DE102019121134A1

DE102019121134A1 - Verfahren zur Erfassung von Schaltzuständen eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter

Info

Publication number: DE102019121134A1
Application number: DE102019121134.4A
Authority: DE
Inventors: Eric Hartmann; Hans-Georg Nowak; Karsten Wenzel
Original assignee: Convertertec Deutschland GmbH
Current assignee: Wind Solutions Dk AS KK
Priority date: 2019-08-05
Filing date: 2019-08-05
Publication date: 2021-02-11
Also published as: EP4010983A1; WO2021023786A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung des Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls (2, 3) in einem Umrichter (20), wobei der Umrichter (20) zumindest eine Steuerung (17) zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) aufweist. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Erfassung des Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls zur Verfügung zu stellen, mit welchem ein besonders schneller und zuverlässiger Schutz des mindestens einen Leistungsschaltermoduls oder des Umrichters im Falle von Fehlfunktionen bereitgestellt werden kann wird für ein Verfahren zur Erfassung eines Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter dadurch gelöst, dass mindestens ein Leistungsschaltermodul in den nicht-leitenden Schaltzustand geschaltet wird, in dem der Schaltzustand des mindestens einen IGBT-Leistungsschalters des mindestens einen Leistungsschaltermoduls in den nicht-leitenden Zustand gebracht wird und der Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Zustand bewertet wird, wobei ein Schaltzustandssignal (5a, 6a) abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls erzeugt wird, welches zur Steuerung des Umrichters verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter, wobei der Umrichter zumindest eine Steuerung zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls aufweist. Daneben betrifft die Erfindung einen Umrichter mit mindestens einem Leistungsschaltermodul und einer Steuerung für das mindestens eine Leistungsschaltermodul sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung mit mindestens einem Umrichter.
Umrichter werden beispielsweise zur Umformung einer ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung verwendet. In der weiteren Anmeldung wird aber unter einem Umrichter auch ein Wechselrichter verstanden, welcher lediglich zur Umformung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung verwendet wird. Das Einsatzgebiet von Umrichtern reicht von Motorantrieben bis zu Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, insbesondere in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung. Zum Teil werden große elektrische Leistungen über die Umrichter beispielsweise über Windenergieanlagen in ein elektrisches Netz eingespeist.
Insbesondere im Bereich der Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie werden aber Umrichter benötigt, welche elektrische Leistungen von bis zu mehreren MW, z. B. bis zu 100 MW in einer einzelnen Vorrichtung führen. Die Umrichter sind hierzu in der Regel dreiphasig ausgebildet und weisen bei Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung üblicherweise einen Zwischenkreis auf, der als Energiepuffer dient. Eine vom Generator einer Erzeugungsvorrichtung, beispielsweise einer Windenergieanlage, erzeugte dreiphasige Wechselspannung wird beispielsweise in eine Gleichspannung und anschließend wieder in eine dreiphasige Wechselspannung, die beispielsweise in Phase und Amplitude an die Netzspannung angepasst ist, umgeformt. Zur Erzeugung der Gleichspannung aus der ersten Wechselspannung und der zweiten Wechselspannung aus der Gleichspannung verwenden die Umrichter extrem schnelle Leistungsschalter, überwiegend Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT)-Leistungsschalter, welche in der Regel über eine Pulsweitenmodulationssteuerung (PWM) angesteuert werden. Die PWM-Ansteuerung wird wiederum von einer Steuerung des Umrichters gesteuert.
In der vorliegenden Anmeldung wird unter einem Leistungsschaltermodul mindestens ein IGBT-Leistungsschalter mit mindestens einer optionalen, antiparallel geschalteten Freilaufdiode verstanden. Umrichter weisen beispielsweise pro Phase oft zwei Leistungsschaltermodule in einer Top-Bottom-Anordnung als Phasenmodul auf, so dass für einen dreiphasigen Umrichter insgesamt 6 Leistungsschaltermodule vorgesehen sind. Bei höheren Leistungen können jedoch pro Phase zusätzliche Phasenmodule vorgesehen sein, welche parallel geschaltet sind.
Aufgrund der hohen Leistungen der Umrichter, insbesondere im Bereich der Erzeugung elektrischer Energie, haben Schaltfehler der IGBT-Leistungsschalter z. B. aufgrund eines Defektes, große Auswirkungen und können große Schäden an den Umrichtern hervorrufen. Um die Umrichter vor Schäden zu schützen, werden die IGBT-Leistungsschalter daher über primäre Maßnahmen, beispielsweise elektrische Sicherungen oder andere sekundäre Maßnahmen, beispielsweise Wandler geführte Schutzgeräte, abgesichert, welche im Fehlerfall, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, die IGBT-Leistungsschalter bzw. den Umrichter beispielsweise vom Netz trennen und damit vor Schäden schützen sollen. Die dafür vorgesehenen speziellen Schmelzsicherungen haben eine Reaktionszeit im Bereich von Millisekunden. Es kommt daher vor dem Eintreten der Schutzwirkung, d.h. dem Trennen des Umrichters oder des IGBT-Leistungsschalters noch zu Schaltvorgängen im Umrichter. Hierdurch können weitere Bauteile beschädigt werden, da der Umrichter im nächsten Schaltvorgang noch alle IGBT-Leistungsschalter ansteuern kann. Insbesondere die innerhalb von wenigen Mikrosekunden schaltenden IGBT-Leistungsschalter können daher durch Schmelzsicherungen nicht effektiv vor Beschädigungen geschützt werden. Bei den geforderten hohen Leistungen sind die Kosten für den Ersatz von IGBT-Leistungsschaltern wie auch der Schmelzsicherungen aber relativ hoch.
