DE102008026549B4

DE102008026549B4 - Schutz für Permanentmagnetmotor-Steuerungsschaltungen

Info

Publication number: DE102008026549B4
Application number: DE102008026549.7A
Authority: DE
Inventors: David Tang; Brian A. Welchko; Silva Hiti; Mark L. Selogie
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2028-06-04
Also published as: US7652858B2; US20080304189A1; CN101330251B; CN101330251A; DE102008026549A1

Abstract

Wechselrichterschutzschaltung (140) zum Schutz eines Wechselrichters (110) in einem Permanentmagnet-Elektromotorsystem (100), welches einen Gleichstrombus (DC-Bus) (115) für eine Betriebsspannung an den Wechselrichter (110) umfasst, wobei die Wechselrichterschutzschaltung (140) umfasst: einen Schutzcontroller (150), der mit dem DC-Bus (115) gekoppelt ist und vorbestimmte Wechselrichterfehlerbedingungen aus der von diesem bereitgestellten Spannung detektiert; eine mit dem DC-Bus (115) und dem Schutzcontroller (150) gekoppelte Energieversorgung (145), um die von dem DC-Bus (115) gelieferte Spannung zum Versorgen des Schutzcontrollers (150) mit Energie zu nutzen; eine Gatetreiberschaltung (170), die mit dem Schutzcontroller (150) gekoppelt ist, um von diesem Gatesignale zu empfangen, wobei die Gatesignale ein pulsweitenmoduliertes Gatesteuerungssignal (PWM-Gatesteuerungssignal) und Gateschutzsignale umfassen, wobei die Gateschutzsignale von dem Schutzcontroller (150) in Ansprechen auf die Detektion der vorbestimmten Wechselrichterfehlerbedingungen erzeugt werden; wobei der Wechselrichter (110) Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) umfasst, wobei jedes der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) in Ansprechen auf Treibersignale von der Gatetreiberschaltung (170) zum Umleiten einer Spannung von dem DC-Bus (115) an einen Motor (105) dient, der unter der Steuerung des Wechselrichters (110) arbeitet, wobei die Treibersignale von der Gatetreiberschaltung (170) in Ansprechen auf die Gatesignale erzeugt werden; wobei der Motor (105) eine vorbestimmte Anzahl von Wicklungen (138) zum Erzeugen von Phasen desselben aufweist, wobei jedes Schaltelement (120, 122, 124) eines ersten Teils der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) zwischen einen Hochspannungsknoten (117) des DC-Busses (115) und eine der vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138) geschaltet ist und jedes Schaltelement (121, 123, 125) eines zweiten Teils der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) zwischen eine der vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138) und einen Niederspannungsknoten (119) des DC-Busses (115) geschaltet ist; wobei der Schutzcontroller (150) umfasst: ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Permanentmagnet-Elektromotorsysteme, und sie betrifft insbesondere den Schutz von Permanentmagnetmotor-Steuerungsschaltungen, wie z. B. Wechselrichtern, bei Permanentmagnet-Elektromotorsystemen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Permanentmagnet-Elektromotorsysteme umfassen typischerweise Permanentmagnetmotor-Steuerungsschaltungen, wie z. B. Wechselrichter. Fehlfunktionen bei derartigen Motorsteuerungsschaltungen können durch eine große Anzahl potentieller Probleme verursacht werden. Zum Beispiel kann ein Verlust der Vorspannungsenergie bzw. Versorgungsleistung des Wechselrichters, eine Mikroprozessor-Fehlfunktion, eine Leistungsschalter-Fehlfunktion oder Sensor-Fehlfunktionen eine Fehlfunktion des Wechselrichters bewirken. Um sich gegen derartige Fehlfunktionen zu schützen, muss eine Fehlerhandhabungsstrategie bereitgestellt werden. Viele derartige Fehlerhandhabungsstrategien liefern jedoch vielfältige Fehlermodi, welche Fremdinformationen benötigen, um entweder eine oder mehrere der Strategien anzuwenden oder zwischen einer Verwendung der verschiedenen Strategien umzuschalten.
Die Druckschrift WO 2006/069 568 A1 offenbart ein Verfahren zum Detektieren von Erdungsfehlern bei einem Motorcontroller während des Betriebs, wobei der Motorcontroller eine High-Side und eine Low-Side DC-Verbindung und damit verbundene Schaltelemente sowie eine Wechselrichterschutzschaltung aufweist, wobei durch das Verfahren ein Fehlersignal erzeugt wird, in Ansprechen darauf ein Testvektor erzeugt wird, indem mindestens ein Schaltelement eingeschaltet wird, und die Größe eines Stroms gemessen wird, der durch dieses Schaltelement fließt.
In der Druckschrift JAHNS, T. M.; KLIMAN, G. B.; NEUMANN, T. W: Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors for Adjustable-Speed Drives, IEEE Transactions an Industry Applications, Vol. IA-22, Nr. 4, S. 738–747, Juli 1986, IEEE Xplore online, doi: 10.1109/TIA.1986.4504786 sind Synchronmotoren mit innenliegenden Permanentmagneten und deren Ansteuerung bei einem Betrieb mit variabler Drehzahl unter Berücksichtigung einer Reglersättigung bei hohen Drehzahlen beschrieben.
Entsprechend ist es wünschenswert, ein Schutzschema für eine Motorsteuerungsschaltung bereitzustellen, welches keine Fremdinformationen benötigt. Zudem ist es wünschenswert, ein Schutzschema für eine Motorsteuerung bereitzustellen, welches entweder als ein primärer Schutz für einen Wechselrichter oder ein redundanter Sicherheitsschutz für den Wechselrichter verwendet werden kann. Darüber hinaus werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Wechselrichterschutzschaltung bereitgestellt, um einen Wechselrichter zu schützen, welcher mit einer Spannung arbeitet, die von einem Gleichstrombus (DC-Bus) geliefert wird, um einen Synchronmotor zu steuern. Die Wechselrichterschutzschaltung umfasst einen Schutzcontroller und eine Energieversorgung. Der Schutzcontroller ist mit der Motorsteuerungsschaltung gekoppelt und detektiert vorbestimmte Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen. Die Energieversorgung ist mit dem DC-Bus und dem Schutzcontroller gekoppelt, um die Spannung zu verwenden, die von dem DC-Bus geliefert wird, um den Schutzcontroller mit Energie zu versorgen.
Es wird ein Verfahren zum Schutz einer Motorsteuerungsschaltung in einem Elektromotorsystem bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erfassens vorbestimmter Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen an einem DC-Bus, welcher die Motorsteuerungsschaltung durch eine Schutzschaltung, die von dem DC-Bus mit Energie versorgt wird, mit Energie versorgt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und
1 ein Blockdiagramm eines Permanentmagnet-Elektromotorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein Flussdiagramm der Arbeitsweise der Schutzschaltung des Elektromotorsystems von 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
3 ein Zeitablaufdiagramm der Arbeitsweise der Schutzschaltung des Elektromotorsystems von 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Darüber hinaus ist es nicht beabsichtigt, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.
