DE10125910A1 - Verfahren und Schaltung zur Erkennung von Motor-Isolationsfehlern - Google Patents

Verfahren und Schaltung zur Erkennung von Motor-Isolationsfehlern

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Abstract

Die Verschlechterung der Motor-Isolation wird unter Verwendung von Schaltungen zur Messung des Gleichtakt-Leckstromes von dem Erdleitungskabel bestimmt. Bei einer Ausführungsform stellt ein kleiner Stromtransformator den Gleichtakt-Leckstrom fest, der in dem Erdleiterkabel der Motorsteuerschaltung fließt. Ein einpoliges Tiefpaßfilter erzeugt ein mittleres Leckstromsignal aus dem gemessenen Strom. Das mittlere Leckstromsignal wird in ein impulsbreitenmoduliertes Signal umgewandelt. Ein Impulsgenerator empfängt das impulsbreitenmodulierte Signal und erzeugt Impulssignale an den Anstiegs- und Abfallflanken des impulsbreitenmodulierten Signals. Zwei Pegelschieber empfangen die Anstiegsflanken- und Abfallflanken-Impulssignale und setzen diese Signale von einer schwimmenden hohen Spannung auf eine auf Erde bezogene Spannung um. Eine Impulsrekonstruktionsschaltung empfängt die pegelverschobenen Impulssignale und rekonstruiert ein impulsbreitenmoduliertes Signal mit einem Tastverhältnis, das sich bezüglich der Größe des Gleichtakt-Leckstromes ändert. Dieses Ausgangssignal wird direkt in einen Mikrocontroller oder einen digitalen Signalprozessor eingegeben, um das Ausmaß der Verschlechterung der Motor-Isolation zu berechnen und zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zur Erkennung von Motor-Isolationsfehlern der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 genannten Art.
Bei mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Inverter-Motor-Speisesystemen die mit hohen Werten von dv/dt schalten, ergeben sich mehrfache Pfade von Gleichtakt- Leckströmen in dem Motor-Speisesystem. Ein verallgemeinertes Schaltbild eines Motor-Ansteuer- oder -Speisesystems ergibt sich aus Fig. 1. Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, ergeben sich die Gleichtakt-Leckpfade aus folgendem:
  • 1. Kapazitive Kopplung 2 zwischen dem geerdeten Kühlkörper und den Hochspannungs-Schalterbauelementen (beispielsweise IGBT-Bauteile und dergleichen);
  • 2. Kapazitive Kopplung 4 zwischen dem Motorleitungskabel und der geerdeten Leitung oder einer Kabelwanne;
  • 3. Kapazitive Kopplung 6 zwischen der Statorwicklung eines Motors und dem Motorgehäuse durch das Isoliermaterial hindurch.
Die vorstehenden Leckpfade 2 und 4 ändern sich im Betrieb eines Wechselspannungs-Motorspeise-Invertersystems nicht mit der Zeit. Damit ändert sich für den kapazitiven Koppelpfad 2 die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung zu den Schaltzeitpunkten (dv/dt) nicht als Funktion der Zeit oder Alterung, solange die Gate- Ansteuerimpedanz gleich bleibt. Daher ändert sich der resultierende Gleichtakt- Leckstrom nicht mit der Zeit. In gleicher Weise ändert sich bezüglich des kapazitiven Kopplungspfades 4 der Gleichtakt-Leckstrom, der diesem kapazitiven Kopplungspfad zugeordnet ist, nicht, weil sich die Motorleitungs-Verkabelung nicht mit der Zeit ändert.