Zur Ansteuerung von IGBT-Leistungsschaltern werden sogenannte Gate-Treiberschaltungen verwendet, welche über die Steuerung des Gate-Stroms durch Anlegen einer Gate-Spannung den IGBT-Leistungsschalter in den leitenden oder nicht-leitenden Schaltzustand versetzen. Eine sogenannte intelligente Gate-Treiberschaltung ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 2014/154221 A2 bekannt. Die in diesem Dokument offenbarte Treiberschaltung ist in der Lage, den Spannungsabfall über den IGBT-Leistungsschalter, also die Kollektor-Emitter-Spannung zu messen und hieraus Rückschlüsse auf technische Parameter des IGBT-Leistungsschalters, beispielsweise auf die elektrische und thermische Belastung des Leistungsschalters zu erhalten. Eine Erfassung des Schaltzustands eines IGBT-Leistungsschalters, also ob der gewünschte Schaltzustand erreicht wird oder nicht, wird aber nicht offenbart. Die genannte internationale Patentanmeldung verfolgt vielmehr das Ziel, Rückschlüsse auf die Lebensdauer und technischer Parameter der Leistungsschalter zu machen. Eine Lösung, welche den Schutz der IGBT-Leistungsschalter vor Fehlerzuständen erhöht, wird daher nicht zur Verfügung gestellt.
Die US-Patentanmeldung US 2011/0298527 A1 offenbart ebenfalls, die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT-Leistungsschalters zu messen, um daraus den Schaltzustand des Leistungsschalters zu ermitteln.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Erfassung des Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls zur Verfügung zu stellen, mit welchem ein besonders schneller und zuverlässiger Schutz des mindestens einen Leistungsschaltermoduls oder des Umrichters im Falle von Fehlfunktionen bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Umrichter mit einem verbesserten Schutzkonzept sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie mit einem verbesserten Umrichter anzugeben.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird für ein Verfahren zur Erfassung eines Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter dadurch gelöst, dass mindestens ein Leistungsschaltermodul in den nicht-leitenden Schaltzustand geschaltet wird, in dem der Schaltzustand des mindestens einen IGBT-Leistungsschalters des mindestens einen Leistungsschaltermoduls in den nicht-leitenden Zustand gebracht wird und der Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Zustand bewertet wird, wobei ein Schaltzustandssignal abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls erzeugt wird, welches zur Steuerung des Umrichters verwendet wird.
Normalerweise ist das Leistungsmodul im nicht-leitenden Schaltzustand in Sperrrichtung der Freilaufdiode gesperrt, d.h. der IGBT Leistungsschalter sperrt in beide Stromrichtungen, die optionale Freilaufdiode sperrt nur in ihre Sperrstromrichtung. Trotzdem kann über die Diode in Freilaufrichtung ein Strom fließen. Dieser Zustand des Leistungsschaltermoduls wird als nicht-leitender Schaltzustand bezeichnet. Anders als bei der aus dem Stand der Technik bekannten Messung der Kollektor-Emitter-Spannung wird bei der Detektion eines Fehlerstrom unmittelbar das Nicht-Erreichen des „nicht-leitenden“, gesperrten Schaltzustands des IGBT-Leistungsschalters und gleichzeitig auch eine fehlerhafte Sperreigenschaften der Freilaufdiode oder der entsprechenden Freilaufeigenschaft des IGBT-Leistungsschalters detektiert. Das daraus abgeleitete Schaltzustandssignal kann insofern effektiv durch die Steuerung des Umrichters im Fehlerfall zur Vermeidung von weiteren Schaltvorgängen genutzt werden. Der Umrichter und alle weiteren Komponenten werden so besonders schnell und effektiv vor Schäden aufgrund von Fehlern in den Leistungsschaltermodulen geschützt.
Die erfindungsgemäße Erfassung des Schaltzustands kann vorzugsweise an nur einem oder an einer Mehrzahl an Leistungsschaltermodulen eines Umrichters durchgeführt werden. Es können beispielsweise auch der oder die Leistungsschalter eines Brems-Choppers im Umrichter, welcher zur Begrenzung von Überspannungen im Zwischenkreis verwendet wird, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei von der Topologie und der Leistung des Umrichters sowie von dem Spannungsbereichs, in welchem der Umrichter eingesetzt werden soll, unabhängig. Bevorzugt sind aber Umrichter mit hohen Schaltleistungen von mindestens 200 kW.
Das Schaltzustandssignal kann zur Verwendung beispielsweise an die Steuerung des Umrichters weitergeleitet werden und die Steuerung des Umrichters in die Lage versetzen, bei einem nicht erwarteten Schaltzustandssignal, beispielsweise wenn das Schaltzustandssignal einen fehlerhaften Schaltzustand anzeigt, den mindestens einen IGBT-Leistungsschalter durch Freischalten zu schützen oder beispielsweise den Umrichter ganz abschalten. Aufgrund der heutzutage sehr schnellen Steuerungen kann dies innerhalb weniger Mikrosekunden erfolgen, sodass ein effektiver Schutz der Leistungsschaltermodule erreicht wird.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren zur Erfassung des Schaltzustandes mindestens eines Leistungsschaltermoduls in einem Umrichter durchgeführt, welcher im Leistungspfad einer Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung, also beispielsweise einer Windenergieanlage, verwendet wird. Diese Leistungsschaltermodule müssen besonders hohe Ströme schalten und können bei fehlerhaften Schaltzuständen große Schäden im Umrichter hervorrufen. Die Schaltleistungen liegen beispielsweise bei mindestens 200 kW. Durch die Erfassung des Schaltzustands des mindestens einen Leistungsschaltermoduls können in diesen Umrichtern in der Regel vorgesehene, weitere Leistungsschaltermodule vor Schäden bewahrt werden. Im Schadensfall können die Schäden aufgrund des frühzeitigen Abschaltens des Umrichters deutlich begrenzt werden. Daher besteht auch die Möglichkeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weitere Schutzmaßnahmen wie Schmelzsicherungen einzusparen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt abhängig vom Schaltzustandssignal des mindestens einen Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Schaltzustand die Freigabe oder das Sperren des nächsten Schaltvorgangs mindestens eines weiteren Leistungsschaltermoduls des Umrichters oder des gesamten Umrichters. Hierdurch kann im Fehlerfall der nächste Schaltvorgang des Umrichters oder eines weiteren Leistungsschaltermoduls unterbunden werden, so dass besonders effektiv Schäden im Umrichter durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung des Schaltzustandes im Fehlerfall vermieden werden.