Mit Bezug auf 1 umfasst ein Permanentmagnet-Elektromotorsystem 100, wie z. B. ein Elektroantriebssystem für ein Hybridkraftfahrzeug, einen Permanentmagnet-Elektromotor 105, wie z. B. einen Synchronmotor mit innen liegenden Permanentmagneten (IPM) mit drei Phasen. Eine Motorsteuerungsschaltung, wie z. B. ein Wechselrichter 110, empfängt über einen DC-Bus 115, der einen Hochspannungsknoten 117 und einen Niederspannungsknoten 119 aufweist, Energie von einer (nicht gezeigten) Energiequelle, wie z. B. einer Batterie oder einer Brennstoffzelle, und ist mit dem Motor 105 zu dessen Steuerung gekoppelt. Der Wechselrichter 110 ist beispielsweise ein dreiphasiger Spannungszwischenkreisumrichter, wie der in 1 dargestellte dreischenklige Wechselrichter 110, welcher Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 und antiparallele Dioden 130, 131, 132, 133, 134, 135 umfasst.
Obwohl als die Motorsteuerungsschaltung in 1 ein dreischenkliger Wechselrichter 110 dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art von Wechselrichter beschränkt. Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Motorsteuerungsschaltung eine beliebige Art von Wechselrichter 110 oder einer anderen Spannungsquellensteuerungsschaltung sein, welche ein oder mehrere Schaltelemente zum Steuern der Spannung an den Phasen des Motors 105 verwendet. Dreiphasige Spannungszwischenkreisumrichter, wie z. B. der dreischenklige Wechselrichter 110, werden üblicherweise verwendet, um die Größe und die Frequenz der Motorphasenströme in Elektromotorsystemen 100 von Hybridkraftfahrzeugen zu steuern, welche batterie- und brennstoffzellengetriebene Elektrofahrzeuge umfassen. Wenn der Motor 105 in einem derartigen Elektromotorsystem 100 ein IPM-Motor ist, ist die Reaktion des Elektromotorsystems 100 auf verschiedene Fehler, die auf dem Wechselrichter 110 basieren, von Bedeutung.
Zum Beispiel umfasst der dreiphasige Permanentmagnetmotor 105 einen Rotor und drei Wicklungen 138 und erzeugt mit der mechanischen Rotation des Rotors naturgegeben eine gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK). Das Niveau der Gegen-EMK-Spannung hängt von der Drehzahl des Motors 105 ab. Bei einer ausreichend hohen Motordrehzahl überschreitet die erzeugte Gegen-EMK die Spannung an dem DC-Bus 115, wodurch Energie an den Wechselrichter 110 geliefert wird und sich eine ungesteuerte Erzeugung (UCG, UCG von uncontrolled generation) der Gegen-EMK-Spannung ergibt. Die UCG wird während eines normalen Betriebs des Wechselrichters 110 mittels einer Feldabschwächung verhindert, die von dem Wechselrichter 110 erzeugt wird. Die Feldabschwächung verringert die Gegen-EMK-Spannung, um sie auf einem Niveau unter der Spannung des DC-Busses 115 zu halten, so dass die UCG der Gegen-EMK-Spannung nicht auftritt.
Wenn ein Fehler des Wechselrichters 110 auftritt, während sich der Motor 105 mit einer hohen Drehzahl dreht, stellt der Wechselrichter 110 jedoch seine Arbeit ein und die von dem Wechselrichter erzeugte Feldabschwächung geht verloren, was zu einer UCG der Gegen-EMK-Spannung führt. Während der UCG verhält sich der Wechselrichter 110 wie ein Vollbrückengleichrichter, bei dem die DC-Verbindung (d. h. der DC-Bus 115) als die Last dient. Die kinetische Energie des Fahrzeugs wird in elektrische Energie umgewandelt und in die DC-Verbindung abgegeben. Der von dem Motor erzeugte Betrag des Stroms und des Drehmoments ist nicht steuerbar, und um das Fließen von Strom von der UCG der Gegen-EMK-Spannung in die mit der DC-Verbindung verbundenen Batterie zu verhindern, besteht ein üblicher Handlungsablauf darin, (nicht gezeigte) Hochspannungskontakte an dem DC-Bus 115 zwischen der Batterie und dem Wechselrichter 110 zu öffnen. Wenn die Batterie nicht als die Last wirkt, steigt die Spannung an dem DC-Bus 115 schnell an und kann den Wechselrichter 110 beschädigen.
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Schutzschaltung 140 eine Energieversorgung 145, einen Schutzcontroller 150, wie z. B. einen Hochspannungsschutzcontroller (HVP-Controller, HVP von High Voltage Protection) und eine Gatetreiberschaltung 170. Die Energieversorgung 145 ist mit dem DC-Bus 115 verbunden, um eine Vorspannungsenergie zu erzeugen und die Vorspannungsenergie an den Schutzcontroller 150 und die Gatetreiberschaltung 170 als deren Betriebsspannung zu liefern. Zum Schutz der Motorsteuerungsschaltung 110 und des Motors 105 ist es notwendig, die Spannung an dem DC-Bus 115 innerhalb eines sicheren Betriebsniveaus zu begrenzen. Daher liefert das Verwenden der Spannung an dem DC-Bus 115 zum Versorgen der Schutzschaltung 140 mit Energie gemäß dieser Ausführungsform auf vorteilhafte Weise eine zuverlässige Energiequelle für den Schutzcontroller 150 und die Gatetreiberschaltung 170. Jede andere für die Schutzschaltung 140 verwendete Energiequelle würde einen potentiellen Fehlermechanismus in die Schutzschaltung 140 einbringen.
Der Schutzcontroller 150 weist einen Vorspannungsenergieeingang 152, der mit der Energieversorgung 140 verbunden ist, um eine aus der Spannung an dem DC-Bus 115 erzeugte Vorspannungsenergie aufzunehmen, und einen Fehlerdetektionseingang 154 auf, wie z. B. einen Spannungserfassungseingang, der mit dem Hochspannungsknoten 117 und dem Niederspannungsknoten 119 des DC-Busses 115 verbunden ist. Der Schutzcontroller 150 verwendet den Fehlerdetektionseingang 154, um vorbestimmte Motorsteuerungsfehlerbedingungen in Ansprechen auf die Spannung an dem DC-Bus 115, die an dem Fehlerdetektionseingang 154 erfasst wurde, zu ermitteln.
Ein (nicht gezeigter) Motorsteuerungsprozessor liefert hochfrequente pulsweitenmodulierte Signale (PWM-Signale) an einen PWM-Eingang 156 des Schutzcontrollers 150. Auf eine Fachleuten wohlbekannte Weise erzeugt der Motorsteuerungsprozessor das PWM-Signal auf eine vorbestimmte Weise, um die Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 so zu steuern, dass die Grundkomponente der Motorphasenspannung auf eine Sollamplitude, -phase und -frequenz geregelt wird. In Ansprechen auf an dem Fehlerdetektionseingang 154 erfasste Spannungen wird der Schutzcontroller 150 entweder veranlassen, dass ein PWM-Durchgangsmodul 158 die PWM-Signale an einen Gatesignalausgang 159 durchlässt, oder in Ansprechen auf erfasste Spannungen, die vorbestimmte Motorsteuerungs-Fehlerbedingungen anzeigen, dem PWM-Durchgangsmodul 158 signalisieren, dass die PWM-Signale gesperrt werden sollen, und veranlassen, dass entweder eine erste Fehlerbeantwortungskomponente 160 oder eine zweite Fehlerbeantwortungskomponente 164 Gateschutzsignale erzeugt und die Gateschutzsignale an den Ausgang 159 liefert.