Die kapazitive Kopplung 6 zwischen der Motor-Statorwicklung und dem Gehäuse durch das Isoliermaterial hindurch ändert sich jedoch mit der Zeit als Ergebnis der Verschlechterung oder Alterung der Isolation innerhalb des Motors. Es ist wichtig, diese Verschlechterung der Isolation festzustellen, um einen katastrophalen Ausfall der Motor-Isolation zu verhindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die in einfacher und zuverlässiger Weise die Verschlechterung oder Beeinträchtigung der Motor-Isolation feststellt.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren und eine Schaltung zur Feststellung einer Verschlechterung oder Beeinträchtigung der Motor-Isolation durch Überwachen des Gleichtakt-Leckstromes geschaffen, der in dem Erdleiterkabel der Motor- Steuerschaltung fließt. Wenn sich die Eigenschaften der Motor-Isolation verschlechtern, so ändern sich auch die dielektrischen Eigenschaften der Isolation. Diese Verschlechterung der Isolation wird an dem Erdleiterkabel von dem Motorgehäuse als Vergrößerung des Gleichtakt-Leckstromes sichtbar. Am Ende der Motorlebensdauer ist der Gleichtakt-Leckstrom so erheblich, daß er durch das Motor- Speisesteuersystem festgestellt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ergibt somit ein Verfahren und eine Schaltung zur Feststellung einer Verschlechterung der Motor-Isolation durch Erfassen des Gleichtakt- Leckstromes in dem Erdleiterkabel des Motors. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform schließt die erfindungsgemäße Schaltung einen Stromsensor (beispielsweise einen kleinen Stromtransformator) zur Messung des in dem Erdleiterkabel fließenden Stromes, ein einpoliges Tiefpaßfilter zur Erzeugung eines mittleren Leckstromsignals aus dem gemessenen Leckstrom, eine Impulsbreiten- Modulatorschaltung, die mit dem Stromtransformator und dem Tiefpaßfilter verbunden ist, um ein impulsbreitenmoduliertes Signal zu erzeugen, das den Gleichtakt-Leckstrom darstellt, einen Impulsgenerator, der das impulsbreitenmodulierte Signal empfängt und Impulssignale an den Anstiegs- und Abfallflanken des impulsmodulierten Signals erzeugt, zwei Pegelschieber zum Umsetzen des Spannungspegels der Impulssignale von einem schwimmenden Hochspannungspegel auf einen auf Erde bezogenen Spannungspegel, und eine Impulsrekonstruktionsschaltung zum Empfang der pegelverschobenen Impulssignale und zur Rekonstruktion des impulsbreitenmodu­ lierten Signals bei dem auf Erde bezogenen Spannungspegel, das die Größe des Gleichtakt-Leckstromes darstellt und direkt als Eingangssignal einen Mikrocontroller oder digitalen Signalprozessor zugeführt werden kann, um das Ausmaß der Beeinträchtigung der Motor-Isolation zu bestimmen.
Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine zweite Wicklung auf einem Ringkern, zusätzlich zu einer mit einem aktiven EMI- (Störstrahlungs-)Filterverstärker verbundenen Wicklung, dazu verwendet, den Gleichtakt-Leckstrom zu messen, der in dem Erdleiterkabel fließt. Diese Ausführungsform der Erfindung erzeugt in vorteilhafter Weise ein Gleichtakt- Leckstromsignal, das auf die unterspannungsseitige Erde (der Brückenschalter) bezogen ist, so daß entsprechend das gemessene Signal nicht pegelverschoben werden muß und in einfacher Weise aufbereitet wird und eine Spitzendetektor­ schaltung speist, deren Ausgangssignal mit einem Schwellenwert verglichen werden kann, um ein Isolationsfehler-Auslösesignal zu erzeugen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Gleichtakt- Leckstrom mit einem Transformatorkern gemessen, der auf einer Gleichstrom- Sammelschiene angeordnet ist, statt auf der Erdschiene. Bei dieser Konfiguration wird der Eintaktstrom automatisch aufgehoben und es wird lediglich der Gleichtakt-Strom gemessen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 ein verallgemeinertes Schaltbild einer Motorspeiseschaltung, die die verschiedenen Gleichtakt-Leckstrompfade zeigt,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Gleichtakt- Leckstrom-Meßschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 ein ausführliches Blockschaltbild der Meßschaltung nach Fig. 2,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer abgeänderten Ausführungsform der Fehlerdetektorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren abgeänderten Ausführungsform der Fehlerdetektorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 2 ist ein Schaltbild einer Motorsteuerschaltung 10 mit einer Meßschaltung 12 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Motorsteuergerät verarbeitet einen Netzspannungs-Eingang über einen Gleichrichter 14 und einen Wechselrichter 16, und es schließt ein aktives EMI-(Störstrahlungs-)Filter 18 ein. Wie dies gezeigt ist, ist das Motorsteuergerät auf einem Kühlkörper 20 befestigt.