Bevorzugt ist eine Spannungs- oder Stromquelle über ein Entkopplungsmodul mit dem Hauptstrompfad verbunden, über welche eine Spannung in Sperrrichtung des Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Zustand angelegt wird, um im Fehlerfall einen Fehlerstrom zu verursachen. Das Entkopplungsmodul, beispielsweise eine entsprechend geschaltete Diode, führt dazu, dass die Spannungs- oder Stromquelle vor den hohen Spannungen und Stromflüssen im Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls geschützt ist und entsprechend kostengünstig bereitgestellt werden kann. Gleichzeitig kann durch diesen Aufbau sichergestellt werden, dass der zu detektierende Fehlerstrom immer unter gleichen Bedingungen verursacht wird, so dass sich baugleiche Leistungsmodule beispielsweise gut vergleichen lassen. Der Hauptstrompfad des Leistungsmoduls bezeichnet dabei den Strompfad zwischen Kollektor und Emitter des IGBT-Leistungsschalters und gegebenenfalls den dazu parallelen Strompfad zwischen Anode und Kathode der optionalen Freilaufdiode.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens ein Kondensator über das Entkopplungsmodul zu dem Hauptstrompfad des mindestens einen Leistungsschaltermoduls parallel geschaltet, wobei die Aufladung des Kondensators auf einen Spannungswert unterhalb eines vorbestimmten Spannungsniveaus das Vorhandensein eines Fehlerstroms anzeigt. Kann der nicht-leitende Schaltzustand jedoch aufgrund eines Fehlers im IGBT-Leistungsschalter selbst oder aufgrund einer nicht ausreichenden Sperrwirkung der optionalen, mindestens einen Freilaufdiode nicht erreicht werden, fließt ein Fehlerstrom, welcher die Spannung am Kondensator verringert bzw. nicht zulässt, dass dieser auf eine höhere Spannung aufgeladen wird. Die Kondensatorspannung lässt damit auf einfache Weise zu, einen möglicherweise geringen Fehlerstrom zu detektieren, ohne diesen unmittelbar messen zu müssen. Hieraus resultiert ein hohes Signal-Rauschverhältnis zur Unterscheidung des Fehlerstromfalls vom ordnungsgemäßen Betrieb des Leistungsschaltermoduls.
Bevorzugt wird der mindestens eine Kondensator unter Verwendung einer Spannungs- oder Stromquelle nach dem Zustandswechsel des Leistungsschaltermoduls in den nicht-leitenden Zustand geladen, so dass im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls das Erreichen des gewünschten „nicht-leitenden“ Schaltzustands direkt und schnell detektiert werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung sind Mittel zum Kurzschließen oder zum zumindest teilweisen Entladen des mindestens einen Kondensators vorgesehen, so dass der mindestens eine Kondensator vor dem Aufladen im nicht-leitenden Schaltzustand zumindest teilweise entladen wird. Das Entladen des Kondensators erfolgt im „nicht-leitenden“ Schaltzustand des Leistungsmoduls zeitlich unmittelbar vor dem Aufladen des Kondensators, so dass die Erfassung des Schaltzustands des Leistungsmoduls unter immer gleiche Bedingungen erfolgt.
Gemäß einer Alternative zur Detektion des Fehlerstroms über die Messung einer Kondensatorspannung wird der durch die Spannungs- oder Stromquelle verursachte Fehlerstrom, beispielsweise über einen Shunt-Widerstand, gemessen. Diese alternative Ausgestaltung ist besonders einfach und erlaubt die Möglichkeit, den Fehlerstrom auch quantitativ zu erfassen. Allerdings ist der Aufwand, um ein gutes Signal-Rauschverhältnis zu erzielen, größer.
Bevorzugt werden bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens die Werte des Schaltzustandssignals abhängig von der Höhe der gemessenen Werte des Fehlerstroms im nicht-leitenden Zustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls erzeugt, so dass das Schaltzustandssignal eine quantitative Analyse zulässt. Das Schaltzustandssignal kann dann beispielsweise für weitere Auswertungen verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich die Gate-Emitter-Spannung mindestens eines IGBT-Leistungsschalters mindestens eines Leistungsschaltermoduls gemessen und der Messwert zur Erzeugung eines Gatezustandssignals des mindestens einen Leistungsschaltermoduls verwendet. Hierdurch wird das Leistungsschaltermodul zusätzlich in Bezug auf eine fehlerhafte Gatesteuerspannung geschützt. Über die Erfassung der Gatespannung kann beispielsweise durch Vergleich mit dem zugehörigen Steuersignal der Gatetreiberschaltung erfasst werden, ob die Gatespannung dem gewünschten Schaltzustand entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch weiter verbessert werden, dass abhängig vom Schaltzustandssignal des mindestens einen Leistungsschaltermoduls im nicht-leitenden Schaltzustand die Freigabe oder das Sperren des nächsten Schaltvorgangs mindestens eines weiteren Leistungsschaltermoduls oder des gesamten Umrichters, vorzugsweise unter Verwendung der Steuerung des Umrichters erfolgt. Schäden am Umrichter oder an anderen Leistungsschaltermodulen können damit im Vorfeld verhindert werden. Die Steuerung der Umrichter ist besonders leistungsstark und kann zentral und doch extrem schnell entsprechend notwendige Abschalt- oder Sperrsignale an verschiedene Leistungsschaltermodule senden. Daneben besteht auch die Möglichkeit die Abschalt- oder Sperrsignale dezentral auf der Ebene der Ansteuerung bzw. Treiber der einzelnen Leistungsschaltermodule durchzuführen, was zu einer Steigerung der Schaltgeschwindigkeit und zu einer höheren Robustheit der Absicherung beitragen kann.
