DE102018129909B4 - Leistungselektronikeinrichtung - Google Patents

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Abstract

Leistungselektronikeinrichtung, die einen Eingang aufweist, der mit einer Überstromschutzeinrichtungsanordnung (3) und einem Gleichstromzwischenkreis (7, 8) verbunden ist, wobei der Gleichstromzwischenkreis (7, 8) eine Reihenschaltung von mindestens zwei Zwischenkreiskondensatoren (Cdc) aufweist, wobei Fehlererkennungsmittel (14) vorgesehen sind, die ein Ungleichgewicht zwischen den Zwischenkreiskondensatoren (Cdc) oder eine Überlast mindestens eines der Zwischenkreiskondensatoren (Cdc) erkennen, wobei die Fehlererkennungsmittel (14) Maximalstrom induzierende Mittel steuern, die mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden sind, die Fehlererkennungsmittel (14) mindestens einen Parameter mindestens eines der Zwischenkreiskondensatoren (Cdc) erfassen und die Fehlererkennungsmittel (14) mindestens einen Parameter eines der Kondensatoren (Cdc) mit einem Parameter eines anderen der Kondensatoren (Cdc) vergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine Temperatur des Kondensators (Cdc) ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Leistungselektronikeinrichtung ist aus JP H09 - 37 563 A bekannt. Hier wird eine Wechselrichteranordnung mit einer Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren beschrieben. Parallel zu der Reihenschaltung der beiden Kondensatoren ist ein Spannungsteiler aus zwei Ohm'schen Widerständen geschaltet. Die Spannung am Mittelabgriff des Spannungsteils wird mit der Spannung zwischen den beiden Kondensatoren verglichen. Wenn eine Differenz zwischen den beiden Spannungen an den Mittelabgriffen einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, erhält eine Steuerschaltung für den Wechselrichter ein entsprechendes Fehlersignal und schaltet daraufhin alle Schalter des Wechselrichters ein, um einen Kurzschluss zu erzeugen, der eine Sicherung durchbrennen lässt.
  • Die Zwischenkreiskondensatoren sind in vielen Fällen Elektrolytkondensatoren. Wenn ein Elektrolytkondensator überlastet wird, beispielsweise durch eine zu hohe Spannung, besteht die Gefahr einer schweren Beschädigung dieses Kondensators, die schließlich zu einer Brandgefahr führen kann. Dieses Problem ist wichtig, da sich der Zwischenkreiskondensator in der Regel in einem Kühlkanal mit Öffnungen für den Eintritt von Umgebungsluft befindet. Sollte der Kondensator explodieren, ist es fast unvermeidlich, dass ein Blitz oder Funke die Leistungselektronikeinrichtung über den Kühlkanal verlässt, was eine Brandgefahr darstellt.
  • Der Eingang der Leistungselektronikeinrichtung kann direkt mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden sein, wenn der Eingang mit Gleichstrom versorgt wird. Eine derartige Situation tritt beispielsweise auf, wenn eine Vielzahl von Leistungselektronikeinrichtungen mit einer gemeinsamen Gleichrichterstufe verbunden sind.
  • Eine andere Möglichkeit ist, dass der Eingang der Leistungselektronikeinrichtung mit einem Gleichrichter verbunden ist, insbesondere einem passiven Gleichrichter.
  • Ein passiver Gleichrichter wird nur aus passiven Komponenten gebildet. Dies hat den Vorteil, dass ein passiver Gleichrichter mit geringen Kosten hergestellt werden kann. Ein passiver Gleichrichter kann jedoch nicht verwendet werden, um das Risiko einer Brandgefahr zu minimieren.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, das Risiko einer Brandgefahr im Zusammenhang mit einer Leistungselektronikeinrichtung zu minieren.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Leistungselektronikeinrichtung der eingangs beschriebenen Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Gefahr einer Beschädigung oder Explosion eines der Zwischenkreiskondensatoren besteht insbesondere dann, wenn dieser Kondensator überlastet ist. Eine Überlastsituation entsteht beispielsweise, wenn die Kondensatoren nicht gleichmäßig belastet sind. Das schwerwiegendste Ungleichgewicht tritt auf, wenn eine Komponente eines der Kondensatoren ausfällt. In der Praxis ist dies einer der Hauptgründe für die Notwendigkeit einer Schutzfunktion. Die Fehlererkennungsmittel sind z.B. vorgesehen, um zu erkennen, ob die Lastsituationen der Zwischenkreiskondensatoren innerhalb eines zulässigen Bereichs gleich sind. Wenn die Fehlererkennungsmittel beispielsweise erkennen, dass einer der Kondensatoren überlastet ist, steuern sie die Maximalstrom induzierenden Mittel. Die Maximalstrom induzierenden Mittel richten eine Situation in dem Gleichstromzwischenkreis ein, in der ein großer Strom durch den Gleichstromzwischenkreis fließt. Der Strom ist so groß, dass die Überstromschutzeinrichtungsanordnung reagiert und eine weitere Stromzufuhr vom Netz zum Eingang des Gleichrichters oder von der Gleichstromversorgung zu dem Gleichstromzwischenkreis unterbricht. Dementsprechend kann kein weiterer Strom in den Gleichstromzwischenkreis fließen und dementsprechend wird dem Zwischenkreiskondensator keine weitere Energie zugeführt, so dass das Explosionsrisiko des überlasteten Zwischenkreiskondensators minimiert wird.
