalter während des normalen Betriebs des leistungselektronischen Umrichters, wobei das Steuersystem eine Steuerung nach der Erfindung aufweist zum Steuern der high side steuerbaren Schalter und der low side steuerbaren Schalter während eines Kurzschlusses in der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters.
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Nach der Erfindung wird auch ein neues Verfahren zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters der oben beschriebenen Art bereitgestellt. Ein Verfahren nach der Erfindung weist die folgenden Steueraktionen während eines Kurschlusses auf, der auf der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters auftritt:
- - Erkennen einer Richtung eines Stromes, der von einer Phase der Wechselspannungsseite getragen wird,
- - Versetzen des high side steuerbaren Schalters der Phase der Wechselspannungsseite in einen leitenden Zustand, während die low side Steuerschaltung der Phase der Wechselspannungsseite in einem nicht leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stromes von dem leistungselektronischen Umrichter nach außen gerichtet ist, und
- - Versetzen des low side steuerbaren Schalters der Phase der Wechselspannungsseite in den leitenden Zustand, während man den high side steuerbaren Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in einem nicht-leitenden Zustand hält, wenn die erkannte Richtung des Stromes einwärts zu dem leistungselektronischen Umrichter ist.
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Nach der Erfindung wird auch ein neues Computerprogramm zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters der oben beschriebenen Art bereitgestellt. Ein Computerprogramm nach der Erfindung weist computerausführbare Anweisungen zum Steuern eines programmierbaren Prozessors auf, um:
- - eine Richtung eines Stroms zu erkennen, der von einer Phase der Wechselspannungsseite getragen wird in Reaktion auf ein Fehlersignal, das einen Kurzschluss in der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters anzeigt,
- - Versetzen des high side steuerbaren Schalters der Phase der Wechselspannungsseite in einen leitenden Zustand, während der low side steuerbare Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in einem nicht-leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stromes von dem leistungselektronischen Umrichter nach außen ist, und
- - Versetzen des low side steuerbaren Schalters der Phase der Wechselspannungsseite in den leitfähigen Zustand, während man den high side steuerbaren Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in dem nicht-leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stromes nach innen zu dem leistungselektronischen Umrichter gerichtet ist.
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Gemäß der Erfindung wird auch ein neues Computerprogrammprodukt bereitgestellt. Das Computerprogramm weist ein nicht flüchtiges computerlesbares Medium auf, z.B. eine Compact-Disk „CD“, das mit einem Computerprogramm nach der Erfindung beschrieben ist.
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Verschiedene beispielhafte und nicht beschränkende Ausführungsformen werden in beigefügten abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Beispielhafte und nicht beschränkende Ausführungsformen sowohl in baulicher als auch betrieblicher Art zusammen mit zusätzlichen Aufgaben und Vorteile von ihnen werden am besten aus der nachfolgenden Beschreibung von spezifischen beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsformen verstanden, wenn man sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen liest.
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Die Verben „aufweisen“ und „einschließen“ werden in diesem Dokument als offene Einschränkungen verwendet, die das Vorhandensein von nicht erwähnten Merkmalen weder ausschließen noch fordern. Die in abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben, untereinander frei kombinierbar. Weiterhin ist zu verstehen, dass die Verwendung von „ein“ oder „einem“, d.h. eine Singularform, in diesem Dokument eine Vielzahl nicht ausschließt.
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Figurenliste
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Beispielhafte und nicht beschränkende Ausführungsformen und ihre Vorteile werden genauer weiter unten im Sinn von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, worin:
- 1 einen leistungselektronischen Umrichter zeigt, der eine Steuerung in einer beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsform aufweist,
- 2a und 2b einen leistungselektronischen Umrichter zeigen, der eine Steuerung nach einer beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsform aufweist, und
- 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach einer beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsform zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters zeigt.