Die Gatetreiberschaltung 170 weist einen mit der Energieversorgung 145 verbundenen Vorspannungsenergieeingang 172 auf, um davon Betriebsenergie zu empfangen. Die Gatetreiberschaltung 170 ist eine herkömmliche Schaltung, die Fachleuten wohlbekannt ist, welche Vorspannungsenergie an dem Vorspannungsenergieeingang 172 aufnimmt und in Ansprechen auf entweder die PWM-Signale oder die Gateschutzsignale, die an einem Gatesignaleingang 174 empfangen werden, welcher mit dem Ausgang 159 des Schutzcontrollers 150 verbunden ist, über einen Ausgang 176 Gatesignale an die Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 zur Steuerung des Gatebetriebs derselben liefert. Somit wird während eines normalen Betriebs die Gatetreiberschaltung 170 das hochfrequente PWM-Signal als ein PWM-Gatesteuerungssignal an die Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 liefern, um die Grundkomponente der Phasenspannung des Motors 105 auf eine Sollamplitude, -phase und -frequenz zu regeln. Wenn eine vorbestimmte Motorsteuerungsfehlerbedingung von dem Schutzcontroller 150 detektiert wird, wird die Gatetreiberschaltung 170 jedoch Fehlertreibersignale liefern, die in Ansprechen auf durch die Fehlerbedingung erzeugte Gateschutzsignale erzeugt werden.
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet der Schutzcontroller 150 zwei Fehlermodi, um vorbestimmte Motorsteuerungsfehlerbedingungen handzuhaben. Der erste Fehlermodus ist eine ”symmetrische dreiphasige Kurzschlussantwort” und wird durch die erste Fehlerbeantwortungskomponente 160 bewerkstelligt, welche alle oberen Schaltelemente 120, 122, 124 des dreiphasigen Wechselrichters 110 durch erste Gateschutzsignale einschaltet, welche von einem ”Obere Ein”-Modul 161 erzeugt werden, oder alle unteren Schaltelemente 121, 123, 125 des dreiphasigen Wechselrichters 110 durch zweite Gateschutzsignale einschaltet, die von einem ”Untere Ein”-Modul 162 erzeugt werden. Das Einschalten aller oberen Schaltelemente 120, 122, 124 oder aller unteren Schaltelemente 121, 123, 125 des dreiphasigen Wechselrichters 110 durch Gateschutzsignale verbindet die Wicklungen 138 des Motors 105 direkt mit dem Hochspannungsknoten 117 des DC-Busses 115 bzw. dem Niederspannungsknoten 119 des DC-Busses 115. Die symmetrische Kurzschlussfehlerantwort minimiert das Bremsmoment nach dem Auftreten des Fehlers, wenn sich die Maschine über einer Schwellenwertdrehzahl befindet.
Der zweite Fehlermodus, die ”ungesteuerte Erzeugungsantwort” minimiert den Wert des Bremsmoments, das induziert wird, wenn die Systemdrehzahl unter eine Schwellenwertdrehzahl verringert wird, und wird von der zweiten Fehlerbeantwortungskomponente 164 bewerkstelligt, die dritte Gateschutzsignale erzeugt, um alle sechs Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 auszuschalten. Das Ausschalten aller Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 öffnet die Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125, um den DC-Bus 115 mit den Wicklungen 138 des Motors 105 durch die antiparallelen Dioden 130, 131, 132, 133, 134, 135 zu verbinden, wodurch die UCG der Gegen-EMK-Spannung ermöglicht wird.
In Ansprechen auf den Empfang der ersten Gateschutzsignale erzeugt die Gatetreiberschaltung 170 erste Fehlertreibersignale und liefert diese an die oberen drei Schaltelemente 120, 122, 124, um den Hochspannungsknoten 117 des DC-Busses 115 mit jeder der Wicklungen 138 des Motors 105 direkt zu verbinden. Auf ähnliche Weise erzeugt die Gatetreiberschaltung 170 in Ansprechen auf den Empfang der zweiten Gateschutzsignale zweite Fehlertreibersignale und liefert die zweiten Fehlertreibersignale an die unteren drei Schaltelemente 121, 123, 125, um den Niederspannungsknoten 119 des DC-Busses 115 mit jeder der Wicklungen 138 des Motors 105 direkt zu verbinden. In Ansprechen auf den Empfang der dritten Gateschutzsignale erzeugt die Gatetreiberschaltung 170 dritte Fehlertreibersignale, welche an die sechs Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 geliefert werden, um die Schaltelemente zu öffnen.
Folglich ist zu sehen, dass die Schutzschaltung 140 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Spannung des DC-Busses 115 überwacht, der mit dem Wechselrichter 110 verbunden ist, und vorbestimmte Fehlermodi zum Schutz des Wechselrichters 110 bei maschinenspezifischen Schwellenwertspannungen aktiviert. Zudem liefert die Spannung an dem DC-Bus 115 nicht nur den Steuerungsparameter zur Detektion vorbestimmter Wechselrichterfehlerbedingungen, sondern liefert auch über die Energieversorgung 145 die Betriebsspannung für die Schutzschaltung 150 und die Gatetreiberschaltung 170, ohne dass eine zusätzliche Vorspannungsenergiequelle benötigt wird.
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Schutzschaltung 140 auch zusätzliche Merkmale, welche eine Funktionalität verbessern, die eine Überwachung eines Desaturierungsfehlers einschließt. Wenn der Wechselrichter 110 in Ansprechen auf einen schweren Fehler eines der Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 abschaltet, interpretiert der Schutzcontroller 150 das Abschalten des Wechselrichters 110 als einen Fehler und legt einen dreiphasigen Kurzschluss an, indem alle oberen Schaltelemente 120, 122, 124 oder alle unteren Schaltelemente 121, 123, 125 eingeschaltet werden. Der dreiphasige Kurzschluss kann jedoch einen weiteren Fehler induzieren, der den Wechselrichter wiederum deaktiviert, wodurch das Schutzschema der Schutzschaltung 140 außer Kraft gesetzt wird.
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung überwacht die Gatetreiberschaltung 170 den Wechselrichter 110, um zu ermitteln, ob eines der aktivierten Schaltelemente ausgefallen ist und ein Desaturierungsfehler aufgetreten ist. In Ansprechen auf die Detektion eines Desaturierungsfehlers liefert die Gatetreiberschaltung 170 ein Fehlersignal an einen Desaturierungsfehlerausgang 178 zur Weiterleitung an den Schutzcontroller 150. In Ansprechen auf die Detektion des Fehlersignals an einem Desaturierungsfehlereingang 168 kann der Schutzcontroller 150 das Desaturierungsproblem korrigieren, indem er den nicht aktivierten Satz der oberen oder der unteren Schaltelemente einschaltet, um den dreiphasigen Kurzschluss zu aktivieren.
