AT510380B1 - Vorrichtung zur strommessung bei leistungskondensatoren - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur potentialfreien Erfassung des Stromes durch einen Leistungskondensator, bei welcher zwischen den beiden Leistungsanschlüssen (2a, 2b) des Kondensators (3) eine Sensorspule (1, 1') angeordnet ist und deren Klemmen (4, 5) mit dem Eingang eines Messverstärkers (6, 6') verbunden sind, dessen Übertragungscharakteristik ein Integral- und/oder Proportional-Verhalten aufweist, wobei an dem Ausgang (7, 8) des Messverstärkers ein Signal (uA) vorliegt, das dem durch den Kondensator (3) fließenden Strom (i(t)) entspricht.

Description

österreichisches Patentamt AT510 380 B1 2012-11-15

Beschreibung

VORRICHTUNG ZUR STROMESSUNG BEI LEISTUNGSKONDENSATOREN

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur potentialfreien Messung des Stromes durch einen Leistungskondensator.

[0002] Im Bereich der industriellen Elektronik werden heute vielfach leistungselektronische Konverter zur effizienten Umformung elektrischer Energie eingesetzt. Anwendungsbeispiele: Frequenzumrichter in der Drehstrom-Antriebstechnik, Versorgungseinrichtungen in der Computertechnik sowie für Telekommunikationsanlagen (z.B. Telekom-Gleichrichter, Computer-/Ser-ver-Netzteile), Speisegeräte für die industrielle Prozesstechnik (z.B. elektronische Schweißgeräte oder Plasma-Beschichtungs- bzw. -Schneidanlagen). Vielfach sind derartige Konverter mit Gleichspannungs-Zwischenkreisen ausgestattet, wobei üblicherweise Elektrolytkondensatoren zur Spannungsstützung eingesetzt werden.

[0003] Wegen ihres auf elektro-chemischen Vorgängen basierenden Grundprinzips unterliegen Elektrolytkondensatoren leider einem nicht unerheblichen Alterungsprozess, welcher stark von den Betriebsbedingungen (besonders von der Bauteiltemperatur) abhängt. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Stromrichtern wurden deshalb in der einschlägigen Literatur Überwachungsvorrichtungen vorgeschlagen, mit denen sich der Betriebszustand des Kondensators permanent ermittelt lässt. Das Ende der Lebensdauer des Kondensators kann so detektiert werden, ein spontaner Ausfall des Stromrichters damit durch rechtzeitigen Tausch (vorbeugende Wartung) vermieden werden.

[0004] Die in der Literatur beschriebenen Überwachungsschaltungen für Elektrolytkondensatoren (z.B. nach JP 63081277 A, EP 2056116 A1, WO 0111377 A1) basieren üblicherweise auf der On-Iine-Bestimmung des Kondensator-Verlustwiderstandes (equivalent series resistance -ESR). Dazu wird der betriebsmäßig auftretenden Kondensatorstrom ic (typisch ein Wechselstrom im kHz-Bereich, hervorgerufen durch die Pulsbreitenmodulation des Konverters) als "Testsignal" herangezogen sowie die Wechselspannungskomponente uc,~ der Kondensatorspannung. Der zur Alterungsbestimmung verwendbare Verlustwiderstand ergibt sich daraus gemäß REsr = uc,« / ic Es ist also jedenfalls eine Messung des Kondensatorstromes ic erforderlich. Neben der Alterungsüberwachung existieren weitere Anwendungen, die eine Messung des Kondensatorstromes erfordern, z.B. Rekonstruktion der Umrichter-Ausgangsströme aus dem Kondensatorstrom unter Verwendung des Umrichter-Schaltzustandes (low-cost Ausgangstrom-Erfassung) oder Bestimmung des Rotorwinkels einer permanenterregten Synchronmaschine über di/dt-Messungen (lagegeberlose Regelung von Drehstrommaschinen).

