DE102015205786A1 - Pulswechselrichter und Verfahren zur Fehlererkennung bei einem solchen - Google Patents

Pulswechselrichter und Verfahren zur Fehlererkennung bei einem solchen Download PDF

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Abstract

Zur Erkennung eines Ausfalls einer von mehreren Wechselrichterphasen (11a–11c) eines Pulswechselrichters (4) oder eines Halbleiterschalters (14a–14c, 17a–17c) in einer dieser Wechselrichterphasen (11a–11c) wird fortlaufend ein Raumzeigerwinkel (θ) eines Stromraumzeigers (Iαβ) der von den Wechselrichterphasen (11a–11c) an eine angeschlossene Last (A, B, C) ausgegebenen Phasenströme (ia, ib, ic) bestimmt. Für mindestens einen vorgegebenen Winkelbereich (σ1–σ6) oder für mindestens eine aus mehreren Winkelbereichen (σ1–σ6) zusammengesetzte Winkelzone (σa–σc) wird eine Messgröße bestimmt, die für die Verweilzeit charakteristisch ist, für die der Raumzeigerwinkel (θ) innerhalb dieses Winkelbereichs (σ1–σ6) bzw. dieser Winkelzone (σa–σc) verweilt. Die ermittelte Messgröße wird mit einem vorgegebenen Fehlerkriterium verglichen. Dabei wird ein Fehlersignal (f1–f6) erzeugt, wenn die Messgröße das Fehlerkriterium erfüllt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung eines Ausfalls einer von mehreren Wechselrichterphasen eines Pulswechselrichters oder eines Halbleiterschalters in einer dieser Wechselrichterphasen. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen zugehörigen Pulswechselrichter.
  • Pulswechselrichter werden üblicherweise zur Umrichtung eines Gleichstroms in einen mehrphasigen Wechselstrom eingesetzt. In einer typischen Anwendung wird ein Pulswechselrichter insbesondere zur Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors herangezogen. Jede Wechselrichterphase des Pulswechselrichters ist hierbei mit einer zugehörigen Phasenwicklung (Motorphase) des Elektromotors verschaltet.
  • Jede Wechselrichterphase eines Pulswechselrichters besteht in der Regel aus zwei Halbleiterschaltern (meist in Form von sogenannten „Insulated Gate Bipolar Transistors”, kurz IGBT) mit jeweils parallelen Freilaufdioden, die in einer Halbbrückenschaltung in Serie zwischen eine Hochpotentialschiene und eine Niederpotentialschiene eines Spannungszwischenkreises geschaltet sind. An einem Phasenanschluss zwischen den beiden Halbleiterschaltern einer jeden Wechselrichterphase ist hierbei eine Phasenleitung angeklemmt, über die die Wechselrichterphase mit einer anzusteuernden Last, insbesondere der zugeordneten Motorphase eines anzusteuernden Elektromotors verbunden ist.
  • In Betrieb eines Pulswechselrichters kann es zu einem Ausfall eines Halbleiterschalters kommen, die beispielsweise dadurch verursacht werden, dass eine dem Halbleiterschalter zugeordnete Gate-Treiberschalter ausfällt. Des Weiteren kann es zum Ausfall einer ganzen Wechselrichterphase kommen, beispielsweise infolge eines Leitungsbruchs innerhalb der zugeordneten Phasenleitung. Beide vorstehend beschriebene Fehlerzustände verändern die von dem Pulswechselrichter ausgegebenen Phasenströme und können daher zu – mitunter gefährlichen – Betriebsstörungen der von dem Pulswechselrichter angesteuerten Last führen. Es besteht somit ein Bedürfnis, Fehlerzustände der vorstehend beschriebenen Art im Betrieb eines Pulswechselrichters schnell und sicher zu erkennen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effektive (insbesondere schnelle, fehlersichere und einfach umsetzbare) Erkennung eines Ausfalls einer von mehreren Wechselrichterphasen eines Pulswechselrichters oder eines Halbleiterschalters in einer dieser Wechselrichterphasen zu ermöglichen.
  • Bezüglich eines Verfahrens zur Erkennung eines Ausfalls der vorstehend beschriebenen Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich eines Pulswechselrichters wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
  • Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird fortlaufend ein Raumzeigerwinkel eines Stromraumzeigers der von den Wechselrichterphasen an eine angeschlossene Last ausgegebenen Phasenströmen ermittelt. „Fortlaufend” bedeutet hierbei, dass der Raumzeigerwinkel zeitlich kontinuierlich oder diskret periodisch mit einer Abtastperiode bestimmt wird, die wesentlich kleiner als die Periodendauer der Phasenströme ist. Für mindestens einen vorgegebenen Winkelbereich (also einen vorgegebenen Unterabschnitt des von dem Raumzeigerwinkel einnehmbaren Wertebereichs von 0° bis 360° oder entsprechend 0 bis 2π) wird verfahrensgemäß eine Messgröße bestimmt, die für die Verweilzeit charakteristisch ist, für die der Raumzeigerwinkel während einer Periodendauer der Phasenströme innerhalb des Winkelbereichs verweilt. Als „Winkelbereich” wird hierbei ein einfach zusammenhängendes Winkelintervall bezeichnet, das alle Winkelwerte zwischen zwei Grenzwinkeln umfasst. In alternativer Ausgestaltung des Verfahrens werden mehrere (d. h. mindestens zwei) solcher Winkelbereiche zu einer gemeinsamen Winkelzone zusammengefasst. In diesem Fall ist die Messgröße charakteristisch für die Verweilzeit, für die der Raumzeigerwinkel während einer Periodendauer der Phasenströme innerhalb der Winkelzone verweilt.
