DE102012111855B4 - Verfahren zur Vermeidung von Überströmen in einem leistungselektronischen Gerät und leistungselektronisches Gerät - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Vermeidung von Überströmen in einem leistungselektronischen Gerät (1), welches eine Signalverarbeitung (8) zur Erzeugung einer Stellgröße für die Stärke eines in dem leistungselektronischen Gerät (1) auftretenden Stroms (15) aufweist, wobei eine Wirkung einer Änderung einer Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) auf den Strom (15) um eine erste Zeitdauer verzögert eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung (8) einen regelungstechnischen Algorithmus umfasst und die Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) hinsichtlich der Erfüllung eines Kriteriums ausgewertet wird, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, und dass bei Erfüllung des Kriteriums derart in die Betriebsführung (10) des leistungselektronischen Geräts (1) eingegriffen wird, dass das Auftreten von Überströmen in dem leistungselektronischen Gerät (1) vermieden wird, wobei die Erfassung der Eingangsgröße (12), die Auswertung dieser Eingangsgröße hinsichtlich des Kriteriums und der Eingriff in die Betriebsführung (10) einschließlich einer Wirkung dieses Eingriffs auf den Strom (15) innerhalb einer zweiten Zeitdauer ausgeführt wird, die kürzer ist als die erste Zeitdauer.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Überströmen in einem leistungselektronischen Gerät. Weiterhin betrifft die Erfindung ein leistungselektronisches Gerät mit einer Einrichtung zur Vermeidung von Überströmen.
• Leistungselektronische Geräte dienen häufig der Umformung von elektrischer Energie, insbesondere zwischen zwei Stromformen, das heißt, von Wechselstrom in Gleichstrom, von Gleichstrom in Wechselstrom, oder von einem Wechselstrom mit einer bestimmten Frequenz in einen Wechselstrom mit einer anderen Frequenz. Dazu fließen Ströme in sogenannten Leistungsstrompfaden des leistungselektronischen Gerätes, deren Stärke häufig durch eine Ansteuerung von Bauteilen des leistungselektronischen Geräts, beispielsweise von Leistungshalbleitern, eingestellt wird, um so eine von dem leistungselektronischen Gerät an dessen Ausgang bereitgestellte Leistung bzw. eine durch das leistungselektronische Gerät übertragene Leistung zu steuern.
• Zur Erzeugung von Stellgrößen zur Einstellung der Ströme in den Leistungsstrompfaden weisen leistungselektronische Geräte üblicherweise eine Signalverarbeitung auf, bei der in vielen Fällen regelungstechnische Algorithmen implementiert sind. Insbesondere bei Regelungen können dabei Betriebszustände auftreten, die über die Stellgrößen am Ausgang der Signalverarbeitung zu derart hohen Strömen in den Leistungsstrompfaden führen, dass die darin enthaltenen Bauteile übermäßig stark belastet und dadurch, insbesondere bei länger dauernder Belastung mit solchen Strömen, zerstört werden. Solche, über ein erlaubtes Maß hinausgehende Ströme werden als Überströme bezeichnet, deren Auftreten in leistungselektronischen Geräten vermieden werden muss.
• Zur Vermeidung von Überströmen in leistungselektronischen Geräten ist es daher üblich, in solchen Strompfaden, in denen Überströme auftreten können, Strommesseinrichtungen anzuordnen und die hiermit gemessenen Ströme mit einen Schwellwert zu vergleichen, der als Stromgrenzwert für einen unkritischen Betriebszustand gilt, und dann bei Überschreiten des Schwellwertes durch den gemessenen Strom Maßnahmen auszuführen, die zu einer Unterbrechung des Stromflusses in dem Strompfad führen.
• Da bei dem zuvor beschriebenen Vorgehen nach dem Stand der Technik der Strom beim Überschreiten des Schwellwerts häufig bereits einen kritischen Wert angenommen hat, ist eine schnelle, meistens dedizierte Hardware zum Erkennen des Überstroms und zur Einleitung der Unterbrechungsmaßnahmen erforderlich, um eine Zerstörung von Bauteilen zu verhindern. Eine preisgünstige Realisierung unter Verwendung von in leistungselektronischen Geräten zu Zwecken der Betriebsführung oder Signalverarbeitung ohnehin vorhandenen Prozessoren ist regelmäßig nicht möglich. Zumindest erfordert sie eine entsprechend niedrige Auslegung des Schwellwerts, um bei gegebenenfalls ansteigendem Überstrom diesen schnell genug zu erkennen und den Stromfluss unterbrechen zu können. Eine niedrige Auslegung des Schwellwertes kann jedoch dazu führen, dass bereits ein eigentlich unkritischer Strom, der nur unwesentlich über den niedrig ausgelegten Schwellwert ansteigt, fälschlich als gefährlicher Überstrom erkannt wird und eine unnötige Unterbrechung des Stromflusses in dem Strompfad verursacht, die dann üblicherweise mit einem zumindest zeitweisen Ausfall des leistungselektronischen Gerätes verbunden ist.
