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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem im laufenden
Betrieb festgestellt werden kann, ob ein Erdschluss vorliegt, um
dadurch eine Motorsteuerung zu schützen, die eine Highside- und eine
Lowside-Gleichstromleitung
aufweist. Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
zwischen Überströmen vom
Differentialtyp und Überströmen vom
Gleichtakttyp zu unterscheiden.
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Hintergrund der Erfindung
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Motorsteuerungen
für Wechselstrommotoren
und dergleichen muss es bekannt sein, ob ein Erdschluss (vom Gleichtaktfehler-Typ;
common-mode fault) während
des Betriebs vorliegt. Dieser Fehlertyp sollte von Fehlern vom differentiellen
Typ (differential mode faults), wie beispielsweise Überströmen, die
von einem blockierten Läufer
des Motors herrühren,
unterschieden werden können.
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Der
zuständige
Fachmann wird die folgende Prioritäts-Reihenfolge bei übermäßigem Strom in einer Motorsteuerung
bestätigen.
- a. Kurzschlussströme im Bereich des Sättigungsniveaus
der Schaltelemente sollten ein dauerhaftes Herunterfahren verursachen,
welches unabhängig
davon, ob es sich bei dem Problem mit der niedrigen Impedanz um
ein Problem vom Gleichtakttyp oder vom differentiellen Typ handelt,
innerhalb von Mikrosekunden eingeleitet wird.
- b. Überströme, die
durch Fehler vom Gleichtakttyp mit einer den Strom begrenzenden
Impedanz in der Erdschleife verursacht werden, sollten über eine
bestimmte Zeitspanne im Bereich von mehreren Millisekunden hinweg
auf ein oberes Niveau begrenzt werden, bevor ein dauerhaftes Herunterfahren
eingeleitet wird.
- c. Überströme, die
durch belastungsbedingte Fehler vom differentiellen Typ verursacht
werden, sollten für
eine bestimmte Zeitspanne im Bereich von Sekunden auf ein oberes
Niveau begrenzt werden, bevor ein dauerhaftes Herunterfahren eingeleitet
wird.
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Motorsteuerungen,
die einen Erdschluss an einer Ausgangsphase aufweisen, werden üblicherweise
als mit einem Problem vom Typ b behaftet eingestuft, wenn gleichrichterseitig
eine Induktivität
zur Begrenzung von Leitungsstromoberwellen gemäß IEC1000-3-2 oder IEC1000-3-12 vorgesehen ist.
Der Unterschied zwischen den Punkten b und c besteht darin, dass
Fehler vom Gleichtakttyp den Gleichrichterteil mit hoch frequenten
Strömen
belasten, während
dies Fehler vom Differentialtyp nicht tun. Die Belastung des Gleichrichters
kann zu katastrophalen Fehlern führen,
falls deren Zeitdauer den Bereich von Millisekunden überschreitet.
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Die
von Danfoss Drives A/S seit 1995 produzierten Motorsteuerungen vom
Typ VLT5000 verwenden drei Stromwandler für die Ausgangsphasen. Durch
Aufsummierung der Signale der Stromwandler wird ein Erdschlussfehlersignal
erzeugt. Mit diesem Prinzip ist es daher stets möglich, zwischen Fehlern vom
differentiellen Typ und Fehlern vom Gleichtakttyp zu unterscheiden.
Der Nachteil dieser Lösung
betrifft deren Kosten.
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Die
von Danfoss Drives A/S seit 1998 produzierten Motorsteuerungen vom
Typ VT2800 verwenden einen Nebenschlusskreis (shunt) im lowside-seitigen
Gleichstromleitungsbus (lower DC-link bus), um Ströme vom differentiellen
Typ zu detektieren, und einen aufsummierenden Stromumformersatz
vom Gleichtakttyp im Gleichrichterteil, um Erdströme zu detektieren.
Mit diesem Prinzip ist es daher möglich, zwischen Fehlern vom
differentiellen Typ und Fehlern vom Gleichtakttyp zu unterscheiden.
Eine ähnliche Herangehensweise
wird in
US 5,687,049 vorgeschlagen,
wo der aufsummierende Umfor mersatz in der Inverterstufe der Motorsteuerung
platziert ist. Obwohl diese Lösungen
niedrigere Kosten als die VLT5000-Lösung verursachen, führen beide
Lösungen
zu einem problematischen Layout der Leistungssteueranordnung (PCB
für Power
Control Box), da eine größere Anzahl
an Strommesselementen in der Gleichstromleitung vorgesehen werden
muss.
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US 5,687,049 schlägt eine
Lösung
mit Strommesselementen auf der Highside- und der Lowside-Seite im
Invertiererteil des Gleichstromleitungsbusses vor. Die Aufsummierung
der beiden Messwerte (wobei zumindest einer eine galvanische/funktionale
Isolierung aufweisen muss) ergibt ein Erdschlusssignal, das dem
der VLT5000-Lösung ähnelt. Mit
dieser Lösung
ist es daher möglich,
zwischen dem Typ b und dem Typ c zu unterscheiden. Die Layout-Auslegung
der Leistungssteuerschaltung (PCB) erweist sich in der Praxis jedoch
als nachteilig.
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Die
Konferenzveröffentlichung "Single Current Sensor
Technique in the DC-link of Three-phase PWM-VS Inverters A Review
and the Ultimate Solution" (Einzelstrommesstechnik
in der Gleichstromleitung von dreiphasigen Pulsweitenmodulations-Invertierern,
ein Rückblick
und die ultimative Lösung)
der IAS '96 Konferenz
und
US 5,687,049 beschreiben eine
Lösung
mit einem Stromwandler, bei dem sowohl der positive, als auch der
negative Gleichstromleitungsbus mit einer ungeraden Anzahl an Windungen
durch den Wandler hindurch geführt
wird. Dies verringert die Anzahl der Strommesselemente auf eins
und wird als die "ultimative
Lösung" zum Schutz einer
Motorsteuerung bezeichnet (welche zwischen dem Typ b und dem Typ
c unterscheidet). Der Fachmann auf diesem Gebiet wird jedoch bestätigen, dass
diese Art von mehrfachen Windungen in einem Stromwandler eine optimale
Kopplung beeinträchtigen
kann und zu einer übermäßigen Streuinduktivität auf der
Invertiererseite der Gleichstromverbindung führen kann. Darüber hinaus
ist das Layout der Leistungssteuerschaltung (PCB) problematisch.
