DE102022203787A1

DE102022203787A1 - Stromrichter und System

Info

Publication number: DE102022203787A1
Application number: DE102022203787.1A
Authority: DE
Inventors: Simon Puls; Martin Ehlich
Original assignee: Lenze SE
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2022-04-14
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2023-10-19

Abstract

Stromrichter (1), aufweisend:- einen Anschluss (2) zum Anschließen des Stromrichters (1) an ein DC-Netz (3), wobei an dem DC-Netz (3) eine Gleichspannung (UDC) ansteht,- einen Puffer-Kondensator (4), der dazu ausgebildet ist, die Gleichspannung (UDC) stromrichterintern zu puffern,- einen Wechselrichter (5), der dazu ausgebildet ist, aus einer am Puffer-Kondensator anstehenden Spannung (UDC`) eine oder mehrere Wechselspannungen (Uu, Uv, Uw) zu erzeugen,- einen Sensor (6), der dazu ausgebildet ist, die an dem Puffer-Kondensator (4) anliegende Spannung (UDC`) und/oder einen Strom (I) in den Puffer-Kondensator (4) zu messen, und- eine mit dem Sensor (6) gekoppelte Auswerteeinheit (7), die dazu ausgebildet ist, die gemessene Spannung (UDC`) und/oder den gemessenen Strom (I) auszuwerten.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und ein System enthaltend einen Stromrichter zur Verfügung zu stellen, die möglichst sicher an einem DC-Netz betreibbar sind.
Der Stromrichter weist einen herkömmlichen, beispielsweise 2-poligen, Anschluss zum Anschließen des Stromrichters an ein Gleichspannungs- bzw. DC-Netz auf, wobei an dem DC-Netz eine Gleichspannung ansteht.
Der Stromrichter weist weiter einen herkömmlichen Puffer-Kondensator auf, der dazu ausgebildet ist, die Gleichspannung stromrichterintern zu puffern.
Der Stromrichter weist weiter einen herkömmlichen Wechselrichter auf, der dazu ausgebildet ist, aus einer am Puffer-Kondensator anstehenden (Gleich-) Spannung eine oder mehrere Wechselspannungen zu erzeugen.
Der Stromrichter weist weiter einen Sensor auf, der dazu ausgebildet ist, die an dem Puffer-Kondensator anliegende Spannung und/oder einen Strom in den Puffer-Kondensator zu messen.
Der Stromrichter weist weiter eine mit dem Sensor gekoppelte Auswerteeinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die gemessene Spannung und/oder den gemessenen Strom auszuwerten.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, einen zeitlichen Verlauf der gemessenen Spannung und/oder des gemessenen Stroms auszuwerten.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, Maximalwerte und Minimalwerte der gemessenen Spannung und/oder des gemessenen Stroms zu ermitteln.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, eine Fouriertransformation der gemessenen Spannung und/oder des gemessenen Stroms durchzuführen.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, eine zeitliche Ableitung der gemessenen Spannung und/oder des gemessenen Stroms zu bilden.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, eine Warnmeldung in Abhängigkeit von der ausgewerteten Spannung und/oder des ausgewerteten Stroms zu erzeugen.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, eine Lastkenngröße für den Puffer-Kondensator in Abhängigkeit von der ausgewerteten Spannung und/oder des ausgewerteten Stroms zu ermitteln, wobei die Lastkenngröße eine Belastung des Puffer-Kondensators durch alle an das DC-Netz angeschlossene Geräte abbildet. Die Lastkenngröße kann beispielsweise frequenzabhängige Impedanzen und zugehörige zulässige Rippelströme abbilden. Dabei können beispielsweise alle betragsmäßig bedeutenden Rippelanteile der diskreten Frequenzen berücksichtigt werden.
