DE102021209428B4 - Frequenzumrichter - Google Patents

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Abstract

Frequenzumrichter (1), aufweisend:- einen ersten Zwischenkreiszweig (2), an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (1) ein positives Zwischenkreispotential (UZK+) ansteht,- einen zweiten Zwischenkreiszweig (3), an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (1) ein negatives Zwischenkreispotential (UZK-) ansteht,- einen Wechselrichter (4) mit einem ersten Eingangsanschluss (4a) und einem zweiten Eingangsanschluss (4b), wobei der Wechselrichter (4) eine Anzahl von Brückenzweigen (16, 17, 18) aufweist, wobei ein jeweiliger Brückenzweig (16, 17, 18) ein oberes Halbleiterschaltmittel (11) und ein unteres Halbleiterschaltmittel (12) aufweist, wobei das obere Halbleiterschaltmittel (11) und das untere Halbleiterschaltmittel (12) in Reihe zwischen den ersten Eingangsanschluss (4a) und den zweiten Eingangsanschluss (4b) eingeschleift sind und wobei ein Verbindungsknoten des oberen Halbleiterschaltmittels (11) und des unteren Halbleiterschaltmittels (12) einen Ausgangsanschluss (U, V, W) des Wechselrichters (4) bildet,- eine Drossel (5), die zwischen den ersten Zwischenkreiszweig (2) und den ersten Eingangsanschluss (4a) des Wechselrichters (4) eingeschleift ist,- einen Shunt-Widerstand (6), der zwischen den zweiten Zwischenkreiszweig (3) und den zweiten Eingangsanschluss (4b) des Wechselrichters (4) eingeschleift ist, und- eine Auswerteeinheit (15), die dazu ausgebildet ist, basierend auf einer an dem Shunt-Widerstand (6) abfallenden Spannung einen Erdschluss eines oberen Halbleiterschaltmittels (11) des Wechselrichters (4) zu erkennen.

Description

  • Die JP 2011-193584 A offenbart einen Frequenzumrichter mit einem ersten Zwischenkreiszweig, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Zwischenkreispotential ansteht, und einem zweiten Zwischenkreiszweig, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Zwischenkreispotential ansteht. Der Frequenzumrichter weist weiter einen Wechselrichter mit einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss auf. Der Wechselrichter weist eine Anzahl von Brückenzweigen auf. Ein jeweiliger Brückenzweig weist ein oberes Halbleiterschaltmittel und ein unteres Halbleiterschaltmittel auf, wobei das obere Halbleiterschaltmittel und das untere Halbleiterschaltmittel in Reihe zwischen den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss eingeschleift sind und wobei ein Verbindungsknoten des oberen Halbleiterschaltmittels und des unteren Halbleiterschaltmittels einen Ausgangsanschluss des Wechselrichters bildet. Der Frequenzumrichter weist weiter eine Drossel auf, die zwischen den ersten Zwischenkreiszweig und den ersten Eingangsanschluss des Wechselrichters eingeschleift ist. Der Frequenzumrichter weist weiter einen Shunt-Widerstand auf, der zwischen den zweiten Zwischenkreiszweig und den zweiten Eingangsanschluss des Wechselrichters eingeschleift ist. Der Frequenzumrichter weist weiter eine Auswerteeinheit auf, welche einen Überstrom in dem Wechselrichter auf Grundlage der über den Shunt-Widerstand abfallenden Spannung erkennt. Die Auswerteeinheit ist nicht dazu ausgebildet, einen Erdschluss in einem High-Side-Schalter zu erkennen bzw. festzustellen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, der möglichst zuverlässig und auf einfache Art und Weise eine Erdschlusserkennung ermöglicht.
  • Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter weist herkömmlich einen ersten Zwischenkreiszweig auf, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Zwischenkreispotential ansteht. Entsprechend weist der Frequenzumrichter einen zweiten Zwischenkreiszweig auf, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Zwischenkreispotential ansteht. Die Potentialdifferenz zwischen positivem und negativem Zwischenkreispotential wird als Zwischenkreisspannung bezeichnet.
