DE102018115977A1 - Supply unit for a motor control with determination of the direct current component of a Rogowski flow measurement and method for determining the direct current component of a Rogowski current measurement at a supply unit for a motor control - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinheit für eine Motorsteuerung, mit einem dreiphasigen Versorgungseingang, einem Dreiphasengleichrichter der mit dem dreiphasigen Versorgungseingang verbunden ist; einem Gleichspannungszwischenkreis der mit dem Dreiphasengleichrichter verbunden ist, einer Recheneinheit und einer Rogowski-Messeinrichtung, dazu eingerichtet, den Phasenstrom zu messen und an die Recheneinheit auszugeben. Die Versorgungseinheit weist erfindungsgemäß eine Netzwinkel-Messeinrichtung auf, wobei in der Recheneinheit ein Zeitpunkt gespeichert ist, zu dem vorausgesetzt werden kann, dass der Phasenstrom null ist und wobei die Recheneinheit dazu eingerichtet ist, einen von der Rogowski-Messeinrichtung zu dem vorbestimmten Zeitpunkt gemessenen Phasenstromwert als Offsetwert zu speichern und einen außerhalb des vorbestimmten Zeitpunkts von der Rogowski-Messeinrichtung gemessenen Phasenstromwert durch Subtrahieren des Offsetwerts zu korrigieren und den korrigierten Phasenstromwert oder einen daraus abgeleiteten Wert auszugeben. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung des Gleichstromanteils einer Rogowskistrommessung an einer Versorgungseinheit für eine Motorsteuerung.The invention relates to a supply unit for a motor control, with a three-phase supply input, a three-phase rectifier which is connected to the three-phase supply input; a DC voltage intermediate circuit which is connected to the three-phase rectifier, a computing unit and a Rogowski measuring device, set up to measure the phase current and output it to the computing unit. According to the invention, the supply unit has a network angle measuring device, a point in time being stored in the computing unit at which it can be assumed that the phase current is zero and the computing unit is set up to measure a phase current value measured by the Rogowski measuring device at the predetermined point in time save as offset value and correct a phase current value measured outside of the predetermined time by the Rogowski measuring device by subtracting the offset value and output the corrected phase current value or a value derived therefrom. The invention also relates to a corresponding method for determining the DC component of a Rogowski current measurement in a supply unit for an engine control.
Description
Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinheit für eine Motorsteuerung, welche an ein dreiphasiges Versorgungsnetz angeschlossen werden kann und zur Gleichspannungsversorgung für eine Motorsteuerung dient.The invention relates to a supply unit for a motor control, which can be connected to a three-phase supply network and is used for DC voltage supply for a motor control.
Eine derartige Versorgungseinheit für eine Motorsteuerung weist einen dreiphasigen Versorgungseingang auf, der an ein dreiphasiges Versorgungsnetz angeschlossen werden kann. Ein typisches Versorgungsnetz hat eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 120° zwischen den einzelnen Phasen und in Europa eine Frequenz von etwa 50 Hz. Die drei Phasen des Versorgungseingangs sind mit der Wechselspannungsseite eines Dreiphasengleichrichters verbunden, der durch das Schalten von Sperrelementen die einzelnen Phasen phasenrichtig auf dessen Gleichspannungsseite aufschaltet. An der Gleichspannungsseite ist ein Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, an den eine Motorsteuerung zu deren Gleichspannungsversorgung angeschlossen werden kann. Der Gleichspannungszwischenkreis kann bspw. eine größere Kapazität aufweisen, um die von dem Dreiphasengleichrichter gleichgerichtete Versorgungsspannung zu glätten.Such a supply unit for a motor controller has a three-phase supply input that can be connected to a three-phase supply network. A typical supply network has a phase shift of essentially 120 ° between the individual phases and a frequency of around 50 Hz in Europe. The three phases of the supply input are connected to the AC side of a three-phase rectifier, which switches the individual phases in the correct phase by switching blocking elements DC side switches on. A DC voltage intermediate circuit is connected to the DC voltage side, to which a motor controller for its DC voltage supply can be connected. The DC voltage intermediate circuit can, for example, have a larger capacity in order to smooth the supply voltage rectified by the three-phase rectifier.
Die Versorgungseinheit und die Motorsteuerung können auch in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Diese Kombination aus Versorgungseinheit und Motorsteuerung wird üblicherweise Frequenzumrichter oder Servoumrichter genannt.The supply unit and the motor control can also be arranged in a common housing. This combination of supply unit and motor control is usually called a frequency converter or servo converter.
In solchen Versorgungseinheiten ist es vorteilhaft, wenn der Phasenstrom der einzelnen Phasen am Versorgungseingang gemessen werden kann. Dies ist bspw. nötig um die Gesamtantriebsleistung eines Achsverbundes zu bestimmen, welcher mit einer Motorsteuerung oder mehreren Motorsteuerungen an der Versorgungseinheit angeschlossen sein kann. Die Effektivwerte der einzelnen Phasen sind außerdem von Bedeutung, um einzelne Bauteile vor Überlast zu schützen. Dies ist insbesondere von Interesse für den Schutz von Thyristoren, welche in Dreiphasengleichrichtern verbaut sein können. Des Weiteren kann durch die Messung der Phasenströme auch die Leistungsverteilung auf die einzelnen Phasen bestimmt werden. Von herausragendem Interesse ist insbesondere die Messung von Ableitströmen oder Fehlerströmen, wie sie im Fehlerfall bspw. durch einen Erdschluss an einem der Bauteile auftreten können. Der Fehlerstrom kann aus den einzelnen Phasenströmen ermittelt werden, da sich diese im fehlerfreien Betrieb zu null addieren und nur bei einem vorhandenen Fehlerstrom eine von null verschiedene Summe aufweisen. Aus Sicherheitsgründen ist es wünschenswert einen solchen Fehler zu detektieren um entsprechende Maßnahmen, wie beispielsweise eine Notabschaltung einleiten zu können.In such supply units, it is advantageous if the phase current of the individual phases can be measured at the supply input. This is necessary, for example, to determine the total drive power of an axis system that can be connected to the supply unit with one or more motor controls. The RMS values of the individual phases are also important to protect individual components from overload. This is of particular interest for the protection of thyristors, which can be installed in three-phase rectifiers. Furthermore, the power distribution over the individual phases can also be determined by measuring the phase currents. Of particular interest is the measurement of leakage currents or fault currents, such as those that can occur in the event of a fault, for example due to a ground fault on one of the components. The fault current can be determined from the individual phase currents, since these add up to zero in the fault-free operation and only have a non-zero sum if there is a fault current. For safety reasons, it is desirable to detect such an error in order to be able to initiate appropriate measures, such as an emergency shutdown.
Zur Strommessung des Phasenstroms weist die Versorgungseinheit deshalb eine Rogowski-Messeinrichtung auf, die an einer der drei Phasen des Versorgungseingangs angeordnet ist, um den Phasenstrom dieser Phase zu messen.To measure the phase current, the supply unit therefore has a Rogowski measuring device which is arranged on one of the three phases of the supply input in order to measure the phase current of this phase.
Eine Rogowski-Messeinrichtung umfasst insbesondere eine Rogowskispule, die beispielsweise als toroidförmige Luftspule ausgeführt sein kann. Die Rogowskispule kann dann beispielsweise konzentrisch um den zu messenden Stromleiter angeordnet werden. Ein durch den Stromleiter fließender Wechselstrom erzeugt ein veränderliches Magnetfeld, welches wiederum in der ihn umgebenden Rogowskispule eine Spannung induziert. Wird die Spannung in der Rogowskispule hochohmig gemessen, so dass der Strom in der Rogowskispule nahezu null ist, dann ist die gemessene Spannung proportional zur Zeitableitung des Stromes in dem Stromleiter. Um aus der Zeitableitung des Stroms den Strom selbst zu erhalten, muss ein Zeitintegral gebildet werden. Dies wird typischerweise mittels eines, beispielsweise als analoge Schaltung ausgebildeten, Integrators erreicht. Durch die Messung der Zeitableitung und anschließender Integration geht jedoch der Gleichstromanteil des Phasenstroms verloren. Mit einer Rogowski-Messeinrichtung, die zumindest aus einer Rogowskispule und einer zugehörigen Auswerteeinheit mit Integrator besteht, kann daher nur der Wechselstromanteil des Stromes direkt gemessen werden.A Rogowski measuring device in particular comprises a Rogowski coil, which can be designed, for example, as a toroidal air coil. The Rogowski coil can then be arranged, for example, concentrically around the conductor to be measured. An alternating current flowing through the current conductor generates a variable magnetic field, which in turn induces a voltage in the Rogowski coil surrounding it. If the voltage in the Rogowski coil is measured with high resistance, so that the current in the Rogowski coil is almost zero, then the measured voltage is proportional to the time derivative of the current in the conductor. In order to obtain the current itself from the time derivative of the current, a time integral must be formed. This is typically achieved by means of an integrator, for example in the form of an analog circuit. However, by measuring the time derivative and subsequent integration, the DC component of the phase current is lost. With a Rogowski measuring device, which consists at least of a Rogowski coil and an associated evaluation unit with integrator, only the AC component of the current can therefore be measured directly.