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Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
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Die in der nachfolgenden Beschreibung gegebenen konkreten Beispiele sind nicht als Einschränkungen des Umfangs und/oder der Anwendbarkeit der beigefügten Ansprüche auszulegen. Die in der nachstehenden Beschreibung aufgeführten Listen und Gruppen von Beispielen sind nicht vollständig, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Umrichters nach einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform. In der in 1 dargestellten beispielhaften Situation ist eine Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters mit einem dreiphasigen Stromnetz 121 verbunden und eine Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters ist mit einem elektrischen System 120 verbunden, das beispielsweise einen Zwischenkreis eines Frequenzumrichters oder eine andere elektrische Einrichtung oder System mit einem Gleichspannungsanschluss aufweisen kann. Der leistungselektronische Umrichter weist eine Umrichterbrücke 101 auf, die eine positive Gleichspannungsschiene 106 und eine negative Gleichspannungsschiene 107 aufweist, die mit der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters verbunden sind. Die Umrichterbrücke 101 weist high side steuerbare Schalter 108, 109 und 110 auf, die mit der positiven Gleichspannungsschiene 106 und der Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters verbunden sind, low side steuerbare Schalter 111, 112 und 113, die mit der negativen Gleichspannungsschiene 107 und der Wechselspannungsseite verbunden sind, und Freilaufdioden 114, 115, 116, 117, 118 und 119, die jeweils antiparallel mit einem jeweiligen der steuerbaren Schalter verbunden sind. In dem beispielhaften Fall, der in 1 gezeigt ist, sind die steuerbaren Schalter 108-113 Bipolartransistoren mit isoliertem Gate „IGBT“. Es ist auch möglich, dass die steuerbaren Schalter 108-113 z.B. abschaltbare Thyristoren „GTO“, Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistoren „MOSFETS“, bipolare Transistoren oder andere geeignete Halbleiterschalter sind. Der leistungselektronische Umrichter weist ein Steuersystem 102 zum Steuern der steuerbaren Schalter 108-113 während der Verwendung des leistungselektronischen Umrichters auf. Das Steuersystem 102 erzeugt Steuersignale 124 zum Steuern der steuerbaren Schalter 108-113. Der leistungselektronische Umrichter weist Eingangssicherungen 122 zwischen der Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters und dem dreiphasigen Stromnetz 121 auf. Darüber hinaus weist der leistungselektronische Umrichter eine Filterschaltung 123 zwischen der Umrichterbrücke und dem dreiphasigen Stromnetz 121 auf. In dem beispielhaften Fall, der in 1 gezeigt ist, ist die Filterschaltung 123 ein Drossel-Kondensator-Drossel „LCL“-Filter. Der leistungselektronische Umrichter kann beispielsweise ein Gleichrichter, ein Netzwechselrichter oder beides sein.
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Das Steuersystem 102 des leistungselektronischen Umrichters weist eine Steuerung 103 zum Steuern der steuerbaren Schalter 108-113 auf, nachdem ein Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters erkannt wurde. Die Steuerung empfängt Signale 125, die zumindest die Richtung von Strömen ausdrücken, die von Phasen 126, 127 und 128 der Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters getragen werden. In Fällen, in denen es keinen Gleichtaktstrom geben kann und die an die Steuerung gelieferte Information auch die Größe der Ströme ausdrückt, genügt es, dass die an die Steuerung 103 gelieferten Informationen die Größen und Richtungen der Ströme von nur zwei der Phasen 126-128 ausdrücken.
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In der 1 gezeigten beispielhaften Situation wird davon ausgegangen, dass es einen Kurzschluss in dem elektrischen System 120 gibt, so dass die Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters kurzgeschlossen ist. Ströme, die zu einem beispielhaften Zeitpunkt über die Freilaufdioden fließen, sind mit gekrümmten Linien dargestellt, die mit Pfeilspitzen versehen sind. Wie in 1 dargestellt, fließen die Ströme über die Freilaufdioden 114, 118 und 119 zu dem oben genannten beispielhaften Zeitpunkt. Diese Freilaufdioden 114, 118 und 119 würden durch die Ströme, die zum Durchbrennen der Eingangssicherungen 122 erforderlich sind, stark belastet, wenn auf den Kurzschluss auf herkömmliche Weise reagiert würde. Insbesondere wäre die Freilaufdiode 114 zu dem oben erwähnten Zeitpunkt sehr stark belastet, da die Summe der Ströme der Freilaufdioden 118 und 119 über die Freilaufdiode 114 fließt. Die Steuerung 103 weist ein Verarbeitungssystem 105 auf, das auf ein Fehlersignal reagiert, das anzeigt, ob ein Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite vorliegt. Das Fehlersignal kann vom Verarbeitungssystem 105 basierend auf gemessenen und/oder geschätzten Daten erzeugt werden, oder es können andere Mittel zum Erkennen des Kurzschlusses und zum Erzeugen des Fehlersignals vorhanden sein.