Weiterhin wird das Design und der automatische Zusammenbau bei modernen
Stromwandlern mit geringer Größe schwierig,
wenn mehrere Wicklungen mit unterschiedlichen Spannungspotentialen
verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird daher vorzugsweise gemeinsam mit den
folgenden Hardwarekombinationen verwendet, welche für moderne,
kostengünstige
und robuste Motorsteuerungen als am geeignetsten angesehen werden.
- 1. Motorsteuerung mit einer Inverterstufe,
welche eine Nebenschlussleitung (shunt) in Serie mit jedem der Lowside-Schaltelemente
sowie einen Entsättigungsschutz
der Highside-Schaltelemente verwendet.
- 2. Motorsteuerung mit einer Nebenschlussleitung im Lowside-Gleichstromleitungsbus
und Entsättigungsschutz
der Highside-Schaltelemente.
- 3. Motorsteuerung mit einem Stromwandler im Highside- oder Lowside-Gleichstromleitungsbus und
einem Entsättigungsschutz
für die
Highside- oder Lowside-Schaltelemente.
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Bei
den Punkten 1 und 2 wird angenommen, dass die Steuerschaltungsanordnung
der Motorsteuerung sich auf den Lowside-Gleichstromleitungsbus bezieht.
Bei Punkt 3 wird angenommen, dass die Steuerungsschaltungsanordnung
(galvanisch) von der Leistungsstufe isoliert ist. Die Strommesselemente
geben ein Rückkopplungssignal
an die Steuerschaltungsanordnung der Motorsteuerung ab. Der Entsättigungsschutz
wird verwendet, um die Schaltelemente auf der Seite zu schützen, welche
der Seite gegenüber
liegt, an der das Strommesselement/die Strommesselemente platziert
ist/sind. Der Entsättigungsschutz
kann oder kann nicht eine galvanisch funktional isolierte Rückkopplung
zur Steuerschaltungsanordnung umfassen, so wie dies in
US 5,687,049 beschrieben ist.
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Ein
Entsättigungsschutz
ohne Rückkopplung ist
in
US 5,687,049 patentiert,
was bedeutet, dass die Schaltelemente mit Entsättigungsschutz von Zyklus zu
Zyklus auf eine sich selbst schützende
Weise betrieben werden, bis die zentrale Steuerschaltungsanordnung
die Inverterstufe in Folge eines von den Strommesselementen kommenden
Fehlersignals herunterfährt.
Entsättigungsschutz
mit Rückkopplungssignal
ist wohlbekannt und wird von vielen Gate-Ansteuerungsherstellern
zumindest seit den frühen 1990er
Jahren angeboten. Ein Beispiel stellt der IXYS Ansteuerungschipsatz
IXPD4410 und IXPD4411 dar.
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Die
bevorzugten Hardwarekonfigurationen können nicht zwischen einem Fehlerzustand
vom Gleichtakttyp und einem Fehlerzustand vom differentiellen Typ
unterscheiden, wie dies bei den anderen Lösungen der Fall ist. Ein intelligentes
Abtasten des Strommesselements/der Strommesselemente der Gleichstromleitung
ist erforderlich. Die oben erwähnte
IAS '96-Veröffentlichung
lehrt, dass der Erdschlussstrom während der Null-Spannungs- Vektoren 000 oder
111 abgetastet werden kann. Das im Rahmen von IAS '96 vorgeschlagene
Verfahren bietet jedoch nicht die Möglichkeit, dass die Phase,
die den Erdschluss aufweist, identifiziert werden kann.
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Daher
ist die Information im Verlauf einer Schaltperiode verfügbar, solange
ein Null-Spannungs-Vektor zur Verfügung steht.
EP 0 490 388 offenbart ein Prinzip
zum Empfangen eines Überstromfehlersignals,
bei dem ein erster Arbeitsschritt darin besteht, aus der Pulsweitenmodulationssequenz
ein Signal zu generieren, um festzustellen, ob der Fehler im Verlauf
eines Null-Spannungs-Vektors
oder eines aktiven Vektors aufgetreten ist. Dieses wird bei dem obigen
Typ b und dem obigen Typ c unterschiedlich sein. Das Patent betrachtet
jedoch nicht das Problem, dass ein Null-Spannungs-Vektor nicht in grundsätzlich allen
Betriebspunkten vorhanden sein muss.
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Ein
Industriestandard zur Erzeugung von Pulsweitenmodulation ist die
Raum-Vektor-Modulation (space vector modulation), die in der Konferenzveröffentlichung "Stator Flux Oriented
Asynchronous Vector Modulation for AC-Drives" ("Statorflussorientierte
asynchrone Vektormodulation für
Wechselstromantriebe";
im Folgenden als SFAVM bezeichnet) der PESC '90 Konferenz gemeinsam mit allen Varianten
der SFAVM, die durch Variation der Null-Spannungs-Vektorverteilung
erzeugt wird, beschrieben ist. Das Ziel dieser Pulsweitenmodulationsstrategien
ist es, eine optimierte Motorleistung in Bezug auf Drehmoment und
Stromwelligkeit, Verluste, akustischen Lärm und das Spannungsübertragungs-Verhältnis zwischen
Eingang und Ausgang zu erzielen. Es ist weithin be kannt, dass SFAVM
die Null-Spannungs-Vektoren bei jeder Schaltperiode bei niedrigen Ausgangsspannungen
verwendet. Bei hohen Ausgangsspannungen ist jedoch die Verwendung
von Null-Spannungs-Vektoren minimiert. Bei manchen Schaltzyklen
können
die Null-Spannungs-Vektoren nicht verwendet werden, insbesondere
im Übermodulationsbereich
(over-modulation range). Und in einigen Zyklen können die Null-Spannungs-Vektoren nur
für eine
kurze Zeit verwendet werden, was bedeutet, dass eine genaue Messung
eines Erdschlussstroms während
eines Null-Spannungs-Vektors praktisch unmöglich wird. Das Problem verschlimmert
sich, wenn die Schaltfrequenz erhöht wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die benötigten Null-Spannungs-Vektoren
auf eine regelmäßige Weise
im laufenden Betrieb ("on-the-fly"), zu erzeugen, auch
wenn das normale, optimierte Pulsweitenmodulationsmuster (SFAVM usw.)