• Problematisch beim Festlegen eines geeigneten Schwellwerts bei dem beschriebenen Vorgehen nach dem Stand der Technik ist insbesondere, dass eine in den Leistungsstrompfaden auftretende Stromanstiegsgeschwindigkeit nicht unbedingt von vorneherein bekannt ist und gegebenenfalls variieren kann, insbesondere wenn eine Regelung in der Signalverarbeitung enthalten ist. Diese vorhandene Unkenntnis über die Stromanstiegsgeschwindigkeit erfordert selbst bei Verwendung schneller, dedizierter Hardware eine entsprechend niedrige Auslegung des Schwellwerts, um eine sichere Vermeidung von Überströmen zu gewährleisten, was aber, wie beschrieben, eine irrtümliche Erkennung von Überströmen zur Folge haben kann.
• Zur Vermeidung einer irrtümlichen Erkennung von Überströmen wird in der Druckschrift JP 2012 - 125 092 A vorgeschlagen, bei Anwendung des wie zuvor beschriebenen Verfahrens nach dem Stand der Technik für einen Wechselrichter den Schwellwert zur Erkennung von Überströmen für niedrigere DC Eingangsspannungen des Wechselrichters gemäß einer vorgegebenen Kennlinie zu erhöhen. Beim Überschreiten des Schwellwerts wird dann der Stromfluss durch Abschalten der Steuersignale für die Leistungshalbleiter (IGBTs) unterbrochen. Durch die in der Druckschrift JP 2012 - 125 092 A beschriebene Anpassung des Schwellwerts werden die zuvor beschrieben Probleme zwar reduziert, jedoch nicht gelöst. Nach wie vor muss bei Verwendung von Prozessoren oder langsamer Hardware sowie aufgrund der nicht unbedingt bekannten Stromanstiegsgeschwindigkeit der Schwellwert aus Sicherheitsgründen entsprechend niedrig gewählt werden, so dass eine irrtümliche Erkennung von Überströmen nicht ausgeschlossen werden kann.
• In der Druckschrift US 2012 / 0 212 871 A1 ist eine Überstromerkennungsschaltung für eine Batterie offenbart. Die Batterie ist dabei Bestandteil eines „Battery Packs“, welches eine Steuereinheit umfasst, durch die abhängig von einem Spannungswert der Batterie eine Stromflussrichtung an Anschlüssen des „Battery Packs“ entweder zum Laden oder Entladen der Batterie eingestellt wird. Parallel zu der Steuereinheit ist eine Schaltung zum Schutz vor Überströmen in der Batterie vorgesehen, die anstelle einer üblichen Messung des Stromflusses in die Batterie deren aktuellen Spannungswert mit einem zeitlich verzögerten Spannungswert der Batterie vergleicht und bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts durch die Differenz dieser zu unterschiedlichen Zeiten vorliegenden Spannungswerte der Batterie derart in die Steuereinheit eingreift, dass der Stromfluss in der Batterie unterbrochen wird. Beschreibungsgemäß erkennt die Schaltung zum Schutz vor Überströmen in der Druckschrift US 2012 / 0 212 871 A1 die Überströme in der Batterie jedoch auch erst dann, wenn bereits ein Überstrom fließt bzw. geflossen ist.
• In der Druckschrift US 7 324 361 B2 ist ein netzeinspeisender Wechselrichter mit einem DC/DC-Wandler zur Stromformung und einem nachgeschalteten Polwender beschrieben. Bei diesem Wechselrichter sind neben Maßnahmen zum Schutz vor zu hohen oder zu niedrigen Spannungen sowie zu hohen Temperaturen auch Maßnahmen zum Schutz vor zu hohen Strömen vorgesehen. Überströme werden aufgrund der Messung des Stroms am Ausgang des zur Stromformung dienenden DC/DC-Wandlers jedoch ebenfalls erst dann erkannt, wenn sie bereits aufgetreten sind.