DE102019218083A1 - Frequenzumrichter - Google Patents
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Abstract
Frequenzumrichter, aufweisend:- einen Gleichspannungszwischenkreis, wobei der Gleichspannungszwischenkreis einen ersten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Zwischenkreispotential ansteht, und einen zweiten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Zwischenkreispotential ansteht,- einen Wechselrichter, wobei der Wechselrichter einen ersten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Wechselrichterpotential ansteht, und einen zweiten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Wechselrichterpotential ansteht,- einen Shunt-Widerstand (7), der zwischen den ersten Anschlusspol des Gleichspannungszwischenkreises und den ersten Anschlusspol des Wechselrichters eingeschleift ist,- einen Differenzverstärker (8), der dazu ausgebildet ist, aus einer an dem Shunt-Widerstand (7) abfallenden Potentialdifferenz eine Prüfspannung (UP) zu erzeugen, und- eine Auswerteeinheit (9), die dazu ausgebildet ist, basierend auf der Prüfspannung (UP) einen Erdschluss zu erkennen.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, der eine zuverlässige und kostengünstige Erdschlusserkennung ermöglicht.
- Der Frequenzumrichter weist herkömmlich einen Gleichspannungszwischenkreis auf, wobei der Gleichspannungszwischenkreis einen ersten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Zwischenkreispotential ansteht bzw. angelegt ist, und einen zweiten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Zwischenkreispotential ansteht bzw. angelegt ist. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
- Der Frequenzumrichter weist weiter einen herkömmlichen Wechselrichter auf, wobei der Wechselrichter einen ersten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Wechselrichterpotential ansteht, und einen zweiten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Wechselrichterpotential ansteht.
- Der Frequenzumrichter weist weiter einen Shunt-Widerstand auf, der zwischen den ersten Anschlusspol des Gleichspannungszwischenkreises und den ersten Anschlusspol des Wechselrichters eingeschleift ist.
- Das positive Zwischenkreispotential kann dem positiven Wechselrichterpotential abzüglich der am Shunt-Widerstand abfallenden Spannung entsprechen. Das negative Zwischenkreispotential kann dem negativen Wechselrichterpotential entsprechen, vorausgesetzt es befinden sich im Strompfad zwischen negativem Zwischenkreispotential und negativen Wechselrichterpotential keine Komponenten, an denen eine Spannung abfällt.
- Der Frequenzumrichter weist weiter einen Differenzverstärker auf, der dazu ausgebildet ist, aus einer an dem Shunt-Widerstand abfallenden Potentialdifferenz eine Prüfspannung zu erzeugen.
- Der Frequenzumrichter weist weiter eine Auswerteeinheit auf, die dazu ausgebildet ist, basierend auf der Prüfspannung einen Erdschluss zu erkennen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit einen Erdschluss erkennen, sobald die Prüfspannung einen vorgegebenen Pegel über- bzw. unterschreitet, und/oder sobald die Prüfspannung einen impulsförmigen Verlauf aufweist, usw.
- Gemäß einer Ausführungsform ist der Differenzverstärker dazu ausgebildet, die Prüfspannung mit dem negativen Zwischenkreispotential als Bezugspotential zu erzeugen. Die Prüfspannung kann beispielsweise einen Pegel zwischen 0 V und 3,3 V oder 5 V aufweisen.
- Gemäß einer Ausführungsform ist der Shunt-Widerstand derart dimensioniert bzw. weist einen derartigen Widerstandswert auf, dass in einem Erdschlussfall die Potentialdifferenz an dem Shunt-Widerstand in einem Bereich zwischen 50 mV und 500 mV liegt. Beispielsweise kann der Widerstandswert des Shunt-Widerstands in einem Bereich zwischen 1 mOhm und 20 mOhm liegen.
- Gemäß einer Ausführungsform weist die Auswerteeinheit einen digitalen Eingang auf, der mit der Prüfspannung beaufschlagt ist, wobei der Differenzverstärker dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung im erdschlussfreien Fall mit einem Pegel zu erzeugen, der einem ersten logischen Pegel des digitalen Eingangs entspricht, beispielsweise dem logischen Pegel Null, und wobei der Differenzverstärker dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung im Erdschlussfall mit einem Pegel zu erzeugen, der einem zweiten logischen Pegel des digitalen Eingangs entspricht, beispielsweise dem logischen Pegel Eins.