  • Die Messgröße kann diese Verweilzeit im Rahmen der Erfindung unmittelbar, also in Form einer absoluten Zeitangabe, angeben. Alternativ hierzu wird für das Verfahren eine Messgröße herangezogen, die die Verweilzeit nicht unmittelbar wiedergibt, die aber mit dieser Zeitspanne über eine eindeutige mathematische Beziehung verknüpft ist. Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens als Messgröße vorzugsweise eine normierte Verweilzeit herangezogen, zu deren Berechnung die absolute Verweilzeit durch die Periodendauer der Phasenströme dividiert wird.
  • Die vorstehend genannte Messgröße wird verfahrensgemäß mit einem vorgegebenen Fehlerkriterium verglichen. Sofern bei diesem Vergleich festgestellt wird, dass die Messgröße das Fehlerkriterium erfüllt, wird verfahrensgemäß ein Fehlersignal erzeugt, das auf einen Fehlerzustand der vorstehend beschriebenen Art, das heißt einen Ausfall einer Wechselrichterphase oder eines Halbleiterschalters des Pulswechselrichters hinweist.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass es einfach (insbesondere mit geringem numerischen Aufwand) umsetzbar ist, gleichzeitig aber eine schnelle und fehlersichere Erkennung von Fehlerzuständen der vorstehend beschriebenen Art ermöglicht. Insbesondere lässt sich das vorstehend beschriebene Verfahren robust gegenüber transienten Vorgängen im Pulswechselrichter sowie unabhängig von der Frequenz der ausgegebenen Phasenströme und der ausgegebenen Leistung durchführen. Dadurch können Fehlalarme gänzlich oder zumindest weitgehend ausgeschlossen werden.
  • In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird auf mehrere unterschiedlich vorgegebene Winkelbereiche oder Winkelzonen zurückgegriffen. Für jeden dieser unterschiedlichen Winkelbereiche bzw. Winkelzonen wird jeweils eine zugeordnete Messgröße bestimmt, die für die Verweilzeit des Raumzeigerwinkels in diesem Winkelbereich bzw. dieser Winkelzone charakteristisch ist. Jede dieser Messgrößen wird mit einem zugeordneten Fehlerkriterium verglichen. Das Fehlersignal wird in Abhängigkeit desjenigen Winkelbereichs oder derjenigen Winkelzone, für den bzw. für die das zugeordnete Fehlerkriterium erfüllt ist, in unterschiedlicher Form (im Falle eines analogen Fehlersignals z. B. mit unterschiedlichem Analogwert, und im Falle eines digitalen Fehlersignals mit unterschiedlichem Dateninhalt) ausgegeben. Durch diese in Abhängigkeit des betroffenen Winkelbereichs bzw. der betroffenen Winkelzone differenzierte Ausgabe des Fehlersignals wird vorteilhafterweise ermöglicht, die Art des zugrundeliegenden Fehlerzustands und/oder den Ort der Fehlerquelle zu identifizieren. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die verschiedenen Halbleiterschalter und Wechselrichterphasen des Pulswechselrichters bei einem Ausfall jeweils charakteristische Anomalien (das heißt unregelmäßige Verweilzeiten) in verschiedenen Winkelbereichen des Raumzeigerwinkels verursachen.
  • Grundsätzlich kann die Winkelausdehnung des oder jedes Winkelbereichs im weitesten Rahmen der Erfindung frei gewählt werden (mit der Einschränkung, dass ein Winkelbereich sich nicht über den gesamten Winkelraum ([0°; 360°] oder [0; 2π]) erstrecken kann. Sofern mehrere Winkelbereiche definiert sind, können diese im Rahmen der Erfindung dabei insbesondere so definiert sein, dass sie unmittelbar aneinander angrenzen oder sich sogar überlappen. Vorzugsweise sind die gegebenenfalls mehreren Winkelbereiche aber derart gewählt, dass zwischen den einzelnen Winkelbereichen, innerhalb derer die jeweilige Verweilzeit des Stromraumzeigers erfasst wird, jeweils Zwischenräume gebildet sind. Insbesondere sind die Winkelbereiche dabei derart gewählt, dass ihre Winkelausdehnung kleiner ist, als die Winkelausdehnung der angrenzenden Zwischenräume. Für eine beliebig vorgegebene Anzahl N von Winkelbereichen (mit N = 1, 2, 3, ...) heißt das, dass der oder jeder Winkelbereich derart gewählt ist, dass seine Winkelausdehnung S kleiner als 180°/N (π/N) gewählt ist (S < π/N). Beispielsweise sind die Zwischenräume etwa doppelt so breit dimensioniert wie die Winkelbereiche (S ≈ 2π/3N).
  • Grundsätzlich lässt sich das Verfahren im Rahmen der Erfindung auf Pulswechselrichter mit einer beliebigen Mehrzahl von Wechselrichterphasen anwenden. Vorzugsweise wird das Verfahren aber bei einem Pulswechselrichter angewendet, der genau drei Wechselrichterphasen aufweist.