[0005] Nach dem derzeitigen Stand der Technik kann die Messung des Kondensatorstromes über (a) einen ohmschen Shunt, oder (b) einen passiven Stromwandler oder (c) eine Rogowski-Spule erfolgen, wobei die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren im Folgenden kurz erläutert werden sollen: [0006] (a) ohmscher Shunt: + kostengünstig - nicht potentialgetrennt (oft Trennverstärker notwendig) - Verlustleistung - stört Verschaltung Kondensator/Stromschiene (Auch Zuverlässigkeitsproblem da zusätzliches Bauteil im Laststromkreis, Empfindlichkeit im Überstromfall!) [0007] (b) passiver Stromwandler: + potentialgetrennt (Sekundärwicklung isoliert) + robust (Überstromfestigkeit) - stört Verschaltung Kondensator/Stromschiene (Induktivität!) 1 /6 österreichisches Patentamt AT510 380 B1 2012-11-15 [0008] (c) Rogowski-Spule: + kostengünstig (bei Realisierung als gedruckte Schaltung) + potentialgetrennt (oft Trennverstärker notwendig) + stört Verschaltung Kondensator/Stromschiene nicht + robust (überstromfest) - sehr geringe Messempfindlichkeit - sehr große Störempfindlichkeit [0009] Eine als gedruckte Schaltung (PCB) realisierte Rogowski-Spule (wie z.B. in DE60002319 beschrieben) wäre an sich eine sehr attraktive Methode zur Messung von Kondensatorströmen. Allerdings erweist sich die von der niedrigen Windungszahl herrührende geringe Empfindlichkeit (die "Windungen" werden hier als Kombinationen von Leiterbahnen und Durchkontaktierungen der gedruckten Schaltung gebildet, weshalb ihre Anzahl auf Werte typ. N = 20...50 limitiert ist) aber hier als schwerer Nachteil, weil das System dadurch sehr störempfindlich wird. Üblicherweise sind Zwischenkreiskondensatoren von Pulswechselrichtern nämlich in unmittelbarer Umgebung der schnell schaltenden Leistungstransistoren angeordnet und damit einem extrem hohen Störpegel ausgesetzt. Praktische Versuche haben gezeigt, dass die Ausgangsspannung von Rogowski-Spulen bei Realisierung als gedruckte Schaltung einen Störpegel aufweist, der das Nutzsignal übersteigt, wodurch sich die Anwendung dieses Prinzips de facto verbietet. Als weiterer Nachteil von Rogowski-Spulen in PCB-Technik wurden in der einschlägigen Fachliteratur auch noch mögliche Zuverlässigkeitsprobleme herrührend von der hohen Anzahl von benötigten Durchkontaktierungen berichtet.

[0010] Eine Alternative wäre die Verwendung einer konventionellen Rogowski-Spule. Hier ist üblicherweise eine Spule mit hoher Windungszahl über einen biegsamen Kunststoff kern gewickelt. Der hündische Herstellungsprozess resultiert aber in sehr hohen Kosten, so dass derartige Stromsensoren nur für Labormessungen eingesetzt werden; ein Einsatz als Low-Cost-Sensor (wie es eine Anwendung in Standard-Frequenzumrichtern erfordert) ist nicht möglich.

[0011] Die EP 2 088 440 A1 beschreibt unter anderem die Strommessung durch einen Kondensator mittels eines Hall-Elementes. Dabei ist es jedoch problematisch, dass selbst modernste Hall-Generatoren, die auf spezifischen Halbleitermaterialien basieren, eine nur sehr geringe Hall-Konstante aufweisen und dementsprechend bei den in Frage stehenden Stromwerten nur Ausgangsspannungen im Millivoltbereich liefern. Eine solche Ausgangsspannung benötigt Verstärker mit sehr hoher Verstärkung zur Weiterverarbeitung, was in gleicher Weise für die in dem Dokument gleichfalls erwähnten magnetoresistiven Stromsensoren gilt.

[0012] Besonders problematisch wird die Situation, wenn die Strommessung an Kondensatoren in einer Umgebung mit starken elektromagnetischen Störfeldern, wie z.B. bei Zwischenkreis-Elektrolytkondensatoren von Pulswechselrichtern, eingesetzt werden soll. In unmittelbarer Nachbarschaft des Kondensators befinden sich nämlich moderne Leistungshalbleiter (z.B. IGBTs oder MOSFETs), bei denen extrem hohe du/dt- und di/dt-Werte betriebsmäßig auftreten, nämlich Schaltflanken von typischen 10 kV/ ps bzw. 1000 A/ps und mehr. Jeder Kondensator-Sensor ist hier deshalb sehr starken Störfeldern ausgesetzt, die von den durch die Leistungshalbleiter geführten Pulsströmen, aber auch von den Ansteuersignalen der Leistungstransistoren herrühren. Dem stromproportionalen Ausgangssignal des Sensors als Nutzsignal ist deshalb ein Störsignal überlagert, das beispielsweise auf Grund der parasitären Kapazitäten zwischen Sensor und Leistungstransistor auftritt. Weist das Strommesselement eine nur geringe Sensorempfindlichkeit auf, z.B. im Bereich von wenigen mV/ A, kann es leicht geschehen, dass das Störsignal das Nutzsignal überdeckt. Eine Auswertung des Sensorsignals ist in solchen Fällen nicht mehr einfach möglich, sondern es würde die Anwendung teurer, korrelativer Messmethoden erfordern bzw. ist überhaupt nicht mehr möglich, wenn das Störsignal den nachgeschalteten Messverstärker übersteuert.