der Motorsteuerung dies nicht fordert. Die Aufgabe besteht darin,
dies zu implementieren, während sichergestellt
wird, dass ein nur minimaler Einfluss auf die normale Pulsweitenmodulation
mit hoher Güte
erfolgt.
- 1. Ein erstes Prinzip besteht darin,
dass man, sofern dies nicht vom normalen Pulsweitenmodulationsmuster
verlangt wird, den erforderlichen Null-Spannungs-Testvektor über eine
ausreichend lange Zeitspanne hinweg erzeugt, um den Erdschlussstrom
genau zu messen, wobei dies mit einer Rate erfolgt, die niedriger
als die Schaltfrequenz ist. Dies verringert unerwünschte Effekte hinsichtlich
der Motorleistung.
- 2. Das nächste
Prinzip besteht darin, dass jeder Fehler, der aufgrund der zusätzlichen
Null-Spannungs-Vektoren
während
jeder Phase des Arbeitszyklus gemacht wird, zu einem späteren Zeitpunkt
korrigiert wird, um ein Ungleichgewicht in dem Multiphasen-Pulsweitenmodulationssystem auszugleichen.
- 3. Vorzugsweise werden die Punkte 1 und 2 synchron zur zugrunde
liegenden Motorenfrequenz durchgeführt, so dass eine Halbwellensymmetrie und
eine Viertelwellensymmetrie in Relation zu den Arbeitszyklenphasenkurven über die
zugrunde liegende Periode hinweg erzielt wird.
- 4. Typischerweise sind die Punkte 1, 2 und 3 bei hohen Ausgangsspannungen
erforderlich. Bei niedrigen Spannungen ist stets ein ausreichender Null-Spannungs-Vektor
in jedem Schaltzyklus vorhanden.
- 5. Um die Tatsache auszugleichen, dass der Null-Spannungs-Vektor
und der Erdschlussfehlertest lediglich bei einem Teil der Schaltzyklen durchgeführt wird,
wird als Rückfallprinzip
verwendet, dass der Null-Spannungs-Testvektor stets kurz vor dem
Moment erzeugt wird, zu dem eine normale Pulsweitenmodulation wieder
aufgenommen wird, nachdem ein Fehlersignal empfangen wurde, welches
angewiesen hatte, dass die In verterschaltelemente ausgeschaltet
werden sollen, bis das Fehlersignal verschwindet. Das Fehlersignal
kann beispielsweise durch einen Überstromzustand
usw. verursacht werden. Um im Fehlerfalle für die Motorsteuerung die Möglichkeit
eines Weiterarbeitens zur Verfügung
zu stellen (fault ride-through capability), wird folglich in einer
Ausschalt-/Einschaltpulsweitenmodulationssequenz der Testvektor
regelmäßig verwendet,
was die erwünschte
Unterscheidung zwischen den Punkten b und c ergibt. Die Philosophie
besteht darin, dass während
dieser Art von weiterarbeitender Ausschalt-/Einschaltsequenz die
normale Pulsweitenmodulationsgüte
ohnehin verdorben ist. Daher kann der Testvektor häufiger als
bei Punkt 1 angewendet werden.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf den Industriestandard SFAVM. Ein beliebiges anderweitiges
Pulsweitenmodulationsschema, welches entweder auf vorab berechneten,
optimierten Mustern oder auf unterschiedlichen stromgesteuerten
Pulsweitenmodulationsschemata usw. beruht, kann ebenfalls in Kombination
mit der Erfindung genutzt werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren,
um im laufenden Betrieb festzustellen, ob ein Erdschlussfehler vorliegt,
um dadurch eine Motorsteuerung zu schützen, welche auf einer Highside-Seite
und auf einer Lowside-Seite eine Gleichstromleitung aufweist, und die
auf der Highside-Seite und auf der Lowside-Seite Schaltelemente
aufweist, wobei die auf der Highside-Seite und die auf der Lowside- Seite befindlichen Schaltelemente
im Betrieb jeweils mit den auf der Highside-Seite und den auf der
Lowside-Seite befindlichen
Gleichstromleitungsbussen verbunden sind, wobei das Verfahren folgende
Schritte aufweist:
- – Erzeugung eines Fehlersignals,
wobei dieses Fehlersignal einen anormalen Betriebszustand der Motorsteuerung
anzeigt,
- – Erzeugung
zumindest eines Testvektors als Antwort auf das Fehlersignal, indem
zumindest eines der Schaltelemente angeschaltet wird und
- – während zumindest
eines der Schaltelemente angeschaltet ist, Messung der Größe des Stroms, der
in der Gleichstromleitung fließt,
die im Betrieb mit dem leitenden Schaltelement/den leitenden Schaltelementen
verbunden ist, um einen Erdschluss zu detektieren.