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Vermeidung von Überströmen in einem leistungselektronischen Gerät bereitzustellen, das bei seiner Auslegung keine Berücksichtigung eines nach seiner Erkennung potentiell weiter ansteigenden Stromes erfordert und das bevorzugt unter Verwendung eines Prozessors oder auch langsamer Hardware umgesetzt werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. durch ein leistungselektronisches Gerät zur Ausführung eines solchen Verfahrens gemäß Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Ausführungsformen der Erfindung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermeidung von Überströmen findet Anwendung in einem leistungselektronischen Gerät, welches eine Signalverarbeitung zur Erzeugung einer Stellgröße für die Stärke eines in dem leistungselektronischen Gerät auftretenden Stroms aufweist, wobei eine Wirkung einer Änderung einer Eingangsgröße der Signalverarbeitung auf den Strom um eine erste Zeitdauer verzögert eintritt. Bei der Signalverarbeitung kann es sich dabei sowohl um eine analoge als auch um eine digitale Signalverarbeitung, sowie auch um eine gemischt analoge und digitale Signalverarbeitung handeln, die dann eine Stellgröße für den Strom direkt an beispielsweise einen Leistungshalbleiter ausgibt. Eventuell vorhandene Treiberschaltungen oder auch eine Signalverarbeitung zur Erzeugung beispielsweise einer Pulsweitenmodulation (PWM), um den Strom zu stellen, sind somit als Bestandteile der Signalverarbeitung anzusehen. Auch die Einstellung der Stärke des Stroms in einem Leistungsstrompfad selbst kann analog oder digital erfolgen.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun nicht, wie bei bekannten Verfahren, ein Stromwert in dem Leistungsstrompfad des leistungselektronischen Geräts auf das Vorliegen eines Überstroms ausgewertet, sondern es wird die Eingangsgröße der Signalverarbeitung hinsichtlich der Erfüllung eines Kriteriums ausgewertet, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist. Bei Erfüllung des Kriteriums wird dann derart in die Betriebsführung des leistungselektronischen Geräts eingegriffen, dass das Auftreten von Überströmen in dem leistungselektronischen Gerät vermieden wird. Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Erfassung der Eingangsgröße, die Auswertung dieser Eingangsgröße hinsichtlich des Kriteriums und der Eingriff in die Betriebsführung einschließlich einer Wirkung dieses Eingriffs auf den Strom innerhalb einer zweiten Zeitdauer ausgeführt wird, die kürzer ist als die erste Zeitdauer, um die eine Wirkung einer Änderung einer Eingangsgröße der Signalverarbeitung auf den Strom verzögert eintritt, können Überströme in Leistungsstrompfaden des leistungselektronischen Geräts vermieden werden, bevor es überhaupt zu einem kritischen Stromanstieg kommt.
• Der Eingriff in die Betriebsführung des leistungselektronischen Geräts zur Vermeidung des Auftretens von Überströmen kann dabei beispielsweise bedeuten, dass ein Stromfluss in dem Leistungsstrompfad direkt unterbrochen wird, beispielsweise durch ein im Strompfad angeordnetes Relais, einen Leistungshalbleiter oder ein Sicherungselement. Der Eingriff kann aber auch bedeuten, dass beispielsweise die Stellgröße zum Einstellen des Stroms, d. h. beispielsweise ein Ansteuersignal für einen Leistungshalbleiter, unterdrückt wird oder dass beispielsweise durch die Betriebsführung derart in die Signalverarbeitung eingegriffen wird, dass keine Stellgrößen mehr erzeugt werden oder nur noch solche, die einer Ausbildung eines Überstroms entgegenwirken. Es kann auch beispielsweise die Signalverarbeitung vollständig abgeschaltet werden. Als Zeitdauer des Eingriffs in die Betriebsführung, die einen Bestandteil der zweiten Zeitdauer darstellt, ist dabei immer die Zeitdauer vom Beginn des Eingriffs bis zur Wirkung auf den Strom im Leistungsstrompfad in Form einer Abschaltung oder Reduktion des Stroms anzusehen. Demnach können, je nach Art des Eingriffs, Zeitdauern als Bestandteil in die zweite Zeitdauer eingehen, die auch einen Bestandteil der ersten Zeitdauer darstellen.
• Im Hinblick auf das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, ergeben sich je nach Art der Eingangsgröße der Signalverarbeitung und je nach Art der Signalverarbeitung unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. So kann beispielsweise das Kriterium eine Änderung der Eingangsgröße der Signalverarbeitung innerhalb eines vorgegebenen ersten Zeitintervalls um mehr als einen vorgegeben Wert umfassen. Beispielsweise lässt sich mit einem solchen Kriterium bei Vorliegen eines stetigen Spannungsverlaufs als Eingangsgröße ein Spannungseinbruch erkennen, der je nach Art der Signalverarbeitung einen Überstrom in dem leistungselektronischen Gerät zur Folge haben kann. Für in leistungselektronischen Geräten häufig vorliegende sinusförmige Netzspannungssignale mit einem Effektivwert der Spannung von 230 V kann dann beispielsweise ausgehend von der Netzkuppenspannug von $\sqrt{2}\cdot 230V=325V$