  • Der Frequenzumrichter weist weiter einen herkömmlichen Wechselrichter mit einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss auf. Der Wechselrichter weist eine Anzahl von Brückenzweigen auf, beispielsweise genau 3 Brückenzweige in B6-Topologie. Ein jeweiliger Brückenzweig weist ein oberes Halbleiterschaltmittel, beispielsweise in Form eines Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBT), und ein unteres Halbleiterschaltmittel auf, beispielsweise ebenfalls in Form eines IGBT. Das obere Halbleiterschaltmittel und das untere Halbleiterschaltmittel sind in Reihe zwischen den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss eingeschleift. Ein Verbindungsknoten des oberen Halbleiterschaltmittels und des unteren Halbleiterschaltmittels bildet einen der Ausgangsanschlüsse des Wechselrichters, an dem typisch eine der Wechselrichterphasen ausgegeben wird. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Der Wechselrichter dient typisch zum Ansteuern eines Drehstrommotors.
  • Der Frequenzumrichter weist weiter eine Drossel bzw. eine Spule auf, die zwischen den ersten Zwischenkreiszweig und den ersten Eingangsanschluss des Wechselrichters eingeschleift ist.
  • Der Frequenzumrichter weist weiter einen Shunt-Widerstand auf, der zwischen den zweiten Zwischenkreiszweig und den zweiten Eingangsanschluss des Wechselrichters eingeschleift ist.
  • Der Frequenzumrichter weist weiter eine Auswerteeinheit auf, die dazu ausgebildet ist, basierend auf einer an dem Shunt-Widerstand abfallenden Spannung einen Erdschluss der oberen Halbleiterschaltmittel des Wechselrichters zu erkennen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit bei einem Spannungssprung über eine vorgegebene Spannungsschwelle hinaus einen solchen Erdschluss erkennen.
  • In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter einen bidirektionalen Stromrichter auf. Der Stromrichter weist einen ersten Ausgangsanschluss auf, der mit dem ersten Zwischenkreiszweig verbunden ist, und weist einen zweiten Ausgangsanschluss auf, der mit dem zweiten Zwischenkreiszweig verbunden ist.
  • In einer Ausführungsform ist der bidirektionale Stromrichter selbstgeführt.
  • In einer Ausführungsform ist der bidirektionale Stromrichter ein netzgeführter aktiver Gleichrichter.
  • In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter einen Zwischenkreiskondensator auf, der zwischen den ersten Zwischenkreiszweig und den zweiten Zwischenkreiszweig eingeschleift ist.
  • In einer Ausführungsform sind der Stromrichter und der Zwischenkreiskondensator Bestandteile eines Fundamental Frequency Front Ends. Der Stromrichter ist hierbei typisch ein aktiver, netzgeführter Gleichrichter und der Zwischenkreiskondensator weist eine vergleichsweise geringe Kapazität auf. Hinsichtlich des F3E Standards sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Erfindungsgemäß erfolgt eine Erdschluss-Strommessung mittels des Shunt-Widerstands im Strompfad des negativen Zwischenkreispotentials sowohl für High-seitige als auch Low-seitige Erdschlüsse.
  • Die Erfindung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt:
    • 1 schematisch ein Schaltbild eines Frequenzumrichters mit einem Fundamental Frequency Front End und einer erfindungsgemäßen Erdschlusserkennung.