Schließlich wird die Sicherheit vor fehlerhaften Schaltzuständen in einem Umrichter gemäß der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens für typische Konfigurationen eines Umrichters dadurch erreicht, dass der Umrichter mindestens ein Phasenmodul mit mindestens jeweils einem ersten und einem zweiten Leistungsschaltermodul aufweist, für die Leistungsschaltermodule jeweils Gatezustands- und Schaltzustandssignale erzeugt werden, wobei ein erstes Fehlersignal für das erste Leistungsmodul aus dem Schaltzustandssignal und dem Gatezustandssignal des zweiten Leistungsschaltermoduls sowie dem Gatezustandssignals des ersten Leistungsschaltermoduls erzeugt wird und ein zweites Fehlersignal für das zweite Leistungsschaltermodul aus dem Schaltzustandssignal und dem Gatezustandssignal des ersten Leistungsschaltermoduls sowie dem Gatezustandssignals des zweiten Leistungsschaltermoduls erzeugt wird. Hierdurch wird eine möglichst frühe Detektion eines Fehlers ermöglicht, nämlich bevor das betreffende Leistungsschaltermodul in den nicht-leitenden Zustand versetzt wird.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird darüber hinaus für einen Umrichter mit mindestens einem Leistungsschaltermodul und einer Steuerung zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls zur Durchführung einer Erfassung des Schaltzustands des mindestens einen Leistungsschaltermoduls dadurch gelöst, dass Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul in Form einer Spannungs- oder Stromquelle und Mittel zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals vorgesehen sind, wobei die Mittel zur Erzeugung des Schaltzustandssignals abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms im nicht-leitenden Schaltzustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls ein Schaltzustandssignal erzeugen können und die Steuerung des Umrichters dazu ausgebildet ist, das Schaltzustandssignal zur Steuerung des Umrichters zu verwenden. Wie oben bereits ausgeführt, können die erfindungsgemäßen Umrichter Schäden im Falle von fehlerhaften Schaltzuständen von Leistungsschaltermodulen besonders sicher vermeiden und sehr schnell auf fehlerhafte Schaltzustände reagieren. Hierzu weisen die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im mindestens einen Leistungsschaltermodul eine Spannungs- oder Stromquelle auf. Spannungs- oder Stromquellen können auf einfache Weise eine direkte Messung der Sperreigenschaften eines Leistungsschaltermoduls ermöglichen, wobei nicht nur der IGBT-Leistungsschalter, sondern auch eine optional vorgesehene Freilaufdiode in der Prüfung miteinbezogen wird.
Gemäß einer Ausgestaltung des Umrichters weisen die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul mindestens einen über ein Entkopplungsmodul zum Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls parallel geschalteten Kondensator und Mittel zur Messung der Kondensatorspannung auf. Die Messung der Kondensatorspannung kann ein sicher und einfach zu detektierendes Schaltzustandssignal bereitstellen, welches das Erreichen des nicht-leitenden Schaltzustands sicher anzeigen kann. Trotz der hohen elektrischen und magnetischen Felder im Umfeld der Leistungsschaltermodule liefert die Kondensatorspannung ein gutes Signal-Rauschverhältnis zur Detektion eines Fehlerstroms im Hauptstrompfad und kann damit eine sehr sichere Bestimmung des Erreichens des „nicht-leitenden“ Schaltzustands des Leistungsschaltermoduls mit einfachen Mitteln bereitstellen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung zum parallel geschalteten Kondensator weisen die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul Mittel zur Strommessung, vorzugsweise unter Verwendung eines Shunt-Widerstands auf. Diese Ausgestaltung besitzt zwar im Hinblick auf die Ermittlung des Schaltzustands grundsätzlich ein schlechteres Signal-Rauschverhältnis als die alternative Ausgestaltung mit im Hauptstrompfad des Leistungsmoduls parallel geschaltetem Kondensator, aber sie erlaubt eine quantitative Bewertung eines Fehlerstroms und ist besonders einfach ausgestaltet.
Sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung zusätzlich Mittel zur Messung der Gate-Emitter-Spannung mindestens eines IGBT-Leistungsschalters des mindestens einen Leistungsschaltermoduls und Mittel zur Erzeugung eines Gatezustandssignals abhängig von der gemessenen Gate-Emitter-Spannung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls vorgesehen, kann neben dem Schaltzustand im nicht-leitenden Schaltzustand zusätzlich die Ansteuerung des IGBT-Leistungsschalters erfasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Umrichters sind die Mittel zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals des mindestens einen Leistungsschaltermoduls dazu ausgebildet, ein Gatesteuersignal des mindestens einen IGBT-Leistungsschalters zur Erzeugung des Schaltzustandssignals auszuwerten. Hierdurch wird erreicht, dass besonders einfach eine mit der Steuerung des IGBT-Leistungsschalters synchrone Schaltzustandserfassung im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausführung weist der Umrichter mindestens ein Phasenmodul mit mindestens jeweils einem ersten und einem zweiten Leistungsschaltermodul in Top-Bottom-Anordnung auf. Unter einer Top-Bottom-Anordnung der Leistungsschaltermodule wird eine Schaltanordnung von zwei Leistungsschaltermodulen verstanden, bei welcher zwischen den in Reihe geschalteten Leistungsschaltermodulen die erzeugte Wechselstromphase abgeführt wird. Die jeweiligen anderen Kollektor und Emitter der Leistungsschaltermodule sind mit dem jeweils gegenüberliegenden Zwischenkreispotential verbunden.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung, besonders bevorzugt durch eine Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Umrichter gelöst, welche bevorzugt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung der Schaltzustände der Leistungsschaltermodule verwenden.