  • In einer entsprechenden Variante des Verfahrens sind sechs verschiedene Winkelbereiche gleicher Winkelausdehnung vorgegeben, die jeweils in Winkelabständen von 60° (π/3) zueinander angeordnet sind. Insbesondere sind diese sechs Winkelbereiche um die Winkelbeträge 30° (π/6), 90° (π/2), 150° (5π/6), 210° (7π/6), 270° (3π/2) und 330° (11π/6) zentriert. Hierbei wird von einer üblichen Definition eines zugrundeliegenden Raumzeiger-Koordinatensystems ausgegangen, bei der der Phasenstromvektor eines der Phasenströme auf der – den Winkelnullpunkt des Raumzeigerwinkels definierenden – Abszisse des Raumzeiger-Koordinatensystems liegt.
  • Die einander gegenüberliegenden (das heißt zueinander um 180° oder π versetzten) Winkelbereiche werden hierbei jeweils zu einer gemeinsamen Winkelzone zusammengefasst, so dass aus den sechs Winkelbereichen drei Winkelzonen resultieren, die zueinander jeweils um einen Zwischenwinkel von 60° (π/3) beabstandet sind, und die jeweils einem der Phasenströme (und damit einer der Wechselrichterphasen) zugeordnet sind. Für jede dieser drei Winkelzonen wird hierbei jeweils eine zugeordnete Messgröße bestimmt, die für die Verweilzeit des Raumzeigerwinkels in dieser Winkelzone charakteristisch ist.
  • Jede dieser drei Messgrößen wird jeweils mit einem als Fehlerkriterium zugeordneten Schwellwert verglichen, wobei das Fehlersignal erzeugt wird, wenn eine der drei Messgrößen den zugeordneten Schwellwert überschreitet. Das Fehlersignal wird hierbei derart ausgegeben, dass es einen Fehler in derjenigen Wechselrichterphase identifiziert, deren zugeordnete Messgröße den zugeordneten Schwellwert überschreitet. Anhand des solchermaßen differenzierten Fehlersignals ist somit diejenige Wechselrichterphase lokalisierbar, in der der Fehler aufgetreten ist.
  • In einfachen Ausführungen des Verfahrens ist das Fehlersignal hierbei unspezifisch für die konkrete Art des Fehlers. Durch das Fehlersignal wird daher nicht spezifiziert, ob in der betreffenden Wechselrichterphase lediglich ein einzelner Halbleiterschalter ausgefallen ist, oder ob die gesamte Wechselrichterphase ausgefallen ist. In einer Weiterentwicklung des Verfahrens werden diese beiden Fehlerarten durch das Fehlersignal differenziert. Zur Erkennung der Fehlerart wird hierbei jede der drei – jeweils einer der vorstehend beschriebenen Winkelzonen zugeordneten – Messgrößen mit einem kleineren ersten Schwellwert und einem größeren zweiten Schwellwert verglichen. Durch das Fehlersignal wird hierbei ein Ausfall eines Halbleiterschalters in der betreffenden Wechselrichterphase angezeigt, wenn die zugeordnete Messgröße zwischen dem ersten Schwellwert und dem zweiten Schwellwert liegt. Durch das Fehlersignal wird dagegen ein Ausfall der betreffenden Wechselrichterphase angezeigt, wenn die zugeordnete Messgröße den zweiten Schwellwert überschreitet. Das Fehlersignal wird mit anderen Worten je nachdem, ob die zugeordnete Messgröße lediglich den ersten Schwellwert oder auch den zweiten Schwellwert überschreitet, unterschiedlich ausgegeben, so dass die beiden vorstehend beschriebenen Fehlerarten anhand des Fehlersignals unterscheidbar sind.
  • Der erfindungsgemäße Pulswechselrichter umfasst mehrere, insbesondere drei Wechselrichterphasen, in denen jeweils zwei Halbleiterschalter in einer Halbbrückenschaltung zwischen eine Hochpotentialschiene und eine Niederpotentialschiene geschaltet sind. Desweiteren umfasst der Pulswechselrichter eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Halbleiterschalter.
  • Erfindungsgemäß ist diese Steuereinheit dazu eingerichtet, im Betrieb des Pulswechselrichters das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren – insbesondere in einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten – automatisch durchzuführen. Der erfindungsgemäße Pulswechselrichter dient vorzugsweise zur Ansteuerung eines mehrphasigen Elektromotors. In dem bestimmungsgemäßen Betriebszustand ist hierbei ein zwischen den Halbleiterschaltern einer jeden Wechselrichterphase liegender Phasenanschluss mit einer jeweils zugeordneten Motorphase des Elektromotors verschaltet.
  • Die Steuereinheit umfasst vorzugsweise einen Mikrocontroller, der softwaretechnisch zur automatischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Mit anderen Worten ist in dem Mikrocontroller ein Steuerprogramm (Firmware) implementiert, das im bestimmungsgemäßen Betrieb des Pulswechselrichters ausgeführt wird und dabei das erfindungsgemäße Verfahren automatisch durchführt.