Die Phasenströme können jedoch neben dem Wechselstromanteil auch einen Gleichstromanteil aufweisen. Insbesondere bei einem Fehlerfall, wie einem Erdschluss, können die Phasenströme sogar hauptsächlich einen Gleichanteil enthalten, wohingegen der Wechselstromanteil sehr klein sein kann. Zur Fehlerstromdetektion werden die Phasenströme der drei Phasen typischerweise addiert. In einem fehlerfreien Betrieb sollten sich die Ströme der drei Phasen zu null addieren. Liegt ein Erdschluss vor, so ist die Summe der Phasenströme hingegen ungleich null. Ohne den großen Gleichstromanteil bleibt jedoch lediglich der kleine Wechselstromanteil zur Auswertung übrig. Somit erhält man ungünstiger Weise nur eine sehr kleine Messempfindlichkeit zur Detektion eines Erdschlusses. Soll bei Vorliegen eines Erdschlusses eine Abschaltung der Versorgungseinheit vorgenommen werden, so ist es nötig, einen entsprechend hohen Schwellwert zur Abschaltung zu verwenden, um Fehlabschaltungen zu vermeiden. Dadurch nimmt man jedoch in Kauf, dass hochohmige Erdschlüsse, welche zu vergleichsweise geringen Fehlerströmen führen, nicht erkannt werden können.In addition to the AC component, however, the phase currents can also have a DC component. In particular, in the event of a fault, such as an earth fault, the phase currents can even contain mainly a direct component, whereas the alternating current component can be very small. The phase currents of the three phases are typically added for fault current detection. In fault-free operation, the currents of the three phases should add up to zero. If there is an earth fault, however, the sum of the phase currents is not equal to zero. Without the large DC component, however, only the small AC component remains for evaluation. This results in an unfavorably low measuring sensitivity for the detection of an earth fault. If the supply unit is to be switched off when there is an earth fault, it is necessary to set a correspondingly high threshold value for the switch-off to be used to avoid faulty shutdowns. However, this means that high-resistance earth faults, which lead to comparatively low fault currents, cannot be detected.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Versorgungseinheit zu schaffen, mit der eine Bestimmung des Phasenstroms inklusive des Gleichstromanteils möglich ist. It is therefore an object of the invention to provide a supply unit with which a determination of the phase current including the DC component is possible.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Versorgungseinheit für eine Motorsteuerung mit einem dreiphasigen Versorgungseingang, die an ein dreiphasiges Versorgungsnetz angeschlossen werden kann, sowie einem Gleichspannungszwischenkreis zum Anschluss an eine Motorsteuerung zur Gleichspannungsversorgung der Motorsteuerung. Die Versorgungseinheit weist einen Dreiphasengleichrichter auf, dessen Wechselspannungsseite mit dem dreiphasigen Versorgungseingang verbunden ist, und dessen Gleichspannungsseite mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist. Die Strommessung erfolgt mittels einer Rogowski-Messeinrichtung, die an zumindest einer der drei Phasen des Versorgungseingangs angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Phasenstrom dieser Phase zu messen. Eine Rogowski-Messeinrichtung hat bauartbedingt ein Hochpassverhalten mit einer typischen Grenzfrequenz von unter 1 Hz. In der Messtechnik werden zwar untere Grenzfrequenzen von nur einigen Milliherz erreicht, der Aufwand dafür ist jedoch sehr hoch. Typischerweise sind 0,5 Hz ausreichend und kostengünstig realisierbar. Je nach Anwendung kann auch auf deutlich höhere Grenzfrequenzen ausgelegt werden. Der gemessene Phasenstromwert gibt daher nur den Wechselstromanteil des Stroms korrekt wieder. Der große Vorteil einer Rogowski-Messeinrichtung liegt jedoch darin, dass der Strom in dem Stromleiter gemessen werden kann, ohne dass die Messeinrichtung direkt Bestandteil des Schaltkreises des Stromleiters sein muss. Es können daher mit wenig Aufwand und sehr kostengünstig auch große Ströme gemessen werden. Die Rogowski-Messeinrichtung ist mit einer Recheneinheit verbunden, an die der gemessene Phasenstromwert ausgegeben wird. Die Rogowski-Messeinrichtung kann dazu beispielsweise ein analoges Signal an die Recheneinheit senden, die als Eingang für den Phasenstromwert einen AD-Wandler aufweisen kann. Damit kann das analoge Signal durch die Recheneinheit hochfrequent abgetastet werden, um als digitaler Wert in der Recheneinheit verarbeitet zu werden.The object is achieved by a supply unit for a motor control with a three-phase supply input, which can be connected to a three-phase supply network, and a DC voltage intermediate circuit for connection to a motor control for the DC supply of the motor control. The supply unit has a three-phase rectifier, the AC voltage side of which is connected to the three-phase supply input and the DC voltage side of which is connected to the DC voltage intermediate circuit. The current is measured by means of a Rogowski measuring device, which is arranged on at least one of the three phases of the supply input and is set up to measure the phase current of this phase. Due to its design, a Rogowski measuring device has a high-pass behavior with a typical cut-off frequency of less than 1 Hz. In measurement technology, lower cut-off frequencies of only a few milliseconds are reached, but the effort involved is very high. Typically, 0.5 Hz is sufficient and inexpensive to implement. Depending on the application, it can also be designed for significantly higher cut-off frequencies. The measured phase current value therefore only correctly reflects the AC component of the current. The great advantage of a Rogowski measuring device is, however, that the current in the conductor can be measured without the measuring device having to be a direct component of the circuit of the conductor. Large currents can therefore be measured with little effort and very inexpensively. The Rogowski measuring device is connected to a computing unit to which the measured phase current value is output. For this purpose, the Rogowski measuring device can, for example, send an analog signal to the computing unit, which can have an AD converter as an input for the phase current value. In this way, the analog signal can be scanned at high frequency by the computing unit in order to be processed as a digital value in the computing unit.
In einer einfachen Betrachtung der Grundschaltung des Dreiphasengleichrichters mit dahinter geschaltetem Gleichspannungszwischenkreis fließt zu jedem Zeitpunkt nur ein Strom zwischen der Phase mit dem positivsten und dem negativsten Potential. Der Strom in der Phase mit dazwischenliegendem Potential ist daher null. Jedoch entstehen durch Induktivitäten des Netzes und der verschiedenen Parameter der Versorgungseinheit Verschiebungen und Verbreiterungen, die dazu führen, dass der Bereich, in dem der Phasenstrom in der Praxis null ist, im Allgemeinen etwas kürzer ist und zu leicht unterschiedlichen Zeiten liegt. Es kann jedoch für alle in der Praxis relevanten Fälle für jede Phase ein Zeitraum angegeben werden, zu dem der Phasenstrom null ist. Der Zeitraum kann bspw. direkt für die jeweilige Versorgungseinheit gemessen werden oder aus Erfahrungswerten von typischen Versorgungseinheiten bestimmt werden. Alternativ kann mittels einer numerischen Simulation der jeweiligen Versorgungseinheit bestimmt werden, wann der Phasenstrom mit Sicherheit null ist.In a simple view of the basic circuit of the three-phase rectifier with a DC intermediate circuit connected behind it, only one current flows at any time between the phase with the most positive and the most negative potential. The current in the phase with the potential in between is therefore zero. However, inductances of the network and the various parameters of the supply unit result in shifts and widenings which lead to the area in which the phase current is practically zero in general being somewhat shorter and being at slightly different times. However, for all cases relevant in practice, a period can be specified for each phase when the phase current is zero. The time period can, for example, be measured directly for the respective supply unit or can be determined from experience values of typical supply units. Alternatively, a numerical simulation of the respective supply unit can be used to determine when the phase current is definitely zero.
In der Recheneinheit ist dann solch ein vorbestimmter Zeitpunkt und/oder ein vorbestimmter Zeitraum gespeichert, zu dem vorausgesetzt werden kann, dass der Phasenstrom der gemessenen Phase null ist. Der Zeitpunkt oder der Zeitraum wird dementsprechend als Nullzeit bezeichnet. Der vorbestimmte Zeitpunkt und/oder der vorbestimmte Zeitraum ist dabei auf den Netzwinkel bezogen, der den Zeitpunkt innerhalb einer Schwingungsperiode angibt. Eine Schwingungsperiode kann dabei typischerweise in einen Netzwinkel von 0° bis 360° aufgeteilt werden. Als Zeitpunkt bzw. Zeitraum kann beispielsweise direkt ein oder mehrere Netzwinkel gespeichert sein, wie beispielsweise „5°“ oder „1° bis 30°“. Alternativ kann ein Zeitpunkt oder eine bestimmte Zeitspanne nach einem bestimmten Netzwinkel gespeichert sein, wie etwa „0,1 ms nach dem positiven Nulldurchgang der Strangspannung der ersten Phase“. Als Strangspannung wird die Spannung zwischen einem Außenleiter und dem Netzsternpunkt bezeichnet.Such a predetermined point in time and / or a predetermined period of time is then stored in the computing unit, at which it can be assumed that the phase current of the measured phase is zero. The time or period is accordingly referred to as no-stop time. The predetermined point in time and / or the predetermined period of time is related to the network angle, which indicates the point in time within an oscillation period. A period of oscillation can typically be divided into a network angle of 0 ° to 360 °. For example, one or more network angles, such as “5 °” or “1 ° to 30 °”, can be stored directly as the time or period. Alternatively, a point in time or a specific period of time can be stored after a specific network angle, such as “0.1 ms after the positive zero crossing of the phase voltage of the first phase”. The phase voltage is the voltage between an outer conductor and the network star point.
Die Versorgungseinheit für eine Motorsteuerung weist dementsprechend eine Netzwinkel-Messeinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, den Netzwinkel an zumindest einer der drei Phasen des Versorgungseingangs zu bestimmen und an die Recheneinheit auszugeben. Wird der Versorgungseingang mit einem typischen Versorgungsnetz verbunden, liegt an jeder der Phasen eine sinusförmige Versorgungsspannung an, die typischerweise eine Frequenz von 50 Hz aufweist. In manchen Ländern, wie den USA, kann die Netzversorgung auch eine Frequenz von 60 Hz aufweisen. Die erfindungsgemäße Versorgungseinheit lässt sich für beide Fälle problemlos einsetzen. Beispielsweise wird der Netzwinkel des Versorgungsnetzes auf den positiven Nulldurchgang der Strangsspannung der ersten Phase bezogen. Prinzipiell sind jedoch beliebige Bezugspunkte möglich, da die drei Phasen untereinander eine im Wesentlichen feste Phasenbeziehung aufweisen und sich mit der gleichen Frequenz wiederholen.The supply unit for a motor controller accordingly has a network angle measuring device which is set up to determine the network angle at at least one of the three phases of the supply input and to output it to the computing unit. If the supply input is connected to a typical supply network, a sinusoidal supply voltage is present at each of the phases, which typically has a frequency of 50 Hz. In some countries, such as the United States, the power supply can also have a frequency of 60 Hz. The supply unit according to the invention can be used in both cases without any problems. For example, the network angle of the supply network is related to the positive zero crossing of the phase voltage of the first phase. In principle, however, any reference points are possible, since the three phases have an essentially fixed phase relationship with one another and are repeated at the same frequency.
Die Netzwinkel-Messeinrichtung bestimmt vorteilhafterweise den Netzwinkel anhand einer Spannungsmessung aller drei Netzspannungen. Üblich, beispielsweise bei Leistungsmessgeräten, ist hier eine PLL (Phasenregelkreis). Auch eine Netzwinkelbestimmung anhand nur einer oder zwei Phasen ist möglich, etwa bei einem Phasenausfall. Eine PLL kann an zumindest eine, vorteilhaft an alle, Phasen der drei Phasen des dreiphasigen Versorgungseingangs gekoppelt sein. Da die Netzspannung durch den Gleichrichter verzerrt wird (Kommutierungseinbrüche) und somit oberschwingungsbehaftet ist, kann durch die PLL besonders zuverlässig der Netzwinkel bestimmt werden. Die PLL rastet auf die Phasenlage der Spannungsgrundschwingung und ist so träge, dass sie gegenüber Netzstörungen oder Kommutierungseinbrüchen unempfindlich ist. Die PLL kann in Hardware aufgebaut sein, bevorzugt ist jedoch eine in Software ausgeführte PLL. Dabei wird aus einem dreiphasigen Koordinatensystem auf ein orthogonales Koordinatensystem transformiert, um die Netzspannung nach Betrag und Phasenwinkel zu erhalten. Der Phasenwinkel wird als Sollphase an die PLL ausgegeben. Die PLL regelt die Istphase eines in Software modellierten Netzspannungszeigers im orthogonalen Koordinatensystem so dass sie mit der Sollphase übereinstimmt. Der Regelkreis wird üblicherweise als Proportional-Integralregler ausgelegt. Der Integralanteil sorgt dafür, dass keine bleibende Regelabweichung im Netzwinkel auftritt, der Proportionalanteil ist für die Schwingungsdämpfung zuständig. The network angle measuring device advantageously determines the network angle on the basis of a voltage measurement of all three network voltages. A PLL (phase locked loop) is common here, for example in power measuring devices. A network angle determination using only one or two phases is also possible, for example in the event of a phase failure. A PLL can be coupled to at least one, advantageously all, of the phases of the three phases of the three-phase supply input. Since the line voltage is distorted by the rectifier (commutation dips) and is therefore subject to harmonics, the line angle can be determined particularly reliably by the PLL. The PLL locks onto the phase position of the fundamental voltage oscillation and is so sluggish that it is insensitive to line faults or commutation dips. The PLL can be constructed in hardware, but a PLL executed in software is preferred. It is transformed from a three-phase coordinate system to an orthogonal coordinate system in order to obtain the mains voltage according to the magnitude and phase angle. The phase angle is output to the PLL as the target phase. The PLL regulates the actual phase of a mains voltage pointer modeled in software in the orthogonal coordinate system so that it coincides with the target phase. The control loop is usually designed as a proportional integral controller. The integral component ensures that there is no permanent control deviation in the network angle, the proportional component is responsible for vibration damping.