  • 1 zeigt ein Schaltbild eines Frequenzumrichters 1, aufweisend einen ersten Zwischenkreiszweig 2, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters 1 ein positives Zwischenkreispotential UZK+ ansteht, einen zweiten Zwischenkreiszweig 3, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters 1 ein negatives Zwischenkreispotential UZK- ansteht, einen Wechselrichter 4 mit einem ersten Eingangsanschluss 4a und einem zweiten Eingangsanschluss 4b, eine Drossel 5, die zwischen den ersten Zwischenkreiszweig 2 und den ersten Eingangsanschluss 4a des Wechselrichters 4 eingeschleift ist, einen Shunt-Widerstand 6, der zwischen den zweiten Zwischenkreiszweig 3 und den zweiten Eingangsanschluss 4b des Wechselrichters 4 eingeschleift ist, eine Auswerteeinheit 15, die dazu ausgebildet ist, basierend auf einer an dem Shunt-Widerstand 6 abfallenden Spannung einen Erdschluss des Wechselrichters 4 zu erkennen, und einen optionalen bidirektionalen Stromrichter 7.
  • Der Stromrichter 7 ist ein selbstgeführter bzw. netzgeführter Gleichrichter, der einen ersten Ausgangsanschluss 7a aufweist, der mit dem ersten Zwischenkreiszweig 2 verbunden ist, und der einen zweiten Ausgangsanschluss 7b aufweist, der mit dem zweiten Zwischenkreiszweig 3 verbunden ist.
  • Der Frequenzumrichter 1 weist einen Zwischenkreiskondensator 8 auf, der zwischen den ersten Zwischenkreiszweig 2 und den zweiten Zwischenkreiszweig 3 eingeschleift ist.
  • Der bidirektionale Stromrichter 7 in Form des selbst- bzw. netzgeführten aktiven Gleichrichters in B6-Topologie weist herkömmliche Halbleiterschaltmittel 9 mit jeweils parallel geschalteten Netzdioden 10 in der dargestellten Verschaltung auf, wobei die Halbleiterschaltmittel 9 herkömmlich netzgeführt in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf von Phasenspannungen an Phasen L1, L2 bzw. L3 einer dreiphasigen Netzwechselspannung UN angesteuert werden. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Der Wechselrichter 4 in B6-Topologie weist herkömmlich drei Brückenzweige 16, 17, 18 auf, wobei ein jeweiliger Brückenzweig 16, 17, 18 ein oberes Halbleiterschaltmittel 11 und ein unteres Halbleiterschaltmittel 12 aufweist. Das obere Halbleiterschaltmittel 11 und das untere Halbleiterschaltmittel 12 sind in Reihe zwischen den ersten Eingangsanschluss 4a und den zweiten Eingangsanschluss 4b eingeschleift. Ein Verbindungsknoten des oberen Halbleiterschaltmittels 11 und des unteren Halbleiterschaltmittels 12 bildet einen der Ausgangsanschlüsse U, V, W des Wechselrichters 4, an denen beispielsweise ein dreiphasiger Elektromotor 13 angeschlossen werden kann. Den Halbleiterschaltmitteln 11 und 12 sind jeweils Freilaufdioden 19 parallel geschaltet. Die Halbleiterschaltmittel 11 und 12 werden herkömmlich mit einer (PWM-) Schaltfrequenz angesteuert. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Der bidirektionale, aktive, netzgeführte Gleichrichter 7 und der Zwischenkreiskondensator 8 sind Bestandteile eines Fundamental Frequency Front Ends (F3E).
  • Die Erfindung ermöglicht einen wirksamen Schutz des Frequenzumrichters 1 bei einem Erdschluss der Phasenanschlüsse U, V bzw. W.
  • Mittels der (Speicher-) Drossel 5 im Pfad des oberen Zwischenkreispotentials UZK+ und dem Shunt-Widerstand 6 im Pfad des negativen Zwischenkreispotentials UZK- kann ein Erdschluss auch während der Leitphase eines oberen Halbleiterschaltmittels 11 des Wechselrichters 4 erkannt werden.