  • Alternativ kann die Funktionalität der Steuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens allerdings auch in einem nicht programmierbaren elektronischen Bauteil, beispielsweise einem ASIC, mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert sein.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 in einem schematischen Blockschaltbild einen Pulswechselrichter und einen nachgeschalteten Elektromotor sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Pulswechselrichters,
  • 2 in einem Raumzeiger-Koordinatensystem einen Stromraumzeiger der von dem Pulswechselrichter ausgegebenen Phasenströme und die Bewe0gungskurve (Trajektorie) des Stromraumzeigers im ungestörten Betrieb des Pulswechselrichters sowie drei in dem Raumzeiger-Koordinatensystem eingetragene Winkelzonen eines zwischen dem Stromraumzeiger und der Abszisse des Stromraumzeiger-Koordinatensystems gebildeten Raumzeigerwinkels,
  • 3 bis 8 in Darstellung gemäß 2 verschiedene Bewegungskurven des Stromraumzeigers bei Ausfall jeweils eines von sechs Halbleiterschaltern des Pulswechselrichters,
  • 9 bis 11 in Darstellung gemäß 2 verschiedene Bewegungskurven des Stromraumzeigers bei Ausfall jeweils einer von drei Wechselrichterphasen des Pulswechselrichters,
  • 12 in einem Diagramm die zeitliche Änderung des Raumzeigerwinkels im ungestörten Betrieb des Pulswechselrichters, und
  • 13 in Darstellung gemäß 12 die zeitliche Änderung des Raumzeigerwinkels bei Ausfall eines Halbleiterschalters.
  • Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt grob schematisch ein Antriebssystem 1 mit einem bürstenlosen (Elektro-)Motor 2, der aus einem (Spannungs-)Zwischenkreis 3 mit elektrischer Energie versorgt ist. Zur Ansteuerung des Motors 2 ist diesem und dem Zwischenkreis 3 ein Pulswechselrichter 4 mit einer Steuereinheit 5 zwischengeschaltet.
  • Der Motor 2 umfasst einen (in der Darstellung lediglich schematisch angedeuteten) Stator 6, der mit einer Drehfeldwicklung 7 bewickelt ist. Die Drehfeldwicklung 7 umfasst drei Wicklungsstränge, die nachfolgend als Motorphasen A, B und C bezeichnet sind. Die Motorphasen A, B, C sind motorseitig in einem Sternpunkt 8 zusammengeschlossen. Die Stromstärke des in jeder der Motorphasen A, B und C jeweils fließenden elektrischen Stroms ist nachfolgend als Phasenstrom ia, ib bzw. ic bezeichnet.
  • Der Pulswechselrichter 4 umfasst drei Halbbrücken 11a, 11b, 11c, die parallel zueinander in den Zwischenkreis 3 geschaltet sind. Die Halbbrücken 11a, 11b und 11c sind den Motorphasen A, B und C paarweise zugeordnet und daher auch als „Wechselrichterphasen” bezeichnet. Jede Halbbrücke 11a, 11b, 11c umfasst einen Phasenanschluss 12a, 12b, 12c, an dem die zugehörige Motorphase A, B, C über eine zugehörige Phasenleitung angeschlossen ist. So sind die Motorphase A an dem Phasenanschluss 12a der Halbbrücke 11a, die Motorphase B an dem Phasenanschluss 12b der Halbbrücke 11b und die Motorphase C an dem Phasenanschluss 12c der Halbbrücke 11c angeschlossen.
  • Zwischen dem jeweiligen Phasenanschluss 12a, 12b, 12c und einer Hochpotentialschiene 13 des Zwischenkreises 3 umfasst jede Halbbrücke 11a, 11b, 11c einen hochpotentialseitigen Halbleiterschalter 14a, 14b, 14c, insbesondere in Form eines IGBT. Jedem dieser Halbleiterschalter 14a, 14b, 14c ist jeweils eine Freilaufdiode 15a, 15b, 15c parallelgeschaltet. Zwischen den Phasenanschluss 12a, 12b, 12c einer jeden Halbbrücke 11a, 11b, 11c und eine Niederpotentialschiene 16 des Zwischenkreises 3 ist jeweils ein niederpotentialseitiger Halbleiterschalter 17a, 17b, 17c geschaltet. Jeder dieser Halbleiterschalter 17a, 17b, 17c ist wiederum insbesondere in Form eines IGBT ausgebildet und wird von einer parallelgeschalteten Freilaufdiode 18a, 18b, 18c flankiert.
  • Parallel zu den Halbbrücken 11a, 11b, 11c ist in den Zwischenkreis 3 eine (Zwischenkreis-)Kapazität 19 geschaltet.
  • Die Steuereinheit 5 ist ausgangsseitig mit Gate-Anschlüssen der Halbleiterschalter 14a, 14b, 14c und 17a, 17b, 17c zur Ausgabe von Stellsignalen verschaltet. Eingangsseitig sind der Steuereinheit 5 Messwerte der Phasenströme ia, ib, ic zugeführt. Diese Messwerte werden von Messwandlern 20 erhoben, die in die Phasenleitungen der Motorphasen A, B, C geschaltet sind. In alternativer Ausführung des Antriebssystems 1 werden nur zwei der drei Phasenströme ia, ib, ic gemessen. Der dritte Phasenstrom ia, ib bzw. ic wird hieraus in der Steuereinheit 5 berechnet.