Das Schleifenfilter des Regelkreises ist so ausgelegt dass der Phasenregelkreis sehr träge reagiert. Netzstörungen und Kommutierungseinbrüche können den so ermittelten Netzwinkel nicht stören. Außerdem rastet die PLL nur auf die Grundschwingung. Oberschwingungen auf der Netzspannung spielen keine Rolle. Die Software-PLL kann ebenfalls zur phasenrichtigen Ansteuerung des Thyristorgleichrichters während einer Vorladung und im Betrieb genutzt werden. Der mit der PLL ermittelte Netzwinkel wird durch die Netzwinkel-Messeinrichtung an die Recheneinheit ausgegeben.The loop filter of the control loop is designed so that the phase control loop reacts very sluggishly. Line faults and commutation dips cannot disturb the line angle determined in this way. In addition, the PLL only clicks on the fundamental vibration. Harmonics on the mains voltage are irrelevant. The software PLL can also be used to control the thyristor rectifier in phase during precharging and during operation. The network angle determined with the PLL is output by the network angle measuring device to the computing unit.
Die Recheneinheit ist dann dazu eingerichtet, einen von der Rogowski-Messeinrichtung zu dem vorbestimmten Zeitpunkt und/oder während des vorbestimmten Zeitraums gemessenen Phasenstromwert oder einen Mittelwert aus mehreren während des Zeitraums gemessenen Phasenstromwerten als Offsetwert zu speichern. Dazu kann die Recheneinheit den von der Netzwinkel-Messeinrichtung bestimmten und an die Recheneinheit ausgegebenen Netzwinkel mit dem in der Recheneinheit gespeicherten vorbestimmten Zeitpunkt oder dem vorbestimmten Zeitraum (nachfolgend „Nullzeit“) vergleichen, um festzustellen, ob die Nullzeit vorliegt. In diesem Fall wird der Phasenstrom gemessen bzw. der gemessene Phasenstromwert ausgelesen und in einen Speicherbereich für den Offsetwert abgespeichert. Da die Messwerte ein Rauschen enthalten können, ist es zweckmäßig, während der Nullzeit mehrere Messungen vorzunehmen, aus den gemessenen Werten einen Mittelwert zu bilden und diesen Mittelwert als Offset-Wert abzuspeichern. Insbesondere kann während der Nullzeit der Phasenstromwert durch die Recheneinheit abgetastet werden und ein Mittelwert aus sämtlichen Phasenstromwerten gebildet werden.The computing unit is then set up to store a phase current value measured by the Rogowski measuring device at the predetermined point in time and / or during the predetermined period or an average value from a plurality of phase current values measured during the period as an offset value. For this purpose, the computing unit can compare the network angle determined by the network angle measuring device and output to the computing unit with the predetermined point in time or the predetermined period of time (hereinafter “no-stop time”) stored in the computing unit in order to determine whether the no-stop time is present. In this case, the phase current is measured or the measured phase current value is read out and stored in a storage area for the offset value. Since the measured values can contain noise, it is expedient to take several measurements during the no-stop time, to form an average from the measured values and to save this average as an offset value. In particular, the phase current value can be sampled by the computing unit during the zero time and an average value can be formed from all phase current values.
Wird durch die Recheneinheit festgestellt, dass man sich außerhalb der Nullzeit befindet, so wird der von der Rogowski-Messeinrichtung gemessene Phasenstromwert korrigiert, indem der gespeicherte Offsetwert von dem gemessenen Phasenstromwert subtrahiert wird. Dieser korrigierte Phasenstromwert enthält dann den korrekten Gleichstromanteil des Phasenstroms. Der korrigierte Phasenstromwert kann von der Recheneinheit ausgegeben oder in ihr weiterverarbeitet und ein daraus abgeleiteter Wert ausgegeben werden.If the arithmetic unit determines that one is outside the no-stop time, the phase current value measured by the Rogowski measuring device is corrected by subtracting the stored offset value from the measured phase current value. This corrected phase current value then contains the correct direct current component of the phase current. The corrected phase current value can be output by the computing unit or processed further in it and a value derived therefrom can be output.
Da sich der Gleichstromanteil mit der Zeit ändern kann, beispielsweise bei einem plötzlichen Auftreten eines Erdschlusses, kann die Messung des Offsetwerts wiederholt werden. Insbesondere kann bei jeder Schwingungsperiode zu dem vorbestimmten Zeitpunkt bzw. dem vorbestimmten Zeitraum eine entsprechende Messung vorgenommen werden. Somit wird der Offsetwert ständig aktualisiert und es kann jederzeit ein korrigierter Phasenstromwert inklusive des korrekten Gleichstromanteils bestimmt werden.Since the DC component can change over time, for example in the event of a sudden earth fault, the measurement of the offset value can be repeated. In particular, a corresponding measurement can be carried out for each oscillation period at the predetermined point in time or the predetermined period of time. Thus, the offset value is constantly updated and a corrected phase current value including the correct DC component can be determined at any time.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann an jeder der drei Phasen des dreiphasigen Versorgungseingangs eine eigene Rogowski-Messeinrichtung vorgesehen sein, um den jeweiligen Phasenstrom dieser Phase zu messen. Die Recheneinheit ist in diesem Fall dazu eingerichtet, für jede dieser Phasen durch Subtraktion eines Offsetwertes einen korrigierten Phasenstromwert zu berechnen. Die korrigierten Phasenstromwerte können dann ausgegeben werden oder es kann aus den korrigierten Phasenstromwerten eine abgeleitete Größe berechnet werde. Beispielsweise kann aus den korrigierten Phasenstromwerten die Stromverteilung und die Leistungsverteilung auf die drei Phasen bestimmt werden.In a preferred embodiment of the invention, a separate Rogowski measuring device can be provided on each of the three phases of the three-phase supply input in order to measure the respective phase current of this phase. In this case, the computing unit is set up to calculate a corrected phase current value for each of these phases by subtracting an offset value. The corrected phase current values can then be output or a derived variable can be calculated from the corrected phase current values. For example, the current distribution and the power distribution over the three phases can be determined from the corrected phase current values.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der Recheneinheit für jede Phase ein vorbestimmter Zeitpunkt und/oder vorbestimmter Zeitraum (Nullzeit) bezogen auf den Netzwinkel gespeichert, zu dem vorausgesetzt werden kann, dass der Phasenstrom der jeweiligen Phase null ist. In der Recheneinheit können dazu tatsächlich drei eigene Speicherbereiche vorgesehen sein, in denen für jede Phase je eine eigene Nullzeit gespeichert ist. Alternativ kann ein einzelner Wert gespeichert sein, der für alle drei Phasen gültig ist. Dieser Wert kann sich dann insbesondere auf einen eigenen Referenzpunkt in der jeweiligen Phase beziehen. Beispielsweise kann ein Zeitpunkt mit Bezug auf den positiven Nulldurchgang in der jeweiligen Phase gespeichert sein.In a particularly preferred embodiment of the invention, a predetermined point in time and / or a predetermined period of time (zero time), based on the network angle, is stored in the computing unit for which it can be assumed that the phase current of the respective phase is zero. For this purpose, three separate memory areas can actually be provided in the computing unit, in which for each phase Each own no-stop time is saved. Alternatively, a single value can be stored that is valid for all three phases. This value can then refer in particular to a separate reference point in the respective phase. For example, a point in time with reference to the positive zero crossing can be stored in the respective phase.
Die Recheneinheit ist dann dazu eingerichtet, für jede der drei Phasen so vorzugehen, wie bereits für eine Phase beschrieben wurde. Es wird daher für jede Phase zu dem vorbestimmten Zeitpunkt beziehungsweise während des vorbestimmten Zeitraums der jeweiligen Phase ein von der Rogowski-Messeinrichtung gemessener Phasenstromwert der Phase oder ein Mittelwert aus mehreren während des vorbestimmten Zeitraums gemessenen Phasenstromwerten als Offsetwert dieser Phase gespeichert.The computing unit is then set up to proceed for each of the three phases as has already been described for one phase. A phase current value of the phase measured by the Rogowski measuring device or an average of a plurality of phase current values measured during the predetermined period is therefore stored as an offset value of this phase for each phase at the predetermined time or during the predetermined period of the respective phase.
In der Recheneinheit ist daher für jede Phase ein eigener Offsetwert gespeichert. Außerhalb des vorbestimmten Zeitpunkts oder des vorbestimmten Zeitraums wird der von der Rogowski-Messeinrichtung der jeweiligen Phase gemessene Phasenstromwert durch Subtraktion des jeweiligen Offsetwerts dieser Phase korrigiert. Die korrigierten Phasenstromwerte können dann durch die Recheneinheit ausgegeben oder in der Recheneinheit weiterverarbeitet werden. Es wird somit für jede einzelne Phase eine selbständige Korrektur vorgenommen.A separate offset value is therefore stored in the computing unit for each phase. Outside the predetermined point in time or the predetermined period of time, the phase current value measured by the Rogowski measuring device of the respective phase is corrected by subtracting the respective offset value of this phase. The corrected phase current values can then be output by the computing unit or further processed in the computing unit. An independent correction is therefore carried out for each individual phase.