Durch die schnelle Detektion fehlerhafter Schaltzustände können Schäden am Umrichter und damit auch an der gesamten Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie aufgrund des Ausfalls beispielsweise eines IGBT-Leistungsschalters minimiert und nahezu verhindert werden. Der Umrichter einer Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung kann noch vor dem nächsten Schaltvorgang abgeschaltet werden. Diese hohe Sicherheit ist bei Umrichtern, die für hohe Leistungsabgaben vorgesehen sind, besonders wichtig, da hier die Kosten bei Ersatz hochleistungsfähiger Bauteile hoch sind.
Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Vorrichtungen aufweisend einen erfindungsgemäßen Umrichter daher zur Erzeugung und Umformung elektrischer Energie in einer Windenergieanlage beispielsweise zur Einspeisung elektrischer Energie in ein elektrisches Netz angewendet. Weitere Anwendungen neben Photovoltaikanlagen sind die Anbindung elektrischer Speicher in Form von Batterien oder Akkumulatoren an ein elektrisches Netz zur Bereitstellung von Speichern für elektrische Energie, die Einspeisung elektrischer Energie in ein Netz, welche durch Biomasse erzeugt wurde. Aber auch bei der Energiewandlung zur Sektorenkopplung zum Beispiel „Power-to-Gas“ oder „Power-to-Heat“ können die entsprechenden Vorrichtungen erfindungsgemäße Umrichter aufweisen.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

1 ein Blockschaltbild eines Phasenmoduls eines Ausführungsbeispiels eines Umrichters zur Durchführung des Verfahrens mit einem Gleichspannungszwischenkreis,
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels zur Erfassung eines Fehlerstroms mit einem parallel geschalteten Kondensator,
3 ein Blockschaltbild weiteren Ausführungsbeispiels zur Erfassung eines Fehlerstroms über eine direkte Strommessung,
4, 5 Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie,
6, 7 und 8 weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von IGBT-Leistungsschaltern in Umrichtern und
9 bis 13 Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie im Bereich Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung.

1 zeigt nun ein Phasenmodul 1 eines erfindungsgemäßen Umrichters mit ZweiPunkt-Topologie, welches zwei Leistungsschaltermodule 2, 3 in Top-Bottom-Anordnung aufweist. Die Leistungsschaltermodule 2, 3 werden über eine Treiberschaltung 4 gesteuert, welche Mittel 5, 6 zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals 5a, 6a für das jeweilige Leistungsschaltermodul 2, 3 umfassen. Zusätzlich sind Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul vorgesehen, welche im Detail in 1 nicht dargestellt sind. Die Mittel 5, 6 zur Erzeugung des Schaltzustandssignals erzeugen abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms im nicht-leitenden Schaltzustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls 2, 3 ein Schaltzustandssignal, welches von der Steuerung 17 des Umrichters verwendet wird. Hierzu wird aus dem Schaltzustandssignal 5a, 6a ein Fehlersignal 7a, 8a für jedes Leistungsschaltermodul 2, 3 erzeugt. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms in den Mitteln zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals 5, 6 integriert.
Die Mittel 5, 6 zur Erzeugung des Schaltzustandssignal sind ihrerseits Teil der Treiberschaltung 4, welche auch die Gate-Treiberschaltung 13, 14 aufweist. Denkbar ist, dass die Mittel zur Erzeugung des Schaltzustandssignals 5, 6 des jeweiligen Leistungsschaltermoduls 2, 3 sowie die Mittel Erzeugung eines Fehlerstroms als externe Schaltungen realisiert werden. Die Mittel zur Erzeugung des Schaltzustandssignals 5, 6 erzeugen im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Schaltzustandssignal 5a, 6a abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms des jeweiligen Leistungsschaltermoduls 2, 3 im nicht-leitenden Schaltzustand des jeweiligen Leistungsschaltermoduls 2, 3.
Zusätzlich sind Mittel 5c, 6c zur Messung der Gate-Emitter-Spannung mindestens eines Leistungsschaltermoduls 2, 3 vorgesehen, welche ein Gatezustandssignal 5d, 6d abhängig von der gemessenen Gate-Emitter-Spannung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls erzeugen. Die Gate-Treiberschaltungen 13, 14 werden, wie auch die Mittel zur Erzeugung des Schaltzustandssignals mit dem Steuersignal zum Ein- und Ausschalten des IGBT-Leistungsschalters des Leistungsschaltermoduls 2, 3 versorgt, so dass die Schaltzustände einfach im ausgeschalteten Schaltzustand bestimmt werden können. Bevorzugt kommt das Schaltsignal 5b direkt von einer PWM-Ansteuerung, welche in der Steuerung 17 des Umrichters integriert ist.