  • Die Steuereinheit 5 ist durch einen Mikrocontroller gebildet oder umfasst zumindest einen solchen. In der Steuereinheit 5 ist hierbei ein Steuerprogramm 21 softwaretechnisch implementiert, das im Betrieb des Pulswechselrichters 4 durch die Steuereinheit 5 ausgeführt wird.
  • Der Zwischenkreis 3 führt einen Gleichstrom mit einer im Wesentlichen konstanten Zwischenkreisspannung UZ. Im Betrieb des Antriebssystems 1 steuert die Steuereinheit 5 unter Ablauf des Steuerprogramms 21 die Halbleiterschalter 14a, 14b, 14c und 17a, 17b, 17c derart an, dass der Pulswechselrichter 4 diesen Gleichstrom in einen in die Motorphasen A, B, C eingespeisten Drehstrom umrichtet. Im ungestörten Betrieb des Pulswechselrichters 4 oszillieren die Phasenströme ia, ib, ic somit sinusförmig mit einer Periodendauer Tel und einem Phasenwinkelversatz von jeweils 120° (2π/3).
  • Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Hauptfunktion umfasst das Steuerprogramm 21 eine Diagnosefunktion, die dazu dient, Fehlerzustände im Betrieb des Pulswechselrichters 4, nämlich einen Ausfall eines der Halbleiterschalter 14a, 14b, 14c und 17a, 17b, 17c oder einen Ausfall einer der Halbbrücken 11a, 11b, 11c, schnell und fehlersicher zu erkennen.
  • Der zu erkennende Ausfall eines der Halbleiterschalter 14a, 14b, 14c und 17a, 17b, 17c äußert sich dabei darin, dass der entsprechende Halbleiterschalter 14a, 14b, 14c und 17a, 17b, 17c dauerhaft sperrt. Ein solcher Fehlerzustand wird insbesondere durch einen Defekt der zugeordneten Gate-Treiberschaltung der Steuereinheit 5 verursacht.
  • Der zu erkennende Ausfall einer der Halbbrücken 11a, 11b, 11c äußert sich dagegen darin, dass der dieser Halbbrücke 11a, 11b, 11c zugeordnete Phasenstrom ia, ib, ic dauerhaft auf null zusammenbricht. Ein solcher Fehlerzustand wird insbesondere durch einen Leitungsbruch innerhalb der zugeordneten Phasenleitung verursacht.
  • Unter Ablauf des Steuerprogramms 21 erfasst die Steuereinheit 5 mit einer Abtastperiode TS periodisch die Werte der Phasenströme ia, ib, ic. Die Abtastperiode TS ist hierbei klein gegen die Periodendauer Tel der Phasenströme ia, ib, ic. Sie ist beispielsweise auf ein Zehntel der minimal auftretenden Periodendauer Tel festgelegt. Die Phasenströme ia, ib, ic werden somit durch die Steuereinheit 5 quasi-kontinuierlich abgetastet.
  • Aus den erfassten Werten der Phasenströme ia, ib, ic berechnet die Steuereinheit 5 jeweils Komponenten iα und iβ eines Stromraumzeigers Iαβ (2) gemäß
    Figure DE102015205786A1_0002
  • In einem statorfesten Raumzeiger-Koordinatensystem, das gemäß 2 durch zwei orthogonale Achsen α und β aufgespannt wird, geben die Komponenten iα und iβ jeweils die Projektion des Stromraumzeigers Iαβ auf die Achse α bzw. auf die Achse β an. GLG 1 ergibt sich hierbei aus einer vektoriellen Addition der mit Einheitsvektoren a, b und c multiplizierten Phasenströme ia, ib, ic Iαβ = ia·a + ib·b + ic·c. GLG 2
  • Die Einheitsvektoren a, b und c sind hierbei – entsprechend der Orientierung der Motorphasen A, B und C in dem Stator 6 – jeweils unter einem Winkel von 120° (2π/3) zueinander angestellt. In dem Raumzeiger-Koordinatensystem gemäß 2 sind
    • – der Einheitsvektor a parallel zur Achse α,
    • – der Einheitsvektor b unter 120° (2π/3) zur Achse α, und
    • – der Einheitsvektor c unter einem Winkel von 240° (4π/3) zur Achse α
    ausgerichtet.
  • Aus den Komponenten iα und iβ berechnet die Steuereinheit 5 jeweils den – nachfolgend als Raumzeigerwinkel θ bezeichneten – Winkel, den der Raumzeiger Iαβ mit der Abszisse des Raumzeiger-Koordinatensystems gemäß 2, also mit der Achse α, einschließt:
    Figure DE102015205786A1_0003
  • In dem Steuerprogramm 21 können die Rechenoperationen gemäß GLG 1 und GLG 3 wahlweise nacheinander durchgeführt werden oder einem einzigen Rechenschritt kombiniert sein.
  • Dabei ermittelt die Steuereinheit 5 die normierten Verweilzeiten, für die der Raumzeigerwinkel θ während einer jeden Periode der Phasenströme ia, ib, ic innerhalb einer jeden von drei vorgegebenen Winkelzonen σa , σb oder σc liegt. Als „normierte Verweilzeit” (oder auch kurz „Verweilzeit”) wird nachfolgend stets eine dimensionslose Größe mit Wertebereich zwischen 0 und 1 bezeichnet, die sich aus der (in gewöhnlichen Zeiteinheiten angegebenen) absoluten Verweilzeit des Raumzeigerwinkels θ in der jeweiligen Winkelzone σa, σb, σc, dividiert durch die Periodendauer Tel, ergibt.