Die Bezugsmasse der Recheneinheit und der Spannungsmesseinrichtung kann jeweils mit dem positiven Anschluss des Gleichspannungszwischenkreises verbunden sein.The reference ground of the computing unit and the voltage measuring device can each be connected to the positive connection of the DC voltage intermediate circuit.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Versorgungseinheit dazu eingerichtet, eine Fehlerstromdetektion durchzuführen. Dazu kann die Steuereinheit die korrigierten Phasenströme der drei Phasen zu einem Summenwert addieren. Im fehlerfreien Fall ist davon auszugehen, dass sich die drei Phasenströme zu null addieren. Verbleibt nach der Summenbildung der korrigierten Phasenströme ein Restwert, so liegt ein Fehlerstrom vor. Geringe Abweichungen von null sind jedoch aufgrund des Rauschens der einzelnen Messwerte normal. Um zu vermeiden, dass fälschlicherweise angenommen wird, dass ein Fehler vorliegt, wird ein von null verschiedener Schwellwert vorgesehen, und erst bei Überschreiten des Schwellwerts durch den Summenwert der korrigierten Phasenströme wird ein Fehler angenommen und ein entsprechendes Signal ausgegeben. Als Signal kann bspw. ein Alarmsignal ausgegeben werden oder ein Steuersignal, welches zur Abschaltung des Thyristorgleichrichters führt. Dadurch kann die Gleichspannungsseite des Dreiphasengleichrichters vorübergehend oder dauerhaft von der Wechselspannungsseite getrennt werden. Somit kann verhindert werden, dass durch den Fehlerstrom größere Schäden, wie etwa ein Kabelbrand, auftreten können.In a further particularly preferred embodiment of the invention, the supply unit is set up to carry out a fault current detection. For this purpose, the control unit can add the corrected phase currents of the three phases to a total value. In the error-free case, it can be assumed that the three phase currents add up to zero. If a residual value remains after the totalization of the corrected phase currents, there is a fault current. However, slight deviations from zero are normal due to the noise of the individual measured values. In order to avoid that it is erroneously assumed that there is an error, a non-zero threshold value is provided, and an error is only accepted and a corresponding signal is output when the threshold value is exceeded by the total value of the corrected phase currents. An alarm signal or a control signal, for example, can be output as a signal, which leads to the thyristor rectifier being switched off. As a result, the DC voltage side of the three-phase rectifier can be temporarily or permanently separated from the AC voltage side. This can prevent major damage, such as a cable fire, from occurring due to the fault current.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Recheneinheit dazu eingerichtet sein, eine Tiefpassfilterung auf den korrigierten Phasenstromwert oder einen daraus abgeleiteten Wert, insbesondere auf den Summenwert, anzuwenden. Da der korrigierte Phasenstromwert auch den Gleichstromanteil enthält und durch die Tiefpassfilterung lediglich der Wechselstromanteil geglättet wird, kann so der Gleichstromanteil bestimmt werden. Dadurch wird ein wesentlich glatteres Signal erzeugt, wodurch die Störfestigkeit stark erhöht werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, auch aus dem geglätteten Signal einer einzigen Phase auf einen Erdschluss zu schließen, wenn einer der Phasenströme nach Tiefpassfilterung einen Wert ungleich null erreicht. Ein Gleichanteil tritt bei einem idealen Gleichrichter nur bei einem Erdschluss auf. Bei realen Thyristorgleichrichtern kann ein sehr kleiner Gleichanteil im Phasenstrom jedoch auch im erdschlussfreien Betrieb durch Timingunterschiede in der Ansteuerung auftreten, weshalb die Summenbildung die bevorzugte Variante darstellt. Insbesondere kann ein zur Fehlerstromdetektion erzeugter Summenwert durch Tiefpassfilterung geglättet werden. Der Schwellwert zur Feststellung eines Fehlerstroms kann dann besonders klein gewählt werden, ohne dass durch ein Rauschen auf den Messsignalen ein Fehlalarm ausgelöst wird.In a further preferred embodiment of the invention, the computing unit can be set up to apply low-pass filtering to the corrected phase current value or a value derived therefrom, in particular to the total value. Since the corrected phase current value also contains the DC component and only the AC component is smoothed by the low-pass filtering, the DC component can be determined in this way. This produces a much smoother signal, which can greatly increase immunity to interference. Alternatively, it is also possible to conclude an earth fault from the smoothed signal of a single phase if one of the phase currents reaches a value other than zero after low-pass filtering. With an ideal rectifier, a DC component only occurs in the event of an earth fault. In real thyristor rectifiers, however, a very small DC component in the phase current can also occur in earth-fault-free operation due to timing differences in the control, which is why the sum formation is the preferred variant. In particular, a sum value generated for leakage current detection can be smoothed by low-pass filtering. The threshold value for determining a fault current can then be selected to be particularly small without a false alarm being triggered by a noise on the measurement signals.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Dreiphasengleichrichter als aktiver Gleichrichter, insbesondere Thyristor-Gleichrichter ausgebildet sein. Bei einem solchen aktiven Dreiphasengleichrichter, können die einzelnen Sperrelemente, bspw. Transistoren oder Thyristoren, von einer Recheneinheit leitend und sperrend geschaltet werden. Dies kann durch die beschriebene Recheneinheit der Versorgungseinheit erfolgen oder alternativ durch eine separate Recheneinheit. Mit einem aktiven Dreiphasengleichrichter ist es möglich, über die normale Gleichrichterfunktion hinaus, welche auch durch einen passiven Dioden-Gleichrichter erfüllt werden könnte, weitere Funktionen zu realisieren. Beispielsweise kann in einem Fehlerfall ein Thyristor-Gleichrichter komplett abgeschaltet werden, indem sämtliche Thyristoren sperrend geschaltet werden. Damit wird in einem Fehlerfall eine besonders schnelle Abschaltung der Versorgungseinheit gewährleistet, um mögliche Schäden an dem Dreiphasengleichrichter oder anderen Bauteilen der Versorgungseinheit oder an der angeschlossenen Motorsteuerung zu vermeiden.In a further preferred embodiment of the invention, the three-phase rectifier can be designed as an active rectifier, in particular a thyristor rectifier. In such an active three-phase rectifier, the individual blocking elements, for example transistors or thyristors, can be switched on and off by a computing unit. This can be done by the arithmetic unit of the supply unit described or alternatively by a separate arithmetic unit. With an active three-phase rectifier, it is possible to implement other functions beyond the normal rectifier function, which could also be performed by a passive diode rectifier. For example, in the event of a fault, a thyristor rectifier can be switched off completely by switching all the thyristors off. In the event of a fault, this ensures that the supply unit is switched off particularly quickly in order to avoid possible damage to the three-phase rectifier or other components of the supply unit or to the connected motor controller.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Thyristorgleichrichter durch die Recheneinheit angesteuert sein und die Recheneinheit dazu eingerichtet, bei einem Aufstarten der Versorgungseinheit den Gleichspannungszwischenkreis durch Phasenanschnitt vorzuladen. Bei einem Aufstarten der Versorgungseinheit ist eine in dem Gleichspannungszwischenkreis enthaltene Kapazität noch ungeladen. Durch den Phasenanschnitt kann der Bereich hoher Spannung herausgeschnitten werden, so dass nur mit geringerer Spannung geladen wird, um die Ströme zu begrenzen. So kann eine sichere Ladung der Kapazität gewährleistet werden, ohne dass die Arbeitsparameter der einzelnen Bauteile überschritten werden. Die Strombegrenzung erfolgt durch die Netzinduktivität gegebenenfalls in Verbindung mit einer Netzdrossel. Die Differenz aus der Netzspannung zum Zündzeitpunkt der Thyristoren (Kommutierungszeitpunkt) und der Zwischenkreisspannung fällt an der Induktivität ab und wird Kommutierungsspannung genannt. In a particularly preferred embodiment of the invention, the thyristor rectifier can be controlled by the computing unit and the computing unit can be set up to precharge the DC voltage intermediate circuit by phase gating when the supply unit is started up. When the supply unit is started, a capacitance contained in the DC voltage intermediate circuit is still uncharged. The phase cut enables the high voltage area to be cut out, so that charging is only carried out with a lower voltage in order to limit the currents. In this way, a secure loading of the capacity can be guaranteed without the working parameters of the individual components being exceeded. The current is limited by the line inductance, possibly in conjunction with a line reactor. The difference between the line voltage at the time of ignition of the thyristors (time of commutation) and the intermediate circuit voltage drops at the inductance and is called the commutation voltage.
Die Netzdrossel ist üblicherweise extern zwischen dem dreiphasigen Versorgungsnetz und dem dreiphasigen Versorgungseingang der Versorgungseinheit angeordnet. Auch eine Anordnung innerhalb der Versorgungseinheit ist möglich. Die Netzdrossel dient dazu, beim Aufstarten die Vorladung zu ermöglichen und insbesondere bei sehr harten Netzen mit kleiner Induktivität die Strombegrenzung sicher zu stellen. Außerdem können Kommutierungseinbrüche im Betrieb reduziert werden. Weiter wird die Gleichrichterbelastung im Betrieb gesenkt. Die Netzdrossel verkleinert den Phasenstromeffektivwert und somit die Strombelastung des Gleichrichters und des Versorgungsnetzes. Für die Drehfeld-Hauptinduktivität einer Netzdrossel einer Versorgungseinheiten mit einer Nennleistung von 75 kW kann beispielsweise ein gebräuchlicher Wert von 90 µH vorgesehen werden.The line reactor is usually arranged externally between the three-phase supply network and the three-phase supply input of the supply unit. An arrangement within the supply unit is also possible. The line choke is used to enable precharging when starting up and to ensure current limitation, especially in very hard networks with small inductance. Commutation drops in operation can also be reduced. The rectifier load during operation is also reduced. The line reactor reduces the effective phase current value and thus the current load of the rectifier and the supply network. A common value of 90 µH can be provided, for example, for the main inductance of a line choke of a supply unit with a rated power of 75 kW.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der vorbestimmte Zeitpunkt bzw. der vorbestimmte Zeitraum zwischen einem Netzwinkel von 1° und 30° und/oder zwischen 181° und 210°, bevorzugt von 7° und 25° und/oder zwischen 187° und 205°, bezogen auf den positiven Nulldurchgang der Strangspannung der jeweiligen Phase liegen. Dies entspricht bei der zweiten Phase, welche eine Phasenverschiebung von 120° zur ersten Phase aufweist, einem Netzwinkel zwischen 121° und 150° und/oder zwischen 301° und 330° bezüglich des Nulldurchgangs der ersten Phase. Bei der dritten Phase, welche eine Phasenverschiebung von 240° zur ersten Phase aufweist, einem Netzwinkel zwischen 241° und 270° und/oder zwischen 61° und 90° bezüglich des Nulldurchgangs der ersten Phase.In a further preferred embodiment of the invention, the predetermined point in time or the predetermined period of time can be between a network angle of 1 ° and 30 ° and / or between 181 ° and 210 °, preferably between 7 ° and 25 ° and / or between 187 ° and 205 °, based on the positive zero crossing of the phase voltage of the respective phase. In the second phase, which has a phase shift of 120 ° to the first phase, this corresponds to a network angle between 121 ° and 150 ° and / or between 301 ° and 330 ° with respect to the zero crossing of the first phase. In the third phase, which has a phase shift of 240 ° to the first phase, a network angle between 241 ° and 270 ° and / or between 61 ° and 90 ° with respect to the zero crossing of the first phase.