[0013] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung von Strömen bei Leistungskondensatoren zu schaffen, die die folgenden Eigenschaften aufweist: (i) low-cost 2/6 österreichisches Patentamt AT510 380B1 2012-11-15

Realisierung, (ii) Ausgangssignal potentialgetrennt, (iii) keine Störung der Leistungsverdrahtung des Kondensators, (iv) robust und überstromfest, (v) gute Messempfindlichkeit, (vi) geringe Störempfindlichkeit.

[0014] Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß zwischen den beiden Leistungsanschlüssen des Kondensators eine Sensorspule angeordnet ist und deren Klemmen mit dem Eingang eines Messverstärkers verbunden sind, dessen Übertragungscharakteristik ein Integral -Verhalten aufweist, wobei an dem Ausgang des Messverstärkers ein Signal vorliegt, das dem durch den Kondensator fließenden Strom i(t) entspricht.

[0015] Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten bzw. Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0016] Die Erfindung ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in welcher zeigen: [0017] Fig. 1 in einer Seitenansicht und einer Draufsicht schematisch einen Leistungskonden sator mit einer Sensorspule und einem nachgeschalteten Auswerteverstärker und [0018] Fig. 2 eine schematische Teilansicht einer Ausführungsvariante, bei der eine Sensor spule auf einen Spulenkörper gewickelt ist, welcher auf einem Isolierstoffträger mit entsprechenden Aussparungen montiert ist.

[0019] Wie in Fig.1 dargestellt, erfolgt der elektrische Anschluss eines Leistungskondensators 3, z. B eines Elektrolytkondensators für einen Zwischenkreis, üblicherweise über zwei Leistungsanschlüsse 2a, 2b, welche hier als Anschlussbolzen mit Gewindebohrungen ausgebildet sind, so dass entsprechende Stromschienen 9, 10 z. B. zur Verbindung mit Leistungstransistoren eines Umformers, kontaktiert werden können. Das Wesen der Erfindung liegt nun darin, dass zwischen den Leistungsanschlüssen 2a, 2b eine einfache, kostengünstige, vorteilhafterweise zylindrische Sensorspule 1 angeordnet ist. Fließt durch den Kondensator der Strom i(t), tritt in der Mitte zwischen den Leistungsanschlüssen 2a, 2b ein Magnetfeld mit der Amplitude H(t) = i(t)/(1/2 π a) auf (a = Abstand zwischen den Leistungsanschlüssen). Dieses Magnetfeld bewirkt einen mit der Sensorspule 1 verketteten Gesamtfluss von Ψ(ΐ) = N A B(t) = μ0. N A H(t) = μ0 N A ί(ί)/1/2π a) (N = Windungszahl, A = Wicklungsquerschnitt der Sensorspule 1). Der Wechselstrom durch den Kondensator generiert deshalb gemäß u = d Ψ (t)/dt eine Spannung am Ausgang der Sensorspule 1 von uE = M · d i(t)/dt. Der Proportionalitätsfaktor M ("Koppelinduktivität") ist dabei ein nur von der Windungszahl und den geometrischen Verhältnissen abhängiger konstanter Faktor und berechnet sich zu Μ =2μ0 N Α/(π a). Wird die an den Klemmen 4 und 5 der Sensorspule 1 abgegriffene Ausgangsspannung uE der Spule einem (zumindest im relevanten Frequenzbereich) integrierend wirkenden Meßverstärker 6 zugeführt, entsteht an dessen Ausgangklemmen 7 und 8 das Signal uA = k1 · Jue dt = k2 · i(t) als direktes Abbild des zu bestimmenden Stromes i(t) (k1...Integrator-Verstärkung, k2 = M»k1...Gesamt-Übertragungsfaktor).