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In einer Steuerung nach einer beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsform ist das Verarbeitungssystem 105 ausgebildet, um das Niveau der Gleichspannung UDC der Gleichspannungsseite mit einem vorbestimmten Grenzwert zu vergleichen. Das Verarbeitungssystem 105 setzt das oben genannte Fehlersignal, um anzuzeigen, dass es einen Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite gibt, wenn das Niveau der Gleichspannung UDC unterhalb des vorbestimmten Grenzwerts liegt. In einer Steuerung gemäß einer weiteren beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsform ist das Verarbeitungssystem 105 so ausgebildet, dass es das Niveau der Gleichspannung UDC der Gleichspannungsseite mit einem ersten vorgegebenen Grenzwert vergleicht und die Größe des Stroms jeder der Phasen 126-128 mit einem zweiten vorgegebenen Grenzwert. Das Verarbeitungssystem setzt das Fehlersignal, um anzuzeigen, dass es einen Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite gibt, wenn das Niveau der Gleichspannung UDC unterhalb des ersten vorbestimmten Grenzwerts ist und die Größe des Stroms in mindestens einer der Phasen 126-128 den zweiten vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
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Ohne die Allgemeingültigkeit einzuschränken, wird im Folgenden die Phase 128 der Wechselspannungsseite betrachtet. Das Verarbeitungssystem 105 der Steuerung 103 ist so ausgebildet, dass es die Richtung des Stromes der Phase 128 in Reaktion auf eine Situation erkennt, in der das oben erwähnte Fehlersignal anzeigt, dass es einen Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite gibt. Abhängig von der erkannten Richtung des Stroms der Phase 128 versetzt das Verarbeitungssystem 105 entweder den high side steuerbaren Schalter 108 oder den low side steuerbaren Schalter 111 in einen leitenden Zustand, während der andere der steuerbaren Schalter 108 und 111 in einem nicht-leitenden Zustand gehalten wird. In der in 1 gezeigten beispielhaften Situation ist die Richtung des Stroms der Phase 128 zu dem leistungselektronischen Umrichter nach innen und somit wird der low side steuerbare Schalter 111 in den leitfähigen Zustand versetzt, während der high side Schalter 108 im nicht-leitenden Zustand gehalten wird. Wenn die Richtung des Stroms der Phase 128 entgegengesetzt wäre, d.h. von dem leistungselektronischen Umrichter nach außen, würde der high side steuerbare Schalter 108 in den leitfähigen Zustand versetzt und der low side steuerbare Schalter 111 würde in dem nicht-leitenden Zustand gehalten werden.
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Da die Gleichspannung UDC im Wesentlichen Null ist, sind der low side steuerbare Schalter 111 und die Freilaufdiode 114 parallelgeschaltet. Ein Fall, in dem eine Restspannung ungleich Null auf der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters vorliegt, wird später in diesem Dokument diskutiert. In 1 ist der Strom des low side steuerbaren Schalters 111 mit einer gekrümmten gestrichelten Linie dargestellt, die mit einer Pfeilspitze versehen ist. Da der Strom der Phase 128 in zwei verschiedene Pfade aufgeteilt wird, verringern sich die zeitlichen Integrale der quadrierten Ströme, d.h. die I2t-Werte. Wenn der Strom der Phase 128 gleichmäßig zwischen der Freilaufdiode 114 und dem steuerbaren Schalter 111 verteilt wird, ist der I2t-Wert jeder dieser elektronischen Komponenten nur 1/4 des I2t-Wertes, der sich auf die Freilaufdiode 114 beziehen würde, wenn alle steuerbaren Schalter nach dem Kurzschluss im nicht-leitenden Zustand gehalten würden. Die elektrischen Eigenschaften von Dioden und IGBTs sind typischerweise so, dass die Stromverteilung zwischen ihnen bis zu einem Stromwert, bei dem ein IGBT entsättigt wird, ziemlich gleich ist.
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Die vorstehend beschriebene beispielhafte Steuerung 103 ist so ausgebildet, dass sie den high side und den low side Schalter einer Phase steuert, die jeweils zu jeder Zeit den größten Strom führt. In der in 1 gezeigten beispielhaften momentanen Situation ist die Phase, die den größten Strom führt, die Phase 128.
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2a und 2b veranschaulichen einen leistungselektronischen Umrichter, der eine Steuerung 203 nach einer beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsform aufweist. Die Steuerung 203 weist ein Verarbeitungssystem 205 auf, das als Reaktion auf einen Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite den high side steuerbaren Schalter einer jeden der Phasen 126-128 in den leitfähigen Zustand versetzt, während der low side steuerbare Schalter der betrachteten Phase im nicht-leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stromes der betrachteten Phase vom leistungselektronischen Umrichter nach außen verläuft. Dementsprechend versetzt das Verarbeitungssystem 205 den low side steuerbaren Schalter von jeder der Phasen 126-128 in den leitenden Zustand, während der high side steuerbare Schalter der betrachteten Phase im nicht-leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stroms der betrachteten Phase zu dem leistungselektronischen Umrichter nach innen geht. 2a zeigt eine beispielhafte Situation, wo die Ströme der Phasen 126 und 127 von dem leistungselektronischen Umrichter nach außen gerichtet sind und der Strom der Phase 128 zu dem leistungselektronischen Umrichter nach innen gerichtet ist. Deswegen werden die high side steuerbaren Schalter 109 und 110 und der low side steuerbare Schalter 111 in den leitfähigen Zustand versetzt, während die low side steuerbaren Schalter 112, 113 und der high side steuerbare Schalter 108 in dem nicht-leitenden Zustand gehalten werden. In 2a sind die Ströme der Freilaufdioden mit gekrümmten Linien mit Pfeilspitzen dargestellt und Ströme der steuerbaren Schalter sind mit gekrümmten gestrichelten Linien mit Pfeilspitzen dargestellt.