Wenn zum Beispiel eines der drei unteren Schaltelemente 121, 123, 125 ausfällt und einen daran anliegenden Kurzschluss verursacht und der versuchte dreiphasige Kurzschluss darin bestand, alle oberen Schaltelemente 120, 122, 124 einzuschalten, dann wird aufgrund eines übermäßigen Stroms ein Desaturierungsfehler auftreten. Sobald der Schutzcontroller 150 das Fehlersignal an dem Desaturierungsfehlereingang 168 detektiert, kann der Schutzcontroller 150 geeignete Gatesignale an die Gatetreiberschaltung 170 liefern, um alle oberen Schaltelemente 120, 122, 124 auszuschalten und stattdessen alle unteren Schaltelemente 121, 123, 125 einzuschalten. Auf diese Weise wird der Desaturierungsfehler vermieden und ein dreiphasiger Kurzschluss erfolgreich an den Motor 105 angelegt.
Mit Bezug auf 2 aktiviert ein Flussdiagramm 200, das die Arbeitsweise des Schutzcontrollers 150 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, zu Beginn bei 202 das PWM-Durchgangsmodul 156, so dass die PWM-Signale dort hindurchgeleitet werden und der Gatetreiberschaltung 160 als Gatesignale geliefert werden. Der Schutzcontroller überwacht dann bei 204 an dem Spannungserfassungseingang 154 die Spannung an dem DC-Bus 115, um bei 206 zu ermitteln, ob die erfasste Spannung größer als ein vorbestimmtes Spannungsniveau des DC-Busses 115 ist. Wenn die erfasste Spannung bei 206 nicht größer als das vorbestimmte Spannungsniveau ist, fährt der Schutzcontroller 150 damit fort, bei 202 die PWM-Signale als die Gatesignale zu liefern, während er bei 204 den DC-Bus 115 überwacht.
Wenn die erfasste Spannung größer als das vorbestimmte Spannungsniveau ist, wurde bei 206 eine vorbestimmte Fehlerbedingung des Wechselrichters 110 detektiert. Vorbestimmte Fehlerbedingungen des Wechselrichters 110 umfassen beispielsweise eine Deaktivierung des Wechselrichters 110 durch einen ernsten Fehler, wie z. B. einen Desaturierungsfehler eines Bipolartransistors mit isolierter Gateelektrode (IGBT), einen Verlust von Vorspannungsenergie, eine Mikrocontrollerfehlfunktion oder eine Überspannungs- oder Überstrombedingung an dem DC-Bus. Während derartiger ernster Fehlerbedingungen des Wechselrichters 110 kann ein Betrieb des Wechselrichters 110 beendet werden.
Um auf derartige Fehlerbedingungen rechtzeitig zu antworten, überwacht der Schutzcontroller 150 bei 204 an dem Spannungserfassungseingang 154 die Spannung an dem DC-Bus 115 kontinuierlich, um zu detektieren, wann das Spannungsniveau an dem DC-Bus 115 größer als das vorbestimmte Spannungsniveau wird. Das vorbestimmte Spannungsniveau ist eine dreiphasige Kurzschlussaktivierungs-Schwellenwertspannung. Wenn die Spannung an dem DC-Bus 115 den dreiphasigen Kurzschlussaktivierubgs-Schwellenwert erreicht, signalisiert der Schutzcontroller dem PWM-Durchgangsmodul 158, das bei 210 die Lieferung normaler PWM-Signale als Gatesignale an die Gatetreiberschaltung 170 gesperrt werden soll.
Zwei Hauptklassen von Fehlerantworten des Systems 100 können als Antworten vom Unterbrechungstyp und als Antworten vom Kurzschlusstyp klassifiziert werden. Für IPM-Motoren 105, die von dem Wechselrichter 110 angetrieben werden, ergibt sich eine Fehlerantwort vom Unterbrechungstyp, wenn die Treibersignale an alle Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 des Wechselrichters 110 ausgeschaltet oder getrennt werden (d. h. alle Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 werden geöffnet). Während dieser Antwort ist der Motor 105 über die antiparallelen Dioden 130, 131, 132, 133, 134, 135, welche mit den Schaltelementen 120, 121, 122, 123, 124, 125 verbunden sind, mit dem DC-Bus 115 verbunden. Die antiparallelen Dioden 130, 131, 132, 133, 134, 135 erzeugen einen möglichen Pfad für einen Stromfluss, welcher von den Betriebsbedingungen des Motors 105 und des DC-Busses 115 abhängt.
Während Fehlerantworten vom Kurzschlusstyp, wie z. B. dreiphasige Kurzschlussantworten, werden alle Wicklungen 138 des Motors 105 mit einem der Knoten 117, 119 des DC-Busses 115 kurzgeschlossen, indem entweder alle oberen Schaltelemente 120, 122, 124 oder alle unteren Schaltelemente 121, 123, 125 geschlossen werden, um einen dreiphasigen Kurzschluss an den Eingängen des Wechselrichters 110 an den Motor 105 zu erzeugen. Das Kurzschlussdrehmoment ist von dem Zustand des DC-Busses 115 unabhängig und ist nur eine Funktion der Kennlinien des Motors 105, da der DC-Bus 115 während derartiger Fehlerantworten effektiv aus dem System 110 entfernt ist.
Die Fehlerantwort, bei der die Treibersignale ausgeschaltet oder getrennt wurden, wurde als ein Betrieb in einem ungesteuerten Generatormodus (UCG-Modus) bezeichnet, da der Motor 105 während dieser Fehlerbedingung wie ein Generator arbeitet. Im Gegensatz zu dem Betrieb in dem Kurzschlussmodus wird ein Betrieb in dem UCG-Modus Ströme induzieren (und damit ein Drehmoment entwickeln), die derart durch die antiparallelen Dioden 130, 131, 132, 133, 134, 135 des Wechselrichters 110 zu fließen beginnen, dass die von dem Motor 105 erzeugte magnetbasierte Gegen-EMK-Spannung die Spannung am DC-Bus 115 überschreitet. Im Ergebnis hängt die Drehzahl, bei welcher die Stromleitung anfängt, sowohl von den Parametern des Motors 105 (wie z. B. der Drehzahl des Motors 105) als auch den Betriebsbedingungen des DC-Busses 115 ab. Wenn sich der Motor 105 zum Zeitpunkt eines Fehlers des Wechselrichters 110 mit einer ausreichend hohen Drehzahl dreht, ergibt sich ein UCG-Modus und die Spannung am DC-Bus 115 steigt an.