[0020] Das Ausgangssignal uA ist wie gefordert potentialfrei (d.h. vom Kondensatorstromkreis galvanisch getrennt), die Sensorspule 1 ist billig herstellbar und weist als rein passives System eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit auf. Mit einer entsprechenden Windungszahl (typ. N = 100...500) kann eine hohe Sensorsensitivität bei geringer Störempfindlichkeit erreicht werden (letzteres könnte auch durch eine Schirmung/ Schirmwicklung mit geringen Zusatzkosten bei Bedarf auch noch weiter verbessert werden). Das Gesamtsystem ist unempfindlich auf Überströme (z.B. im Falle eines Brückenkurzschlusses in einem Umrichter) bzw. kann hinsichtlich derartiger Störungen gut geschützt werden (z.B. durch Begrenzerdioden zur Vermeidung einer Übersteuerung des Meßverstärkers 6).

[0021] Als Nachteil im Vergleich zu einer Rogowski-Spule (deren Ausgangsspannung theoretisch nicht abhängig von der Position von der Spule zum umschlossenen Leiter ist) könnte eingewendet werden, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Lageabhängigkeit aufweist, d.h. die Sensorspule 1 muss in genau definierter Position zum Kondensator 3 stehen, da der 3/6 österreichisches Patentamt AT510 380 B1 2012-11-15

Koppelfaktor M lageabhängig ist. Um ein maximales Signal zu erreichen, sollte die Sensorspule I mittig zwischen den bolzenförmigen Leistungsanschlüssen 2a, 2b, in Hinblick auf die tatsächliche Feldverteilung genauer gesagt in Achsrichtung der Spule ein wenig aus der Mitte versetzt, positioniert sein. Diese Einschränkung hat jedoch für die praktische Anwendbarkeit keine nennenswerte Relevanz, da wie nun in Fig.2 gezeigt, eine definierte Montageposition leicht beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass die Sensorspule 1 als auf einen Spulenkörper II gewickelte Kupferlackdraht-Spule ausgeführt ist und der Spulenkörper 11 auf einem Isolierstoffträger 12 aufgebracht ist, welcher zwei dem Durchmesser der bolzenförmigen Leistungsanschlüsse 2a, 2b entsprechende Aussparungen 13 aufweist. Die Sensorspule kann so leicht durch einfaches Aufstecken auf die Anschlussbolzen exakt positioniert werden (ohne diese jedoch galvanisch zu kontaktieren). Die Aussparungen (Bohrungen) 13 sind dabei passgenau gestaltet, so dass eine definierte Position der Sensorspule 1 in Relation zum Kondensator 3 garantiert ist.

[0022] In Fig. 2 ist weiters gezeigt, dass die Sensorspule 1 einen magnetisierbaren Kern 1k, z.B. einen Ferritkern, besitzen kann, wodurch ein erheblich höheres Ausgangssignal uE erzielbar ist.

[0023] Wird die Isolierstoffträger 12 als gedruckte Schaltung (geätzte kupferkaschierte Epo-xydplatte) realisiert, kann der Spulenkörper 11 als SMD-Bauteil aufgelötet werden. Ebenso können auch alle Bauteile des Messverstärkers 6 kostengünstig als SMD-Bauteile auf dieser gedruckten Schaltung aufgebracht sein. Alternativ kann eine definierte Position der Sensorspule 1 gegenüber dem Kondensator 3 auch dadurch erreicht werden, dass der Isolierstoffträger 12 als z.B. aus Kunststoff bestehender Formbauteil ausgestaltet ist, welcher nicht auf die bolzenförmigen Leistungsanschlüsse 2a, 2b sondern statt dessen auf das Gehäuse 3a (Becher) des Kondensators 3 gesteckt wird. Wesentlich ist somit eine form- oder kraftschlüssige Verbindung des die Spule 1 tragenden Teils bezüglich der Leistungsanschlüsse 2a, 2b.

[0024] Als weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, die Sensoranordnung (Sensorspule 1 und gegebenenfalls auch den Messverstärker 6) im Inneren des Kondensatorgehäuses 3a einzubauen. Dies ist strichliert für eine Sensorspule T und einen Messverstärker 6' in Fig. 2 angedeutet. Damit entsteht ein Kondensator mit "integrierter" potentialfreier Stromerfassung, wobei hier nicht gezeigte Leitungen bzw. Anschlüsse für das Ausgangssignal bzw. die Stromversorgung vorgesehen sein müssen.

[0025] Angemerkt sei an dieser Stelle, dass unter „Leistungsanschlüssen" die zu einer Kondensatorbaueinheit gehörigen Zuleitungen zu dem eigentlichen Kondensator (z.B. Wickel) außerhalb und innerhalb des Kondensatorgehäuses zu verstehen sind. Diese Leistungsanschlüsse sind meist als Bolzen ausgeführt, doch können sie auch eine andere, z.B. rechteckige, Querschnittsform aufweisen.