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Die nachfolgend dargestellte Tabelle 1 zeigt ein Schaltschema, das von einer Steuerung nach einer beispielhaften und nicht begrenzenden Ausführungsform verwendet wird. Jede dreiphasige Netzperiode hat sechs Unterperioden
1-6, die in Tabelle 1 gezeigt sind. Die Länge einer jeden Unterperiode beträgt 60 elektrische Grad.
Tabelle 1. H = ein high side steuerbarer Schalter ist leitfähig, L = ein low side steuerbarer Schalter ist leitfähig.
Richtungsströme der Phasen |
UnterPeriode | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Phase 126 | nach innen | nach innen | nach innen | nach außen | nach außen | nach außen |
Phase 127 | nach außen | nach außen | nach innen | nach innen | nach innen | nach außen |
Phase 128 | nach innen | nach außen | nach außen | nach außen | nach innen | nach innen |
| Schaltfolge während einer Netzperiode |
Phase | L | L | L | H | H | H |
Phase | H | H | L | L | L | H |
Phase | L | H | H | H | L | L |
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Simulierte Ergebnisse für einen leistungselektronischen Umrichter der in 2a dargestellten Art sind in Tabelle 2 auf der nächsten Seite dieses Dokuments dargestellt. In der ersten Simulation wurden alle steuerbaren Schalter während eines Kurzschlusses auf der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters im nicht-leitenden Zustand gehalten. In der zweiten Simulation wurde das Schaltschema nach Tabelle 1 verwendet. Die Sättigung von Induktoren in dem LCL-Filter 123 wurde nicht modelliert und die Entsättigung der IGBT steuerbaren Schalter wurde nicht modelliert. Die Simulationsperiode deckt die ersten 10 Millisekunden nach dem Kurzschluss ab. Die 10 Millisekunden-Simulationsperiode enthält eine Kommutierung in der Phase 126.
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Die in Tabelle 2 dargestellten simulierten Ergebnisse zeigen, dass die Steuerung der IGBT-steuerbaren Schalter die I
2t-Werte der Freilaufdioden auf etwa 25 % der Werte vermindert, die dem Fall entsprechen, wo alle die IGBT-steuerbaren Schalter während des Kurzschlusses im nicht-leitenden Zustand gehalten werden. Darüber hinaus erhöht die Steuerung der IGBT-steuerbaren Schalter die phasenspezifischen I
2t-Werte in den Eingangssicherungen um circa 5 %.
Tabelle 2.
| I2t [A2s] Alle IGBTs nichtleitend (1. Simulation) | I2t Schaltschema von Tabelle 1 (2. Simulation) | I2t Verhältnis für eine Diode für die 1. und 2. Simulation | I2t / Phase Alle IGBTs nichtleitfähig (1. Simulation) | I2t / Phase Schaltschema von Tabelle 1 (2. Simulation) |
Diode 114 | 1967920 | 513272 | 3.83 | 1967041 | 2057761 |
IGBT 111 | 0 | 516070 | - |
IGBT 109 | 0 | 256884 | - | 970127 | 1022251 |
Diode 118 | 968913 | 254754 | 3.8 |
IGBT 110 | 0 | 107940 | - | 451173 | 456885 |
Diode 116 | 26837 | 6763 | 3.96 |
Diode 119 | 424892 | 107031 | 3.96 |
IGBT 113 | 0 | 7004 | - |
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In einer Steuerung nach einer beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsform schaltet das Verarbeitungssystem die high side steuerbaren Schalter von jeder der Phasen 126-128 wiederholt zwischen dem leitenden und nicht leitenden Zustand um, während der low side steuerbare Schalter der betrachteten Phase im nicht leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stroms der betrachteten Phase von dem leistungselektronischen Umrichter nach außen ist. Dementsprechend schaltet das Verarbeitungssystem 205 den low side steuerbaren Schalter von jeder der Phasen 126-128 wiederholt zwischen dem leitfähigen und nicht leitfähigen Zustand, während der high side steuerbare Schalter der betrachteten Phase im nicht leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stroms der betrachteten Phase innen zum leistungselektronischen Umrichter gerichtet ist.