  

  eine Spannungsänderung von mehr als 10 V bis mehr als 100 V, beispielsweise von mehr als 40 V, als Spannungseinbruch klassifiziert werden. Als erstes Zeitintervall, in dem diese Änderung auftritt, kann bei dem Kriterium beispielsweise im Fall einer digitalen Signalverarbeitung die Länge des Abtastintervalls, in dem die Spannungswerte erfasst werden, oder Vielfache davon gewählt werden, d.h., bei einer Abtastfrequenz von 16 kHz beispielsweise ein erstes Zeitintervall von 62,5µs oder Vielfache hiervon.
• Das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, kann in einer weiteren Ausführungsform eine Änderung der Eingangsgröße der Signalverarbeitung auf einen Wert von null umfassen. Ein Wert von null schließt dabei auch einen Wert nahe null mit ein, der sich beispielsweise lediglich aufgrund von Rauscheinflüssen von einem Wert von exakt null unterscheidet. In einer praktischen Umsetzung des Kriteriums kann man dies beispielsweise dadurch gewährleisten, dass alle Werte, die kleiner sind als beispielsweise 1% eines maximal möglichen Wertes der Eingangsgröße der Signalverarbeitung oder 1% eines zuletzt aufgetretenen Wertes der Eingangsgröße der Signalverarbeitung, als Wert von null behandelt werden. Auch mit dem vorliegenden Kriterium lässt sich beispielsweise bei Vorliegen eines stetigen Spannungsverlaufs als Eingangsgröße ein Spannungseinbruch erkennen, der je nach Art der Signalverarbeitung einen Überstrom in dem leistungselektronischen Gerät zur Folge haben kann.
• In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, das Vorliegen eines Wertes der Eingangsgröße der Signalverarbeitung von null für eine längere Zeitdauer als ein vorgegebenes zweites Zeitintervall, wobei auch hier wieder ein Wert nahe null entsprechend den zuvor geführten Erläuterungen mit eingeschlossen ist. Auch mit diesem Kriterium lässt sich beispielsweise bei Vorliegen eines stetigen Spannungsverlaufs als Eingangsgröße ein Spannungseinbruch erkennen, der je nach Art der Signalverarbeitung einen Überstrom in dem leistungselektronischen Gerät zur Folge haben kann. Die Wahl der Größe des zweiten Zeitintervalls kann auch hier beispielsweise im Fall einer digitalen Signalverarbeitung der Länge des Abtastintervalls oder Vielfachen davon entsprechen, d.h., bei einer Abtastfrequenz von 16 kHz beispielsweise einem zweiten Zeitintervall von 62,5µs oder Vielfachen hiervon.
• Ebenfalls kann das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, in einer weiteren Ausführungsform das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes durch den Wert der Eingangsgröße der Signalverarbeitung umfassen. Mit einem solchen Kriterium lassen sich viele Situationen erfassen, die je nach Eingangsgröße und Art der Signalverarbeitung einen Überstrom in dem leistungselektronischen Gerät zur Folge haben können.
• Ebenso kann in einer weiteren Ausführungsform das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, das Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes durch den Wert der Eingangsgröße der Signalverarbeitung umfassen. Mit diesem Kriterium lassen sich, je nach Eingangsgröße und Art der Signalverarbeitung, weitere Situationen erfassen, die einen Überstrom in dem leistungselektronischen Gerät zur Folge haben können.
• Selbstverständlich sind auch Kombinationen in Form von logischen Verknüpfungen der Kriterien, von denen zuvor einige beispielhaft genannt wurden, möglich und in vielen Fällen sogar sinnvoll, um die Sicherheit bei der Erkennung der Gefahr eines Auftretens von Überströmen zu erhöhen und dabei insbesondere das Restrisiko einer unnötigen Abschaltung des leistungselektronischen Geräts zu minimieren. Bei einer Kombination mehrerer Kriterien stellen diese dann jeweils Teilkriterien des Kriteriums dar, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist.
• Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Signalverarbeitung einen regelungstechnischen Algorithmus umfasst, da große Regelabweichungen, die bereits anhand der Eingangsgröße der Signalverarbeitung zu erkennen sind, häufig zu gegebenenfalls sehr schnell und stark ansteigenden Überströmen in dem leistungselektronischen Gerät führen können.
• Da die Erfassung der Eingangsgröße der Signalverarbeitung, die Auswertung dieser Eingangsgröße hinsichtlich des Kriteriums und der Eingriff in die Betriebsführung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren innerhalb der zweiten Zeitdauer ausgeführt werden, die kürzer ist als die erste Zeitdauer, um die eine Wirkung einer Änderung einer Eingangsgröße der Signalverarbeitung auf den Strom verzögert eintritt, kann die Auswertung der Eingangsgröße hinsichtlich des Kriteriums bevorzugt eine prozessorunterstützte Abarbeitung eines Programmablaufs umfassen, insbesondere wenn auch die Signalverarbeitung, wie dies häufig in leistungselektronischen Geräten der Fall ist, durch eine prozessorunterstützte Abarbeitung eines Programmablaufs erfolgt. Eine Auswertung der Eingangsgröße hinsichtlich des Kriteriums mittels dedizierter, gegebenenfalls auch langsamer Hardware ist jedoch ebensogut möglich.