Die Meßschaltung 12 zur Erkennung einer Veschlechterung der Motor-Isolation ver­ wendet einen kleinen Stromtransformator 22, der den Gleichtakt-Leckstrom iCOMMON MODE erfaßt, der in dem Erdleiterkabel 24 des Motors 26 fließt. Wie dies aus dem ausführlichen Schaltbild nach Fig. 3 zu erkennen ist, verwendet die Meßschaltung 12 ein einpoliges Tiefpaßfilter 28 zur Erzeugung eines mittleren Leckstromsignals IFILTER. Dieses Signal wird einer Digitalisierungs-(PWM-)(Impulsbreitenmodulations-) Schaltung 30 zugeführt, in der das Stromsignal mit einem dort erzeugten Sägezahnsignal verglichen wird. Das PWM-Signal wird einem Impulsgenerator 32 zugeführt, der Impulse an den Anstiegs- und Abfallflanken des PWM-Signals erzeugt. Der Spannungspegel dieser Impulssignale wird über zwei Pegelschieber 34, 36 von der schwimmenden Oberspannungsseite auf die unterspannungsseitige Erde umge­ setzt. Eine Impulsrekonstruktionsschaltung 38 erzeugt ein diskretes impulsbreiten­ moduliertes Signal als ein Ausgangssignal.
Das Ausgangssignal von der Impulsrekonstruktionsschaltung 38 hat ein Tastverhältnis, das sich bezüglich der Größe des Gleichtakt-Leckstromes iCOMMON MODE ändert. Das Signal kann direkt einem Mikrocontroller oder einem digitalen Signalprozessor zugeführt werden, um das Ausmaß der Verschlechterung oder Beeinträchtigung der Motor-Isolation zu berechnen und zu bestimmen.
In Fig. 4 ist eine alternative Fehlerdetektionsschaltung 40 gezeigt. Die Schaltung wird dadurch verwirklicht, daß eine weitere Wicklung 42 auf einem Ringkern 44 als ein Gleichtakt-Leckstrom-Signalaufnehmer hinzugefügt wird. In vorteilhafter Weise ist eine Signalübertragung von der schwimmenden Oberspannungsseite 46 zur unterspannungsseitigen Erde 48 (der Brückenschaltung des Inverters), die auf das Spannungspotential der negativen Gleichspannungsschiene ("DC BUS(-)") gemäß Fig. 4 bezogen ist, nicht erforderlich, weil die zusätzliche Wicklung automatisch eine Pegeltransformation ergibt. Das Leckstromsignal von der zusätzlichen Meßwicklung 42 wird einem Signalaufbereitungs-Schaltungsblock 50 zugeführt, auf den eine Spitzendetektorschaltung 52 folgt. Das Ausgangssignal der Spitzendetektorschaltung 52 ist ein Analogsignal, das in direkter Schnittstellenverbindung mit einem Analog- /Digital-Wandler eines digitalen oder Mikrocontrollersystems stehen kann. Dieses analoge Ausgangssignal 54 wird ebenfalls über einen Vergleicher 56 mit einem programmierten Isolationsfehler-Schwellenwertpegel 58 verglichen, um ein Isolationsfehler-Auslösesignal zu erzeugen.
In Fig. 5 ist eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei der Motorsteuerschaltung 60 nach Fig. 5 wird ein Gleichtakt-Leckstrom über einen Transformatorkern 62 gemessen, der auf der Gleichstrom-Versorgungs- Verbindungsspannung und nicht auf der Erdschiene liegt.
Die Motorsteuerschaltung 60 nach Fig. 5 schließt einen Gleichrichter 64 und einen Inverter 66 ein. Beide Gleichstrom-Versorgungsleitungsdrähte verlaufen durch einen Gleichtakt-Leckstrom-Aufnehmerkern. Als Ergebnis wird der gesamte Eintaktstrom automatisch kompensiert und aufgehoben, und es tritt lediglich die Gleichtakt- Stromkomponente auf. Der Sensor ist in Fig. 5 als ein Transformatorkern 62 gezeigt, doch muß dies nicht ein Ferrit- oder magnetischer Transformatorkern sein. Vielmehr kann ein ein anisotropes magnetoresisitves (AMR-)Meßelement oder ein Halleffekt- Sensor oder irgendein anderes Bauteil verwendet werden, das den Gleichtaktstrom erfassen kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, sind vielfältige andere Abwandlungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ohne weiteres zu erkennen. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle vorstehende Beschreibung beschränkt, sondern lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche.