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Eine Schaltfrequenz, mit der ein steuerbarer Schalter zwischen dem leitenden und dem nicht leitenden Zustand geschaltet wird, ist vorteilhafterweise hoch genug, so dass lokale Spitzen in der Wellenform des Stroms des steuerbaren Schalters klein genug gehalten werden können. Die Spitzen sind vorteilhafterweise so klein wie möglich, um eine Entsättigung der IGBT-steuerbaren Schalter zu vermeiden. Die Schaltfrequenz kann beispielsweise mindestens 1 kHz oder mindestens 2,5 kHz betragen. Ein vorteilhafter Wert für die Schaltfrequenz kann beispielsweise mit Messungen und/oder Simulationen gefunden werden.
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Zusätzlich zu der Schaltfrequenz kann ein Tastverhältnis der steuerbaren Schalter eingestellt werden, um einen vorteilhaften Betrieb herauszufinden. Das Tastverhältnis ist definiert als ein Verhältnis zwischen der zeitlichen Länge eines Teils eines Schaltzyklus, wenn ein steuerbarer Schalter leitfähig ist, und der zeitlichen Länge des gesamten Schaltzyklus, wobei der Schaltzyklus definiert werden kann als ein Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Übergängen von dem nicht leitenden Zustand zu dem leitenden Zustand und der Schaltzyklus umfasst einen Übergang von dem leitenden Zustand zu dem nicht leitenden Zustand. Das Tastverhältnis kann beispielsweise zwischen 30 % und 100 % liegen. Es ist zu beachten, dass es viele Möglichkeiten gibt, während des Fehlers zu schalten. Es kann eine konstante Einschaltdauer und eine konstante Schaltfrequenz geben, aber eine oder beide können beispielsweise mit Phasenstrom variieren. Es kann auch einige Vorteile geben, wenn man eine Phasenverschiebung zwischen Schaltungen in verschiedenen Phasen hat, wie z.B. Interleaved-Modulation.
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Simulierte Ergebnisse für das Maximum der I2t-Werte der Freilaufdioden 114-116, für das Maximum von I2t-Werten der IGBT-steuerbaren Schalter 114-116 und für das Maximum der I2t-Werte der Phasen 126-128, d.h. das Maximum der I2t-Werte der Eingangssicherung 122 sind in Tabellen 3a und 3b für verschiedene Schaltfrequenzen und Tastverhältnisse der IGBT-steuerbaren Schalter dargestellt. Das Tastverhältnis 100 % entspricht dem in 1 dargestellten Schaltschema. Die Simulationsperiode deckt die ersten 20 Millisekunden nach dem Fehler ab.
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In dem beispielhaften Fall, der sich auf Tabelle 3a bezieht, ist der Fehlerwiderstand Rfault 100 mΩ und die Fehlerinduktivität Lfault ist 200 nH in Form von Reihenwiderstand und -Induktivität, und das Kurzschlussverhältnis Rsce des Versorgungsnetzes, d.h. das Verhältnis der Kurzschlussleistung des Versorgungsnetzes zur Nennscheinleistung des leistungselektronischen Umrichters, ist 100.
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Im beispielhaften Fall, der sich auf Tabelle 3b bezieht, ist der Fehlerwiderstand R
fault 1 mΩ und die Fehlerinduktivität L
fault 50 nH in Form von Reihenwiderstand und -Induktivität und das Kurzschlussverhältnis Rsce des Versorgungsnetzes ist 100.
Tabelle 3a. R
fault = 100 mΩ, L
fault = 200 nH, Rsce = 100.
Schaltfrequenz / kHz | Tastverhält nis / % | Max I2t von Dioden [A2s] | Max I2t von IGBTs [A2s] | Max I2t von Phasen [A2s] | Max I2t von Fehler [A2s] |
1 | 0 | 290000 | - | 490000 | 740000 |
1 | 10 | 360000 | 40000 | 670000 | 760000 |
1 | 20 | 430000 | 80000 | 880000 | 740000 |
1 | 30 | 520000 | 210000 | 1060000 | 630000 |
1 | 40 | 670000 | 410000 | 1270000 | 390000 |
1 | 50 | 860000 | 580000 | 1860000 | 210000 |
1 | 60 | 790000 | 610000 | 1890000 | 110000 |
1 | 70 | 730000 | 650000 | 1880000 | 110000 |
1 | 80 | 650000 | 650000 | 1980000 | 0 |
1 | 90 | 560000 | 560000 | 1990000 | 0 |
1 | 100 | 650000 | 810000 | 1970000 | 0 |
10 | 0 | 290000 | - | 490000 | 740000 |
10 | 10 | 340000 | 20000 | 630000 | 740000 |
10 | 20 | 390000 | 60000 | 810000 | 710000 |
10 | 30 | 590000 | 220000 | 1090000 | 610000 |
10 | 40 | 740000 | 440000 | 1470000 | 370000 |
10 | 50 | 910000 | 880000 | 1880000 | 100000 |
10 | 60 | 830000 | 800000 | 1920000 | 70000 |
10 | 70 | 740000 | 720000 | 1950000 | 50000 |
10 | 80 | 660000 | 640000 | 1950000 | 50000 |
10 | 90 | 570000 | 560000 | 1980000 | 30000 |
10 | 100 | 640000 | 810000 | 1970000 | 0 |
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Tabelle 3b ist auf der nächsten Seite gezeigt.