• In einem später noch näher betrachteten Ausführungsbeispiel speist das leistungselektronische Gerät den Strom in ein Wechselstromnetz ein. Bei solchen netzeinspeisenden Wechselrichtern oder Umrichtern, die häufig zur dezentralen Energieerzeugung eingesetzt werden, ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft, da diese üblicherweise eine Stromregelung aufweisen, bei der Überströme im Gerät und während der Einspeisung ins Netz zu vermeiden sind. Eine Stromregelung verwendet als Eingangsgröße häufig eine Spannung eines Wechselstromnetzes, wobei ein Spannungseinbruch bei der vom Netz zugeführten Wechselspannung dann zu schnell ansteigenden, starken Überströmen führen kann. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst daher den Fall, dass die Eingangsgröße der Signalverarbeitung eine Spannung eines Wechselstromnetzes ist.
• Ein erfindungsgemäßes leistungselektronisches Gerät umfasst eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen nachfolgend noch in einem Ausführungsbeispiel näher betrachteten netzeinspeisenden Wechselrichter handeln, welcher Energie aus einer Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquelle, beispielsweise aus einem Photovoltaikgenerator, in Wechselstrom umwandelt und diesen in ein öffentliches oder privates elektrisches Versorgungsnetz einspeist.
• Hinsichtlich einer im Zusammenhang mit Merkmalen in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Anzahl ist diese immer so zu verstehen, dass mindestens diese Anzahl vorhanden ist.
• Ferner stellen die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen keine Beschränkung auf eine bestimmte Ausführungsform dar, sondern dienen lediglich einem besseren Verständnis beim Lesen der Patentansprüche.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von drei Figuren näher beschrieben.
• 1 zeigt ein leistungselektronisches Gerät mit einer Einrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 2 zeigt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens im zeitlichen Vergleich zu einem Signalverarbeitungsprozess eines leistungselektronischen Geräts, und
• 3 zeigt eine beispielhafte Auswertung einer Eingangsgröße hinsichtlich eines Kriteriums, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, am Beispiel einer Spannung eines Wechselstromnetzes
• In 1 ist schematisch ein leistungselektronisches Gerät 1 mit einer Einrichtung (OP) 2 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es handelt sich bei dem hier dargestellten leistungselektronischen Gerät 1 um einen Wechselrichter 3 mit einer Wechselrichteinrichtung 4, der Energie aus einer Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquelle 5 in einen Wechselstrom umwandelt und diesen in ein öffentliches oder privates elektrisches Versorgungsnetz 7 einspeist.
• Die Wechselrichteinrichtung 4 selbst kann aus einer oder mehreren Stufen bestehen, beispielweise aus einer Wechselrichterbrücke und gegebenenfalls zusätzlich einer oder mehreren Wandlerstufen, beispielsweise DC/DC-Wandlerstufen. Sie kann ferner Strom- oder Spannungszwischenkreise enthalten. Der Wechselrichter 3 aus 1 speist den Wechselstrom einphasig in das Versorgungsnetz 7 ein. Selbstverständlich kann ein erfindungsgemäßes leistungselektronisches Gerät 1 auch ein mehrphasig, beispielsweise dreiphasig in ein Versorgungsnetz einspeisender Wechselrichter sein. Im vorliegenden Beispiel wird die Energie aus einem Photovoltaikgenerator 6 bereitgestellt. Die Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquelle 5 kann aber auch andere Energielieferanten, wie beispielsweise eine Batterie oder eine Brennstoffzelle umfassen. Die Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquelle 5 kann ebensogut ein Strom- oder Spannungszwischenkreis sein, dem weitere Wandlerstufen, vorgeschaltet sind.
• Das leistungselektronische Gerät 1 weist eine Signalverarbeitung (SP) 8 auf, die im vorliegenden Beispiel den mit einer Spannungsmesseinrichtung 9 gemessenen Wert der Netzwechselspannung als Eingangsgröße verarbeitet und eine Stellgröße für die Stärke eines in dem leistungselektronischen Gerät 1, in diesem Fall in einem Leistungsstrompfad innerhalb der Wechselrichteinrichtung 4, auftretenden Stroms erzeugt.
• Weiterhin weist das leistungselektronische Gerät 1 eine Betriebsführung (OC) 10 auf, die den Betriebsablauf des leistungselektronischen Geräts 1 steuert und hierzu Werte und Befehle an die Wechselrichteinrichtung 4 und die Signalverarbeitung 8 übermittelt. Optional kann auch ein zusätzliches Einlesen von Werten und Betriebszuständen aus der Wechselrichteinrichtung 4 und der Signalverarbeitung 8 durch die Betriebsführung 10 vorgesehen sein.
• Die Einrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wertet die Eingangsgröße der Signalverarbeitung, im vorliegenden Fall den mit der Spannungsmesseinrichtung 9 gemessenen Wert der Netzwechselspannung des Versorgungsnetzes 7, hinsichtlich der Erfüllung eines Kriteriums aus, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist. Wenn das Kriterium erfüllt ist, wird über einen Eingriff in die Betriebsführung das Auftreten von Überströmen in dem leistungselektronischen Gerät 1 verhindert. Hierzu übermittelt die Betriebsführung Werte oder Befehle an die Wechselrichteinrichtung 4 und/oder die Signalverarbeitung 8, die eine Abschaltung oder Reduktion des Stroms im Leistungsstrompfad bewirken, bevor ein gefährlicher Überstrom auftritt. Optional kann auch zusätzlich ein Übermitteln von Werten und Befehlen an die Einrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Betriebsführung 10 und/oder ein Einlesen von Werten und Betriebszuständen aus der Einrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Betriebsführung 10 vorgesehen sein.