Das von den Mitteln zur Erzeugung des Schaltzustandssignals 5, 6 erzeugte Schaltzustandssignal 5a, 6a wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel zunächst galvanisch von den Mitteln zur Erzeugung des Schaltzustandssignals 5, 6 getrennt. Hierzu sind Mittel zur galvanischen Trennung 9, 9a, 9b, 10, 11, 11a, 11b und 12 vorgesehen. Das galvanisch getrennte Schaltzustandssignal 5a, 6a wird in einem „And“-Gatter mit dem Gatezustandssignal 5d, 6d des jeweils gegenüberliegenden Leistungsschaltermoduls 2, 3 und einem weiteren Signal verglichen, wobei das weitere Signal nur dann anliegt, wenn die Gatezustandssignale beider Leistungsschaltermodule 2, 3 unterschiedlich sind. Mit anderen Worten beispielsweise das Leistungsschaltermodul 2 im nicht-leitenden Schaltzustand und das Leistungsschaltermodul 3 beispielsweise im leitenden Schaltzustand sich befinden. Stimmen die Gatezustandssignale 5d, 6d, mit dem jeweils gemessenen Schaltzustandssignal 5a, 6a überein, liefern die And-Gatter 7, 8 kein Fehlersignal. Sobald in einem Leistungsschaltermodul 2, 3 der nicht-leitende Schaltzustand nicht ordnungsgemäß erreicht wird und ein Fehlerstrom detektiert werden kann, wird über die And-Gatter 7 und 8 ein Fehlersignal an die Steuerung 17 weitergegeben. Bevorzugt stoppt die Steuerung 17 den Betrieb des Umrichters bei Anliegen eines Fehlersignals 7a, 8a sofort. Hierdurch können Schäden durch Weiterbetreiben des Umrichters mit defekten Leistungsschaltern vermieden werden.
Dadurch dass, bei gegenüberliegenden IGBT-Leistungsschaltern 2, 3 jeweils immer ein IGBT-Leistungsschalter 2, 3 in den nicht-leitenden Schaltzustand wechselt, kann durch das erfindungsgemäße Erfassen dieses Schaltzustands in jedem Schaltzyklus eine hohe Sicherheit gegen Fehlfunktionen erreicht werden. Da erfindungsgemäß die Detektion eines Fehlerstroms auch Fehler in der Sperrwirkung der Freilaufdioden erfasst, wird die Sicherheit gegenüber Fehlfunktion des gesamten Leistungsschaltermoduls verbessert.
1 zeigt lediglich ein Phasenmodul, welches den Gleichspannungszwischenkreis mit den Spannungen +U_ZK und -U_ZK mit einer Phase einer zu erzeugenden Wechselspannung verbindet. Deshalb ist leicht vorstellbar, dass für typische dreiphasige Umrichter mindestens drei dieser Phasenmodule 1 zum Einsatz kommen können.
Im Weiteren soll auf die Detektion der Fehlerströme genauer eingegangen werden. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im mindestens einen Leistungsschaltermodul, welche eine Spannungs- oder Stromquelle 21, 24 aufweisen. Die Spannungs- oder Stromquelle 21, 24 ist über ein Entkopplungsmodul 21 a, 24a in Form einer Diode vom Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls 2, 3 entkoppelt. Die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms im Leistungsschaltermodul weisen mindestens einen zum Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls parallel geschalteten Kondensator 22, 25 und Mittel zur Messung der Kondensatorspannung 23, 26 auf. Im nicht-leitenden Schaltzustand der Leistungsschaltermodule 2, 3 wird über die dargestellte Spannungsquelle 21, 24 eine Spannung in Sperrrichtung der Freilaufdioden 2b, 3b angelegt.
Sofern der nicht-leitende Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls 2, 3 erreicht wurde, wird der Kondensator 22, 25 geladen und eine Kondensatorspannung mindestens in Höhe der Referenzspannung, welche durch Z-Diode 23a, 26a vorgegeben ist, kann detektiert werden. Der Komparator 23, 26 erzeugt dann ein Schaltzustandssignal 5a, 6a, welches einen ordnungsgemäßen Schaltzustand angibt.
Für den Fall, dass der IGBT-Leistungsschalter 2a, 3a oder die Freilaufdioden 2b, 3b, also der Hauptstrompfad des Leistungsmoduls, fehlerhaft sind, fließt ein Fehlerstrom I_F, da der Hauptstrompfad dann niederohmig ist. Der Kondensator 22, 25 wird in diesem Fall nur auf eine geringere Spannung aufgeladen als im fehlerfreien Schaltzustand. Der Komparator 23, 26 vergleicht die Spannung am Kondensator gegen die Referenzspannung, welche im Fehlerfall größer ist als die Spannung am Kondensator. Das Schaltzustandssignal 5a, 6a, welches einen fehlerhaften Schaltzustand angibt, wird durch den Komparator 23, 26 erzeugt.
Um das Aufladen des Kondensators 22, 25 im nicht-leitenden Zustand des jeweiligen Leistungsschaltermoduls 2, 3 jeweils durchzuführen, wird der Kondensator 22, 25 über den Schalter 27, 28 jeweils vor Ermittlung des nicht-leitenden Schaltzustands zunächst kurzgeschlossen und zumindest teilweise entladen. Zum synchronen Schließen des Schalters kann auf einfache Weise das Schaltsignal der Steuerung 17 aus 1 verwendet werden. Anschließend wird das Schaltzustandssignal erzeugt.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel hat nicht nur einen besonders einfachen und robusten Aufbau, sondern zeichnet sich durch ein hohes Signal-Rauschverhältnis in Bezug auf die Bestimmung von fehlerhaften Schaltzuständen der Leistungsschaltermodule im nicht-leitenden Schaltzustand aus. Die Bestimmung der Schaltzustände im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsmoduls gelingt daher trotz starker elektrischer und magnetischer Felder aufgrund des extrem schnellen Schaltens von hohen Strömen im Umrichter besonders sicher.
3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu 2, bei welchem über eine über ein Entkopplungsmodul 31a, 32a mit dem Hauptstrompfad verbundene Spannungs- bzw. Stromquelle 31, 32 im nicht leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls 2, 3 jeweils eine Spannung am Kollektor angelegt wird. Über einen Shunt-Widerstand 33, 34 wird über einen Operationsverstärker 35, 36 der Fehlerstrom über den Spannungsabfalls über dem Shunt-Widerstand 33, 34 direkt gemessen. Hierdurch kann der Fehlerstrom auch quantitativ in die Erzeugung des Schaltzustandssignal 5a, 6a eingehen. Beispielsweise könnte ein derartiges Schaltzustandssignal 5a, 6a für weitere Auswertungen benutzt werden.