Claims (6)

1. Verfahren zur Feststellung einer Verschlechterung der Isolation in Statorwicklungen eines Motors, der durch eine Motorsteuerschaltung gespeist wird, gekennzeichnet durch die Schritte der Feststellung eines Gleichtakt-Leckstromes unter Verwendung einer Meßschaltung in der Motorsteuerschaltung und des Vergleichens des festgestellten Gleichtakt-Leckstromes mit einem Fehler-Schwellenwert.
2. Schaltung zur Feststellung einer Verschlechterung der Motor-Isolation, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Gleichtakt-Leckstrom erfaßt, der zu einem Erdleiterkabel einer Motorsteuerschaltung fließt, und folgendes umfaßt:
einen Stromsensor (22; 44) zur Erfassung eines Gleichtakt-Leckstromes, der in dem Erdleiterkabel der Motorsteuerschaltung (14, 16, 18) fließt,
ein einpoliges Tiefpaßfilter (28) zur Erzeugung eines mittleren Leckstromsignals aus dem gemessenen Gleichtakt-Leckstromsignal, das in dem Erdleiterkabel (24) fließt,
eine Impulsbreiten-Modulatorschaltung (30) zum Umwandeln des mittleren Leckstromsignals in ein impulsbreitenmoduliertes Signal, das den Gleichtakt-Leckstrom darstellt,
einen Impulsgenerator (32), der das impulsbreitenmodulierte Signal empfängt und Impulssignale an den Anstiegs- und Abfallflanken des impulsbreitenmodulierten Signals erzeugt,
zwei Pegelschieber (34, 36) zum Umsetzen des Spannungspegels der Impulssignale von einem schwimmenden Hochspannungspegel auf einen auf Erde bezogenen Spannungspegel, und
eine Impulsrekonstruktionsschaltung zum Empfang der pegelverschobenen Impulssignale und zur Rekonstruktion eines impulsbreitenmodulierten Signals bei dem auf Erde bezogenen Spannungspegel, das die Größe des Gleichtakt-Leckstromes darstellt und das direkt in einen Mikrocontroller oder einen digitalen Signalprozessor eingegeben werden kann, um das Ausmaß der Verschlechterung der Motor-Isolation zu bestimmen.
3. Meßschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor ein Transformatorkern (22; 44) ist.
4. Meßschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor auf der Erdleitung (24; 48) angeordnet ist.
5. Schaltung zur Feststellung einer Verschlechterung der Motor-Isolation, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Gleichtakt-Leckstrom von einem Erdleiterkabel des Motors unter Verwendung einer Meßschaltung feststellt und folgendes umfaßt:
einen Stromsensor (44) zur Messung des Stromes in dem Erdleiterkabel, wobei der Stromsensor erste und zweite Wicklungen aufweist, von denen die erste Wicklung mit einem aktiven EMI-(Störsignal-)Filterverstärker verbunden ist, während die zweite Wicklung (42) zur Messung des Gleichtakt-Leckstromsignales verwendet wird, das in dem Erdleiterkabel (48) fließt,
eine Spitzendetektorschaltung (52) zur Feststellung und zum Halten des von dem Stromsensor gemessen Spitzenstroms, und
einen Fehlervergleicher (56) zum Vergleich des Spitzenstromes mit einem vorgegebenen Spannungspegel (58) zur Erzeugung eines Isolationsfehler- Auslösesignals.
6. Schaltung zur Feststellung einer Verschlechterung der Motor-Isolation in den Statorwicklungen eines Motors, der durch eine Steuerschaltung (64, 66) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Gleichtakt-Leckstrom erfaßt und folgendes umfaßt:
einen Transformatorkern (62), der die positiven und negativen Versorgungsleitungen einer Gleichspannungsversorgungsleitung der Motorsteuerschaltung aufnimmt und Wicklungen zur Feststellung des Gleichtakt- Leckstromes aufweist, wobei der Eintaktstrom automatisch aufgehoben wird, und
eine Schaltung zum Vergleich des Gleichtakt-Leckstromes mit einem vorgegebenen Schwellenwert, um festzustellen, ob die Verschlechterung der Motor- Isolation einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat.
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