  • Die Fehlererkennungsmittel erfassen zumindest einen Parameter von mindestens einem der Zwischenkreiskondensatoren. Dieser Parameter kann direkt oder indirekt erfasst werden. Im ersten Fall wird der Parameter direkt von dem jeweiligen Kondensator übernommen. Im zweiten Fall können Informationen aus einem anderen Teil der elektronischen Einrichtung erhalten werden, die anzeigen, dass beispielsweise ein Kondensator überlastet ist. Eine derartige indirekte Erfassung kann beispielsweise durch Überwachung anderer Komponenten der Leistungselektronikeinrichtung erfolgen, z.B. durch andere Spannungsmessungen, Temperaturmessungen, Strommessungen und dergleichen, aus denen eine Überlastsituation eines Zwischenkreiskondensators abgeleitet werden kann.
  • Die Fehlererkennungsmittel vergleichen mindestens einen Parameter eines der Kondensatoren mit einem Parameter eines anderen der Kondensatoren. Dies ist ein einfacher Weg, um ein Ungleichgewicht zu erkennen.
  • Der Parameter ist eine Temperatur des Kondensators. Wenn beispielsweise ein Kondensator kurzgeschlossen ist, wird die volle Spannung des Zwischenkreises an den verbleibenden Kondensator oder die verbleibenden Kondensatoren angelegt, was zu einer Überlastsituation der jeweiligen Kondensatoren führt. Das Gleiche gilt für eine Differenz zwischen den Temperaturen der Kondensatoren, die ein zulässiges Niveau überschreitet. In beiden Fällen wird der maximale Strom zum Betreiben der Überstromschutzeinrichtungsanordnung induziert oder erzeugt, die auf der Netzseite des passiven Gleichrichters, wenn ein passiver Gleichrichter verwendet wird, oder auf andere Weise mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Wechselrichter mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden und der Wechselrichter bildet zumindest teilweise die Maximalstrom induzierenden Mittel. Der Wechselrichter weist eine Anzahl von gesteuerten Schaltern auf. Dementsprechend kann er so gesteuert werden, dass er eine oder mehrere der gesteuerten Schalter schließt, um einen aus dem Gleichstromzwischenkreis entnommenen Strom zu erhöhen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung steuern die Fehlererkennungsmittel den Wechselrichter, um überschüssige Energie an die Wechselrichterlast abzugeben. Wenn die Wechselrichterlast mit überschüssiger Energie versorgt wird, wird netzseitig der entsprechende große Strom entnommen, wobei dieser Strom das von der Überstromschutzeinrichtung zulässige Niveau überschreitet.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung bewirken die Maximalstrom induzierenden Mittel zusammen mit oder ohne vorhandene Last einen ausreichenden Stromfluss, um die Überstromschutzanordnung zu aktivieren. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Maximalstrom induzierenden Mittel eine niederohmige Verbindung herstellen, insbesondere einen Kurzschluss stromab des passiven Gleichrichters. Diese niederohmige Verbindung oder dieser Kurzschluss kann z.B. vom Wechselrichter durch Durchschießen in einer oder mehreren der Wechselrichterphasen hergestellt werden. Ein Durchschießen in einer Wechselrichterphase kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass alle ihre in Reihe geschalteten Schaltelemente gleichzeitig eingeschaltet werden und dabei der Zwischenkreiskondensator durch die Schaltelemente des Wechselrichters kurzgeschlossen wird. Es ist aber auch möglich, einen separaten Schalter zu verwenden, der den Gleichstromzwischenkreis kurzschließt. Ein solcher Kurzschluss kann eine Impedanz in Reihe schalten und eine Bremsfunktion beinhalten.