4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele von Windenergieanlagen mit erfindungsgemäßen Umrichtern 40, 50. In 4 ist eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine 42, deren Rotor über einen drei-phasigen, erfindungsgemäßen Umrichter 40 mit Zwischenkreis mit dem elektrischen Netz 41 verbunden ist, dargestellt. In 5 ist eine Drehstrommaschine 52 dargestellt, dessen gesamte Leistung über den erfindungsgemäßen Umrichter 50 an ein Netz 51 abgegeben wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den erfindungsgemäßen Umrichtern 40, 50 eine extrem schnelle Zustandserfassung der Schaltzustände der Leistungsschaltermodule in den Umrichtern 40, 50 der Ausführungsbeispiele in 4 und 5 erfolgen. Dabei kann eine hohe Sicherheit gegen fehlerhafte Schaltzustände erreicht werden, so dass beispielsweise auf die Verwendung von Schmelzsicherungen zur elektrischen Absicherung der Leistungsschaltermodule grundsätzlich verzichtet werden kann.
Ferner werden beispielweise in Windenergieanlagen, gemäß 4 und 5, aber auch in anderen Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie Umrichter mit unterschiedlichen Topologien zum Einsatz gebracht. Zwei dieser Topologien zeigen die Ausführungsbeispiele der 6 und 7 in dreiphasigem Aufbau. Die Leistungsschalter des Umrichters in 6 sind entsprechend der Zwei-Punkt-Verschaltung derart aufgebaut, dass jeweils ein Phasenmodul 1a, 1b, 1c für jede Phase a, b, c vorgesehen ist und die Phasenmodule 1a, 1b, 1c in einer Top-Bottom-Anordnung jeweils zwei Leistungsschalter S11, S12, S13, S14, S15 und S16 aufweisen. Dabei sind beispielsweise S11 und S14 in einer Top-Bottom-Anordnung verschaltet und können so eine Phase a des Wechselstroms erzeugen bzw. aus der Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis umformen. Eine Erfassung der Schaltzustände der eingesetzten IGBT-Leistungsschalter kann beispielsweise bei fehlerhaftem Verhalten eines IGBT-Leistungsschalters in einem der Phasenmodule, die anderen IGBT-Leistungsschalter vor Schäden schützen.
Dies gilt auch bei einer Dreipunkt-Topologie des Umrichters, wie es das Ausführungsbeispiel in 7 zeigt. Aufgrund der erhöhten Anzahl an Leistungsschaltermodule, hier werden insgesamt mindestens 12 Leistungsschaltermodule verwendet, ist ein Schutz vor eventuellen Schäden bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders effektiv.
Sowohl in 6 als auch in 7 ist das in 8 dargestellte Ausführungsbeispiel der Verwendung eines Leistungsschaltermoduls in Form eines Choppers zwar nicht dargestellt, wird aber regelmäßig in Umrichtern mit der Topologie der 6 und 7 verwendet. Insbesondere auch die Erfassung des Schaltzustands des Leistungsschaltermoduls des Choppers oder auch einer identisch aufgebauten, nicht dargestellten Crowbar, beispielsweise zum Kurzschließen von Rotorströmen bei doppeltgespeisten Asynchronmaschinen, bietet den Vorteil, den Schaltzustand dieser Sicherheitselemente im Betrieb des Umrichters zu erfassen. Der Chopper oder auch die Crowbar weisen dabei mindestens ein Leistungsschaltermodul S auf, dessen Schaltzustand mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst wird.
Die 9 bis 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, in den Bereichen Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung, in welchen ein erfindungsgemäßes Verfahren und ein erfindungsgemäßer Umrichter Anwendung finden. Die Schaltungsdiagramme der 9 und 11 weisen dabei als Energiequelle Photovoltaikmodule 93 oder unterschiedliche Speichereinheiten 104 auf, welche über einen Umrichter 90, 100 an das Netz angebunden sind. Anwendungen dieser Art können auch bis zu mehreren MW, z. B. bis zu 100 MW einer einzelnen Vorrichtung über die Umrichter 90, 100 an das Netz 91, 101 abgeben oder im Falle der unterschiedlichen Speichereinheiten 104 aufnehmen.
Bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus Biomasse 115, wie in 11 dargestellt, werden in der Regel Umrichter 110 eingesetzt, die die elektrische Wechselspannung eines Generators G in eine Gleichspannung im Zwischenkreis und anschließend wieder in eine Wechselspannung in das elektrische Netz 111 einspeisen. In den Ausführungsbeispielen der 12 und 13 werden entweder als Wechselstrom zur Verfügung gestellte elektrische Energie 126 (12) oder als Gleichstrom zur Verfügung gestellte elektrische Energie 137 in eine andere Energieform 138, in Form von hergestelltem, brennbarem Gas, beispielsweise Wasserstoff oder in Form von Wärmeenergie, beispielsweise durch Betreiben einer Wärmepumpe umgeformt.