  • Wie 2 zu entnehmen ist, setzt sich die Winkelzone σa aus zwei einander gegenüberliegenden Winkelbereichen σ1 und σ2 zusammen, die jeweils eine Winkelausdehnung S von z. B. 22,5° (S = π/8) haben und um Winkelbeträge von 90° (π/2) bzw. 270° (3π/2) zentriert sind.
  • Die Winkelzone σb setzt sich aus zwei einander gegenüberliegenden Winkelbereichen σ3 und σ4 zusammen, die – wie die Winkelbereiche σ1 und σ2 – ebenfalls jeweils die Winkelausdehnung S haben, aber abweichend um Winkelbeträge von 30° (π/6) bzw. 210° (7π/6) zentriert sind.
  • Die Winkelzone σc setzt sich schließlich aus zwei einander gegenüberliegenden Winkelbereichen σ5 und σ6 zusammen, die wiederum jeweils die Winkelausdehnung S haben, aber abweichend um Winkelbeträge von 150° (5π/6) bzw. 330° (11π/6) zentriert sind.
  • Am Ende einer jeden Periode der Phasenströme ia, ib, ic werden die normierten Verweilzeiten jeweils mit zwei Schwellwerten δP und δIGBT verglichen.
  • Der Schwellwert δP ist allgemein derart vorgegeben, dass die Beziehung S + π / 2π < δP ≤ 1 GLG 4 gilt. Vorzugsweise ist der Schwellwert δP mit gewissem Abstand zu der unteren Grenze der GLG 4 festgelegt, z. B. zu δP = S + π / 2π + 0,1. GLG 5
  • Sofern der Vergleich ergibt, dass die normierte Verweilzeit des Raumzeigerwinkels θ in der Winkelzone σa den Schwellwert δP erreicht oder überschreitet, erzeugt die Steuereinheit 5 ein Fehlersignal f1. Entsprechend erzeugt die Steuereinheit 5
    • – ein Fehlersignal f2, wenn die normierte Verweilzeit des Raumzeigerwinkels θ in der Winkelzone σb den Schwellwert δP erreicht oder überschreitet, und
    • – eine Fehlersignal f3, wenn die normierte Verweilzeit des Raumzeigerwinkels θ in der Winkelzone σc den Schwellwert δP erreicht oder überschreitet.
  • Der Schwellwert δIGBT ist allgemein derart vorgegeben, dass die Beziehung S / π < δIGBT ≤ S + π / 2π GLG 6 gilt. Vorzugsweise ist der Schwellwert δIGBT mit gewissem Abstand zu der unteren Grenze der GLG 6 festgelegt, z. B. zu δIGBT = S / π + 0,1. GLG 7
  • Sofern die normierte Verweilzeit des Raumzeigerwinkels θ in der Winkelzone σa den Schwellwert δP unterschreitet, prüft die Steuereinheit 5, ob diese normierte Verweilzeit den kleineren Schwellwert δIGBT erreicht oder überschreitet. In diesem Fall erzeugt die Steuereinheit 5 ein Fehlersignal f4. Entsprechend erzeugt die Steuereinheit 5
    • – ein Fehlersignal f5, wenn die normierte Verweilzeit des Raumzeigerwinkels θ in der Winkelzone σb zwischen den Schwellwerten δP und δIGBT liegt, und
    • – ein Fehlersignal f6, wenn die normierte Verweilzeit des Raumzeigerwinkels θ in der Winkelzone σc zwischen den Schwellwerten δP und δIGBT liegt.
  • Nach jeder Periode der Phasenströme ia, ib, ic setzt die Steuereinheit 5 die normierten Verweilzeiten auf null zurück und beginnt den vorstehend beschriebenen Verfahrenszyklus in der nächsten Periode der Phasenströme ia, ib, ic von neuem.
  • Die Steuereinheit 5 gibt gegebenenfalls das jeweils erzeugte Fehlersignal f1–f6 aus (1). Des Weiteren wird das Fehlersignal f1–f6 innerhalb der Steuereinheit 5 zur Entscheidung über Sicherheitsmaßnahmen, insbesondere eine Notabschaltung des Pulswechselrichters 4, ausgewertet. Optional ist vorgesehen, dass das Fehlersignal f1–f6 innerhalb der Steuereinheit 5 zu Diagnosezwecken persistent gespeichert wird.
  • Die Fehlersignale f1 bis f6 sind indikativ für folgende Fehlerzustände des Pulswechselrichters 4:
    • – f1: Ausfall der Halbbrücke 11a, und damit der Motorphase A
    • – f2: Ausfall der Halbbrücke 11b, und damit der Motorphase B
    • – f3: Ausfall der Halbbrücke 11c, und damit der Motorphase C
    • – f4: Ausfall eines der Halbleiterschalter 14a oder 17a der Halbbrücke 11a
    • – f5: Ausfall eines der Halbleiterschalter 14b oder 17b der Halbbrücke 11b
    • – f6: Ausfall eines der Halbleiterschalter 14c oder 17c der Halbbrücke 11c
  • Die Aussagekraft der Fehlervariablen f1–f6 für die vorstehend beschriebenen Fehlerzustände beruht auf dem Umstand, dass die oben genannten Fehlerzustände die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ in jeweils charakteristischer Weise ändern. Als Bewegungskurve T (oder Trajektorie) ist hierbei die Bahnkurve bezeichnet, die die Spitze des Stromraumzeigers Iαβ während einer Periode der Phasenströme ia, ib, ic in dem Raumzeiger-Koordinatensystem gemäß 2 vollzieht.