Um auf die Fehlerbedingungen gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu antworten, überwacht der Schutzcontroller 150 bei 211 das Spannungsniveau des DC-Busses 115, indem er die Spannung an dem Spannungserfassungseingang 154 erfasst und in Ansprechen auf das erfasste Spannungsniveau ermittelt, ob Antworten vom Kurzschlusstyp (d. h. 3-phasiger Kurzschluss) oder Antworten vom Unterbrechungstyp (d. h. UCG) geliefert werden sollen. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Antwort vom Kurzschlusstyp ein symmetrischer dreiphasiger Kurzschluss, der an die Motoranschlüsse angelegt wird, indem die drei oberen Schaltelemente 120, 122, 124 oder die drei unteren Schaltelemente 121, 123, 125 des Wechselrichters 110 angewiesen werden, sich zu schließen. Die symmetrische Kurzschlussfehlerantwort minimiert das Bremsmoment nach dem Auftreten des Fehlers, wenn sich die Maschine über einer Schwellenwertdrehzahl befindet. Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Spannungsniveau des DC-Busses 115 statt der Drehzahl des Motors 105 verwendet, um zu ermitteln, ob die Kurzschlussfehlerantwort geliefert werden soll. Wenn bei 212 ermittelt wird, dass, basierend darauf, dass das an dem DC-Bus 115 erfasste Spannungsniveau größer als das Schwellenwertspannungsniveau des dreiphasigen Kurzschlusses ist, eine Kurzschlussantwort angemessen ist, signalisiert der Schutzcontroller 150 bei 214 entweder der ”Obere Ein”-Komponente 161 oder der ”Untere Ein”-Komponente 162, Gatesignale zu erzeugen, und bei 215, die Gatesignale an die Gatetreiberschaltung 170 zu liefern. Die Gatetreiberschaltung 170 liefert dann Treibersignale entweder an alle oberen Schaltelemente 120, 122, 124 oder an alle unteren Schaltelemente 121, 123, 125, um einen dreiphasigen Kurzschluss an den Eingängen des Wechselrichters 110 an den Motor 105 zu erzeugen.
Die Antwort vom Unterbrechungstyp ist ein Betrieb im UCG-Modus, der durch Ausschalten (d. h. Öffnen) aller sechs Wechselrichterschalter erzeugt wird. Wenn die Systemdrehzahl unter die Schwellenwertdrehzahl verringert wird, minimiert der UCG-Modus den Wert des induzierten Bremsmoments. Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Spannungsniveau des DC-Busses 115 auch verwendet, um zu ermitteln, ob die Unterbrechungs-Fehlerantwort geliefert werden soll. Wenn daher bei 212 ermittelt wird, dass, basierend darauf, dass das an dem DC-Bus 115 erfasste Spannungsniveau kleiner als das Schwellenwert-UCG-Spannungsniveau ist, eine Unterbrechungs-Antwort angemessen ist, signalisiert der Schutzcontroller 150 dem UCG-Modul 164 bei 216, geeignete Signale zu erzeugen (z. B. Gatesignale), um alle Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 zu öffnen und liefert bei 218 die geeigneten Signale an die Gatetreiberschaltung 170. Die Gatetreiberschaltung 170 liefert dann geeignete Signale an alle Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125, um einen Betrieb im UCG-Modus zu erzeugen. Nach dem Liefern der Gatesignale bei 218 an die Gatetreiberschaltung 170 kehrt die Verarbeitung des Schutzcontrollers 150 zu Schritt 211 zurück, um das Spannungsniveau des DC-Busses 115 zu überwachen und bei 212 zu ermitteln, ob Antworten vom Kurzschlusstyp (d. h. 3-phasiger Kurzschluss) oder Antworten vom Unterbrechungs-Typ (d. h. UCG) geliefert werden sollen.
Während des dreiphasigen Kurzschluss-Modus kann ein Desaturierungsfehler auftreten. Wie voranstehend beschrieben ist, wird ein Desaturierungsfehlersignal an den Desaturierungsfehlereingang 168 des Schutzcontrollers 150 geliefert, wenn die Treiberschaltung 170 einen Desaturierungsfehler detektiert. Nachdem die dreiphasigen Kurzschluss-Gatesignale bei 215 an die Gatetreiberschaltung 170 geliefert wurden, ermittelt daher die Verarbeitung des Schutzcontrollers 150 bei 219, ob an dem Eingang 168 ein Desaturierungsfehlersignal detektiert wird. Wenn bei 219 ein Desaturierungsfehlersignal an dem Eingang 168 detektiert wird, das anzeigt, dass eine Desaturierungsfehlerüberwachung des Stroms an dem DC-Bus 115 durch die Gatetreiberschaltung 170 einen übermäßigen Strom detektiert hat, versucht der Schutzcontroller 150, den Desaturierungsfehler zu korrigieren, indem er den aktivierten Satz der oberen oder unteren Schaltelemente ausschaltet (d. h. öffnet) und den nicht aktivierten Satz der oberen oder unteren Schaltelemente einschaltet (d. h. schließt), um den dreiphasigen Kurzschluss zu aktivieren. Wenn dementsprechend bei 219 während der Bereitstellung eines dreiphasigen Kurzschlusses ein Desaturierungsfehler detektiert wird, ermittelt die Verarbeitung bei 220, ob die ”Obere Ein”-Komponente 161 oder die ”Untere Ein”-Komponente 162 aktiviert ist.
Wenn bei 220 die ”Obere Ein”-Komponente 161 aktiviert ist, wird bei 222 die ”Obere Ein”-Komponente 161 ausgeschaltet, bei 224 die ”Untere Ein”-Komponente 162 aktiviert und bei 226 werden Gatesignale an die Gatesteuerungsschaltung 170 geliefert, um geeignete Treibersignale zum Öffnen der oberen Schaltelemente 120, 122, 124 und zum Schließen der unteren Schaltelemente 121, 123, 125 zu liefern. Wenn auf diese Weise eines der unteren Schaltelemente 121, 123, 125 ausfällt und einen Kurzschluss darüber verursacht und der versuchte dreiphasige Kurzschluss darin bestand, alle oberen Schaltelemente 120, 122, 124 einzuschalten, zeigt die Detektion eines übermäßigen Stroms einen Desaturierungsfehler an, und der Schutzcontroller 150 kann geeignete Gatesignale an die Gatetreiberschaltung 170 liefern, um alle oberen Schaltelemente 120, 122, 124 auszuschalten, und alle unteren Schaltelemente 121, 123, 125 einzuschalten, wodurch der Desaturierungsfehler vermieden wird, während ein dreiphasiger Kurzschluss erfolgreich an den Motor 105 angelegt wird.
Wenn andererseits bei 220 die ”Obere Ein”-Komponente 161 nicht aktiviert ist, wird bei 228 die ”Untere Ein”-Komponente 162 ausgeschaltet, bei 230 die ”Obere Ein”-Komponente 161 aktiviert und bei 232 werden Gatesignale an die Gatesteuerungsschaltung 170 geliefert, um geeignete Treibersignale zu liefern, um die unteren Schaltelemente 121, 123, 125 zu öffnen und die oberen Schaltelemente 120, 122, 124 zu schließen. Nachdem bei 226, 232 geeignete Gatesignale an die Gatetreiberschaltung 170 geliefert wurden, kehrt die Verarbeitung zurück, um zu ermitteln, ob der Desaturierungsfehler korrigiert wurde (d. h. der Strom sich auf ein akzeptables Niveau verringert hat).