[0026] Die Übertragung des Strommesssignales an eine übergeordnete Regel-/Überwachungs-Einheit kann als analoge Größe erfolgen oder aber auch, sofern der Messverstärker 6 mit einem entsprechenden Analog/Digital-Wandler ausgestattet ist, als serielles oder paralleles Digitalsignal, wobei die eigentliche Übertragung dann sowohl drahtgebunden wie auch mittels eines optisch Übertragungsweges (z.B. Infrarot-Kanal) oder aber mittels eines modulierten Hochfrequenz-Signals erfolgen kann.

[0027] Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Anwendung bei der lagegeberlosen Regelung von Drehstrommotoren (d.h. die Regelung von Drehstrommotoren ohne Rotorlagegeber) vorteilhaft einsetzbar. Das Grundprinzip der lagegeberlosen Regelung beruht darauf, dass der Pulswechselrichter zusätzlich zu den normalen Betriebswechselspannnungen periodische Spannungs-Testsignale an den Motor anlegt und über spezielle Analyseverfahren aus der daraus resultierenden Stromänderung die Rotorlage der Maschine ermitteln kann wie z.B. in der AT 408591 B1 beschrieben). Zur Implementierung dieses Verfahrens werden üblicherweise Stromsensoren in den Motorzuleitungen verwendet. In nachgeschalteten (meist softwaremäßig realisierten) Auswerteschaltungen wird die Stromänderungsrate (also der d i(t) / dt-Wert) ermittelt und aus dieser letztlich die Rotorposition berechnet. Alternativ kann dies auch über Mes- 4/6

Claims (6)

1. österreichisches Patentamt AT510 380 B1 2012-11-15 sung des Eingangsstromes des Frequenzumrichters erfolgen, womit eine günstigere Realisierung erreicht wird, da nur ein Stromsensor erforderlich ist (siehe z.B. EP 2026461 A1). Ebenso ist es bekannt, dass die erforderliche di(t) / dt-Wert nicht durch einen Stromsensor mit nachgeschalteter Differentiation bestimmt wird, sondern dass gleich in den Motorzuleitungen oder am Umrichtereingang eine Rogowski-Spule als di(t) / dt-Sensor eingesetzt wird. [0028] Ist jedoch der Frequenzumrichter mit Zwischenkreiskondensatoren ausgestattet, die bereits über die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügen, kann auch das Ausgangssignal der Sensorspule 1 zur lagegeberlosen Regelung verwendet werden (der Messverstärker muss dazu, zumindest im für die Testimpulse relevanten Frequenzbereich, eine Proportionalcharakteristik aufweisen). Dies ist deshalb möglich, weil alle transienten Stromsignale, die in der Drehstrommaschine auftreten, letztlich aus dem Zwischenkreiskondensator des Frequenzumrichters gedeckt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann deshalb nicht nur zur Kondensatorstrom Überwachung sondern sehr vorteilhaft auch für lagegeberlose Antriebe eingesetzt werden. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur potentialfreien Erfassung des Stromes durch einen Leistungskondensator, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Leistungsanschlüssen (2a, 2b) des Kondensators (3) eine Sensorspule (1,T) angeordnet ist und deren Klemmen (4, 5) mit dem Eingang eines Messverstärkers (6, 6') verbunden sind, dessen Übertragungscharakteristik ein Integral-Verhalten aufweist, wobei an dem Ausgang (7, 8) des Messverstärkers ein Signal (uA) vorliegt, das dem durch den Kondensator (3) fließenden Strom (i(t)) entspricht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspule (1, T) als Wicklung auf einen Spulenkörper (11) realisiert ist und dieser Spulenkörper (11) auf einem Isolierstoffträger (12) aufgebracht ist welcher formschlüssig auf den Kondensator (3) aufgebracht werden kann, so dass er samt dem Spulenkörper in einer definierten geometrischen Lage in Relation zu den Leistungsanschlüssen (2a, 2b) steht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffträger (12) zwei Aussparungen (13) für die Leistungsanschlüsse (2a, 2b) aufweist, so dass er auf die Leistungsanschlüsse des Kondensators (3) aufgesteckt werden kann.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspule (T) im Inneren des Kondensatorgehäuses (3a) angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspule (T) zusammen mit dem Messverstärker (6') im Inneren des Kondensatorgehäuses (3a) angeordnet ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspule (1,1') einen magnetisierbaren Kern (1k) aufweist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 5/6