Zu den genannten Zeitpunkten kann für alle in der Praxis relevanten Fälle vorausgesetzt werden, dass der Phasenstrom null ist. Bei der natürlichen Kommutierung eines Gleichrichters an einem induktiven Netz verzögert sich die Abkommutierung des Stroms einer stromführenden Phase. Die Verzögerung ist dabei umso größer, je größer der abkommutierende Strom und je größer die Netzinduktivität ist. Bei einem rein induktiven Netz ist die Abkommutierungszeit (Verzögerung) größer als bei einem ohmsch-induktiven Netz gleichen Scheinwiderstands. Bei zunehmender Verzögerung wird die Zeit in der der Phasenstrom sicher null ist, kleiner. Auch die Parameter der Versorgungseinheit wirken sich auf die Nullzeit aus. Dies lässt sich den nachfolgenden Beispielen entnehmen:
- Im nachfolgenden Beispiel wird eine 90 pH-Netzdrossel verwendet, so wie sie typischerweise für eine Versorgungseinheit mit 75 kW Zwischenkreis-Dauerleistung und 180 kW kurzzeitige Zwischenkreis-Spitzenleistung vorgesehen wird. Diese Versorgungseinheit ist für eine dreiphasige Versorgungsspannung von 400 V bis 480 V bestimmt, bei einer zulässigen Toleranz der Netzspannung von ±10%.
- In the following example, a 90 pH line choke is used, as is typically provided for a supply unit with 75 kW DC link continuous power and 180 kW short DC link peak power. This supply unit is designed for a three-phase supply voltage from 400 V to 480 V, with a permissible tolerance of the mains voltage of ± 10%.
Der Netz-Kurzschlussstrom ist der theoretische Strom der in einer Phase fließen kann, wenn alle Phasen gegen den Sternpunkt kurzgeschlossen würden. Er hängt von der Netzinduktivität und dem ohmschen Widerstand des Netzes ab. Üblicherweise werden Versorgungseinheiten dieser Leistungsklasse an Versorgungsnetze mit einem Netz-Kurzschlussstrom von 10 kA und mehr angeschlossen. Ein Betrieb an Versorgungsnetzen mit wesentlich kleinerem Netzkurzschlussstrom ist nicht oder nur eingeschränkt bei geringerer Leistung möglich. The mains short-circuit current is the theoretical current that can flow in one phase if all phases were short-circuited to the star point. It depends on the network inductance and the ohmic resistance of the network. Supply units of this performance class are usually connected to supply networks with a short-circuit current of 10 kA and more. Operation on supply networks with a much smaller short-circuit current is not possible or only possible to a limited extent with lower power.
Die Zwischenkreiskapazität wird üblicherweise mit 100 µF pro kW Zwischenkreis-Dauerleistung ausgelegt. Für eine Versorgungseinheit mit 75 kW Zwischenkreis-Dauerleistung ist somit von üblicherweise 7500 µF auszugehen. Je nach Anwendung können die Zwischenkreise auch auf deutlich größere Kapazitätswerte von bis zu 30000 µF ausgelegt sein, beispielsweise zur Zwischenspeicherung von Bremsenergie.The DC link capacitance is usually designed with 100 µF per kW DC link continuous power. For a supply unit with 75 kW DC link continuous power, it is usually 7500 µF. Depending on the application, the intermediate circuits can also be designed for significantly larger capacitance values of up to 30,000 µF, for example for the temporary storage of braking energy.
Nachfolgend wird die Nullzeit für eine Netzfrequenz von 50 Hz mittels numerischer Simulation bei Variation der relevanten Parameter innerhalb der zu erwartenden Auslegungsgrenzen bestimmt, wobei in der mittleren Zeile jeweils die typischen Werte aufgeführt sind:
- Bei einer Variation der Kapazität des Zwischenkreises bei einer Netzspannung von 400 V, einem Netz-
Kurzschlussstrom von 10 kA und einer Zwischenkreisleistung von 75 kW ergeben sich beispielsweise die folgenden Werte für die Nullzeit:
- With a variation of the capacity of the DC link with a mains voltage of 400 V, a mains short-circuit current of 10 kA and an intermediate circuit power of 75 kW, the following values for no-stop time result, for example:
Bei einer Variation der Zwischenkreisleistung bei einer Netzspannung von 400 V, einem Netz-Kurzschlussstrom von 10 kA und einer Zwischenkreiskapazität von 7500 µF ergeben sich beispielsweise die folgenden Werte für die Nullzeit:
Bei einer Variation des Netz-Kurzschlussstroms bei einer Netzspannung von 400 V, einer Zwischenkreisleistung von 75 kW und einer Zwischenkreiskapazität von 7500 µF ergeben sich beispielsweise die folgenden Werte für die Nullzeit:
Bei einer Variation der Netzspannung bei einer Zwischenkreisleistung von 75kW, einer Zwischenkreiskapazität von 7500 µF und einem Netz-Kurzschlussstrom von 10 kA ergeben sich beispielsweise die folgenden Werte für die Nullzeit:
Als ein Extremfall der in der Praxis nicht mehr anzutreffen ist, kann daher ein sehr weiches Netz mit einer Netzspannung von 360 V, einem Netz-Kurzschlussstrom von 3,6 kA (rein induktiv), und einem Betrieb mit einer Zwischenkreisleistung von 180 kW angenommen werden. Die Größe der Zwischenkreiskapazität spielt wie zuvor gezeigt für die Nullzeit keine wesentliche Rolle.As an extreme case that can no longer be found in practice, a very soft network with a network voltage of 360 V, a network short-circuit current of 3.6 kA (purely inductive), and operation with an intermediate circuit power of 180 kW can be assumed , As shown above, the size of the DC link capacitance is of no importance for no-stop time.
Damit ergeben sich die folgenden Werte für die Nullzeit:
Selbst für Extremfälle der in der Praxis anzutreffenden Randbedingungen ist der Phasenstrom daher zwischen einem Netzwinkel von 1° und 30° stets null. Bei einem Versorgungsnetz von 50 Hz ist somit die Zeitspanne in der der Phasenstrom sicher Null ist stets größer als 1,6 ms.Even for extreme cases of the boundary conditions encountered in practice, the phase current is therefore always zero between a network angle of 1 ° and 30 °. With a supply network of 50 Hz, the period in which the phase current is safely zero is always greater than 1.6 ms.
Der Beginn des vorbestimmten Zeitraums bezogen auf den positiven Nulldurchgang der Strangspannung der betrachteten Phase kann zwischen 1° und 12°, bevorzugt zwischen 6° und 8°, besonders bevorzugt bei 7° liegen. Zu diesen Zeitpunkten kann mit Sicherheit angenommen werden, dass der jeweilige Phasenstrom bereits null ist, so dass eine Messung des Offsetwerts vorgenommen werden kann. The beginning of the predetermined time period based on the positive zero crossing of the phase voltage of the phase under consideration can be between 1 ° and 12 °, preferably between 6 ° and 8 °, particularly preferably 7 °. At these times, it can be assumed with certainty that the respective phase current is already zero, so that the offset value can be measured.
Die Länge des vorbestimmten Zeitraums bezogen auf ein Versorgungsnetz mit 50 Hz kann zwischen 0,1 ms und 1,6 ms, bevorzugt 0,5 ms und 1,2 ms, besonders bevorzugt 1 ms betragen. Damit können während des Zeitraums, in dem der Phasenstrom null ist, mehrere Messungen zur Mittelung vorgenommen werden. Gleichzeitig besteht nach vorne noch ein ausreichend großer Abstand zur Abkommutierungszeit und nach hinten noch ein ausreichend großer Abstand bis zum Beginn des Stromflusses, so dass Messfehler von bis zu 5° bei der Bestimmung des Netzwinkels tolerierbar sind.The length of the predetermined period in relation to a supply network with 50 Hz can be between 0.1 ms and 1.6 ms, preferably 0.5 ms and 1.2 ms, particularly preferably 1 ms. This means that several averaging measurements can be carried out during the period in which the phase current is zero. At the same time, there is still a sufficiently large distance to the commutation time at the front and a sufficiently large distance to the beginning of the current flow, so that measurement errors of up to 5 ° can be tolerated when determining the network angle.
Zur Speicherung des vorbestimmten Zeitraums können bspw. ein Startwert und eine Zeitdauer oder ein Startwert und ein Endwert in der Recheneinheit abgelegt sein. Vorteilhaft werden Winkel oder Winkelbereiche in der Recheneinheit abgelegt, die diese Werte für unterschiedliche Netzfrequenzen gleich sind.To store the predetermined period of time, for example, a start value and a time period or a start value and an end value can be stored in the computing unit. Angles or angular ranges are advantageously stored in the computing unit, which are the same for different network frequencies.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Recheneinheit dazu eingerichtet sein, als korrigierten Phasenstrom während des vorbestimmten Zeitraumes fest den Wert null auszugeben. Da während des vorbestimmten Zeitraumes angenommen werden kann, dass der Phasenstrom null ist, muss keine Korrektur des Phasenstroms vorgenommen werden. Außerdem wird somit ein mögliches Rauschen auf dem gemessenen Phasenstrom nicht an den Ausgang übertragen.In a further preferred embodiment of the invention, the computing unit can be set up to permanently output the value zero as the corrected phase current during the predetermined period. Since it can be assumed during the predetermined period that the phase current is zero, no correction of the phase current has to be made. In addition, a possible noise on the measured phase current is not transmitted to the output.
Alternativ kann die Recheneinheit dazu eingerichtet sein, den, während des vorbestimmten Zeitraums für jede Phase von der Rogowski-Messeinrichtung gemessenen, Phasenstromwert durch Subtraktion eines zu einem vorherigen vorbestimmten Zeitraum von der Rogowski-Messeinrichtung bestimmten Offsetwerts zu korrigieren.Alternatively, the computing unit can be set up to correct the phase current value measured by the Rogowski measuring device for each phase during the predetermined time period by subtracting an offset value determined by the Rogowski measuring device at a previous predetermined time period.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Rogowski-Messeinrichtung eine Rogowski-Spule aufweisen, die Leiterbahnen auf einer Leiterplatte umfasst. Eine derartige Rogowski-Spule ist besonders einfach und kostengünstig zu fertigen, ist besonders platzsparend und kann daher gut in einer Versorgungseinheit integriert werden. Auf die üblicherweise auf der Wechselspannungsseite des Dreiphasengleichrichters verwendeten großvolumigen und teuren AC-Stromwandler kann gänzlich verzichtet werden, so dass das Bauvolumen und die Herstellungskosten der Versorgungseinheit wesentlich reduziert werden können.In a further preferred embodiment of the invention, the Rogowski measuring device can have a Rogowski coil, which comprises conductor tracks on a printed circuit board. Such a Rogowski coil is particularly simple and inexpensive to manufacture, is particularly space-saving and can therefore be easily integrated in a supply unit. The large-volume and expensive AC current transformers usually used on the AC side of the three-phase rectifier can be dispensed with entirely, so that the construction volume and the manufacturing costs of the supply unit can be significantly reduced.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung des Gleichstromanteils einer Rogowski-Strommessung an einer Versorgungseinheit für eine Motorsteuerung mit den folgenden Schritten:
- - Messen eines Phasenstromwerts an einer Phase eines Versorgungseingangs der Versorgungseinheit während eines Zeitraums zu dem vorausgesetzt werden kann, dass der Phasenstrom der Phase null ist,
- - Speichern des gemessenen Phasenstromwerts als Offsetwert,
- - Messen eines Phasenstromwerts an der Phase des Versorgungseingangs der Versorgungseinheit außerhalb eines Zeitraums zu dem vorausgesetzt werden kann, dass der Phasenstrom der Phase null ist,
- - Korrigieren des gemessenen Phasenstroms durch Subtraktion des Offsetwerts;
- Measuring a phase current value at a phase of a supply input of the supply unit during a period when the phase current of the phase can be assumed to be zero,
- Storing the measured phase current value as an offset value,
- Measuring a phase current value at the phase of the supply input of the supply unit outside a period of time when it can be assumed that the phase current of the phase is zero,
- - correcting the measured phase current by subtracting the offset value;
Die Erfindung betrifft außerdem eine Versorgungseinheit für eine Motorsteuerung mit einem dreiphasigen Versorgungseingang zum Anschluss an ein dreiphasiges Versorgungsnetz sowie einen Dreiphasengleichrichter, dessen Wechselspannungsseite mit dem dreiphasigen Versorgungseingang verbunden ist und einem Gleichspannungszwischenkreis zum Anschluss an eine Motorsteuerung, insbesondere eine der vorstehend beschriebenen Versorgungseinheiten. Die Versorgungseinheit weist weiter einen Bremschopper in dem Gleichspannungszwischenkreis auf, mit einem Bremswiderstand zur Dissipation von Energie und einem Schaltelement zum Schalten des Bremschoppers zwischen einem deaktivierten Zustand, in dem kein Strom durch den Bremswiderstand fließen kann und einem aktivierten Zustand, in dem Strom durch den Bremswiderstand fließen kann.The invention also relates to a supply unit for a motor control with a three-phase supply input for connection to a three-phase supply network and a three-phase rectifier, the AC side of which is connected to the three-phase supply input and a DC voltage intermediate circuit for connection to a motor control, in particular one of the supply units described above. The supply unit also has a brake chopper in the DC voltage intermediate circuit, with a braking resistor for dissipating energy and a switching element for switching the braking chopper between a deactivated state in which no current can flow through the braking resistor and an activated state in the current through the braking resistor can flow.