Somit implementiert die Arbeitsweise des Schutzcontrollers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Aktivierung eines Betriebs in einem dreiphasigen Kurzschluss- oder einem UCG-Modus in dem Elektromotorsystem 100 in Ansprechen auf die Detektion einer maschinenspezifischen Schwellenwertspannung, wie sie bei 204 während der Überwachung der Spannung des DC-Busses 115, die an den Wechselrichter 110 angelegt ist, detektiert wird. Folglich werden gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die zwei Fehlermodi (die symmetrische dreiphasige Kurzschlussantwort und die Fehlerantwort des dreiphasigen ungesteuerten Erzeugungsmodus (UCG-Modus)) verwendet. Die symmetrische Kurzschluss-Fehlerantwort minimiert das Bremsmoment nach dem Auftreten des Fehlers, wenn das Elektromotorsystem 100 über einer Schwellenwertdrehzahl arbeitet. Wenn die Systemdrehzahl unter die Schwellenwertdrehzahl verringert wird, schaltet das System 100 die sechs Schaltelemente 120, 121, 122, 123, 124, 125 des Wechselrichters 110 aus, um eine Fehlerantwort eines dreiphasigen UCG-Modus zu induzieren, um den Wert des induzierten Bremsmoments zu minimieren. Da während einiger Fehlerbedingungen die Motordrehzahl möglicherweise nicht verfügbar ist, ist ein Betrieb gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit nichts weiter als der DC-Busspannung möglich, ohne sich auf irgendeine externe Energiequelle, Sensorinformation oder Rückkopplung zu verlassen. Somit verwendet der Betrieb gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Spannung des DC-Busses 115 auf vorteilhafte Weise bei 206 als den Steuerungsparameter zur Detektion einer vorbestimmten Fehlerbedingung und verwendet die Spannung am DC-Bus 115 als die einzige Vorspannungsenergieversorgung für die Schutzschaltung 150, ohne dass eine zusätzliche Vorspannungsenergiequelle notwendig ist.
Mit Bezug auf 3 zeigt ein Zeitablaufdiagramm 300 von oben nach unten die Drehzahl 302 des Motors 105, das Spannungsniveau 304 an dem DC-Bus 115 zwischen einem oberen dreiphasigen Kurzschlussaktivierungs-Schwellenwertspannungsniveau 306 und einem unteren UCG-Aktivierungs-Schwellenwertspannungsniveau 308, das dreiphasige Kurzschlussbefehls- und UCG-Befehls-Signal 310, das in dem Schutzcontroller 150 an die ”Obere Ein”-Komponente 161 und die ”Untere Ein”-Komponente 162 geliefert wird, und die PWM-Gatesignale 312, wie sie an den Gatesignalausgang 159 des Schutzcontrollers 150 geliefert werden.
Während eines Normalbetriebs des Wechselrichters 110 sendet der Motorsteuerungsprozessor PWM-Signale an den PWM-Eingang 156 des Schutzcontrollers 150. Wie auf der linken Seite des Zeitablaufdiagramms 300 gezeigt ist, leitet der Schutzcontroller 150 die PWM-Signale 312 an die Gatetreiberschaltung 170 weiter, wenn keine Fehlerbedingung vorhanden ist. Zum Zeitpunkt 314 wird der Wechselrichter 110 jedoch durch einen ernsten Fehler deaktiviert, wie z. B. einen IGBT-Desaturierungsfehler, einen Verlust der Vorspannungsenergie, eine Mikrocontrollerfehlfunktion, eine Überspannung oder einen Überstrom des DC-Busses 115, und der Betrieb des Wechselrichters 110 stoppt. Wenn sich zu dem Zeitpunkt 314 des Wechselrichterfehlers der Motor 105 bei einer ausreichend hohen Drehzahl 302 befindet, ergibt sich der UCG-Modus und die DC-Busspannung 304 steigt an.
Der Schutzcontroller 150 überwacht kontinuierlich die Spannung am DC-Bus 115 (Schritte 204, 211). Wenn das Spannungsniveau 304 am DC-Bus 115 zum Zeitpunkt 316 das dreiphasige Kurzschlussaktivierungs-Schwellenwertspannungsniveau 306 erreicht, werden die normalen PWM-Signale 312 an die Gatetreiberschaltung 170 durch den Schutzcontroller unterbrachen (Schritt 210). Der Schutzcontroller 150 liefert dann das dreiphasige Kurzschlusssignal 310, um Gatesignale für entweder alle oberen Schalter oder alle unteren Schalter zu erzeugen (Schritt 214), um einen dreiphasigen Kurzschluss an den Eingängen des Motors 105 zu erzeugen.
Nach der Aktivierung des dreiphasigen Kurzschlusses 310 lädt die Gegen-EMK des Elektromotorsystems 100 den DC-Bus 115 nicht länger auf. Daher nimmt das Spannungsniveau 304 aufgrund von Lasteffekten von Komponenten, die mit dem DC-Bus 115 verbunden sind, ab. Wenn das Spannungsniveau 304 des DC-Busses 115 zum Zeitpunkt 318 unter einen zweiten niedrigeren Schwellenwert 308 fällt, wird der dreiphasige Kurzschlussbefehl 310 ausgeschaltet, was es dem Elektromotorsystem 100 ermöglicht, wieder in den UCG-Modus einzutreten. In Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl 302 zum Zeitpunkt der Deaktivierung des dreiphasigen Kurzschlusses (z. B. zum Zeitpunkt 318) kann das Spannungsniveau am DC-Bus 115 wieder über den Aktivierungsschwellenwert 306 ansteigen, an welchem Punkt der dreiphasige Kurzschlussbefehl 310 wieder angelegt werden kann. Durch ein Aktivieren und Deaktivieren des dreiphasigen Kurzschlussbefehls 310 auf diese Weise kann das Spannungsniveau am DC-Bus 115 zwischen den zwei Schwellenwertniveaus 308, 306 begrenzt werden, bis sich der Motor 105 ausreichend verlangsamt (d. h. unter die Motordrehzahl 320), so dass das Spannungsniveau am DC-Bus 115 nicht hoch genug ist, um den dreiphasigen Kurzschlussbefehl auszulösen. Damit ist nach dem Zeitpunkt 322 der UCG-Modus sicher und der dreiphasige Kurzschlussbefehl 310 wird nicht länger benötigt.
Somit ist ersichtlich, dass die Schutzschaltung 150 mit dem DC-Bus 115 sowohl für die Vorspannungsenergie als auch für einen Spannungserfassungssteuerungsparameter zur Aktivierung von Schutz-Modi verbunden ist und dadurch gegen Fehlfunktionen des Wechselrichters 110 aufgrund einer großen Anzahl potentieller Probleme schützt, welche einen Verlust der Vorspannungsenergie des Wechselrichters, eine Prozessorfehlfunktion, eine Leistungsschalterfehlfunktion oder Sensorfehlfunktionen umfassen, wobei keine externe Vorspannungsenergiequelle benötigt wird. Zudem kann bei Elektromotorsystemen 100, bei denen ein primäres Schutzverfahren existiert, die Schutzschaltung 130 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als ein redundanter Sicherheitsschutz für den Wechselrichter 110 dienen.