  • Hat beispielsweise der Phasenanschluss U während der Leitphase eines oberen Halbleiterschaltmittels 11 einen Erdschluss, so wird das Potential UZK+ schlagartig nach unten gezogen. Da die Impedanz der Drossel 5 in diesem Frequenzbereich sehr hoch ist, überträgt der Zwischenkreiskondensator 8 den negativen Spannungshub zum Shunt-Widerstand 6. Bei aktivierter F3E Rückspeisung erzeugt dieser negative Spannungshub im Shunt-Widerstand 6 einen Strom, der dann über einen optionalen Messverstärker 14 der Auswerteeinheit 15 verstärkt wird und zur Überstromabschaltung benutzt werden kann. Entsprechendes gilt für die Leitphase eines unteren Halbleiterschaltmittels 12.
  • Die Erdschlusserkennung ist in gleicher Weise auch bei einer externen DC-Einspeisung, die den Stromrichter 7 ersetzt, möglich.
  • Die Ausfallwahrscheinlichkeit des Frequenzumrichters 1 wird aufgrund der Erfindung im Erdschlussfall daher deutlich verringert. Weiter sind Frequenzumrichter mit Emittershunt-Strommessung ebenfalls gegen Erdschlüsse abgesichert.

Claims (6)

  1. Frequenzumrichter (1), aufweisend: - einen ersten Zwischenkreiszweig (2), an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (1) ein positives Zwischenkreispotential (UZK+) ansteht, - einen zweiten Zwischenkreiszweig (3), an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (1) ein negatives Zwischenkreispotential (UZK-) ansteht, - einen Wechselrichter (4) mit einem ersten Eingangsanschluss (4a) und einem zweiten Eingangsanschluss (4b), wobei der Wechselrichter (4) eine Anzahl von Brückenzweigen (16, 17, 18) aufweist, wobei ein jeweiliger Brückenzweig (16, 17, 18) ein oberes Halbleiterschaltmittel (11) und ein unteres Halbleiterschaltmittel (12) aufweist, wobei das obere Halbleiterschaltmittel (11) und das untere Halbleiterschaltmittel (12) in Reihe zwischen den ersten Eingangsanschluss (4a) und den zweiten Eingangsanschluss (4b) eingeschleift sind und wobei ein Verbindungsknoten des oberen Halbleiterschaltmittels (11) und des unteren Halbleiterschaltmittels (12) einen Ausgangsanschluss (U, V, W) des Wechselrichters (4) bildet, - eine Drossel (5), die zwischen den ersten Zwischenkreiszweig (2) und den ersten Eingangsanschluss (4a) des Wechselrichters (4) eingeschleift ist, - einen Shunt-Widerstand (6), der zwischen den zweiten Zwischenkreiszweig (3) und den zweiten Eingangsanschluss (4b) des Wechselrichters (4) eingeschleift ist, und - eine Auswerteeinheit (15), die dazu ausgebildet ist, basierend auf einer an dem Shunt-Widerstand (6) abfallenden Spannung einen Erdschluss eines oberen Halbleiterschaltmittels (11) des Wechselrichters (4) zu erkennen.
  2. Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (1) einen bidirektionalen Stromrichter (7) aufweist, - wobei der Stromrichter (7) einen ersten Ausgangsanschluss (7a) aufweist, der mit dem ersten Zwischenkreiszweig (2) verbunden ist, und - wobei der Stromrichter (7) einen zweiten Ausgangsanschluss (7b) aufweist, der mit dem zweiten Zwischenkreiszweig (3) verbunden ist.
  3. Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der bidirektionale Stromrichter (7) selbstgeführt ist.
  4. Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der bidirektionale Stromrichter (7) ein netzgeführter Gleichrichter ist.
  5. Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (1) einen Zwischenkreiskondensator (8) aufweist, der zwischen den ersten Zwischenkreiszweig (2) und den zweiten Zwischenkreiszweig (3) eingeschleift ist.
  6. Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (7) und der Zwischenkreiskondensator (8) Bestandteile eines Fundamental Frequency Front Ends (F3E) sind.
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