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Unter "laufend" (on-the-fly) ist
zu verstehen, dass die Verfahrensschritte innerhalb eines Zeitbereiches
vollständig
durchgeführt
werden, der der elektrischen Zeitkonstante des Wechselstrommotors ähnlich ist,
um es möglich
zu machen, eine vollständige
Stabilität/Steuerung
des Gleichstrommotors wieder zu erlangen. Die Verfahrensschritte
sollten zumindest innerhalb eines Teils der Periode der Grundfrequenz
der Ausgangsspannung der Motorsteuerung vollständig durchgeführt werden.
Die Anzahl der Schaltelemente in der Motorsteuerung kann im Prinzip
beliebig gewählt
werden. Die Anzahl der Schaltelemente kann daher 2, 4, 6, 8, 10
oder sogar höher
sein.
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Das
Verfahren kann weiterhin einen Schritt aufweisen, bei dem zunächst alle
Schaltelemente ausgeschaltet werden, bevor das zumindest eine Schaltelement
angeschaltet wird.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden Testvektoren angewendet, indem
die Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Highside-Seite
befindlichen Gleichstromleitung verbunden sind, in sequentieller
Weise eingeschaltet werden. Im Falle einer Motorsteuerung, die sechs
Schaltelemente aufweist, können
die Testvektoren durch sequentielles Einschalten dreier Schaltelemente,
die im Betrieb mit der auf der Highside-Seite befindlichen Gleichstromleitung
verbunden sind, angewendet werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden Testvektoren dadurch angewendet,
dass die Schaltelemente, die im Betrieb mit den auf der Lowside-Seite
befindlichen Gleichstromverbindungen verbunden sind, in sequentieller
Weise angeschaltet werden. Im Falle einer Motorsteuerung mit sechs
Schaltelementen können
wiederum Testvektoren dadurch angewendet werden, dass drei Schaltelemente,
die im Betrieb mit der auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromleitung
verbunden sind, in sequentieller Weise angeschaltet werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein Testvektor dadurch angewendet,
dass die Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Highside-Seite
befindlichen Gleichstromleitung verbunden sind, zu einer im Wesentlichen
gleichen Zeit ange schaltet werden. Im Falle von sechs Schaltelementen
in der Motorsteuerung wird ein Testvektor angewendet, indem drei
Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Highside-Seite befindlichen
Gleichstromleitung verbunden sind, zu einem im Wesentlichen gleichen
Zeitpunkt eingeschaltet werden.
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In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird ein Testvektor dadurch angewendet, dass
die Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Lowside-Seite
befindlichen Gleichstromleitung verbunden sind, zu einem im Wesentlichen
gleichen Zeitpunkt angeschaltet werden. Im Falle einer Motorsteuerung
mit sechs Schaltelementen wird ein Testvektor dadurch angewendet, dass
drei Schaltelemente, die im Betrieb mit dem auf der Lowside-Seite
befindlichen Gleichstromleitungsbus verbunden sind, zu einem im
Wesentlichen gleichartigen Zeitpunkt eingeschaltet werden.
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Der
gleiche Testvektor kann zu mehreren Zeitpunkten angewendet werden.
Während
der Anwendung dieses Testvektors wird die Größe des Stroms, der in der Gleichstromleitung
fließt,
die im Betrieb mit dem wiederholt leitenden Schaltelement/den wiederholt
leitenden Schaltelementen verbunden ist/sind, dementsprechend häufig gemessen. Durch
eine derartige wiederholte Anwendung des Testvektors können die
Messungen überprüft werden,
bevor eine Entscheidung, wie beispielsweise die Entscheidung zum
dauerhaften Herunterfahren, getroffen und ausgeführt wird.
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Das
erzeugte Fehlersignal kann durch Strommessmittel zur Verfügung gestellt
werden, die den Strom in einem der Gleichstromleitungsbusse der
Motorsteuerung messen. Die Strommessmittel können beispielsweise Informationen
in Bezug auf die Größe des Stroms
zur Verfügung
stellen, der in der Gleichstromleitung fließt, die im Betrieb mit dem leitenden
Schaltelement/den leitenden Schaltelementen verbunden ist/sind.
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Alle
Schritte, die sich auf das Ein- und Ausschalten der Schaltelemente,
auf die Verarbeitung des Fehlersignals und auf die Messung der Größe des Stroms
in einer Gleichstromleitung der Motorensteuerung beziehen, können von
einer Motorsteuereinheit, wie beispielsweise einem DSP (für digital
signal processor; Digitaler Signalprozessor) gesteuert werden.
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Das
Fehlersignal kann ein Anzeichen für Kurzschlussströme oder Überströme in einem
der Gleichstromleitungsbusse der Motorsteuerung sein. Das Fehlersignal
kann ebenso ein Anzeichen für
eine Überspannung über zumindest
eines der Schaltelemente der Motorsteuerung hinweg sein. Eine derartige Überspannung
kann durch einen Entsättigungsschutzschaltkreis
detektiert werden. Allgemein gesprochen kann es sich bei dem Fehlersignal
um ein Anzeichen für
einen im Wesentlichen beliebigen anormalen Betriebszustand der Motorsteuerung
handeln, wie beispielsweise um eine anormale Temperatur, anormale
Spannungen und anormale Ströme.