- Gemäß einer Ausführungsform weist der Differenzverstärker auf: einen ersten Transistor, insbesondere einen Bipolar-Transistor, oder eine Diode und einen zweiten Transistor, insbesondere einen Bipolar-Transistor, wobei der erste Transistor oder die Diode den zweiten Transistor hinsichtlich seines Schaltverhaltens derart vorspannt, dass im Falle eines Erdschlusses der zweite Transistor seinen Schaltzustand selbst dann verändert, wenn die Potentialdifferenz an dem Shunt-Widerstand kleiner als 500 mV ist.
- Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Transistor derart verschaltet, dass seine Wechselspannungsverstärkung um mindestens den Faktor
10 bis20 größer ist als seine Gleichspannungsverstärkung. - Gemäß einer Ausführungsform sind der erste Transistor und der zweite Transistor jeweils Bipolartransistoren, insbesondere jeweils pnp Bipolartransistoren, und der Differenzverstärker weist auf: einen ersten Widerstand und einen ersten Kondensator, die in Reihe zwischen einen ersten Anschluss des Shunt-Widerstands und einen Emitter-Anschluss des zweiten Transistors eingeschleift sind, einen zweiten Widerstand, der zwischen den ersten Anschluss des Shunt-Widerstands und den Emitter-Anschluss des zweiten Transistors eingeschleift ist, einen dritten Widerstand und einen vierten Widerstand, die in Reihe zwischen einen Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors und das negative Zwischenkreispotential eingeschleift sind, einen zweiten Kondensator, der dem dritten Widerstand parallel geschaltet ist, und einen fünften Widerstand, der der Basis-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors parallel geschaltet ist.
- Gemäß einer Ausführungsform sind der Basis-Anschluss des ersten Transistors und der Basis-Anschluss des zweiten Transistors elektrisch miteinander verbunden, der Emitter-Anschluss und der Kollektor-Anschluss des ersten Transistors sind elektrisch miteinander verbunden, und ein sechster Widerstand ist in Reihe zwischen einen zweiten Anschluss des Shunt-Widerstands und den Emitter-Anschluss des ersten Transistors eingeschleift.
- Falls anstelle des ersten Transistors zur Temperaturkompensation eine Diode verwendet wird, sind die Kathode der Diode und der Basis-Anschluss des zweiten Transistors elektrisch miteinander verbunden und ein sechster Widerstand ist in Reihe zwischen einen zweiten Anschluss des Shunt-Widerstands und die Anode der Diode eingeschleift.
- Gemäß einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter eine Prüfspannungserzeugungsschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, aus einer an dem vierten Widerstand abfallenden Spannung die Prüfspannung zu erzeugen.
- Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
-
1 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Frequenzumrichters und -
2 ein detailliertes Schaltbild eines Differenzverstärkers, einer Prüfspannungserzeugungsschaltung und einer Auswerteeinheit des in1 gezeigten Frequenzumrichters. -
1 zeigt einen Frequenzumrichter100 , der herkömmlich einen Gleichspannungszwischenkreis1 mit einem Zwischenkreiskondensator30 aufweist, wobei der Gleichspannungszwischenkreis1 einen ersten Anschlusspol2 aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters100 ein positives Zwischenkreispotential ZK+ ansteht, und einen zweiten Anschlusspol3 aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters100 ein negatives Zwischenkreispotential ZKansteht. Eine Potentialdifferenz zwischen dem positiven Zwischenkreispotential ZK+ und dem negativen Zwischenkreispotential ZK- bzw. eine Zwischenkreisspannung kann beispielsweise im Bereich von 800 V liegen. - Der Frequenzumrichter