  • In einer Ausführungsform sind die Maximalstrom induzierenden Mittel mechanisch gekapselt. Es ist daher zulässig, dass die Maximalstrom induzierenden Mittel bei Auftreten einer Ungleichgewichtssituation zerstört werden. Sie sind jedoch mechanisch gekapselt, so dass keine Brandgefahr und keine Gefahr für die Umwelt bestehen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Überstromschutzeinrichtungsanordnung mindestens eine Sicherung, eine elektronische Vorrichtung, einen Leistungsschalter oder einen beabsichtigten Schwachpunkt oder ein anderes Element bei der Konstruktion der Leistungselektronikeinrichtung auf, das den Stromfluss unterbrechen kann, ohne eine Brandgefahr zu erzeugen. Die Sicherung kann eine schnelle oder eine langsame Sicherung sein. Eine Sicherung ist ein kostengünstiges und zuverlässiges Element, um die Stromversorgung durch die jeweilige Phase zu unterbrechen.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, wobei:
    • 1 einen schematischen Schaltplan einer Leistungselektronikeinrichtung zeigt, und
    • 2 einen schematischen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform einer Leistungselektronikeinrichtung zeigt.
  • 1 zeigt eine Leistungselektronikeinrichtung in Form eines Frequenzumrichters 1 mit einem passiven Gleichrichter 2, dessen Eingang über eine Überstromschutzeinrichtungsanordnung 3 mit einem Netz L1, L2, L3 verbunden ist, das für jede Phase L1, L2, L3 jeweils eine Sicherung 4, 5, 6 aufweist.
  • Der Gleichrichter 2 ist ein passiver Gleichrichter, der sechs Dioden, D1, D2, D3, D4, D5, D6 aufweist. Der Ausgang des passiven Gleichrichters 2 ist mit einem Gleichstromzwischenkreis verbunden, der eine positive Schiene 7 und eine negative Schiene 8 aufweist. Der Gleichstromzwischenkreis weist zwei Induktivitäten Ldc, eine in der positiven Schiene 7 und eine in der negativen Schiene 8, auf. Die Induktivitäten Ldc sind optional.
  • Zwei oder mehr Zwischenkreiskondensatoren Cdc sind in Reihe zwischen der positiven Schiene 7 und der negativen Schiene 8 geschaltet. Sie können in Reihe mit einem Wiederstand 9 geschaltet werden, der durch ein Einschaltrelais 10 überbrückt werden kann. Es können weitere Einschaltfunktionen verwendet werden. Die Anordnung von Widerstand 9 und Einschaltrelais 10 ist optional.
  • Der Gleichstromzwischenkreis mit seinen Schienen 7, 8 ist mit einer Wechselrichterstufe 11 verbunden, die eine Anzahl von gesteuerten Schaltern T1, T2, T3, T4, T5, T6 aufweist, beispielsweise in Form von Halbleiterschaltern, wie IGBT oder GTO. Die Eingangsseite der Wechselrichterstufe 11 ist mit einer Kapazität Cc verbunden. Die Anordnung des Zwischenkreiskondensators kann aus Kombinationen von mehreren Kondensatoren parallel und in Reihe bestehen.
  • Die Wechselrichterstufe 11 wird durch eine Steuereinrichtung 12 gesteuert. In an sich bekannter Weise betätigt die Steuereinrichtung 12 die Schalter T1, T2, T3, T4, T5, T6 so, dass auf Ausgangsphasen U, V, W Wechselspannungen erscheinen, deren Phasen phasenverschoben zueinander sind.
  • Ein Transistor 13 (oder irgendein anderes elektronisch schaltbares Element) ist zwischen die positive Schiene 7 und die negative Schiene 8 geschaltet, wie später erläutert werden wird.