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Das
Verfahren gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen Schritt
umfassen, bei dem die Motorsteuerung dauerhaft ausgeschaltet wird,
falls ein Erdschluss erkannt wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur
während
des laufenden Betriebs erfolgenden Feststellung, ob ein Erdschluss
vorliegt, um dadurch eine Motorsteuerung zu schützen, die eine auf einer Highside-Seite und
eine auf einer Lowside-Seite
befindliche Gleichstromleitung aufweist und auf einer Highside-Seite und
auf einer Lowside-Seite befindliche Schaltelemente aufweist, wobei
die auf der Highside-Seite und die auf der Lowside-Seite befindlichen
Schaltelemente im Betrieb mit den jeweiligen auf der Highside-Seite
und den auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromleitungsbussen
verbunden sind, wobei die Motorsteuerung weiterhin eine Motorsteuereinheit
aufweist, die durch Erzeugung eines Pulsweitenmodulationssignals
für jedes
der Schaltelemente steuert, wann die Schaltelemente an- und ausgeschaltet
werden sollen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Modifizierung
des erzeugten Pulsweitenmodulationssignals durch Vergrößerung des
Arbeitszyklus zumindest eines der Pulsweitenmodulationssignale,
das an die auf der Lowside-Seite befindlichen Schaltelemente ausgegeben
wird, wobei der vergrößerte Arbeitszyklus
eine Zeitperiode aufweist, die einen Teil der Schaltperiode der
auf der Lowside-Seite befindlichen Schaltelemente aufweist,
- – Erzeugung
und dadurch Anwendung von 000-Testvektoren und
- – Messung
der Größe eines
in der auf der Lowside-Seite
befindlichen Gleichstromleitung fließenden Stroms, während die
Schaltelemente auf der Lowside-Seite eingeschaltet sind, um einen
Erdschluss zu detektieren,
wobei der 000-Testvektor mit
einer Rate erzeugt und angewendet wird, die niedriger ist als die
Schaltfrequenz der auf der Lowside-Seite befindlichen Schaltelemente.
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Unter
der Bezeichnung 000-Testvektor wird verstanden, dass die drei Schaltelemente,
die im Betrieb mit der auf der Lowside-Seite liegenden Gleichstromleitung
verbunden sind, eingeschaltet sind. Das Verhältnis zwischen der Rate, mit
der der Testvektor erzeugt und angewendet wird, und der Schaltfrequenz
der auf der Lowside-Seite liegenden Schaltelemente ist typischerweise
im Bereich von 0,05 bis 0,5.
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Das
Verfahren gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen Schritt umfassen,
bei dem das erzeugte Pulsweitenmodulationssignal durch Verkleinerung
des Arbeitszyklusses des Pulsweitenmodulationssignals, das auf die
auf der Lowside-Seite liegenden Schaltelemente angewandt wird, modifiziert
wird, um den vorangegangenen vergrößerten Arbeitszyklus auszugleichen.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich diese auf
ein Verfahren zur im laufenden Betrieb erfolgenden Bestimmung, ob
ein Erdschluss vorliegt, um dadurch eine Motorsteuerung zu schützen, die
auf einer Highside-Seite und auf einer Lowside-Seite Gleichstromleitungen aufweist,
und auf einer Highside-Seite
und auf einer Lowside-Seite liegende Schaltelemente aufweist, wobei
die auf der Highside-Seite und die auf der Lowside-Seite liegenden
Schaltelemente im Betrieb jeweils mit den auf der Highside-Seite
und den auf der Lowside-Seite liegenden Gleichstromleitungsbussen verbunden
sind, wobei die Motorsteuerung weiterhin eine Motorsteuereinheit
aufweist, um durch Erzeugung eines Pulsweitenmodulationssignals
für jedes der
Schaltelemente zu steuern, wann die Schaltelemente an- und auszuschalten
sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Modifizierung
des erzeugten PWM-Signals durch Vergrößerung des Arbeitszyklus zumindest eines
PWM-Signals, das auf die auf der Highside-Seite liegenden Schaltelemente
angewendet wird, wobei die Vergrößerung des
Arbeitszyklusses eine Zeitperiode aufweist, die einen Teil der Schaltperiode
der auf der Highside-Seite liegenden Schaltelemente aufweist,
- – Erzeugung
und dadurch Anwendung eines 111-Testvektors und
- – Messung
der Größe des in
der auf der Highside-Seite
liegenden Gleichstromleitung fließenden Stroms, während das
auf der Highside-Seite liegende Schaltelement angeschaltet ist,
um einen Erdschluss zu detektieren,
wobei der 111-Testvektor
mit einer Rate erzeugt und angewendet wird, welche niedriger ist
als die Schaltfrequenz der auf der Highside-Seite liegenden Schaltelemente.
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Unter
der Bezeichnung 111-Testvektor wird verstanden, dass die drei Schaltelemente,
welche im Betrieb mit der auf der Highside-Seite liegenden Gleichstromleitung
verbunden sind, eingeschaltet sind. Das Verhältnis zwischen der Rate, mit
der der Testvektor erzeugt und angewendet wird und der Schaltfrequenz
der auf der Lowside-Seite liegenden Schaltelemente liegt erneut
typischerweise im Bereich von 0,05 bis 0,5.
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Das
Verfahren gemäß dem dritten
Aspekt kann weiterhin einen Schritt umfassen, bei dem das erzeugte
PWM-Signal durch Verkleinerung des Arbeitszyklus des PWM-Signals,
das auf die auf der Highside-Seite liegenden Schaltelemente angewandt wird,
modifiziert wird, um dadurch die vorherigen vergrößerten Arbeitszyklen
zu kompensieren.
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Das
Verfahren gemäß dem zweiten
und dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann synchron zu einer
von der Motorsteuerung stammenden Basis-Ausgangsspannung erfolgen.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren
zur im laufenden Betrieb erfolgenden Bestimmung, ob ein Erdschluss
vorliegt, um dadurch eine Motorsteuerung zu schützen, wobei das Verfahren den
Schritt/die Schritte der wiederholten Anwendung des Verfahrens gemäß dem zweiten
und dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Falls
durch Anwendung eines Verfahrens gemäß dem zweiten, dritten und
vierten Aspekt ein Erdschluss detektiert wird, kann das Verfahren
gemäß dem ersten
Aspekt angewendet werden.