Wird ein an die Versorgungseinheit über eine Motorsteuerung angeschlossener Motor gebremst, so wird typischerweise Energie in den Gleichspannungszwischenkreis zurückgeführt. Um zu verhindern, dass durch die überschüssige Energie Schäden auftreten können, muss die zugeführte Energie abgeführt, beispielsweise in einem dissipativen Element in Wärme umgewandelt werden. Dazu ist der Bremschopper im Gleichspannungszwischenkreis vorgesehen.If a motor connected to the supply unit via a motor controller is braked, energy is typically returned to the DC link. To prevent the excess energy from causing damage, the energy supplied must be dissipated, for example, be converted into heat in a dissipative element. For this purpose, the brake chopper is provided in the DC link.
Der Bremschopper kann beispielsweise zwischen einem positiven und negativen Anschluss des Gleichspannungszwischenkreises angeordnet sein. Durch das Schaltelement wird der Bremswiderstand zwischen den positiven und negativen Anschluss des Gleichspannungszwischenkreises geschaltet, sodass ein Strom durch den Bremswiderstand fließen kann. In dem Bremswiderstand wird dadurch die in dem Gleichspannungszwischenkreis gespeicherte elektrische Energie in Wärme umgewandelt, wodurch sich der Bremswiderstand erwärmt. Das Schaltelement kann dabei über Hardware angesteuert sein, so dass bei einem Überschreiten einer Grenzspannung im Gleichspannungszwischenkreis das Schaltelement den Bremschopper aktiviert und Strom durch den Bremswiderstand fließen kann. Alternativ kann das Schaltelement auch durch eine Recheneinheit gesteuert sein, die das Schaltelement bei Bedarf schaltet, um den Bremschopper zu aktivieren. Wenn das Schaltelement nicht durch die Recheneinheit gesteuert ist, so kann diese den Ansteuerzustand des Schaltelementes detektieren, um Informationen über den Zustand des Schaltelements zu erhalten.The brake chopper can be arranged, for example, between a positive and negative connection of the DC link. The switching element switches the braking resistor between the positive and negative connection of the DC link, so that a current can flow through the braking resistor. As a result, the electrical energy stored in the DC voltage intermediate circuit is converted into heat in the braking resistor, as a result of which the braking resistor heats up. The switching element can be controlled via hardware, so that when a limit voltage in the DC voltage intermediate circuit is exceeded, the switching element activates the brake chopper and current can flow through the braking resistor. Alternatively, the switching element can also be controlled by a computing unit, which switches the switching element as required to activate the brake chopper. If the switching element is not controlled by the computing unit, it can detect the actuation state of the switching element in order to obtain information about the state of the switching element.
Durch einen Fehler im Bremswiderstand, wie beispielsweise einen Kurzschluss oder einen teilweisen Kurzschluss, der zu einem verringerten Widerstandswert führt, können sehr große Überlast-Ströme durch den Bremswiderstand fließen. Dadurch können insbesondere Zuleitungen zum Bremswiderstand, welche nicht für derart hohe Ströme ausgelegt sind, überhitzen und sogar in Brand geraten. Es sollten daher Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, um eine Überlast schnell zu erkennen und entsprechende Maßnahmen ergreifen zu können.A fault in the braking resistor, such as a short circuit or a partial short circuit, which leads to a reduced resistance value, can result in very large overload currents flowing through the braking resistor. As a result, leads to the braking resistor, in particular, which are not designed for such high currents, can overheat and even catch fire. Safety precautions should therefore be taken to quickly identify an overload and take appropriate measures.
Zum Schutz gegen Überlast im Bremswiderstand muss daher die im Bremswiderstand umgesetzte Leistung oder der durch den Bremswiederstand fließende Strom bestimmt werden. Dazu ist an dem Bremswiderstand eine Spannungsmesseinrichtung angeordnet, die dazu eingerichtet ist, den Spannungsabfall über dem Bremswiderstand zu messen und an die Recheneinheit auszugeben. Die Bezugsmasse der Recheneinheit und der Spannungsmesseinrichtung ist vorteilhaft am positiven Anschluss des Zwischenkreises angeordnet weil so beispielsweise die oberen Thyristoren des dreiphasigen Gleichrichters besonders einfache angesteuert werden können und auch die Netzspannung besonders einfache gemessen werden kann. Somit ist die Messung des Spannungsabfalls über dem Bremswiderstand ebenfalls besonders einfach und kostengünstig möglich. Da der Widerstandswert des Bremswiderstands jedoch nicht konstant ist, sich insbesondere mit der Temperatur verändert, ist die Leistungsbestimmung mittels des Spannungsabfalls über dem Bremswiderstand alleine sehr ungenau. Die Versorgungseinheit umfasst daher außerdem eine Rogowski-Messeinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, den Bremsstrom durch den Bremswiderstand zu messen und an die Recheneinheit auszugeben. Die Rogowski-Messeinrichtung kann innerhalb des Gerätes an der Ausgangsklemme zu einem extern angeschlossenen Bremswiderstand angeordnet sein. Da jedoch eine Strommessung mit einer Rogowski-Messeinrichtung lediglich den Wechselstromanteil des Bremsstroms bestimmen kann, ist eine Leistungsbestimmung der Bremsleistung mit der Rogowski-Messeinrichtung alleine ebenfalls nicht möglich, da der Strom durch den Bremswiderstand im Wesentlichen einen Gleichstromanteil aufweist.To protect against overload in the braking resistor, the power converted in the braking resistor or the current flowing through the braking resistor must be determined. For this purpose, a voltage measuring device is arranged on the braking resistor, which is set up to measure the voltage drop across the braking resistor and to output it to the computing unit. The reference ground of the arithmetic unit and the voltage measuring device is advantageously arranged at the positive connection of the intermediate circuit because, for example, the upper thyristors of the three-phase rectifier can be controlled in a particularly simple manner and the mains voltage can also be measured particularly easily. The measurement of the voltage drop across the braking resistor is thus also particularly simple and inexpensive. However, since the resistance value of the braking resistor is not constant, in particular changes with temperature, the power determination by means of the voltage drop across the braking resistor alone is very imprecise. The supply unit therefore also comprises a Rogowski measuring device which is set up to measure the braking current through the braking resistor and to output it to the computing unit. The Rogowski measuring device can be arranged inside the device at the output terminal for an externally connected braking resistor. However, since a current measurement with a Rogowski measuring device can only determine the AC component of the braking current, it is likewise not possible to determine the braking power with the Rogowski measuring device alone, since the current through the braking resistor essentially has a DC component.
Die Recheneinheit nutzt daher sowohl den gemessenen Spannungsabfall am Widerstand als auch den von der Rogowski-Messeinrichtung gemessenen Stromwert zur Bestimmung des Bremsstroms durch den Bremswiderstand. Dazu ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, eine Offsetmessung durchzuführen. Dabei wird zu einem Zeitpunkt, zu dem der Bremschopper in einem deaktivierten Zustand ist, der von der Rogowski-Messeinrichtung gemessene Bremsstromwert als Brems-Offsetwert gespeichert. Da kein Strom durch den Bremswiderstand fließen kann, während der Bremschopper deaktiviert ist, kann angenommen werden, dass der Bremsstrom zu diesem Zeitpunkt null ist. Der von der Rogowski-Messeinrichtung gemessene Stromwert ist daher lediglich als Offset aufzufassen und wird demnach als Brems-Offsetwert gespeichert.The computing unit therefore uses both the measured voltage drop across the resistor and the current value measured by the Rogowski measuring device to determine the braking current through the braking resistor. For this purpose, the computing unit is set up to carry out an offset measurement. At a time when the brake chopper is in a deactivated state, the brake current value measured by the Rogowski measuring device is stored as a brake offset value. Since no current can flow through the braking resistor while the brake chopper is deactivated, it can be assumed that the braking current is zero at this time. The current value measured by the Rogowski measuring device is therefore only to be interpreted as an offset and is therefore stored as a brake offset value.