  • Fehlererkennungsmittel 14 sind mit jedem der beiden Zwischenkreiskondensatoren verbunden, um einen Spannungsabfall über jeden der Zwischenkreiskondensatoren zu erkennen. Wenn die Fehlererkennungsmittel 14 erkennen, dass Spannungen über die jeweiligen Zwischenkreiskondensatoren eine Differenz aufweisen, die ein zulässiges Niveau überschreitet, senden die Fehlererkennungsmittel 14 ein entsprechendes Signal an die Steuereinrichtung 12, beispielsweise über Leitung 15. In dieser Situation ist die Wechselrichterstufe 11 zum Durchschießen in einer oder mehreren Wechselrichterphasen angewiesen. Ein Durchschießen in einer Wechselrichterphase erfolgt, indem alle ihre in Reihe geschalteten Schaltelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 gleichzeitig eingeschaltet werden und dabei die Zwischenkreiskondensatoren Cdc kurzgeschlossen werden.
  • In manchen Fällen kann es ausreichen, nur ein Schalterpaar kurzzuschließen, z.B. T1 und T4, T2 und T5 oder T3 und T6.
  • Ein solches Durchschießen induziert einen Maximalstrom auf der positiven und der negativen Schiene 7, 8 mit der Folge, dass die Überstromschutzeinrichtung 3 ausgelöst wird und eine Verbindung zwischen dem Netz L1, L2, L3 und dem passiven Gleichrichter 2 unterbricht. Damit wird das Risiko einer Explosion der Zwischenkreiskondensatoren Cdc minimiert.
  • Die Überstromschutzeinrichtung 3 kann in Form einer Anordnung von schnellen oder langsamen Sicherungen sein. Es kann sich um eine elektronische Einrichtung oder einen Schutzschalter handeln. Sie kann sogar ein weiteres Element in der Leistungselektronikeinrichtung sein, das den Stromfluss unterbrechen kann ohne eine Gefahr, insbesondere eine Brandgefahr, zu erzeugen. Ein derartiges Element kann z.B. eine beabsichtigte Schwachstelle sein.
  • Eine weitere Möglichkeit, einen Kurzschluss zwischen der positiven Schiene 7 und der negativen Schiene 8 herzustellen, besteht darin, dass die Erkennungsmittel 14 den Transistor (oder allgemeiner: Schalter 13) so betätigen, dass dieser Schalter 13 einen Kurzschluss auf der Ausgangsseite des passiven Gleichrichters 2 erzeugt.
  • Eine weitere Möglichkeit, genügend Strom zum Öffnen der Überstromschutzeinrichtungsanordnung 3 zu erzeugen, besteht in der Steuerung der Wechselrichterstufe 11 zur Einspeisung überschüssiger Energie in eine Wechselrichterlast, die mit den Wechselrichterphasen U, V, W verbunden ist.
  • Der auf den positiven und negativen Schienen 7, 8 induzierte Maximalstrom hat zur Folge, dass ein entsprechend großer Strom durch die Überstromschutzeinrichtungsanordnung 3 fließt und diese Anordnung 3 in einer schnellen und zuverlässigen Weise öffnet, so dass die Zwischenkreiskondensatoren Cdc von einer weiteren Energieversorgung abgeschnitten werden und die Gefahr, dass im Falle eines Ungleichgewichts ein Zwischenkreiskondensator überlastet wird und explodiert, minimiert wird.
  • Die Wechselrichterstufe, insbesondere die elektronischen Schalter T1-T6, sind mechanisch gekapselt. Sie können in einem Metallgehäuse oder einer Box untergebracht werden. Andererseits sind die Zwischenkreiskondensatoren Cdc üblicherweise in einem Kühlkanal angeordnet, der Öffnungen für den Eintritt von Umgebungsluft aufweist. Sollte der Zwischenkreiskondensator Cdc explodieren, ist es fast unvermeidlich, dass ein Blitz oder Funke die Leistungselektronikeinrichtung über den Kühlkanal verlässt, was eine Brandgefahr darstellt. Dieses Risiko ist nicht gegeben, wenn z. B. einer oder mehrere der elektronischen Schalter T1-T6 beschädigt oder zerstört werden. Sie dürfen explodieren, da sich eine derartige Explosion nicht auf die Umgebung ausbreiten kann.
  • Anstatt die Spannungsabfälle über die Zwischenkreiskondensatoren Cdc zu erfassen, ist es auch möglich, dass die Fehlererkennungsmittel 14 die Temperaturen der Zwischenkreiskondensatoren Cdc erfassen, die auch als Parameter zum Erkennen eines Ungleichgewichts verwendet werden können. Ein überlasteter Kondensator hat in der Regel eine höhere Temperatur als ein unbelasteter Kondensator.