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Gemäß einem
fünften
und letzten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine
Motorsteuerung, die Mittel zur Einrichtung der Motorsteuerung umfasst,
so dass durch diese ein beliebiger des ersten, zweiten, dritten
und vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nunmehr mit weiteren Details unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Figuren erläutert,
wobei
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1 eine
der möglichen
Hardwarekonfigurationen, die für
die Erfindung geeignet sind, zeigt;
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2 die
acht Spannungsvektoren bei einer dreiphasigen Motorsteuerung zeigt;
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3 den
PWM-Zyklus eines SFAVM bei niedrigen und hohen Ausgangsspannungen
zusammen mit den Null-Spannungs-Vektoren und den aktiven Spannungsvektoren
zeigt;
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4 eine
mögliche
Implementierung eines Phasenarbeitszyklus zeigt, bei dem Punkt 3
angewendet wird, wobei alle Kurven durch einen Versatz von 1 justiert
und durch eine Division durch 2 korrigiert werden sollten, um den
tatsächlichen
Arbeitszyklus zu beschreiben und;
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5 eine
weiterarbeitende Ausschalt-/Einschalt-PWM-Sequenz zeigt, bei der Punkt 5 angewendet
ist, wobei von der Konfiguration in 1 ausgegangen
wird.
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Obgleich
die Erfindung für
unterschiedliche Modifikationen und alternative Ausführungsformen empfänglich ist,
wurden in den Zeichnungen exemplarisch spezielle Ausführungsbeispiele
gezeigt, welche im Folgenden im Detail beschrieben werden. Es ist
jedoch darauf hinzuweisen, dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung
durch die offenbarten speziellen Ausführungsformen zu beschränken. Vielmehr soll
die Erfindung sämtliche
Modifikationen Äquivalente
und Alternativen mit umfassen, die unter die Grundidee und den Bereich
der Erfindung fallen, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert ist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 zeigt
eine Motorsteuerung, die gemäß der Konfiguration
3 gestaltet ist, d.h. die einen Stromumwandler in der auf der Highside-Seite
liegenden Gleichstromleitung sowie einen Entsättigungsschutzschaltkreis,
der beim Gate-Treiber der auf der Lowside-Seite liegenden Schalter
des Inverters angeordnet ist, aufweisen. Ein Bremsschaltkreis, der
zwei Dioden und einen Schalter mit einem Entsättigungsschutzschaltkreis aufweist,
ist über
den Entsättigungsschutz
mit einem Oder-Gatter (nicht dargestellter Bremswiderstand) verbunden.
Das Oder-Gatter schaltet auf "hoch", falls einer der
Entsättigungsschutzschaltkreise
einen Sättigungszustand über einen
Schalter hinweg signalisiert.
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Gemäß konventioneller
Bauart umfasst die Motorsteuerung weiterhin einen Dreiphasengleichrichter
und Spulen, die in die auf der Highside-Seite und die auf der Lowside-Seite befindlichen
Gleichstromleitungsbusse eingeschleift sind. Die Spulen arbeiten
als Drosseln, um die Hauptrückkopplung
zu verringern. Ein optionales Hochfrequenzinterferenzfilter (Radio-Frequency
Interference, RFI) ist am Eingang zum Gleichrichter angeordnet.
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Die
Steuereinheit der Motorsteuerung umfasst einen digitalen Signalprozessor
(Digital signal processor, DSP), welcher die Gesamtmotorsteuerung
durchführt
und die PWM-Steuersignale erzeugt, welche zu einem galvanischen
Isolator geführt
werden, der aus sieben Optokopplern besteht, nämlich einem Optokoppler für jeden
Inverterschalter und einen für
jeden Bremsschalter. Dementsprechend sind die Signale, die von den
Entsättigungsschutzkreisen stammen,
mittels eines Optokopplers galvanisch isoliert und werden dem Entsättigungssteuerschaltkreis, der
mit dem DSP verbunden ist, zugeführt.
Ein Stromregelschaltkreis ist mit dem Stromwandler und dem DSP verbunden.
Die Steuereinheit ist elektrisch auf Erde bezogen. Im Betrieb sind
die Inverterschalter pulsweitenmoduliert und elektrisch mit dem
Dreiphasenwechselstrommotor verbunden.
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Falls
zwischen einem der drei Motorphasen und der Erde zufälligerweise
ein Kurzschluss auftritt (1 zeigt
einen solchen Fehler am Ausgang zwischen Schalter Q3 und Q4), so
ist ein Problem gemäß Punkt
b aufgetaucht, d.h. es liegt ein Erdschlussfehler mit einer den
Strom begrenzenden Impedanz in der Erdschlussschleife vor. Die Spulen
in der Gleichstromleitung arbeiten als eine den Strom begrenzende
Impedanz, bis eine Sättigung
auftritt. Aufgrund der reduzierten Stromstärke des Stroms, liegt die akzeptable
Reaktionszeit im Bereich von Millisekunden und nicht im Bereich
von Mikrosekunden. Der Fehlerzustand kann aufgrund von sich wiederholenden
Spitzen auf der pulsierenden Gleichspannung gegenüber dem
Gleichrichter phasenversetzt sein.
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Gemäß 5 tritt
der Erdkurzschluss während
eines Spannungsvektors 110 auf, d.h. die Highside-Schalter Q1 und
Q3 sind eingeschaltet und Schalter Q5 ist ausgeschaltet. Dementsprechend sind
Q2 und Q4 ausgeschaltet und Q6 eingeschaltet. 2 zeigt
den konventionellen Vektorkreis, der ebenfalls in Zusammenhang mit
SFAVM genutzt wird. Vektoren 000 oder 111 führen zu einem stromfreien Zustand
vom Differentialtyp in der Gleichstromleitung, d.h. die Motorströme fließen lediglich
in der Inverterbrücke.
Der Stromanstieg aufgrund der Erdverbindung wird vom Stromwandler
gemessen und vom Stromsteuerschaltkreis detektiert, der dies dem DSP
signalisiert. Der DSP bestätigt,
dass sich die Motorsteuerung in einem Fehlerzustand befindet und führt basierend
auf der Stromstärke
des Fehlerstroms eine von zwei Möglichkeiten
durch:
- 1. Falls die Amplitude des Fehlerstroms
relativ niedrig ist, wird ein normaler Betrieb aufrecht erhalten,
wobei der Normalbetrieb die Schritte in 4 umfasst.