Die Recheneinheit ist außerdem dazu eingerichtet, in einem weiteren Schritt eine Referenzmessung durchzuführen, um den genauen Widerstandswert des Bremswiderstands zu bestimmen. Dazu wird, während der Bremschopper in einem aktivierten Zustand ist, von der Rogowski-Messeinrichtung ein Bremsstrom gemessen. Dieser wird durch Subtraktion des Brems-Offsetwerts korrigiert. Zur selben Zeit wie der Bremsstrom wird von der Spannungs-Messeinrichtung der Spannungsabfall über dem Bremswiderstand gemessen. Dieser wird durch den korrigierten Bremsstromwert dividiert, um den Widerstandswert des Bremswiderstands zu berechnen. Dieser Widerstandswert wird in der Recheneinheit abgespeichert. Der Bremsstrom und/oder die Bremsleistung können dann zu jedem beliebigen Zeitpunkt aus dem von der Spannungsmesseinrichtung gemessenen Spannungsabfall über dem Bremswiderstand und dem in der Recheneinheit gespeicherten Widerstandswert berechnet werden. Da der Widerstandswert durch Offset- und Referenzmessung aktualisiert wird, ist die Bremsstromberechnung aus diesem Wert wesentlich genauer als mit einem festen Widerstandswert.The computing unit is also set up to carry out a reference measurement in a further step in order to determine the exact resistance value of the braking resistor. For this purpose, a braking current is measured by the Rogowski measuring device while the brake chopper is in an activated state. This is corrected by subtracting the brake offset value. At the same time as the braking current, the voltage drop across the braking resistor is measured by the voltage measuring device. This is divided by the corrected braking current value in order to calculate the resistance value of the braking resistor. This resistance value is stored in the computing unit. The braking current and / or the braking power can then be calculated at any time from the voltage drop across the braking resistor measured by the voltage measuring device and the resistance value stored in the computing unit. Since the resistance value is updated by offset and reference measurement, the braking current calculation from this value is much more precise than with a fixed resistance value.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird an einem Übergang vom deaktivierten in den aktivierten Zustand des Bremschoppers gemessen. Die Offsetmessung wird im deaktivierten Zustand, insbesondere unmittelbar vor dem Übergang in den aktivierten Zustand durchgeführt. Die Offsetmessung erfolgt im deaktivierten Zustand insbesondere in einem Zeitraum ab 0,5 ms vor dem Schalten des Bremschoppers in den aktivierten Zustand. Die Referenzmessung wird dann im aktivierten Zustand des Bremschoppers durchgeführt, der direkt auf den deaktivierten Zustand des Bremschoppers folgt, in dem die Offsetmessung durchgeführt wurde. Die Referenzmessung erfolgt im aktivierten Zustand insbesondere nach einem Zeitraum von 0,5 ms nach dem Schalten des Bremschoppers bis 1 ms nach Schalten des Bremschoppers.
Das heißt, dass Referenzmessung und Offsetmessung nur durch einen einzigen Schaltvorgang von dem deaktivierten Zustand in den aktivierten Zustand getrennt sind. In a preferred embodiment of the invention, the transition from the deactivated to the activated state of the brake chopper is measured. The offset measurement is carried out in the deactivated state, in particular immediately before the transition to the activated state. The offset measurement is carried out in the deactivated state, in particular in a period from 0.5 ms before the brake chopper is switched to the activated state. The reference measurement is then carried out in the activated state of the brake chopper, which directly follows the deactivated state of the brake chopper in which the offset measurement was carried out. The reference measurement takes place in the activated state, especially after a period of 0.5 ms after switching the brake chopper to 1 ms after switching the brake chopper.
This means that the reference measurement and offset measurement are separated from the deactivated state into the activated state only by a single switching operation.
Alternativ wird am Übergang vom aktivierten in den deaktivierten Zustand des Bremschoppers gemessen: Die Referenzmessung wird dann im aktivierten Zustand, insbesondere ab 0,5 ms bis unmittelbar vor dem Übergang in den deaktivierten Zustand durchgeführt. Während dieser Zeit wird auch die Spannungsmessung des Spannungsabfalls am Bremswiderstand durchgeführt. Die Offsetmessung erfolgt im anschließenden deaktivierten Zustand, insbesondere nach einem Zeitraum von 0,5 ms nach dem Schalten des Bremschoppers bis 1 ms nach Schalten des Bremschoppers.Alternatively, the transition from the activated to the deactivated state of the brake chopper is measured: The reference measurement is then carried out in the activated state, in particular from 0.5 ms until immediately before the transition to the deactivated state. During this time the voltage drop across the braking resistor is measured. The offset measurement is carried out in the subsequently deactivated state, in particular after a period from 0.5 ms after switching the brake chopper to 1 ms after switching the brake chopper.
Alternativ kann auch an beiden Übergängen, am Übergang vom deaktivierten in den aktivierten Zustand und am Übergang vom aktivierten in den deaktivierten Zustand, gemessen werden.Alternatively, measurements can also be taken at both transitions, at the transition from the deactivated to the activated state and at the transition from the activated to the deactivated state.
Da die Rogowski-Messeinrichtung nur den Wechselstromanteil des Stroms korrekt bestimmen kann, ist der gemessene Stromwert trotz Offset-Korrektur im Prinzip nur direkt nach einem Schaltvorgang in den aktivierten Zustand völlig korrekt. Mit größerem Abstand von dem Schaltvorgang nimmt die Ungenauigkeit zu. Der maximal mögliche Wert für das Messende beträgt 100 ms nach dem Schaltvorgang, wenn die Auswerteelektronik der Rogowskispule eine untere Grenzfrequenz von einigen Milliherz aufweist. Direkt nach dem Schaltvorgang treten jedoch Einschwingvorgänge und magnetische Störungen auf, die ebenfalls zu Ungenauigkeiten in der Messung führen können. Jeder Bremswiderstand hat eine parasitäre Induktivität. Die elektrische Zeitkonstante beträgt bei Bremswiderständen für große Bremsleistungen typischerweise in etwa 15 µs. 500 µs nach dem Einschalten, also nach etwa 33 Zeitkonstanten, ist der Strom im Bremswiderstand vollständig eingeschwungen. Somit kann nach etwa 500 µs eine Strommessung durchgeführt werden. Werden sehr induktivitätsarme Bremswiderstande in Verbindung mit einem schnellen Schaltelement verwendet und die Rogowski-Messeinrichtung in magnetisch störunempfindlicher Anordnung eingesetzt, können die Messungen bereits nach etwa 10 bis 50 µs durchgeführt werden.Since the Rogowski measuring device can only correctly determine the alternating current component of the current, the measured current value is, in principle, only completely correct, despite the offset correction, directly after a switching operation into the activated state. The greater the inaccuracy, the greater the distance from the switching operation. The maximum possible value for the end of the measurement is 100 ms after the switching process if the evaluation electronics of the Rogowski coil have a lower cut-off frequency of a few milliseconds. However, settling and magnetic disturbances occur immediately after the switching process, which can also lead to inaccuracies in the measurement. Every braking resistor has a parasitic inductance. The electrical time constant for braking resistors for high braking power is typically around 15 µs. 500 µs after switching on, i.e. after about 33 time constants, the current in the braking resistor has settled completely. A current measurement can thus be carried out after about 500 µs. If very low-inductance braking resistors are used in connection with a fast switching element and the Rogowski measuring device is used in a magnetically insensitive arrangement, the measurements can be carried out after only about 10 to 50 µs.
Es ist daher in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Recheneinheit derart eingerichtet ist, dass die Referenzmessung während eines Zeitraums von 0,01 bis 100 ms, bevorzugt nach 0,05 bis 10 ms, besonders bevorzugt nach 0,5 bis 1 ms nach einem Schalten des Bremschoppers in den aktivierten Zustand durchgeführt wird. Zu dieser Zeit ist der Strom durch den Bremswiderstand eingeschwungen. Weiterhin sind Störungen im Messwert, wie sie etwa durch magnetische Einkopplung während des Schaltvorganges entstehen können, nach dieser Zeit sicher abgeklungen. Mit steigendem zeitlichen Abstand von dem Schaltvorgang in den aktivierten Zustand wird die Strommessung mittels Rogowski-Messeinrichtung immer ungenauer. In dem angegebenen Zeitraum kann die Rogowski-Messeinrichtung noch einen sehr genauen Stromwert ausgeben. Damit kann in einem Zeitraum von 0,01 bis 100 ms nach einem Schalten des Bremschoppers in einen aktivierten Zustand eine besonders genaue Referenzmessung durchgeführt werden.It is therefore provided in a further preferred embodiment of the invention that the computing unit is set up in such a way that the reference measurement takes place over a period of 0.01 to 100 ms, preferably after 0.05 to 10 ms, particularly preferably after 0.5 to 1 ms after switching the brake chopper into the activated state. At this time, the current through the braking resistor has settled. Furthermore, disturbances in the measured value, such as those that can arise from magnetic coupling during the switching process, have surely subsided after this time. As the time interval from the switching process to the activated state increases, the current measurement by means of a Rogowski measuring device becomes increasingly inaccurate. During the specified period, the Rogowski measuring device can still output a very precise current value. This enables a particularly precise reference measurement to be carried out within a period of 0.01 to 100 ms after the brake chopper is switched to an activated state.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, die Offsetmessung während eines Zeitraums von 0,5 ms direkt vor einem Schalten des Bremschoppers in einen aktivierten Zustand durchzuführen. Durch die Offsetmessung unmittelbar vor dem Einschalten des Bremschoppers wird der Offset der Rogowski-Strommessung besonders genau bestimmt, da sich dieser bis zu der Referenzmessung in einem anschließenden aktivierten Zustand nicht mehr wesentlich verändern kann.In a further preferred embodiment of the invention, the computing unit is set up to carry out the offset measurement for a period of 0.5 ms directly before the brake chopper is switched to an activated state. The offset measurement of the Rogowski current measurement is determined particularly precisely by the offset measurement immediately before the brake chopper is switched on, since it cannot change significantly until the reference measurement in a subsequent activated state.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, bei der Messung des Bremsstroms in deaktiviertem Zustand und/oder bei der Messung des Bremsstroms in aktiviertem Zustand und/oder bei der Messung des Spannungsabfalls über den Bremswiderstand über eine vorbestimmte Messzeit zu mitteln. Durch die Durchführung einer Mittelung während der Messungen wird ein Einfluss durch ein mögliches Rauschen minimiert.In a special embodiment of the invention, the computing unit is set up to average over a predetermined measurement time when measuring the braking current in the deactivated state and / or when measuring the braking current in the activated state and / or when measuring the voltage drop across the braking resistor. By performing an averaging during the measurements, an influence by possible noise is minimized.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, die Offsetmessung und die Referenzmessung in einem laufenden Betrieb zu wiederholen, um den gespeicherten Widerstandswert ständig zu aktualisieren. Dadurch werden während des laufenden Betriebs auftretende Schwankungen des Widerstandswerts des Bremswiderstands detektiert und berücksichtigt, so dass jederzeit durch den korrigierten Widerstandswert und den Spannungsabfall über den Widerstand der korrekte Bremsstrom berechnet werden kann. In a further preferred embodiment of the invention, the computing unit is set up to repeat the offset measurement and the reference measurement in an ongoing operation in order to constantly update the stored resistance value. As a result, fluctuations in the resistance value of the braking resistor that occur during operation are detected and taken into account, so that the correct braking current can be calculated at any time by means of the corrected resistance value and the voltage drop across the resistor.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, den gespeicherten Widerstandswert nur mittels einer Offsetmessung und einer Referenzmessung zu aktualisieren, wenn der Bremschopper vor dem Schalten in denjenigen Zustand im welchem die Referenzmessung erfolgt zuvor mehr als 0,1 ms, bevorzugt mehr als 0,5 ms, besonders bevorzugt mehr als 1 ms deaktiviert war. Damit wird vermieden, dass durch ein schnelles Aktivieren und Deaktivieren verursachte Fehlmessungen zu einem falschen Widerstandswert führen. Insbesondere könnte die Offsetmessung neben dem Offset noch einen Anteil an einem tatsächlich fließenden Strom aufweisen und so zu einer fehlerhaften Offsetmessung führen. 500 µs nach dem Schalten des Bremschoppers in einen deaktivierten Zustand, also nach etwa 33 Zeitkonstanten, ist der Strom im Bremswiderstand vollständig abgeklungen. Somit kann etwa 500 µs nach dem Deaktivieren eine Offsetmessung durchgeführt werden.In a further embodiment of the invention, the computing unit is set up to update the stored resistance value only by means of an offset measurement and a reference measurement if the brake chopper before switching to the state in which the reference measurement takes place previously more than 0.1 ms, preferably more than 0.5 ms, particularly preferably more than 1 ms was deactivated. This prevents incorrect measurements caused by rapid activation and deactivation from leading to an incorrect resistance value. In particular, in addition to the offset, the offset measurement could also have a portion of an actually flowing current and thus lead to an incorrect offset measurement. The current in the braking resistor has completely decayed 500 µs after the brake chopper has been switched to a deactivated state, that is to say after about 33 time constants. An offset measurement can thus be carried out about 500 µs after deactivation.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, den durch die Rogowski-Messeinrichtung gemessenen Stromwert kontinuierlich abzutasten, und in einem FIFO-Speicher abzulegen. Ein solcher „First-In-First-Out“ Speicher hat eine feste Anzahl an Speicherstellen und liest jeweils einen neuen Messwert ein und überschreibt dazu den ältesten gespeicherten Messwert.In a further preferred embodiment of the invention, the computing unit is set up to continuously scan the current value measured by the Rogowski measuring device and to store it in a FIFO memory. Such a “first-in-first-out” memory has a fixed number of memory locations and reads in a new measured value and overwrites the oldest stored measured value.