100 weist weiter einen herkömmlichen Wechselrichter4 auf, der drei Halbbrücken mit zugehörigen HalbleiterschalternT1 bisT6 , beispielsweise in Form von IGBTs, und drei Shunt-WiderständeRU ,RV undRW zur Strommessung aufweist. Die Halbbrücken erzeugen herkömmlich Phasenspannungen U, V und W für einen Drehstrommotor. - Der Wechselrichter
4 weist einen ersten Anschlusspol5 auf, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters100 ein positives Wechselrichterpotential WR+ ansteht, und einen zweiten Anschlusspol6 auf, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters100 ein negatives Wechselrichterpotential WR- ansteht. Im dargestellten Fall sind die Potentiale ZK- und WR- identisch. - Der Frequenzumrichter
100 weist weiter einen Shunt-Widerstand7 mit einem Widerstandswert von 10 mOhm auf, der zwischen den ersten Anschlusspol2 des Gleichspannungszwischenkreises1 und den ersten Anschlusspol5 des Wechselrichters4 eingeschleift ist. - Der Frequenzumrichter
100 weist weiter einen Differenzverstärker8 auf, der dazu ausgebildet ist, aus einer an dem Shunt-Widerstand7 abfallenden PotentialdifferenzUS eine PrüfspannungUP zu erzeugen, die beispielsweise einen impulsförmigen Verlauf im Falle eines Erdschlusses aufweist. - Der Frequenzumrichter
100 weist weiter eine Auswerteeinheit9 auf, die dazu ausgebildet ist, basierend auf der PrüfspannungUP bzw. deren zeitlichem Verlauf einen Erdschluss zu erkennen. - Der Differenzverstärker
8 ist dazu ausgebildet, die PrüfspannungUP mit dem negativen Zwischenkreispotential ZK-, in2 als GND bezeichnet, als Bezugspotential zu erzeugen. - Der Shunt-Widerstand
7 ist derart dimensioniert, dass in einem Erdschlussfall die PotentialdifferenzUS an dem Shunt-Widerstand7 in einem Bereich zwischen 50 mV und 500 mV liegt. - Bezug nehmend auf
2 , weist die Auswerteeinheit9 einen digitalen Eingang10 auf, der mit der PrüfspannungUP beaufschlagt ist. Der Differenzverstärker8 erzeugt die PrüfspannungUP im erdschlussfreien Fall mit einem Pegel, der einem ersten logischen Pegel des digitalen Eingangs10 entspricht, und erzeugt die PrüfspannungUP im Erdschlussfall mit einem Pegel, der einem zweiten logischen Pegel des digitalen Eingangs10 entspricht. - Bezug nehmend auf
2 weist der Differenzverstärker8 einen ersten pnp Bipolar-Transistor11 und einen zweiten pnp Bipolar-Transistor12 auf, wobei der erste Transistor11 den zweiten Transistor12 derart vorspannt, dass im Falle eines Erdschlusses der zweite Transistor12 seinen Schaltzustand selbst dann verändert, wenn die PotentialdifferenzUS an dem Shunt-Widerstand7 kleiner als 500 mV ist. - Der zweite Transistor
12 ist derart verschaltet, dass seine Wechselspannungsverstärkung um mindestens den Faktor100 größer ist als seine Gleichspannungsverstärkung. - Der Differenzverstärker
8 weist einen ersten Widerstand13 und einen ersten Kondensator14 auf, die in Reihe zwischen einen ersten Anschluss22 des Shunt-Widerstands7 und einen Emitter-Anschluss des zweiten Transistors12 eingeschleift sind. - Der Differenzverstärker
8 weist weiter einen zweiten Widerstand15 auf, der zwischen den ersten Anschluss22 des Shunt-Widerstands7 und den Emitter-Anschluss des zweiten Transistors12 eingeschleift ist. - Der Differenzverstärker
8 weist weiter einen dritten Widerstand16 und einen vierten Widerstand18 auf, die in Reihe zwischen einen Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors12 und das negative Zwischenkreispotential ZK- bzw. GND eingeschleift sind. - Der Differenzverstärker
8 weist weiter einen zweiten Kondensator17 auf, der dem dritten Widerstand16 parallel geschaltet ist. - Der Differenzverstärker
8 weist weiter einen fünften Widerstand19 auf, der der Basis-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors12 parallel geschaltet ist. - Der Basis-Anschluss des ersten Transistors
11 und der Basis-Anschluss des zweiten Transistors12 sind elektrisch miteinander verbunden. - Der Emitter-Anschluss und der Kollektor-Anschluss des ersten Transistors