• Die Signalverarbeitung 8, die Betriebsführung 10 und die Einrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können sowohl analog als auch digital, sowie auch gemischt analog und digital realisiert werden. Neben einer Implementierung durch dedizierte Hardware kann insbesondere bei einer digitalen Umsetzung auch eine Abarbeitung eines Programmablaufs auf einem Prozessor erfolgen. Die Signalverarbeitung 8, die Betriebsführung 10 und die Einrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können räumlich oder funktional getrennt sein. Sie können jedoch ebensogut ganz oder teilweise sowohl räumlich als auch funktional in einer gemeinsamen Einheit realisiert sein. Das heißt, beispielsweise kann die Betriebsführung 10, insbesondere, wenn sie nur wenige Aktionen umfasst, in die Signalverarbeitung 8 integriert sein. Ferner können die Signalverarbeitung 8, die Betriebsführung 10 und die Einrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ganz oder teilweise räumlich bzw. insbesondere bei Implementierung durch Hardware auch funktional in der Wechselrichteinrichtung 4 angeordnet sein. Eine separate Anordnung in einzelnen getrennten Funktionsblöcken, wie in 1, dient hier nur einer besseren Übersicht und einem besseren Verständnis der Funktion der Erfindung.
• In dem Ablaufdiagramm in der 2 ist der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens im zeitlichen Vergleich zu einem Signalverarbeitungsprozess eines leistungselektronischen Geräts dargestellt. Die Nummerierung der im Ablaufdiagramm dargestellten Schritte erfolgt dabei im Folgenden in der Reihenfolge des ersten Auftretens in der Beschreibung und stellt aufgrund der vorhanden Rücksprünge und der parallel ablaufenden Abarbeitung einzelner Schritte keine Festlegung einer Reihenfolge für die Abarbeitung der Schritte dar. Aus der Eingangsgröße 12 wird durch die Signalverarbeitung in einem ersten Schritt 13 eine Stellgröße erzeugt, mit der in einem zweiten Schritt 14 die Stärke eines in dem leistungselektronischen Gerät auftretenden Stroms 15 eingestellt wird. Dabei erfolgt die Wirkung einer Änderung der Eingangsgröße 12 auf den Strom 15 innerhalb einer ersten Zeitdauer t₁. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einem dritten Schritt 16 ein Wert der Eingangsgröße 12 erfasst. In einem vierten Schritt 17 wird die Eingangsgröße hinsichtlich der Erfüllung eines Kriteriums ausgewertet, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist. Ist das Kriterium nicht erfüllt, dann erfolgt nach einem Rücksprung zum dritten Schritt 16 die Erfassung eines nächsten Wertes der Eingangsgröße 12. Falls das Kriterium erfüllt ist, erfolgt in einem fünften Schritt 18 ein Eingriff in die Betriebsführung des leistungselektronischen Geräts, durch den das Auftreten von Überströmen in dem leistungselektronischen Gerät vermieden wird, und anschließend wird nach einem Rücksprung zum dritten Schritt 16 die Erfassung eines nächsten Wertes der Eingangsgröße 12 durchgeführt. Die Vermeidung von Überströmen durch die Betriebsführung 18 erfolgt dabei, wie in 2 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet, wahlweise durch eine Beeinflussung der Signalverarbeitung in dem ersten Schritt 13, durch eine Beeinflussung der Einstellung des Stroms mittels der Stellgröße in dem zweiten Schritt 14 oder durch eine direkte Beeinflussung des Stroms 15, bzw. auch durch Kombinationen hieraus. Die Erfassung der Eingangsgröße 12 im dritten Schritt 16, die Auswertung dieser Eingangsgröße hinsichtlich des Kriteriums im vierten Schritt 17 und der Eingriff in die Betriebsführung im fünften Schritt 18 einschließlich einer Wirkung dieses Eingriffs auf den Strom 15 erfolgt dabei erfindungsgemäß, wie in 2 dargestellt, innerhalb einer zweiten Zeitdauer t₂, die kürzer ist als die erste Zeitdauer t₁, wodurch eine Ausbildung eines Überstroms vermieden werden kann, bevor dieser auftritt. Die zweite Zeitdauer t₂ wird dazu beispielsweise durch eine entsprechende Auswahl von Bauteilen für die Signalverarbeitung 8, die Betriebsführung 10 und die Einrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und bei Abarbeitung eines Programmablaufs auf einem Prozessor auch durch eine entsprechende Strukturierung des Programmablaufs, so eingestellt, dass sie kürzer ist als die erste Zeitdauer t₁. Es ist hierzu auch möglich, dass die Abarbeitung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer anderen, beispielsweise höheren, Abtast- bzw. Taktrate erfolgt als die Signalverarbeitung.
• 3 illustriert eine beispielhafte Auswertung einer Eingangsgröße einer Signalverarbeitung eines leistungselektronischen Geräts hinsichtlich eines Kriteriums, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist. Als Beispiel für die Eingangsgröße ist hier eine Spannung U_Ac eines Wechselstromnetzes dargestellt, welche beispielsweise die mit der Spannungsmesseinrichtung 9 gemessene Netzwechselspannung des Versorgungsnetzes 7 aus 1 sein kann. Bei öffentlichen oder privaten elektrischen Versorgungsnetzen weist die Spannung des Wechselstromnetzes einen sinusförmigen Verlauf mit einer Frequenz von häufig 50 Hz oder 60 Hz auf und hat einen Effektivwert von beispielsweise 230 V, entsprechend einer Netzkuppenspannung von $\sqrt{2}\cdot 230V=325V.$