Table 3b. R
fault = 1 mΩ, L
fault = 50 nH, Rsce = 100.
Schaltfrequenz / kHz | Tastverhältnis /% | Max I2t von Dioden [A2s] | Max I2t von IGBTs [A2s] | Max I2t von Phasen [A2s] | Max I2t von Fehler [A2s] |
1 | 0 | 1750000 | - | 1890000 | 2670000 |
1 | 10 | 1630000 | 60000 | 1900000 | 2200000 |
1 | 20 | 1490000 | 120000 | 1920000 | 1680000 |
1 | 30 | 1360000 | 190000 | 1930000 | 1260000 |
1 | 40 | 1230000 | 250000 | 1950000 | 970000 |
1 | 50 | 1090000 | 300000 | 1960000 | 640000 |
1 | 60 | 960000 | 350000 | 1970000 | 470000 |
1 | 70 | 840000 | 390000 | 1980000 | 310000 |
1 | 80 | 720000 | 430000 | 1990000 | 150000 |
1 | 90 | 600000 | 450000 | 2000000 | 70000 |
1 | 100 | 650000 | 540000 | 1990000 | 80000 |
10 | 0 | 1750000 | - | 1890000 | 2670000 |
10 | 10 | 1680000 | 10000 | 1890000 | 2430000 |
10 | 20 | 1570000 | 50000 | 1910000 | 1990000 |
10 | 30 | 1440000 | 110000 | 1920000 | 1520000 |
10 | 40 | 1300000 | 180000 | 1940000 | 1070000 |
10 | 50 | 1070000 | 330000 | 1960000 | 570000 |
10 | 60 | 960000 | 390000 | 1970000 | 330000 |
10 | 70 | 840000 | 430000 | 1980000 | 240000 |
10 | 80 | 730000 | 460000 | 1990000 | 150000 |
10 | 90 | 620000 | 480000 | 2000000 | 50000 |
10 | 100 | 650000 | 540000 | 1990000 | 80000 |
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2b zeigt eine beispielhafte Situation, in der die Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters nach einem Kurzschluss, der im elektrischen System 120 aufgetreten ist, eine positive Restspannung aufweist. Die anfänglichen Fehlerströme sind in der Phase 126 nach außen und in den Phasen 127 und 128 nach innen gerichtet. Deswegen sind die high side steuerbaren Schalter 109 und 110 und der low sidesteuerbare Schalter 111 in den leitfähigen Zustand versetzt, während die low side steuerbaren Schalter 112 und 113 und der high side steuerbare Schalter 108 in dem nicht leitenden Zustand gehalten wurden. Da es die positive Restspannung auf der Gleichspannungsseite gibt, sind die Freilaufdioden 114, 118 und 119 rückwärts vorgespannt und somit nicht leitfähig. In 2b sind die Ströme der steuerbaren Schalter mit gekrümmten gestrichelten Linien mit Pfeilspitzen dargestellt.
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Darüber hinaus zeigt 2b den zeitlichen Verlauf der I2t-Werte des steuerbaren Schalters 109 und der Freilaufdiode 118. Eine Kurve 230 stellt den zeitlichen Verlauf des I2t-Werts des steuerbaren Schalters 109 dar und eine Kurve 231 stellt den zeitlichen Verlauf des I2t-Werts der Freilaufdiode 118 dar. Der Zeitpunkt Zeit = 0 entspricht dem Beginn des Kurzschlusses. Die steuerbaren Schalter 109-111 sind kurz nach dem Beginn des Kurzschlusses in den leitfähigen Zustand versetzt. Während einer Zeitperiode von 0 bis t0 wird das elektrische System 120 durch den Strom entladen, der durch die steuerbaren Schalter 109-111 fließt, so dass die Restspannung zum Zeitpunkt t0 Null wird. Somit bewirkt die Steuerung der steuerbaren Schalter, dass die Restspannung in Richtung des dreiphasigen Stromnetzes entladen wird. Dies bedeutet, dass der eigentlichen Fehlerstelle weniger Energie zugeführt wird, was die Gefahr einer Explosion an der Fehlerstelle vermindert.