11 sind elektrisch miteinander verbunden. - Der Differenzverstärker
8 weist weiter einen sechsten Widerstand20 auf, der in Reihe zwischen einen zweiten Anschluss23 des Shunt-Widerstands7 und den Emitter-Anschluss des ersten Transistors11 eingeschleift ist. - Eine Prüfspannungserzeugungsschaltung
21 ist dazu ausgebildet, aus einer an dem vierten Widerstand18 abfallenden Spannung die PrüfspannungUP zu erzeugen. Hierzu weist die Prüfspannungserzeugungsschaltung21 einen Kondensator24 , Widerstände25 ,26 und27 und einen Transistor28 in der gezeigten Beschaltung auf. - Dem Shunt-Widerstand
7 parallel geschaltet ist ein Kondensator29 . - Mittels der Erfindung ist ein Schutz gegen Erdschluss der Motorausgänge bei einem Frequenzumrichter einschließlich Kurzschlussschutz eines Bremschopper-Ausgangs durch Messung des Zwischenkreisstromes im ZK+ Zweig mit Shunt-Widerstand
7 möglich. - Da bei der Emittershunt-Strommessung mittels der Shunt-Widerstände
RU ,RV undRW der Motorphasenstrom nur auf ZK- Potential erfasst wird, kann im Betrieb ein Erdschluss an den Motorphasen nur bedingt erkannt werden. Findet der Erdschluss während der Leitphase eines oberen IGBT's T1, T3, T5 statt, wird der Leistungsteil zerstört. Für eine sichere Erdschlusserkennung im ZK+ Strompfad ist daher erfindungsgemäß eine Sensorik vorgesehen. - Da die Auswerteeinheit
9 aber auf dem ZK- bzw. GND Potential liegt, muss die am Shunt-Widerstand7 abfallende SpannungUS zur Auswertung gegen ZK- bzw. GND erzeugt werden. - Ein aufgrund eines Erdschlusses fließender hoher Strom im ZK+ Pfad wird mittels des Shunt-Widerstands
7 in die SpannungUS gewandelt. Da aufgrund geringer Verlustleistung der Ohm-Wert des Shunt-Widerstands7 so gering wie möglich gewählt werden muss, ergibt sich im Erdschlussfall nur ein geringer Spannungsabfall von ca. 100 bis 200 mV am Shunt-Widerstand7 . Dieser Spannungsabfall reicht nicht aus, um einen Optokoppler oder Bipolar-Transistor direkt anzusteuern. - Aus diesem Grund wird die Basisspannung des Transistors
12 mittels des Transistors11 vorgespannt. Da Der Widerstandswert des Widerstands20 viel niederohmiger als der Widerstandswert des Widerstands15 gewählt ist, fließt ein Ruhestrom hauptsächlich durch den Transistor12 . Somit fällt am Widerstand19 eine hohe Spannung ab, beispielsweise ca. 200 V. - Tritt nun ein Erdschluss auf, sperrt der Transistor
11 sofort, worauf der Transistor12 stark leitend wird. Aufgrund des Kondensators17 wird der entstehende Spannungsimpuls auf das untere Spannungspotential ZK- bzw. GND übertragen und der Transistor28 meldet das Kurzschlusssignal dann zur Auswerteeinheit9 . - Theoretisch könnte der entstehende Spannungspuls auch ohne den Kondensator
17 übertragen werden, dazu müsste aber ein Transistor (pnp oder P-Kanal MOS-FET) mit hoher Sperrspannung und hohen Spannungsabständen verwendet werden. - Erfindungsgemäß werden die Widerstandswerte der verwendeten Widerstände derart gewählt, dass über dem Transistor
12 bei einer Zwischenkreisspannung von 800 V max. 210V abfallen und am Kondensator17 entsprechend dann 590 V bis 800 V. Somit ist für die Isolationsstrecke und die Signalübertragung der Kondensator17 maßgeblich. Da dieser aber beispielsweise nur 470 pF an Kapazität aufweisen muss, ist dieser sehr kostengünstig und klein. Als Transistor12 kann ein kleiner, günstiger Transistor verwendet werden. - Erfindungsgemäß ist keine galvanische Trennung zwischen Shunt-Widerstand
7 und Auswerteeinheit9 erforderlich. Weiter ist kein Differenzverstärker mit einer Versorgung auf dem ZK+ Potential notwendig. Weiter ist der Differenzverstärker8 mit kostengünstigen Standardbauteilen realisierbar, so dass keine spezifischen ICs oder Sensoren notwendig sind.