Claims

Wechselrichterschutzschaltung (140) zum Schutz eines Wechselrichters (110) in einem Permanentmagnet-Elektromotorsystem (100), welches einen Gleichstrombus (DC-Bus) (115) für eine Betriebsspannung an den Wechselrichter (110) umfasst, wobei die Wechselrichterschutzschaltung (140) umfasst: einen Schutzcontroller (150), der mit dem DC-Bus (115) gekoppelt ist und vorbestimmte Wechselrichterfehlerbedingungen aus der von diesem bereitgestellten Spannung detektiert; eine mit dem DC-Bus (115) und dem Schutzcontroller (150) gekoppelte Energieversorgung (145), um die von dem DC-Bus (115) gelieferte Spannung zum Versorgen des Schutzcontrollers (150) mit Energie zu nutzen; eine Gatetreiberschaltung (170), die mit dem Schutzcontroller (150) gekoppelt ist, um von diesem Gatesignale zu empfangen, wobei die Gatesignale ein pulsweitenmoduliertes Gatesteuerungssignal (PWM-Gatesteuerungssignal) und Gateschutzsignale umfassen, wobei die Gateschutzsignale von dem Schutzcontroller (150) in Ansprechen auf die Detektion der vorbestimmten Wechselrichterfehlerbedingungen erzeugt werden; wobei der Wechselrichter (110) Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) umfasst, wobei jedes der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) in Ansprechen auf Treibersignale von der Gatetreiberschaltung (170) zum Umleiten einer Spannung von dem DC-Bus (115) an einen Motor (105) dient, der unter der Steuerung des Wechselrichters (110) arbeitet, wobei die Treibersignale von der Gatetreiberschaltung (170) in Ansprechen auf die Gatesignale erzeugt werden; wobei der Motor (105) eine vorbestimmte Anzahl von Wicklungen (138) zum Erzeugen von Phasen desselben aufweist, wobei jedes Schaltelement (120, 122, 124) eines ersten Teils der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) zwischen einen Hochspannungsknoten (117) des DC-Busses (115) und eine der vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138) geschaltet ist und jedes Schaltelement (121, 123, 125) eines zweiten Teils der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) zwischen eine der vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138) und einen Niederspannungsknoten (119) des DC-Busses (115) geschaltet ist; wobei der Schutzcontroller (150) umfasst: einen mit der Energieversorgung (145) gekoppelten Versorgungsleistungseingang (152), um davon eine Eingabe von Versorgungsleistung zu erhalten; einen mit einem Hochspannungsknoten (117) des DC-Busses (115) und einem Niederspannungsknoten (119) des DC-Busses (115) verbundenen Fehlerdetektionseingang (154), wobei der Schutzcontroller (150) die vorbestimmten Motorsteuerungsfehlerbedingungen, welche eine erste vorbestimmte Fehlerbedingung und eine zweite vorbestimmte Fehlerbedingung umfassen, in Ansprechen auf die an dem Spannungserfassungseingang (154) erfasste Spannung an dem DC-Bus (115) detektiert; einen pulsweitenmodulierten Eingang (PWM-Eingang) (156), um ein PWM-Signal von einem Motorsteuerungsprozessor zu empfangen; einen Gatesignalausgang (159), um die Gatesignale an die Gatetreiberschaltung (170) zu liefern, wobei die Gateschutzsignale ein erstes Gateschutzsignal und ein zweites Gateschutzsignal umfassen; eine PWM-Durchgangskomponente (158), die mit dem PWM-Eingang (156) und dem Gatesignalausgang (159) gekoppelt ist, um das PWM-Signal an den Gatesignalausgang (159) als das PWM-Gatesteuerungssignal zu liefern, wenn der Schutzcontroller (150) keine vorbestimmten Wechselrichterfehlerbedingungen detektiert, und um das PWM-Signal nicht an den Gatesignalausgang (159) zu liefern, wenn der Schutzcontroller (150) irgendwelche vorbestimmten Wechselrichterfehlerbedingungen detektiert; eine erste Fehlerbeantwortungskomponente (160), um das erste oder das zweite Gateschutzsignal zu erzeugen und diese in Ansprechen auf die Detektion einer ersten der vorbestimmten Wechselrichterfehlerbedingungen an den Gatesignalausgang (159) zu liefern; und eine zweite Fehlerbeantwortungskomponente (164), um das dritte Gateschutzsignal zu erzeugen und es in Ansprechen auf die Detektion einer zweiten der vorbestimmten Wechselrichterfehlerbedingungen an den Gatesignalausgang (159) zu liefern.
Wechselrichterschutzschaltung (140) nach Anspruch 1, wobei die Treibersignale ein PWM-Treibersignal, das in Ansprechen auf das PWM-Gatesteuerungssignal erzeugt wird und an die Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) zur Steuerung derselben geliefert wird, ein erstes Fehlertreibersignal, das in Ansprechen auf ein erstes der Gateschutzsignale erzeugt wird und an den ersten Teil (120, 122, 124) der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) zum Verbinden des Hochspannungsknotens (117) des DC-Busses (115) mit jeder der vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138) geliefert wird, ein zweites Fehlertreibersignal, das in Ansprechen auf ein zweites der Gateschutzsignale erzeugt wird und an den zweiten Teil (121, 123, 125) der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) zum Verbinden des Niederspannungsknotens (119) des DC-Busses (115) mit jeder der vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138) geliefert wird, und ein drittes Fehlertreibersignal umfassen, das in Ansprechen auf ein drittes der Gateschutzsignale erzeugt wird und an den ersten (120, 122, 124) und den zweiten (121, 123, 125) Teil der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) zum Öffnen des ersten (120, 122, 124) und des zweiten (121, 123, 125) Teils der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) geliefert wird.
Wechselrichterschutzschaltung (140) nach Anspruch 1, wobei der Motor (105) ein dreiphasiger Synchronmotor mit drei Wicklungen (138) ist, und wobei der erste Teil (120, 122, 124) der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) drei Schaltelemente umfasst, und wobei der zweite Teil (121, 123, 125) der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) drei Schaltelemente umfasst.
Wechselrichterschutzschaltung (140) nach Anspruch 1, wobei der Schutzcontroller (150) einen mit dem DC-Bus (115) gekoppelten Fehlerdetektionseingang (154) umfasst, um die vorbestimmten Motorsteuerungsfehlerbedingungen zu erfassen.
Wechselrichterschutzschaltung (140) nach Anspruch 4, wobei der Fehlerdetektionseingang (154) ein an den DC-Bus (115) geschalteter Spannungserfassungseingang ist, und wobei die vorbestimmten Motorsteuerungsfehlerbedingungen eine ungesteuerte Erzeugung (UCG) einer Spannung der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK), die größer als ein vorbestimmtes Spannungsniveau (306) ist, umfassen.
Wechselrichterschutzschaltung (140) nach Anspruch 1, wobei die Treibersignale ein PWM-Treibersignal, das in Ansprechen auf das PWM-Gatesteuerungssignal erzeugt wird, ein erstes Fehlertreibersignal, das in Ansprechen auf das erste Gateschutzsignal erzeugt wird, ein zweites Fehlertreibersignal, das in Ansprechen auf das zweite Gateschutzsignal erzeugt wird, und ein drittes Fehlertreibersignal umfassen, das in Ansprechen auf das dritte Gateschutzsignal erzeugt wird, und wobei die Gatetreiberschaltung (170) das PWM-Treibersignal und das dritte Fehlertreibersignal an den ersten (120, 122, 124) und den zweiten (121, 123, 125) Teil der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) zur Steuerung derselben liefert, das erste Fehlertreibersignal an den ersten Teil (120, 122, 124) der Schaltelemente zum Verbinden des Hochspannungsknotens (117) des DC-Busses (115) mit jeder der vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138) liefert, um einen Schutz für den Wechselrichter (110) bereitzustellen, und das zweite Fehlertreibersignal an den zweiten Teil (121, 123, 125) der Schaltelemente zum Verbinden des Niederspannungsknotens (119) des DC-Busses (115) mit jeder der vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138) liefert, um einen Schutz für den Wechselrichter (110) bereitzustellen.