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Solange es die positive Restspannung gibt, sind die Freilaufdioden 114, 118 und 119 rückwärts vorgespannt. Somit bleiben die I2t-Werte der Freilaufdioden Null während der Zeitperiode von 0 bis t0 . Nach dem Zeitpunkt t0 sind die Freilaufdioden 114, 118 und 119 nicht mehr rückwärts vorgespannt und die I2t-Werte der Freilaufdioden wachsen. Nach dem Zeitpunkt t0 ist die Situation, wie in 2a gezeigt. Die Kurve 231 zeigt, dass die I2t-Werte der Freilaufdiode 118 nach t0 anwächst und die Kurve 230 zeigt, dass die Wachstumsrate des I2t-Wertes des steuerbaren Schalters 109 an dem Zeitpunkt t0 abnimmt. Die Verringerung der Wachstumsrate des I2t-Wertes des steuerbaren Schalters 109 führt zu einer Stromteilung zwischen dem steuerbaren Schalter 109 und der Freilaufdiode 118 nach dem Zeitpunkt t0 .
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Die in 1 gezeigte Steuerung 103 wie auch die in 2a und 2b gezeigte Steuerung 203 können mit einer oder mehreren Prozessorschaltungen implemontiert werden, von denen jede eine programmierbare Prozessorschaltung mit einer geeigneten Software sein kann, ein dedizierter Hardwareprozessor, wie beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung „ASIC“, oder ein konfigurierbarer Hardwareprozessor, wie beispielsweise einen feldprogrammierbaren gate array „FPGA“ sein kann. Darüber hinaus kann die Steuerung eine oder mehrere Speicherschaltungen aufweisen, von denen jede beispielsweise ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff „RAM“ sein kann.
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Die oben beschriebenen Steuerungen 103 und 203 sind Beispiele für eine Einrichtung zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters, der high side steuerbare Schalter, die mit einer positiven Gleichspannungsschiene des leistungselektronischen Umrichters und mit einer Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters verbunden sind, und low side steuerbare Schalter aufweist, die mit einer negativen Gleichspannungsschiene des leistungselektronischen Umrichters und mit der Wechselspannungsseite verbunden sind, wobei die Einrichtung aufweist:
- - Mittel zum Erkennen einer Richtung eines Stroms, der von einer Phase der Wechselspannungsseite getragen wird, als Reaktion auf ein Fehlersignal, das einen Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters anzeigt,
- - Mittel zum Versetzen des high side steuerbaren Schalters der Phase der Wechselspannungsseite in einen leitenden Zustand, während der low side steuerbare Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in einem nicht leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stroms vom leistungselektronischen Umrichters nach außen gerichtet ist und
- - Mittel zum Versetzen des low side steuerbaren Schalters der Phase der Wechselspannungsseite in den leitenden Zustand, während der high side steuerbare Schalter der Phase der Wechselspannungsseite im nicht leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Stromrichtung nach innen zum leistungselektronischen Umrichter gerichtet ist.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach einer beispielhaften und nicht begrenzenden Ausführungsform zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters der oben beschriebenen Art. Das Verfahren umfasst die folgenden Steuermaßnahmen während eines Kurzschlusses, der auf der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters auftritt:
- - Maßnahme 301: Erkennen einer Richtung eines Stroms, der von jeder Phase der Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters getragen wird,
- - Maßnahme 302: Versetzen der high side Schalter der betrachteten Phase in einen leitenden Zustand, während die low side steuerbaren Schalter der betrachteten Phase in einem nicht leitenden Zustand gehalten werden, wenn die erkannte Richtung des Stroms der betrachteten Phase von dem leistungselektronischen Umrichter nach außen gerichtet ist, und
- - Maßnahme 303: Versetzen des low side steuerbaren Schalters der betrachteten Phase auf den leitenden Zustand, während die high side steuerbaren Schalter der betrachteten Phase im nicht leitenden Zustand gehalten werden, wenn die erkannte Richtung des Stroms der betrachteten Phase nach innen zu dem leistungselektronischen Umrichter gerichtet ist.
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Ein Verfahren nach einer beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungsform umfasst:
- - Wiederholtes Schalten des high side steuerbaren Schalters von jeder Phase der Wechselspannungsseite zwischen dem leitfähigen und nicht leitfähigen Zustand, während die low side steuerbaren Schalter der betrachteten Phase in dem nicht leitenden Zustand gehalten werden, wenn die erkannte Richtung des Stroms der betrachteten Phasen von dem leistungselektronischen Umrichter nach außen gerichtet ist, und
- - Wiederholtes Schalten der low side steuerbaren Schalter einer jeden Phase der Wechselspannungsseite zwischen dem leitenden und dem nicht leitenden Zustand, während der high side steuerbare Schalter der betrachteten Phase in dem nicht leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stroms der betrachteten Phase nach innen zu dem leistungselektronischen Umrichter gerichtet ist.