  

  Im vorliegenden Fall liegen die Werte der Eingangsgröße als Abtastwerte 21 der Spannung des Wechselstromnetzes vor, wobei bei leistungselektronischen Geräten eine Abtastung im kHz-Bereich üblich ist, beispielsweise eine Abtastung mit einer Frequenz von 8 kHz, 16 kHz oder 48 kHz. Ein Abtastintervall Δt hat dann entsprechend eine Größe von 125µs, 62,5µs oder 20,8 µs.
• Bei dem Spannungsverlauf in 3 tritt zum Zeitpunkt t_E ein Spannungseinbruch auf. Ein solcher Einbruch der Spannung kann beispielsweise bei netzeinspeisenden leistungselektronischen Geräten, die eine Stromregelung als Teil ihrer Signalverarbeitung aufweisen, zu einem schnell ansteigenden, starken Überstrom führen. Als Kriterium zur Erkennung eines solchen Spannungseinbruchs, und somit als Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, dient hier, dass die Differenz ΔU zwischen einem Abtastwert 22 vor dem Spannungseinbruch und einem nächsten Abtastwert 23 nach dem Spannungseinbruch, also über ein vorgegebenes Zeitintervall, welches hier der Länge des Abtastintervalls Δt entspricht, größer als ein vorgegebener Wert U_Diff ist. Eine Wahl eines geeigneten Wertes für U_Diff erfolgt abhängig vom Anwendungsfall, insbesondere abhängig von den Eigenschaften der Eingangsgröße und der Signalverarbeitung. Im vorliegenden Fall einer Netzkuppenspannung von 325 V kann ein Wert für U_Diff von 10 V bis 100 V, beispielsweise 20 V bei einem Abtastintervall von 20,8 µs, 40 V bei einem Abtastintervall von 62,5µs oder 80 V bei einem Abtastintervall von 125µs, verwendet werden, um einen Spannungseinbruch zu klassifizieren.
• In 3 ist auch zu erkennen, dass bei dem dort dargestellten Spannungseinbruch der nächste Abtastwert 23 nach dem Spannungseinbruch einen Wert von null aufweist und dass nach diesem nächsten Abtastwert 23 nach dem Spannungseinbruch weitere Abtastwerte 24 folgen, die einen Wert von null aufweisen. Hieraus ergeben sich als weitere Kriterien, anhand denen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, dass eine Änderung der Eingangsgröße der Signalverarbeitung auf einen Wert von null erfolgt bzw. dass ein Wert der Eingangsgröße der Signalverarbeitung von null für eine längere Zeitdauer als ein vorgegebenes zweites Zeitintervall vorliegt, wobei die Länge des zweiten Zeitintervalls beispielsweise als Vielfaches einer Länge eines Abtastintervalls Δt gewählt werden kann, wobei dann eine maximale Länge des zweiten Zeitintervalls dadurch festgelegt ist, dass entsprechend der Darstellung in 2 bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zweite Zeitdauer t₂ kürzer als die erste Zeitdauer t₁ bemessen sein muss. Die weiterenKriterien lassen sich sowohl einzeln als auch in Kombination, als auch in Kombination mit dem zuvor genannten Kriterium, bei dem die Änderung ΔU über ein vorgegebenes Zeitintervall Δt auf das Überschreiten eines vorgegebenen Wertes U_Diff ausgewertet wird, anwenden, wobei die einzelnen Kriterien dann jeweils Teilkriterien des Kriteriums, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, darstellen.
• Für ein weiteres Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, sind in 3 optional zu verwendende Schwellwerte +THR und -THR dargestellt. Ein Überschreiten des Schwellwerts +THR durch den Abtastwert 22 vor dem Spannungseinbruch, bzw. entsprechend ein Unterschreiten des Schwellwerts -THR durch den Abtastwert 22 vor dem Spannungseinbruch kann beispielsweise bevorzugt in Kombination mit dem Kriterium, bei dem die Änderung ΔU über ein vorgegebenes Zeitintervall Δt auf das Überschreiten eines vorgegebenen Wertes U_Diff ausgewertet wird, verwendet werden, um ein Abschalten des leistungselektronischen Gerätes in Fällen, in denen der Strom trotz eines Spannungseinbruchs der Spannung eines Wechselstromnetzes keine kritischen Werte anzunehmen droht, zu verhindern. Eine Auslegung des Schwellwertes +THR, bzw. entsprechend -THR erfolgt abhängig vom Anwendungsfall. Sinnvoll sind im vorliegenden Beispiel Werte im Bereich von 90 % bis 10 % der Netzkuppenspannung, im vorliegenden Fall einer Netzkuppenspannung von 325 V also Werte von 292,5 V bis 32,5 V, beispielsweise von 162,5 V.
• Das zuvor beschriebene Kriterium, bei dem der Wert der Eingangsgröße hinsichtlich des Überschreitens bzw. Unterschreitens des Schwellwerts +THR bzw. -THR ausgewertet wird, sowie auch das Kriterium, bei dem die Änderung ΔU über ein vorgegebenes Zeitintervall Δt auf das Überschreiten eines vorgegebenen Wertes U_Diff ausgewertet wird, eignen sich einzeln oder in Kombination auch zur Erkennung anderer Formen von Spannungseinbrüchen, die in dem vorliegenden Beispiel in 3 nicht dargestellt sind. Beispielsweise kann eine Spannung auf einen von null verschiedenen Wert einbrechen und diesen für eine längere Zeitdauer als ein vorgegebenes drittes Zeitintervall beibehalten. Ebenso kann die Spannung auf einen von null verschiedenen Wert zusammenbrechen und dann mit verminderter Netzkuppenspannung weiterhin einen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Auch bei solchen Spannungseinbrüchen besteht je nach Art der Signalverarbeitung die Gefahr eines Auftretens von Überströmen, die dann durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden.
• Bezugszeichenliste