Wird ein Schaltvorgang von einem deaktivierten Zustand in den aktivierten Zustand detektiert, so können die in dem FIFO-Speicher abgelegten Strommesswerte ausgelesen und der Mittelwert der Messwerte gebildet werden. Die Messwerte in dem FIFO Speicher sind dann während des deaktivierten Zustands aufgenommen. Deren Mittelwert kann daher als Brems-Offsetwert in der Recheneinheit gespeichert werden. Nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Aktivieren des Bremschoppers, bspw. 1 ms nach dem Aktivieren des Bremschoppers, kann der FIFO-Speicher erneut ausgelesen und der Mittelwert der Messwerte beispielsweise der letzten 0,5 ms gebildet werden. Die vorbestimmte Zeit nach dem Aktivieren kann dabei so gewählt werden, dass der FIFO Speicher Messwerte in aktiviertem Zustand des Bremschoppers enthält. Der Mittelwert entspricht daher dem gemessenen Bremsstrom in aktiviertem Zustand und kann für die Referenzmessung genutzt werden.If a switching operation is detected from a deactivated state to the activated state, the current measured values stored in the FIFO memory can be read out and the mean value of the measured values can be formed. The measured values in the FIFO memory are then recorded during the deactivated state. Their mean value can therefore be stored in the computing unit as a brake offset value. After a predetermined time after activating the brake chopper, for example 1 ms after activating the brake chopper, the FIFO memory can be read out again and the mean value of the measured values, for example of the last 0.5 ms, can be formed. The predetermined time after activation can be selected so that the FIFO memory contains measured values when the brake chopper is activated. The mean value therefore corresponds to the measured braking current in the activated state and can be used for the reference measurement.
Für die Spannungsmesseinrichtung kann ebenfalls ein FIFO-Speicher vorgesehen werden, in den durchgehend die Spannungswerte der Spannungsmesseinrichtung eingelesen werden. Zum Zeitpunkt des Auslesens des FIFO-Speichers des Bremsstroms kann dann ebenfalls der FIFO Speicher der Spannung ausgelesen werden um den Spannungsabfall über den Bremswiderstand zu bestimmen. Aus den beiden Mittelwerten kann dann der Widerstandswert berechnet werden.A FIFO memory can also be provided for the voltage measuring device, into which the voltage values of the voltage measuring device are continuously read. At the time of reading out the FIFO memory of the braking current, the FIFO memory of the voltage can also be read out in order to determine the voltage drop across the braking resistor. The resistance value can then be calculated from the two mean values.
Die Rogowski-Messeinrichtung kann daher dazu verwendet werden die Betriebsparameter wie z.B. Bremschopperstrom oder Bremschopperleistung zu ermitteln.The Rogowski measuring device can therefore be used to operate parameters such as Determine brake chopper current or brake chopper power.
Die Recheneinheit kann dazu eingerichtet sein, den in der Recheneinheit gespeicherten und ständig aktualisierten Widerstandwert mit einer Tiefpassfilterung zu versehen um beispielweise den Einfluss von Rauschen in der Referenzmessung, der Offsetmessung oder der Messung des Spannungsabfalls über dem Bremswiderstand auf den berechneten Widerstandswert zu verkleinern. Mit einer Tiefpassfilterung kann ebenfalls das Rauschen auf den aus der Messung des Spannungsabfalls über dem Bremswiderstand und Widerstandsberechnung abgeleiteten Messwerten wie z.B. Bremschopperstrom oder Bremschopperleistung reduziert werden. Da sich der Widerstandswert im Betrieb z.B. aufgrund einer Erwärmung des Bremswiderstandes nur langsam ändern kann, ist diese Tiefpassfilterung für die abgeleiteten Messwerte nicht nachteilig.The computing unit can be set up to provide the resistance value stored in the computing unit and constantly updated with a low-pass filtering, for example in order to reduce the influence of noise in the reference measurement, the offset measurement or the measurement of the voltage drop across the braking resistor to the calculated resistance value. With low-pass filtering, the noise can also be derived from the measurement values derived from the measurement of the voltage drop across the braking resistor and resistance calculation, e.g. Brake chopper current or brake chopper power can be reduced. Since the resistance value during operation e.g. can only change slowly due to heating of the braking resistor, this low-pass filtering is not disadvantageous for the derived measured values.
Die Rogowski-Messeinrichtung kann eine Rogowski-Spule aufweisen, die Leiterbahnen auf einer Leiterplatte umfasst. Eine derartige Rogowski-Spule ist besonders einfach und kostengünstig zu fertigen, ist besonders platzsparend und kann daher gut in einer Versorgungseinheit integriert werden. Auf die besonders bei großen Bremsleistungen zur Erfassung der Betriebsparameter üblicherweise im Bremschopper verwendeten großvolumigen und teuren DC-Stromwandler kann verzichtet werden, so dass das Bauvolumen und die Herstellungskosten der Versorgungseinheit wesentlich reduziert werden können.The Rogowski measuring device can have a Rogowski coil, which comprises conductor tracks on a printed circuit board. Such a Rogowski coil is particularly simple and inexpensive to manufacture, is particularly space-saving and can therefore be easily integrated in a supply unit. The large-volume and expensive DC current transformers, which are usually used in the brake chopper for recording the operating parameters, in particular in the case of large braking powers, can be dispensed with, so that the construction volume and the manufacturing costs of the supply unit can be significantly reduced.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen und der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale jeweils für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Versorgungseinheit für eine Motorsteuerung in einer schematischen Darstellung; -
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Dreiphasengleichrichters; -
3 zeigt mehrere Graphen mit Strom- und Spannungswerten der Versorgungseinheit, ohne Erdschluss und mit Erdschluss; -
4 zeigt mehrere Graphen mit Strom- und Spannungswerten der Versorgungseinheit, im Moment des Auftretens eines Erdschlusses; -
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Versorgungseinheit mit Bremschopper; -
6 zeigt den tatsächlichen und den gemessenen Bremsstromverlauf einer Versorgungseinheit mit Bremschopper.
-
1 shows a supply unit according to the invention for an engine control in a schematic representation; -
2 shows a schematic representation of a three-phase rectifier; -
3 shows several graphs with current and voltage values of the supply unit, without earth fault and with earth fault; -
4 shows several graphs with current and voltage values of the supply unit, at the moment of occurrence of an earth fault; -
5 shows a schematic representation of a supply unit with brake chopper; -
6 shows the actual and the measured braking current curve of a supply unit with brake chopper.
In
Ein solcher Dreiphasengleichrichters
Anstelle der passiven Bauelemente, wie der Dioden
In der in
Dazu ist in der Recheneinheit
Zur Bestimmung des aktuellen Netzwinkels
Die Rogowski-Messeinrichtung
Die Recheneinheit
Alternativ könnte das Spannungssignal der Rogowski-Messspule
Durch die Recheneinheit
Bei 187° wird eine weitere Messung für die erste Phase durchgeführt und der in der Recheneinheit
Während der gesamten Nullzeit
Außerhalb der Nullzeit
Der mittlere Graph der
Der untere Graph zeigt den gemessenen Phasenstrom
An dem unteren und mittleren Graph ist jeweils repräsentativ eine Nullzeit
Die Recheneinheit
Bis zu einer Zeit von etwa 0,1s zeigt die
Zu dem Zeitpunkt bei 0,1 s tritt ein Erdschluss auf, durch den große Ströme gegen Erde fließen können. Wie sich dem Verlauf des Phasenstroms
Die Versorgungseinheit
Die Recheneinheit
Die Recheneinheit
Zur gleichen Zeit (
Da durch die Rogowski-Messeinrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Versorgungseinheitsupply unit
- 22
- dreiphasiger Versorgungseingangthree-phase supply input
- 33
- GleichspannungszwischenkreisDc link
- 44
- DreiphasengleichrichterThree-phase rectifier
- 55
- Wechselspannungsseite des DreiphasengleichrichtersAC side of the three-phase rectifier
- 66
- Gleichspannungsseite des DreiphasengleichrichtersDC side of the three-phase rectifier
- 77
- Recheneinheitcomputer unit
- 88th
- Rogowski-SpuleRogowski coil
- 99
- Auswerteeinheitevaluation
- 1010
- NetzwinkelmesseinrichtungPower angle measuring device
- 1111
- Diodediode
- 1212
- Netzspannung erste PhaseMains voltage first phase
- 1313
- Netzspannung zweite PhaseMains voltage second phase
- 1414
- Netzspannung dritte PhaseMains voltage third phase
- 1515
- Netzwinkelpower angle
- 1616
- Phasenstrom erste PhasePhase current first phase
- 1717
- Phasenstrom zweite PhasePhase current second phase
- 1818
- Phasenstrom dritte PhasePhase current third phase
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- gemessener Phasenstromwert erste Phasemeasured phase current value first phase
- 2020
- gemessener Phasenstromwert zweite Phasemeasured phase current value second phase
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- gemessener Phasenstromwert dritte Phasemeasured phase current value third phase
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- Nullzeit erste PhaseNo phase first phase
- 2323
- Nullzeit zweite PhaseSecond phase no-stop time
- 2424
- Nullzeit dritte PhaseNo stop third phase
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- korrigierte Phasenstromwertecorrected phase current values
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- Summe der gemessenen PhasenstromwerteSum of the measured phase current values
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- Summe der korrigierten PhasenstromwerteSum of the corrected phase current values
- 3030
- Bremswiderstandbraking resistor
- 3131
- Schaltelementswitching element
- 3232
- Spannungs-MesseinrichtungVoltage detecting means
- 3333
- Bremsstrombraking power
- 3434
- Messwerte BremsstromMeasured values braking current
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- Schaltvorgangswitching operation
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- Schaltvorgangswitching operation
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- deaktivierter Zustanddeactivated state
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