  • Wie aus 2 hervorgeht, entspricht die Bahnkurve T im ungestörten Betrieb des Pulswechselrichters 4 zumindest annähernd einer Kreisbahn um den Ursprung des Raumzeiger-Koordinatensystems, wobei sich der Stromraumzeiger Iαβ auf dieser Kreisbahn mit etwa konstanter Winkelgeschwindigkeit ωel = 2π/Tel bewegt.
  • Der Stromraumzeiger Iαβ verweilt daher im ungestörten Betrieb des Pulswechselrichters 4 – wie aus dem in 12 abgebildeten Diagramm des Raumzeigerwinkel θ gegen die Zeit t zu erkennen ist – in keinem der Winkelbereiche σ1 bis σ6 wesentlich länger als eine normierte Standard-Verweilzeit vz mit vz = S / 2π. GLG 8
  • Somit verweilt der Stromraumzeigers Iαβ im ungestörten Betrieb des Pulswechselrichters 4 in keiner der – jeweils zwei der Winkelbereiche σ1 bis σ6 umfassenden – Winkelzonen σa bis σc wesentlich länger als 2vz = S / π. GLG 9
  • In den 3 bis 8 ist jeweils die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall eines der Halbleiterschalter 14a–14c und 17a–17c dargestellt. Konkret zeigen
    • – 3 die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall des Halbleiterschalters 14a,
    • – 4 die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall des Halbleiterschalters 14b,
    • – 5 die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall des Halbleiterschalters 14c,
    • – 6 die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall des Halbleiterschalters 17a,
    • – 7 die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall des Halbleiterschalters 17b, und
    • – 8 die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall des Halbleiterschalters 17c.
  • Wie aus den 3 bis 8 erkennbar ist, ist die Bewegungskurve T, die der Stromraumzeiger Iαβ bei Ausfall eines der Halbleiterschalter 14a–14c und 17a–17c beschreibt, stets näherungsweise halbkreisförmig. Hierdurch werden, wie auch aus dem zeitlichen Verlauf des Raumzeigerwinkel θ gemäß 13 deutlich wird, stets zwei der sechs Winkelbereiche σ1–σ6 von dem Stromraumzeiger Iαβ übersprungen. Entsprechend ergibt sich für zwei der drei Winkelzonen σa–σc eine verkürzte normierte Verweilzeit v– von v– = 1 / 2·(2vz) = vz = S / 2π. GLG 10
  • In der jeweils übrigen Winkelzone σa–σc verharrt der Stromraumzeiger Iαβ dagegen für eine Zeitspanne, während welcher der Stromraumzeiger Iαβ im ungestörten Betrieb des Pulswechselrichters 4 einen Halbkreis von 180° (π) plus je zweimal die halbe Winkelausdehnung S der beiden zugehörigen Winkelbereiche σa–σc überstreift. Entsprechend ergibt sich für diese übrige Winkelzonen σa–σc eine verlängerte normierte Verweilzeit v+ von v+ = 1 / 2π·( S / 2 + π + S / 2) = S + π / 2π. GLG 11
  • Um den Ausfall eines der Halbleiterschalter 14a–14c und 17a–17c als Fehlerquelle zu identifizieren, ist der Schwellwert δIGBT entsprechend GLG 6 zwischen den in GLG 10 und 11 angegebenen Grenzwerten zu wählen.
  • In den 9 bis 11 ist jeweils die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall eines der Halbbrücken 11a–11c bzw. Motorphasen A–C dargestellt. Konkret zeigen
    • – 9 die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall der Halbbrücke 11a bzw. der Motorphase A,
    • – 10 die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall der Halbbrücke 11b bzw. der Motorphase B, und
    • – 11 die Bewegungskurve T des Stromraumzeigers Iαβ bei Ausfall der Halbbrücke 11c bzw. der Motorphase C.
  • Wie aus den 9 bis 11 erkennbar ist, ist die Bewegungskurve T, die der Stromraumzeiger Iαβ bei Ausfall einer der Halbbrücken 11a–11c bzw. Motorphasen A–C beschreibt, stets ausschließlich radial ausgerichtet, so dass der Raumzeigerwinkel θ konstant bleibt. Der Raumzeiger Iαβ verharrt hierbei über die gesamte Periodendauer Tel in einer der drei Winkelzonen σa–σc, so dass sich für diese Winkelzone σa–σc eine normierte Verweilzeit von v++ = 1 ergibt.
  • Um den Ausfall einer der der Halbbrücken 11a–11c bzw. der Motorphasen A–C eindeutig als Fehlerquelle zu identifizieren, ist der Schwellwert δP entsprechend GLG 4 oberhalb des in GLG 11 angegebenen Grenzwertes zu wählen.