1

Leistungselektronisches Gerät

2

Einrichtung

3

Wechselrichter

4

Wechselrichteinrichtung

5

Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquelle

6

Photovoltaikgenerator

7

Elektrisches Versorgungsnetz

8

Signalverarbeitung

9

Spannungsmesseinrichtung

10

Betriebsführung

12

Eingangsgröße

13

Schritt

14

Schritt

15

Strom

16

Schritt

17

Schritt

18

Schritt

21

Abtastwert

22

Abtastwert

23

Abtastwert

24

Abtastwert

Claims (11)

1. Verfahren zur Vermeidung von Überströmen in einem leistungselektronischen Gerät (1), welches eine Signalverarbeitung (8) zur Erzeugung einer Stellgröße für die Stärke eines in dem leistungselektronischen Gerät (1) auftretenden Stroms (15) aufweist, wobei eine Wirkung einer Änderung einer Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) auf den Strom (15) um eine erste Zeitdauer verzögert eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung (8) einen regelungstechnischen Algorithmus umfasst und die Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) hinsichtlich der Erfüllung eines Kriteriums ausgewertet wird, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, und dass bei Erfüllung des Kriteriums derart in die Betriebsführung (10) des leistungselektronischen Geräts (1) eingegriffen wird, dass das Auftreten von Überströmen in dem leistungselektronischen Gerät (1) vermieden wird, wobei die Erfassung der Eingangsgröße (12), die Auswertung dieser Eingangsgröße hinsichtlich des Kriteriums und der Eingriff in die Betriebsführung (10) einschließlich einer Wirkung dieses Eingriffs auf den Strom (15) innerhalb einer zweiten Zeitdauer ausgeführt wird, die kürzer ist als die erste Zeitdauer.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, eine Änderung der Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) innerhalb eines vorgegebenen ersten Zeitintervalls um mehr als einen vorgegeben Wert umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, eine Änderung der Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) auf einen Wert von null umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, das Vorliegen eines Wertes der Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) von null für eine längere Zeitdauer als ein vorgegebenes zweites Zeitintervall umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes durch den Wert der Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium, anhand dessen die Gefahr eines Auftretens von Überströmen erkennbar ist, das Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes durch den Wert der Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Eingangsgröße (12) hinsichtlich der Erfüllung des Kriteriums eine prozessorunterstützte Abarbeitung eines Programmablaufs umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungselektronische Gerät (1) den Strom (15) in ein Wechselstromnetz einspeist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgröße (12) der Signalverarbeitung (8) eine Spannung eines Wechselstromnetzes ist.
10. Leistungselektronisches Gerät (1) mit einer Einrichtung (2) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Leistungselektronisches Gerät (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungselektronische Gerät (1) Energie aus einer Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquelle (5), insbesondere aus einem Photovoltaikgenerator (6), in Wechselstrom umwandelt und diesen in ein öffentliches oder privates elektrisches Versorgungsnetz (7) einspeist.

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