- 2. Falls die Amplitude hoch ist, stoppt die Steuerung die Pulsweitenmodulation
der Schalter. In diesem Fall wird der Betrieb beendet und der Motor
dreht sich eine kurze Zeit antriebslos weiter. Diese Auslaufzeit
kann annähernd
beliebig gewählt
werden, aber eine Zeitspanne, die einer oder mehrerer Schaltperioden
entspricht, ist in der Praxis eine gute Wahl.
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Bevor
der Betrieb mit PWM-Steuersignalen an den Inverterschaltern wieder
aufgenommen wird, wird ein Schritt durchgeführt, bei dem der Fehlerdetektionsvektor
angewendet wird. Die DSP legt den 111-Vektor an (da der Stromwandler
auf der Highside-Seite liegt; umgedreht, falls er auf der Lowside-Seite
liegt) und erwartet ein Null-Spannungs-Signal vom Stromwandler.
Aufgrund des Erdschlussfehlers wird jedoch ein Strom fließen und
die DSP wird den Betrieb des Motors stoppen, da als Fehlertyp ein Erdschlussfehler
erkannt wurde.
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Ganz
allgemein kann es sich bei dem Fehlersignal um andere Signale als
Stromstärkesignale handeln.
Es kann sich ebenfalls um Überspannungs- oder
Unterspannungssignale der Gleichstromleitung (Gleichspannungssensor,
nicht in der Fig. dargestellt) handeln. Falls das Fehlersignal statt
vom Stromwandler vom Entsättigungsschutzschaltkreis von
Q4 gekommen ist, würde
der Entsättigungssteuerschaltkreis
dies dem DSP signalisieren, welcher auf die gleiche Weise wie soeben
beschrieben handeln würde.
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Daher
kann die in 1 gezeigte Motorsteuerung den
Betrieb aufgrund von einem der beiden Fehlersignale be enden. Wenn
die Lowside-seitigen Entsättigungsschaltkreise
getriggert werden, kann ein Erdschlusstest auch durch einfaches
Anwenden des entgegengesetzten Null-Spannungs-Vektors 000 durchgeführt werden.
Dies ermöglicht
einen Erdschlusstest, der unabhängig
von einer Strommessung ist.
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Im
Folgenden wird das Timing und die Erzeugung des Testvektors im Detail
beschrieben. 3a und b zeigen konventionelle
SFAVM-Schaltperioden, die vier unterschiedliche Schaltzustände umfassen: Zwei
Null-Vektoren (000, 111) und zwei aktive Vektoren (100, 110). Die
Vektoren sind symmetrisch um die zentrale 180°-Achse der Schaltperiode herum
angeordnet. 3a zeigt die Situation,
bei der die Ausgangsspannung der Motorsteuerung hoch ist. Die Phase
U ist über
annähernd
die gesamte Periode hinweg eingeschaltet, während die Phase W lediglich für eine kurze
Zeitspanne eingeschaltet ist. Als Teil des konventionellen Modulationsschemas
werden Null-Vektoren in der Mitte (111) und am Anfang und Ende der
Periode (000) angewendet. Das Gleiche trifft für die Situation in 3b zu, wo die Ausgangsspannung des Motors
niedriger ist.
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In 5 wird
das SFAVM-Muster mit hoher Spannung von 3a wiederholt.
Während
des fünften
Vektors 110, erreicht das oben beschriebene Überstromsignal (oder eine beliebige
alternative Verletzung) den DSP, der den Betrieb stoppt. Über eine Zeitdauer
hinweg, die ein wenig länger
als eine Schaltperiode dauert, findet kein Schaltvorgang statt, um – möglicherweise – die Ursache
des Fehlers zu beseitigen. Bei dem Fehler könnte es sich um Feuchtigkeit
handeln, die während
dieser Pause verdampft. Ebenso könnte
ein Abkühlen
des Schalters selbst das Problem beheben. Kurz bevor der Betrieb
erneut aufgenommen wird, wird ein Vektor 111 angewendet. Dieser
Test-Null-Vektor unterscheidet sich vom Null-Vektor, der am Anfang des SFAVM-Schemas von 3a angewendet wird, da dem Test-Null-Vektor
eine Strommessung nachgeschaltet ist, um die Art des Fehlers zu
identifizieren. Weiterhin kann die Pulslänge unterschiedlich lang sein.
Die Dauer des angewendeten Testvektors ist größer als ein Minimalwert, um
sicherzustellen, dass der Erdschlussfehler in jedem Betriebspunkt
des Motors detektiert werden kann. Typischerweise hat er eine Länge, die
einem Teil einer Schaltperiode entspricht. Die Zeitdauer kann zwischen
5 und 50 Mikrosekunden betragen, wie beispielsweise zwischen 15
Mikrosekunden und 45 Mikrosekunden, wie beispielsweise zwischen
20 Mikrosekunden und 40 Mikrosekunden und wie beispielsweise zwischen
25 Mikrosekunden und 35 Mikrosekunden betragen. Nachdem der Testvektor
angewendet wurde, wird der Strom gemessen und, falls ein Erdschlussfehler
detektiert wird, wird der Inverterbetrieb erneut unterbrochen, bevor
ein neuer Test angewendet wird. Alternativ wird der Antrieb permanent in
Gang gesetzt. Die Anzahl an Iterationen, die durchgeführt wird,
bevor das Testergebnis als Erdschlussfehler akzeptiert wird, kann
je nach Wunsch gewählt werden.
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Falls
kein Erdschlussfehler detektiert wird, kann der normale Betrieb
fortgesetzt werden, so dass auf diese Weise die Fähigkeit
zum Weiterbetrieb zur Verfügung
gestellt ist.