  • Die Erfindung wird anhand des beschriebenen Ausführungsbeispiels besonders deutlich, ist auf dieses Ausführungsbeispiel gleichwohl aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Erkennung eines Ausfalls einer von mehreren Wechselrichterphasen (11a–11c) eines Pulswechselrichters (4) oder eines Halbleiterschalters (14a–14c, 17a–17c) in einer dieser Wechselrichterphasen (11a–11c), – bei welchem fortlaufend ein Raumzeigerwinkel (θ) eines Stromraumzeigers (Iαβ) der von den Wechselrichterphasen (11a–11b) an eine angeschlossene Last (A, B, C) ausgegebenen Phasenströme (ia, ib, ic) bestimmt wird, – bei welchem für mindestens einen vorgegebenen Winkelbereich (σ1–σ6) oder für mindestens eine aus mehreren Winkelbereichen (σ1–σ6) zusammengesetzte Winkelzone (σa–σc) eine Messgröße bestimmt wird, die für die Verweilzeit charakteristisch ist, während welcher der Raumzeigerwinkel (θ) innerhalb dieses Winkelbereichs (σ1–σ6) bzw. dieser Winkelzone (σa–σc) verweilt, – bei welchem die ermittelte Messgröße mit einem vorgegebenen Fehlerkriterium verglichen wird, und – bei welchem ein Fehlersignal (f1–f6) erzeugt wird, wenn die Messgröße das Fehlerkriterium erfüllt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, – bei welchem mehrere Winkelbereiche (σ1–σ6) oder Winkelzonen (σa–σc) vorgegeben sind, – bei welchem für jeden der mehreren Winkelbereiche (σ1–σ6) bzw. Winkelzonen (σa–σc) jeweils eine zugeordnete, für die Verweilzeit des Raumzeigerwinkels (θ) in dem jeweiligen Winkelbereich (σ1–σ6) oder der jeweiligen Winkelzone (σa–σc) charakteristische Messgröße bestimmt und mit einem zugeordneten Fehlerkriterium verglichen wird, und – bei welchem das Fehlersignal (f1–f6) in Abhängigkeit desjenigen Winkelbereichs (σ1–σ6) oder derjenigen Winkelzone (σa–σc), für den beziehungsweise die das zugeordnete Fehlerkriterium erfüllt ist, in unterschiedlicher Form ausgegeben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der oder jeder Winkelbereich (σ1–σ6) derart gewählt ist, dass seine Winkelausdehnung (S) kleiner als π/N ist, wobei N die Anzahl der Winkelbereiche (σ1–σ6) bezeichnet.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, – bei welchem für einen mit drei Wechselrichterphasen (11a–11c) versehenen Pulswechselrichter (4) sechs verschiedene Winkelbereiche (σ1–σ6) gleicher Winkelausdehnung (S) vorgegeben sind, von denen jeweils einer um einen der Winkelbeträge 30°, 90°, 150°, 210°, 270° und 330° zentriert ist, wobei um 180° versetzte Winkelbereiche (σ1–σ6) jeweils zu gemeinsamen Winkelzonen (σa–σc) zusammengefasst sind, und wobei jeweils eine der drei Winkelzonen (σa–σc) einer der drei Wechselrichterphasen (11a–11c) zugeordnet ist, – bei welchem für jeden der drei Winkelzonen (σa–σc) jeweils eine zugeordnete, für die Verweilzeit des Raumzeigerwinkels (θ) in der jeweiligen Winkelzone (σa–σc) charakteristische Messgröße bestimmt wird, – bei welchem jede der drei Messgrößen jeweils mit einem als Fehlerkriterium vorgegebenen Schwellwert (δP, δIGBT) verglichen wird, und – bei welchem durch das Fehlersignal (f1–f6) ein Fehler in derjenigen Wechselrichterphase (11a–11c) identifiziert wird, deren zugeordnete Messgröße den zugeordneten Schwellwert (δP, δIGBT) überschreitet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, – bei welchem jede der drei Messgrößen mit einem kleineren ersten Schwellwert (δIGBT) und einem größeren zweiten Schwellwert (δP) verglichen wird, und – bei welchem durch das Fehlersignal (f1–f6) ein Ausfall eines Halbleiterschalters (14a–14c, 17a–17c) in der betreffenden Wechselrichterphase (11a–11c) identifiziert wird, wenn die zugeordnete Messgröße zwischen dem ersten Schwellwert (δIGBT) und dem zweiten Schwellwert ((δP) liegt, und – bei welchem durch das Fehlersignal (f1–f6) ein Ausfall der betreffenden Wechselrichterphase (11a–11c) identifiziert wird, wenn die zugeordnete Messgröße den zweiten Schwellwert (δP) überschreitet.
  6. Pulswechselrichter (4) mit mehreren Wechselrichterphasen (11a–11c), in denen jeweils zwei Halbleiterschalter (14a, 17a; 14b, 17b; 14c, 17c) in einer Halbbrückenschaltung zwischen eine Hochpotentialschiene (13) und eine Niederpotentialschiene (16) geschaltet sind, sowie mit einer Steuereinheit (5) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter (14a–c, 17a–c), wobei die Steuereinheit (5) zur automatischen Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eingerichtet ist.
  7. Pulswechselrichter (4) nach Anspruch 6 zur Ansteuerung eines mehrphasigen Elektromotors (2).
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