Verfahren (200) zum Schützen einer Motorsteuerungsschaltung (110) in einem Permanentmagnet-Elektromotorsystem (100), wobei das Verfahren (200) den Schritt umfasst, dass vorbestimmte Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen an einem Gleichstrombus (DC-Bus) (115) erfasst werden, welcher Energie an die Motorsteuerungsschaltung (110) liefert, wobei die vorbestimmten Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen von einer Schutzschaltung (140) erfasst werden, die von dem DC-Bus (115) mit Energie versorgt wird; wobei der Schritt des Erfassens der vorbestimmten Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen den Schritt umfasst, dass eine Spannung an dem DC-Bus (115) erfasst wird; wobei der Schritt des Erfassens der Spannung an dem DC-Bus (115) den Schritt umfasst, dass vorbestimmte Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen in Ansprechen auf das Erfassen einer Spannung an dem DC-Bus (115), die größer als eine vorbestimmte Spannung (306) einer ungesteuerten Erzeugung (UCG) der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK) ist, detektiert werden.
Verfahren (200) nach Anspruch 7, das ferner den Schritt des Einleitens vorbestimmter Fehlerbedingungsantworten in Ansprechen auf die an dem DC-Bus (115) erfassten vorbestimmten Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen umfasst.
Verfahren (200) nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Einleitens der vorbestimmten Fehlerbedingungsantwort die Schritte umfasst, dass: Fehlertreibersignale in Ansprechen auf die an dem DC-Bus (115) erfassten vorbestimmten Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen erzeugt werden; und die Fehlertreibersignale an Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) der Motorsteuerungsschaltung (110) zum Bereitstellen eines Schutzes für die Motorsteuerungsschaltung (110) geliefert werden.
Verfahren (200) nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Einleitens der vorbestimmten Fehlerbedingungsantwort ferner den Schritt umfasst, dass ein Strom in der Motorsteuerungsschaltung (110) in Ansprechen auf die Fehlertreibersignale von den Schaltelementen (120, 121, 122, 123, 124, 125) umgeleitet wird, um einen Schutz für die Motorsteuerungsschaltung (110) bereitzustellen.
Verfahren (200) nach Anspruch 10, wobei die Fehlertreibersignale mindestens ein erstes Treibersignal und ein zweites Treibersignal umfassen, und wobei die Motorsteuerungsschaltung (110) ein Wechselrichter ist, der die Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) umfasst, die zwischen den DC-Bus (115) und einen Permanentmagnetmotor (105) des Elektromotorsystems (100) gekoppelt sind, wobei ein erster Teil (120, 122, 124) der Schaltelemente zwischen einen Hochspannungsknoten (117) des DC-Busses (115) und Wicklungen des Motors (105) geschaltet ist und ein zweiter Teil (121, 123, 125) der Schaltelemente zwischen einen Niederspannungsknoten (119) des DC-Busses (115) und die Wicklungen (138) des Motors (105) geschaltet ist, und wobei der Schritt des Umleitens einer Spannung in der Motorsteuerungsschaltung (110) die Schritte umfasst, dass: der Hochspannungsknoten (117) des DC-Busses (115) von einem ersten Teil (120, 122, 124) der Schaltelemente mit jeder der Wicklungen (138) des Synchronmotors (105) in Ansprechen auf das erste Treibersignal direkt verbunden wird; und der Niederspannungsknoten (119) des DC-Busses (115) von einem zweiten Teil (121, 123, 125) der Schaltelemente mit jeder der Wicklungen (138) des Synchronmotors (105) in Ansprechen auf das zweite Treibersignal direkt verbunden wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 11, das ferner die Schritte umfasst, dass: ein Strom überwacht wird, der auf dem DC-Bus (115) fließt; ein Desaturierungsfehler in Ansprechen darauf detektiert wird, dass der Strom, der auf dem DC-Bus (115) fließt, größer als ein vorbestimmter Strom ist; vom Liefern des ersten Treibersignals zum Liefern des zweiten Treibersignals in Ansprechen auf das Detektieren eines Desaturierungsfehlers umgeschaltet wird, während das erste Treibersignal an die Motorsteuerungsschaltung (110) geliefert wird; und vom Liefern des zweiten Treibersignals zum Liefern des ersten Treibersignals in Ansprechen auf das Detektieren eines Desaturierungsfehlers umgeschaltet wird, während das zweite Treibersignal an die Motorsteuerungsschaltung (110) geliefert wird.
Elektromotorsystem (100), das umfasst: einen Permanentmagnet-Elektromotor (105) mit einer vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138), die den Phasen des Permanentmagnet-Elektromotors (105) entsprechen; einen Gleichstrombus (DC-Bus) (115), der mit einer Energiequelle gekoppelt ist und eine Betriebsspannung für das Elektromotorsystem (100) liefert; eine Motorsteuerungsschaltung (110), die mit dem DC-Bus (115) verbunden ist, um von dort die Betriebsenergie für den Betrieb der Motorsteuerungsschaltung (110) zu empfangen, wobei die Motorsteuerungsschaltung (110) auch mit den Wicklungen (138) des Permanentmagnet-Elektromotors (105) verbunden ist, um den Permanentmagnet-Elektromotor (105) zu steuern; und eine Schutzschaltung (140), die mit dem DC-Bus (115) verbunden ist, um von dort die Spannung zum Betrieb der Schutzschaltung (140) zu empfangen, wobei die Schutzschaltung (140) auch mit dem DC-Bus (115) verbunden ist, um vorbestimmte Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen zu detektieren und in Ansprechen darauf einen Schutz für die Motorsteuerungsschaltung (110) bereitzustellen; wobei die Schutzschaltung (140) umfasst: einen mit der Motorsteuerungsschaltung (110) gekoppelten Schutzcontroller (150), wobei der Schutzcontroller (150) die vorbestimmten Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen detektiert und einen Schutz für die Motorsteuerungsschaltung (110) in Ansprechen auf die vorbestimmten Motorsteuerungsschaltungs-Fehlerbedingungen bereitstellt; und eine mit dem DC-Bus (115) und dem Schutzcontroller (150) gekoppelte Energieversorgung (145), um die Spannung zu verwenden, die von dem DC-Bus (115) bereitgestellt wird, um den Schutzcontroller (150) mit Energie zu versorgen, wobei die Motorsteuerungsschaltung (110) ein Wechselrichter ist, der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) umfasst, die zwischen den DC-Bus (115) und die vorbestimmte Anzahl von Wicklungen (138) des Permanentmagnet-Elektromotors (105) geschaltet sind, und wobei jedes der Schaltelemente (120, 121, 122, 123, 124, 125) einen Hochspannungsknoten (117) oder einen Niederspannungsknoten (119) des DC-Busses (115) mit einer der vorbestimmten Anzahl von Wicklungen (138) des Permanentmagnet-Elektromotors (105) in Ansprechen entweder auf ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) von einem Motorsteuerungsprozessor oder auf Fehlertreibersignale verbindet, die von der Schutzschaltung (140) in Ansprechen auf Gateschutzsignale, welche von dem Schutzcontroller (140) zum Schutz der Motorsteuerungsschaltung (110) erzeugt werden, bereitgestellt werden.