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Der
in 5 gezeigte Testvektor ist vor der normalen Pulsweitenmodulation
angeordnet dargestellt. Alternativ kann der Testvektor ebenso innerhalb
der ersten Pulsweitenmodulationsperiode nach der Wiederinbetriebnahme
angeordnet werden, beispielsweise durch einfache Arbeitszyklusverkleinerung,
die ähnlich
zu 4 durchgeführt
wird. Dabei handelt es sich lediglich um die Frage nach einer einfachen
Implementierung. Der wichtige Punkt ist, dass der Erdschlussstrom
gemessen wird, bevor ein aktiver Vektor angewendet wird, der Ströme vom differentiellen
Typ in der Gleichstromleitung verursacht, wodurch der Antrieb erneut
antriebslos weiterlaufen könnte,
bevor ein Erdfehlertest durchgeführt
werden kann.
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4 zeigt
in diagrammartiger Form die Arbeitszykluskurven für die auf
der Highside-Seite liegenden Schalter für jede der drei Phasen U, V
und W. Die y-Achse geht von –1
bis 1. Die tatsächlichen
Arbeitszyklen, die in bekannter Weise über die Beziehung ton/(ton + toff) berechnet werden, können aus den in 4 dargestellten
Kurven durch Addition von 1 und Division durch 2 erzielt werden.
Die x-Achse stellt die Zeit in Sekunden dar. Die Phasensequenz in 4 sind
die Phasen U, V und W.
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Zu
einem Zeitpunkt von ungefähr
0,185 s, wird der Testvektor durch Modifikation der Phase W angewendet,
was grafisch durch ein Dreieck am unteren Rand der Fig. dargestellt
ist. 120° später wird der
nächste
Test-Vektor durch
Modifikation der Phase U angewendet, was durch den Kreis am unteren Rand
der Fig. dargestellt ist. Und weitere 120° später wird ein dritter Testvek tor
durch Modifikation der Phase V angewendet, was durch das Quadrat
dargestellt ist. Die Anwendung des Testvektors verursacht einen Fehler
in der geplanten Schaltperiode. Dieses Problem ist während eines
Bedarfs an hoher Spannung evident und führt typischerweise zu einer
verringerten Ausgangsspannung.
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Um
Platz für
den nächsten
Testvektor zu schaffen, muss der geplante Arbeitszyklus modifiziert werden,
d.h. er muss vergrößert werden.
Dies ist in 4 gezeigt, wo der Arbeitszyklus
der Phase W während
der Anwendung des Testvektors ungefähr bei 0,185 s vergrößert wird.
Der Arbeitszyklus wird beispielsweise von 0,06 auf 0,12 s vergrößert. Um dies
zu kompensieren, wird jedoch der Arbeitszyklus 180° später (ungefähr bei 0,195
s) von 0,94 auf 0,88 verkleinert. Der Testvektor wird somit zu Zeitpunkten angewendet,
wo der Arbeitszyklus niedrig (low) ist, und eine Korrektur wird
durchgeführt,
wenn der Arbeitszyklus hoch (high) ist.
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Vorzugsweise
wird der der Strommessung dienende Erdschlussfehlertestvektor, der
die Korrektur mit einschließt,
mit einer Viertelwellen- und Halbwellensymmetrie ausgeübt, was
in dem dreiphasigen PWM-System eine minimale Störung ergibt.
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Das
Verfahren zur Anwendung eines Testvektors und zur Ausübung einer
Korrektur für
den Arbeitskreis, so wie dies in 4 dargestellt
ist, kann ausgeführt
werden, ohne das in 5 beschriebene Verfahren zu
benutzen. Tatsächlich
sind die beiden in 4 und 5 gezeigten
Verfahren voneinander unabhängig,
jedoch können
diese miteinander kombiniert werden und so die bevorzugte Schutzqualität erzielen.
Das Verfahren gemäß 4 läuft fortlaufend.
Dies bedeutet, dass der Erdschlussfehlerstrom kontinuierlich mit
einer Rate gemessen wird, die höchstens
im Millisekundenbereich liegt, unabhängig davon, ob ein Fehlerzustand
vorliegt oder nicht. Die Modifikation des Arbeitszyklus wird, falls
es notwendig ist, mit der gleichen Rate angewendet, um den Testvektor
zu erhalten.
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Das
Verfahren gemäß 4 ist
für Erdschlussfehlerzustände erforderlich,
bei denen die Stromstärke
des Fehlerstroms relativ klein ist, beispielsweise 20 bis 30 % des
nominellen Werts beträgt.
Dies ist der Fall, falls die Erdschlussverbindung eine hohe Impedanz
von beispielsweise 100 Ohm zwischen der Motorphase und der Erde
aufweist. Vorzugsweise ist die Rate, mit der der Testvektor in 4 angewendet
wird, niedriger als die Rate der Schaltfrequenz und liegt typischerweise
im Bereich von 1 bis 10, d.h. bei 1,5 kHz in Bezug auf eine Schaltfrequenz
von 15 kHz.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur während des
laufenden Betriebs erfolgenden Überprüfung, ob
ein Erdschluss vorliegt, um so eine Motorsteuerung zu schützen, die
eine Highside- und eine Lowside-Gleichstromleitung
aufweist, sowie Highside- und Lowside-Schaltelemente aufweist, wobei
die Highside- und die Lowside-Schaltelemente im Betrieb jeweils
mit den Highside- und Lowside-Gleichstromleitungsbussen verbunden
sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Erzeugung
eines Fehlersignals, Erzeugung zumindest eines Test-Vektors als
Antwort auf das Fehlersignal, indem zumindest eines der Schaltelemente
eingeschaltet wird, und, während
zumindest eines der Schaltelemente angeschaltet ist, Messung der
Größe des Stroms,
der in der Gleichstromleitung fließt, die im Betrieb mit dem
leitenden Schaltelement verbunden ist, um einen Erdschluss festzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin zusätzliche Verfahren zur Feststellung
von Erdschlüssen
während
des laufenden Betriebs.