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In einem Verfahren nach einer beispielhaften und nicht beschränkten Ausführungsform werden die oben erwähnten high side steuerbaren Schalter und die low side steuerbaren Schalter zwischen dem leitfähigen und nicht leitfähigen Zustand geschaltet, so dass eine Schaltfrequenz von jedem steuerbaren Schalter mindestens 1 kHz ist. In einem Verfahren einer beispielhaften und nicht begrenzenden Ausführungsform ist die Schaltfrequenz mindestens 2,5 kHz.
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In einem Verfahren nach einer beispielhaften und nicht begrenzenden Ausführungsform werden die oben erwähnten high side steuerbaren Schalter und die low side steuerbaren Schalter zwischem dem leitenden und nicht leitenden Zustand umgeschaltet, so dass ein Tastverhältnis von jedem steuerbaren Schalter zwischen 30 % und 100 % ist.
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Ein Verfahren nach einer beispielhaften und nicht begrenzenden Ausführungsform weist auf:
- - Vergleichen des Gleichspannungsniveaus der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters mit einem vorbestimmten Grenzwert,
und
- - Starten der Steuermaßnahmen 301-303 in Bezug auf den Kurzschluss, wenn das Niveau der Gleichspannung unter dem vorbestimmten Grenzwert liegt.
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Ein Verfahren nach einer beispielhaften und nicht begrenzenden Ausführungsform weist auf:
- - Vergleichen des Niveaus der Gleichspannung der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters mit erstem vorbestimmten Grenzwert,
- - Vergleichen einer Größe des Stroms von jeder Phase der Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters mit einem zweiten vorbestimmten Grenzwert, und
- - Starten der Steuermaßnahmen 301-303 in Bezug auf den Kurzschluss, wenn das Niveau der Gleichspannung unter dem ersten vorbestimmten Grenzwert ist und die Größe des Stroms von mindestens einer Phase der Wechselspannungsseite den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet.
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Ein Computerprogramm nach einer beispielhaften und nicht begrenzenden Ausführungsform weist computerausführbare Anweisungen zum Steuern eines programmierbaren Prozessors auf, um Maßnahmen auszuführen, die sich auf ein Verfahren nach einer der oben beschriebenen beispielhaften und nicht begrenzenden Ausführungsform beziehen.
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Ein Computerprogramm nach einer beispielhaften und nicht begrenzenden Ausführungsform weist Softwaremodule zum Steuern eines leistungselektronischen Umrichters der oben beschriebenen Art auf. Die Softwaremodule umfassen computerausführbare Anweisungen zum Steuern eines programmierbaren Prozessors, um:
- - Erkennen der Richtung eines Stromes, der durch eine Phase der Wechselspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters getragen wird, als Reaktion auf ein Fehlersignal, das einen Kurzschluss auf der Gleichspannungsseite des leistungselektronischen Umrichters anzeigt,
- - Versetzen der high side steuerbaren Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in einen leitenden Zustand, während die low side steuerbaren Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in einem nicht leitenden Zustand gehalten werden, wenn die erkannte Richtung des Stromes von dem leistungselektronischen Umrichter nach außen ist und
- - Versetzen der low side steuerbaren Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in den leitenden Zustand, während der high side steuerbare Schalter der Phase der Wechselspannungsseite in dem nicht leitenden Zustand gehalten wird, wenn die erkannte Richtung des Stromes nach innen zu dem leistungselektronischen Umrichter gerichtet ist.
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Die oben beschriebenen Softwaremodule können z.B. Unterprogramme und/oder Funktionen sein, die mit einer für den betrachteten programmierbaren Prozessor geeigneten Programmiersprache implementiert sind.
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Ein Computerprogrammprodukt nach einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform umfasst ein computerlesbares Medium, z.B. eine Compact Disc „CD“, die mit einem Computerprogramm gemäß einer beispielhaften Ausführungsform codiert ist.
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Ein Signal gemäß einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform ist codiert, um Informationen zu übertragen, das ein Computerprogramm nach einer beispielhaften Ausführungsform definiert.
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Die in der bestehenden Beschreibung angegebenen konkreten Beispiele sind nicht so auszulegen, dass sie die Anwendbarkeit und/oder die Auslegung der beigefügten Ansprüche einschränken. Listen und Gruppen von Beispielen, die in der oben genannten Beschreibung aufgeführt sind, sind nicht vollständig, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.