Claims (9)
- Frequenzumrichter (100), aufweisend: - einen Gleichspannungszwischenkreis (1), wobei der Gleichspannungszwischenkreis (1) einen ersten Anschlusspol (2) aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (100) ein positives Zwischenkreispotential (ZK+) ansteht, und einen zweiten Anschlusspol (3) aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (100) ein negatives Zwischenkreispotential (ZK-) ansteht, - einen Wechselrichter (4), wobei der Wechselrichter (4) einen ersten Anschlusspol (5) aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (100) ein positives Wechselrichterpotential (WR+) ansteht, und einen zweiten Anschlusspol (6) aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (100) ein negatives Wechselrichterpotential (WR-) ansteht, - einen Shunt-Widerstand (7), der zwischen den ersten Anschlusspol (2) des Gleichspannungszwischenkreises (1) und den ersten Anschlusspol (5) des Wechselrichters (4) eingeschleift ist, - einen Differenzverstärker (8), der dazu ausgebildet ist, aus einer an dem Shunt-Widerstand (7) abfallenden Potentialdifferenz (US) eine Prüfspannung (UP) zu erzeugen, und - eine Auswerteeinheit (9), die dazu ausgebildet ist, basierend auf der Prüfspannung (UP) einen Erdschluss zu erkennen.
- Frequenzumrichter (100) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass - der Differenzverstärker (8) dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung (UP) mit dem negativen Zwischenkreispotential (ZK-) als Bezugspotential zu erzeugen. - Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Shunt-Widerstand (7) derart dimensioniert ist, dass in einem Erdschlussfall die Potentialdifferenz (US) an dem Shunt-Widerstand (7) in einem Bereich zwischen 50 mV und 500 mV liegt.
- Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Auswerteeinheit (9) einen digitalen Eingang (10) aufweist, der mit der Prüfspannung (UP) beaufschlagt ist, - wobei der Differenzverstärker (8) dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung (UP) im erdschlussfreien Fall mit einem Pegel zu erzeugen, der einem ersten logischen Pegel des digitalen Eingangs (10) entspricht, und - wobei der Differenzverstärker (8) dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung (UP) im Erdschlussfall mit einem Pegel zu erzeugen, der einem zweiten logischen Pegel des digitalen Eingangs (10) entspricht.
- Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Differenzverstärker (8) aufweist: - einen ersten Transistor (11) oder eine Diode, und - einen zweiten Transistor (12), - wobei der erste Transistor (11) oder die Diode den zweiten Transistor (12) derart vorspannt, dass im Falle eines Erdschlusses der zweite Transistor (12) seinen Schaltzustand selbst dann verändert, wenn die Potentialdifferenz (US) an dem Shunt-Widerstand (7) kleiner als 500 mV ist.
- Frequenzumrichter (100) nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass - der zweite Transistor (12) derart verschaltet ist, dass seine Wechselspannungsverstärkung um mindestens den Faktor 100 größer ist als seine Gleichspannungsverstärkung. - Frequenzumrichter (100) nach
Anspruch 5 oder6 , dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Transistor (11) und der zweite Transistor (12) jeweils Bipolartransistoren sind, und - der Differenzverstärker (8) aufweist: - einen ersten Widerstand (13) und einen ersten Kondensator (14), die in Reihe zwischen einen ersten Anschluss (22) des Shunt-Widerstands (7) und einen Emitter-Anschluss des zweiten Transistors (12) eingeschleift sind, - einen zweiten Widerstand (15), der zwischen den ersten Anschluss (22) des Shunt-Widerstands (7) und den Emitter-Anschluss des zweiten Transistors (12) eingeschleift ist, - einen dritten Widerstand (16) und einen vierten Widerstand (18), die in Reihe zwischen einen Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors (12) und das negative Zwischenkreispotential (ZK-) eingeschleift sind, - einen zweiten Kondensator (17), der dem dritten Widerstand (16) parallel geschaltet ist, und - einen fünften Widerstand (19), der der Basis-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors (12) parallel geschaltet ist. - Frequenzumrichter (100) nach einem der
Ansprüche 5 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass - der Basis-Anschluss des ersten Transistors (11) und der Basis-Anschluss des zweiten Transistors (12) elektrisch miteinander verbunden sind, - der Emitter-Anschluss und der Kollektor-Anschluss des ersten Transistors (11) elektrisch miteinander verbunden sind, und - ein sechster Widerstand (20) in Reihe zwischen einen zweiten Anschluss (23) des Shunt-Widerstands (7) und den Emitter-Anschluss des ersten Transistors (11) eingeschleift ist. - Frequenzumrichter (100) nach einem der
Ansprüche 5 bis8 , gekennzeichnet durch - eine Prüfspannungserzeugungsschaltung (21), die dazu ausgebildet ist, aus einer an dem vierten Widerstand (18) abfallenden Spannung die Prüfspannung (UP) zu erzeugen.
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