Wie bereits zuvor ausgeführt, werden bei den genannten Vorrichtungen zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie Umrichter mit großen Leistungen benötigt, die besonders vorteilhaft erfindungsgemäß ausgebildet sind und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/154221 A2 [0006]
US 2011/0298527 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Erfassung des Schaltzustands mindestens eines Leistungsschaltermoduls (2, 3) in einem Umrichter (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130), wobei der Umrichter (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) zumindest eine Steuerung (17) zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Leistungsschaltermodul (2, 3) in den nicht-leitenden Schaltzustand geschaltet wird, in dem der Schaltzustand des mindestens einen IGBT-Leistungsschalters (2a, 3a) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) in den nicht-leitenden Zustand gebracht wird und der Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls (2, 3) im nicht-leitenden Zustand bewertet wird, wobei ein Schaltzustandssignal (5a, 6a) abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms (I_F) im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls (2, 3) erzeugt wird, welches zur Steuerung des Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungs- oder Stromquelle (21, 24, 31, 32) über ein Entkopplungsmodul (21a, 24a, 31a, 32a) mit dem Hauptstrompfad des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) verbunden ist, über welche eine Spannung in Sperrrichtung des Leistungsschaltermoduls (2, 3) im nicht-leitenden Zustand angelegt wird, um im Fehlerfall einen Fehlerstrom (I_F) zu verursachen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kondensator (22, 25) über das Entkopplungsmodul (21a, 24a, 31a,32a) zu dem Hauptstrompfad des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) parallel geschaltet ist und die Aufladung des Kondensators (22, 25) auf einen Spannungswert unterhalb eines vorbestimmten Spannungsniveaus das Vorhandensein eines Fehlerstroms (I_F) anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kondensator (22, 25) unter Verwendung der Spannungs- oder Stromquelle (221, 24, 31, 32) nach dem Zustandswechsels des Leistungsschaltermoduls (2, 3) in den nicht-leitenden Zustand geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (27, 28) zum Kurzschließen oder zum zumindest teilweise Entladen des mindestens einen Kondensators (22, 25) vorgesehen sind, so dass der mindestens eine Kondensator (22, 25)vor dem Aufladen im nicht-leitenden Schaltzustand des Leistungsschaltermoduls (2, 3) zumindest teilweise entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Spannungs- oder Stromquelle (21, 24, 31, 32) verursachte Fehlerstrom (I_F), vorzugsweise über einen Shunt-Widerstand (33, 34), gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des Schaltzustandssignals (5a, 6a) abhängig von der Höhe der gemessenen Werte des Fehlerstroms (I_F) im nicht-leitenden Zustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Emitter-Spannung mindestens eines IGBT-Leistungsschalters (2a, 3a) mindestens eines Leistungsschaltermoduls (2, 3) gemessen wird und der Messwert zur Erzeugung eines Gatezustandssignals (5d, 6d) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Schaltzustandssignal (5a, 6a) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) im nicht-leitenden Schaltzustand die Freigabe oder das Sperren des nächsten Schaltvorgangs mindestens eines weiteren Leistungsschaltermoduls (2, 3) oder des gesamten Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130), vorzugsweise unter Verwendung der Steuerung (17) des Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) mindestens ein Phasenmodul (1) mit mindestens jeweils einem ersten und einem zweiten Leistungsschaltermodul (2, 3) aufweist, für die Leistungsschaltermodule (2, 3) jeweils Gatezustands- und Schaltzustandssignale (5d, 6d, 5a, 6a) erzeugt werden, wobei ein erstes Fehlersignal (7a) für das erste Leistungsmodul (2) aus dem Schaltzustandssignal (6a) und dem Gatezustandssignal (6d) des zweiten Leistungsschaltermoduls (3) sowie dem Gatezustandssignals (5d) des ersten Leistungsschaltermoduls (2) erzeugt wird und ein zweites Fehlersignal (8a) für das zweite Leistungsschaltermodul (3) aus dem Schaltzustandssignal (5a) und dem Gatezustandssignal (5d) des ersten Leistungsschaltermoduls sowie dem Gatezustandssignals (6d) des zweiten Leistungsschaltermoduls erzeugt wird.
Umrichter (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) mit mindestens einem Leistungsschaltermodul (2, 3) und einer Steuerung (17) zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) zur Durchführung einer Erfassung des Schaltzustands des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms (I_F) im Leistungsschaltermodul in Form einer Spannungs- oder Stromquelle (21, 24, 31, 32) und Mittel (5, 6) zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals (5a, 6a) vorgesehen sind, wobei die Mittel (5, 6) zur Erzeugung des Schaltzustandssignals abhängig von der Detektion eines Fehlerstroms (I_F) im nicht-leitenden Schaltzustand des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) ein Schaltzustandssignal (5a, 6a) erzeugen können und die Steuerung (17) des Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) dazu ausgebildet ist, das Schaltzustandssignal (5a, 6a) zur Steuerung des Umrichters (40, 50, 90, 100, 110, 120, 130) zu verwenden.
Umrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms (I_F) im Leistungsschaltermodul (2, 3) mindestens einen über ein Entkopplungsmodul (21a, 24a, 31a, 32a) zum Hauptstrompfad des Leistungsschaltermoduls (2, 3) parallel geschalteten Kondensator (22, 25) und Mittel (23, 26) zur Messung der Kondensatorspannung aufweisen.
Umrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Fehlerstroms (I_F) im Leistungsschaltermodul Mittel (35, 36) zur Strommessung, vorzugsweise unter Verwendung eines Shunt-Widerstands, aufweisen.
Umrichter nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel (5c, 6c) zur Messung der Gate-Emitter-Spannung mindestens eines IGBT-Leistungsschalters (2a, 3a) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) und Mittel (5c, 6c) zur Erzeugung eines Gatezustandssignals (5d, 6d) abhängig von der gemessenen Gate-Emitter-Spannung des mindestens einen Leistungsschaltermoduls vorgesehen sind.
Umrichter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Schaltzustandssignals (5a, 6a) des mindestens einen Leistungsschaltermoduls (2, 3) dazu ausgebildet sind, ein Gatesteuersignal des mindestens einen IGBT-Leistungsschalters zur Erzeugung des Schaltzustandssignals (5a, 6a) auszuwerten.
Vorrichtung zur Erzeugung oder Umformung elektrischer Energie, vorzugsweise in den Bereichen Wind, Solar, Biomasse, Energiespeicher und Sektorenkopplung mit einem Umrichter (20) nach einem der Ansprüche 12 bis 15.