  • Weitere andere Alternativen zur Erkennung von Ungleichgewicht oder Überlastung des Zwischenkreiskondensators können ebenfalls verwendet werden, z.B. Strommessungen, die direkt oder indirekt eine Überlastung einer oder mehrerer Zwischenkreiskondensatoren anzeigen.
  • Die in 1 dargestellte Ausführungsform weist einen passiven Gleichrichter zwischen einem Netz L1, L2, L3 als einzige Möglichkeit auf, dem Gleichstromzwischenkreis 7, 8 Gleichstromenergie zuzuführen. Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, dem Gleichstromzwischenkreis 7, 8 Gleichstromleistung zuzuführen.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, in der der Gleichstromzwischenkreis 7, 8 direkt mit einer Gleichstromversorgung 20, 21 verbunden ist. Eine Überstromschutzeinrichtung 22 ist zwischen der Gleichstromversorgung und dem Gleichstromzwischenkreis 7, 8 angeordnet.
  • Der passive Gleichrichter 2 ist ebenfalls vorgesehen. Dieser passive Gleichrichter kann jedoch in einer derartigen Ausführungsform entfernt werden.
  • Die in 2 dargestellte Ausführungsform verwendet keine Drosseln, wie die beiden Induktivitäten Ldc von 1, um zu veranschaulichen, dass diese Induktivitäten im Allgemeinen optional sind. Weiterhin entfällt ein Widerstand 9, der das Einschaltrelais 10 überbrückt, um zu zeigen, dass auch diese Komponenten optional sind. Die anderen Komponenten entsprechen den in der Ausführungsform von 1 dargestellten Komponenten. Die gleichen Elemente werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Es sollte bemerkt werden, dass die Mittel zum Herstellen eines Kurzschlusses zwischen der positiven Schiene 7 und der negativen Schiene 8 eine Impedanz 23 (mit gestrichelten Linien dargestellt) in Reihe mit dem Schalter 13 umfassen können. Diese Impedanz 23 ist jedoch so dimensioniert, dass ein Strom, der durch den Schalter 13 fließt, groß genug ist, um die Überstromschutzeinrichtung 3, 22 auszulösen.

Claims (8)

  1. Leistungselektronikeinrichtung, die einen Eingang aufweist, der mit einer Überstromschutzeinrichtungsanordnung (3) und einem Gleichstromzwischenkreis (7, 8) verbunden ist, wobei der Gleichstromzwischenkreis (7, 8) eine Reihenschaltung von mindestens zwei Zwischenkreiskondensatoren (Cdc) aufweist, wobei Fehlererkennungsmittel (14) vorgesehen sind, die ein Ungleichgewicht zwischen den Zwischenkreiskondensatoren (Cdc) oder eine Überlast mindestens eines der Zwischenkreiskondensatoren (Cdc) erkennen, wobei die Fehlererkennungsmittel (14) Maximalstrom induzierende Mittel steuern, die mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden sind, die Fehlererkennungsmittel (14) mindestens einen Parameter mindestens eines der Zwischenkreiskondensatoren (Cdc) erfassen und die Fehlererkennungsmittel (14) mindestens einen Parameter eines der Kondensatoren (Cdc) mit einem Parameter eines anderen der Kondensatoren (Cdc) vergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine Temperatur des Kondensators (Cdc) ist.
  2. Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselrichter (11) mit dem Gleichstromzwischenkreis (7, 8) verbunden ist und der Wechselrichter (11) zumindest teilweise die Maximalstrom induzierende Mittel bildet.
  3. Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungsmittel (14) den Wechselrichter steuern, um überschüssige Energie einer Wechselrichterlast zuzuführen.
  4. Leistungselektronikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalstrom induzierende Mittel zusammen mit oder ohne existierende Last einen ausreichenden Stromfluss bewirken, um die Überstromschutzanordnung zu aktivieren.
  5. Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalstrom induzierende Mittel eine niederohmige Verbindung stromab des passiven Gleichrichters (2) einrichten.
  6. Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die niederohmige Verbindung ein Kurzschluss ist.
  7. Leistungselektronikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalstrom induzierenden Mittel mechanisch eingekapselt sind.
  8. Leistungselektronikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromschutzeinrichtungsanordnung (3) mindestens eine Sicherung (4, 5, 6), eine elektronische Einrichtung, eine Relaisschaltung oder einen beabsichtigten Schwachpunkt aufweist.
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