In einer Ausführungsform weist der Stromrichter einen Temperatursensor auf, der dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Puffer-Kondensators und/oder eine Temperatur von Anschlusspolen des Anschlusses zu messen, wobei die Auswerteeinheit mit dem Temperatursensor gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, die gemessene Temperatur in Verbindung mit der gemessenen Spannung und/oder dem gemessenen Strom auszuwerten.
In einer Ausführungsform weist der Sensor einen A/D-Wandler auf, dessen Abtastfrequenz größer als 1 kHz ist.
Das System weist ein DC-Netz und eine Anzahl von elektrischen Geräten auf, die jeweils mit dem DC-Netz verbunden sind, wobei mindestens eines der elektrischen Geräte ein oben beschriebener Stromrichter ist.
Werden die Zwischenkreise von mehreren Geräten, z.B. von Wechselrichtern, elektrisch miteinander über ein DC-Netz verbunden, wirken durch ein Gerät verursachte Rippelspannungen ebenfalls auf die anderen Geräte. Durch die Rippelspannung und die Eingangsimpedanz eines Gerätes ergibt sich für dieses Gerät ein entsprechender Rippelstrom.
Geht in dieser Konstellation beispielsweise von Gerät „a“ eine Rippelspannung aus, welche im Gerät „b“ zu einem erhöhten Rippelstrom führt, kann das Gerät „b“ überlastet werden, nicht jedoch zwingend auch das verursachende Gerät „a“. Die Überlastung kann zur vorzeitigen Alterung und damit dem verfrühten Ausfall des Geräts „b“ führen. Fälschlicherweise wird das Gerät „b“ zudem als „minderwertig“ beurteilt.
Weiter können in der DC-Verbindung Schwingungen unterschiedlicher Ausprägung angeregt werden und Ausgleichsströme fließen. Die Schwingungen entsprechen dem Ladungsaustausch (Strom) zwischen mindestens zwei Ladungsspeichern, in der Regel Puffer- bzw. Zwischenkreiskondensatoren. Die Puffer-Kondensatoren und andere Bauelemente wie Sicherungselemente, Leitungen, Kontakte, etc. können durch den zusätzlichen Strom überlastet werden. Dieses führt zur vorzeitiger Alterung und einem verfrühten Ausfall.
Erfindungsgemäß wird mittels einer stetigen Überwachung der gepufferten Gleichspannung bzw. der Zwischenkreisspannung und/oder eines Puffer-Kondensator-Stroms eine Überbeanspruchung des Puffer-Kondensators bzw. Zwischenkreisspeichers detektiert und gegebenenfalls angezeigt. Die Überwachung wird von jedem Stromrichter bzw. Gerät selbst durchgeführt.
Erfindungsgemäß werden hierzu der Strom in den Puffer-Kondensator und/oder die Spannung am Puffer-Kondensator mit einer ausreichend hohen Abtastrate gemessen und ausgewertet. Für die Auswertung der derart gemessenen Größen kommen neben der reinen Amplitudenbewertung auch eine Differentiation des Signals und/oder eine schnelle Fourier-Transformation FFT in Frage. Weitere Methoden, wie beispielsweise eine Temperaturmessung im Puffer-Kondensatorkern oder an den Anschlusspolen zum Detektieren der Puffer-Kondensatorbelastung sind möglich.
Die Erfindung ermöglich eine Anzeige bzw. Signalisierung, wenn ein Stromrichter bzw. ein Gerät durch einen anderen Stromrichter bzw. ein anderes Gerät überlastet wird, so dass für diesen Fall, beispielsweise durch eine übergeordnete Steuerung, geeignete Maßnahmen eingeleitet werden können.
Weiter kann bei einem vorzeitig gealterten bzw. ausgefallenen Stromrichter, der elektrisch von anderen Geräten des DC-Netzes geschädigt wurde, diese spezifische Schädigungsursache angezeigt werden, beispielsweise durch Hinterlegen in einem stromrichterinternen nichtflüchtigen Speicher. Fälschlicherweise angenommene minderwertige Puffer-Kondensatoren können so zudem als Fehler ausgeschlossen werden.
Zusammenfassend kann erfindungsgemäß mittels des Stromrichters selbst eine Überbeanspruchung des Stromrichters durch Einflüsse von außen, d.h. auf dem DC-Netz, erkannt, angezeigt und gespeichert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:

1 ein Blockschaltbild eines Systems mit einem DC-Netz und einer Anzahl von elektrischen Geräten jeweils in Form von Stromrichtern, die miteinander über ein DC-Netz verbunden sind.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems 100 aufweisend ein DC-Netz 3 und drei Stromrichter bzw. Frequenzumrichter 1, 8, 9, die jeweils mit dem DC-Netz 3 verbunden sind und die herkömmlich jeweils dreiphasige Elektromotoren 11 ansteuern. Die Stromrichter 1, 8, 9 sind identisch aufgebaut, wobei nachfolgend exemplarisch der Aufbau und die Funktion des Frequenzumrichters 1 beschrieben wird.
Der Stromrichter 1 weist einen Anschluss 2 mit Anschlusspolen 16, 17 zum Anschließen des Stromrichters 1 an das DC-Netz 3 auf, wobei an dem DC-Netz 3 eine Gleichspannung UDC anliegt.
Der Stromrichter 1 weist weiter einen Zwischenkreis- oder Puffer-Kondensator 4 auf, der dazu ausgebildet ist, die Gleichspannung UDC stromrichterintern zu puffern.
Der Stromrichter 1 weist weiter in der dargestellten Beschaltung Sicherungen 12, 13 und Entstördrosseln 14 und 15 auf. Die Sicherung 12 und die Entstördrossel 14 sind zwischen den Anschlusspol 16 und einen ersten Anschluss des Puffer-Kondensators 4 eingeschleift und die Sicherung 13 und die Entstördrossel 15 sind zwischen den Anschlusspol 17 und einen zweiten Anschluss des Puffer-Kondensators 4 eingeschleift.
Der Stromrichter 1 weist weiter einen dreiphasigen Wechselrichter 5 auf, der dazu ausgebildet ist, aus einer am Puffer-Kondensator 4 anstehenden Spannung UDC' drei Wechselspannungen bzw. Phasenspannungen Uu, Uv, Uw für den Elektromotor 11 zu erzeugen.
Der Stromrichter 1 weist weiter einen Sensor 6 auf, der dazu ausgebildet ist, die an dem Puffer-Kondensator 4 anliegende Spannung UDC' und/oder einen Strom I in den Puffer-Kondensator 4 zu messen.
Der Sensor 6 kann beispielsweise als weitere Drossel ausgebildet sein, die mit den Entstördrosseln 14 und 15 magnetisch gekoppelt ist. Die Entstördrosseln 14 und 15 können beispielsweise als 2-phasige Gleichtaktdrosseln mit gemeinsamem Kern ausgebildet sein. Eine dritte Wicklung auf dem Kern (3-phasig), die dann den Sensor 6 bildet, könnte über den Streuanteil der Entstördrosseln 14 und 15 bei einem Gegentaktstrom d.h. Rippelstrom eine entsprechende Spannung detektieren, die sogar Rückschlüsse darauf gibt, welcher Anteil geräteintern und welcher von außen wirkt.
Der Stromrichter 1 weist weiter eine mit dem Sensor 6 gekoppelte Auswerteeinheit 7 auf, die dazu ausgebildet ist, die gemessene Spannung UDC' und/oder den gemessenen Strom I im Hinblick auf eine Belastung des Stromrichters 1 auch durch die anderen Stromrichter 8 und 9 auszuwerten.
Die Auswerteeinheit 7 ist dazu ausgebildet, einen zeitlichen Verlauf der gemessenen Spannung UDC' und/oder des gemessenen Stroms I auszuwerten und beispielsweise Maximalwerte UDC'max, Imax und Minimalwerte UDC'min, Imin der gemessenen Spannung UDC` bzw. des gemessenen Stroms I zu ermitteln. Wenn die Spannung UDC` den Maximalwert UDC`max überschreitet oder den Minimalwert UDC`min unterschreitet, kann beispielsweise auf eine Überlastung des Stromrichters 1 geschlossen werden. Entsprechend kann, wenn der Strom I den Maximalwert Imax überschreitet bzw. den Minimalwert Imin unterschreitet, auf eine Überlastung des Stromrichters 1 geschlossen werden. Die Maximalwerte UDC'max, Imax und die Minimalwerte UDC'min, Imin können beispielsweise per Simulation oder empirisch ermittelt werden.
Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, eine Fouriertransformation der gemessenen Spannung UDC` bzw. des gemessenen Stroms I durchzuführen und/oder eine zeitliche Ableitung der gemessenen Spannung UDC` bzw. des gemessenen Stroms I zu bilden und eine Warnmeldung in Abhängigkeit von der ausgewerteten Spannung UDC' und/oder des ausgewerteten Stroms I zu erzeugen und stromrichterintern nicht-flüchtig abzuspeichern, falls eine über einem Schwellenwert liegende Belastung des Stromrichters 1 durch die anderen Stromrichter 8 und 9 vorliegt.
Die Auswerteeinheit kann eine Lastkenngröße für den Puffer-Kondensator 4 in Abhängigkeit von der ausgewerteten Spannung UDC' und/oder des ausgewerteten Stroms I ermitteln, wobei die Lastkenngröße eine Belastung des Puffer-Kondensators 4 durch alle an das DC-Netz 3 angeschlossene Geräte 1, 8, 9 abbildet.
Der Stromrichter 1 weist weiter einen Temperatursensor 10 auf, der dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Puffer-Kondensators 4 und/oder eine Temperatur der Anschlusspole 16, 17 des Anschlusses 2 zu messen. Die Auswerteeinheit 7 ist mit dem Temperatursensor 10 gekoppelt und dazu ausgebildet, die gemessene Temperatur in Verbindung mit der gemessenen Spannung UDC` und/oder dem gemessenen Strom I im Hinblick auf eine Belastung des Stromrichters 1 auch durch die anderen Stromrichter 8 und 9 auszuwerten.
Der Sensor 6 weist einen A/D-Wandler 18 auf, dessen Abtastfrequenz größer als 1 kHz ist, um die Belastung des Puffer-Kondensators 4 mit ausreichender zeitlicher Auflösung ermitteln zu können.

Claims

Stromrichter (1), aufweisend: - einen Anschluss (2) zum Anschließen des Stromrichters (1) an ein DC-Netz (3), wobei an dem DC-Netz (3) eine Gleichspannung (UDC) ansteht, - einen Puffer-Kondensator (4), der dazu ausgebildet ist, die Gleichspannung (UDC) stromrichterintern zu puffern, - einen Wechselrichter (5), der dazu ausgebildet ist, aus einer am Puffer-Kondensator anstehenden Spannung (UDC`) eine oder mehrere Wechselspannungen (Uu, Uv, Uw) zu erzeugen, - einen Sensor (6), der dazu ausgebildet ist, die an dem Puffer-Kondensator (4) anliegende Spannung (UDC`) und/oder einen Strom (I) in den Puffer-Kondensator (4) zu messen, und - eine mit dem Sensor (6) gekoppelte Auswerteeinheit (7), die dazu ausgebildet ist, die gemessene Spannung (UDC`) und/oder den gemessenen Strom (I) auszuwerten.
Stromrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Auswerteeinheit (7) dazu ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf der gemessenen Spannung (UDC`) und/oder des gemessenen Stroms (I) auszuwerten.
Stromrichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Auswerteeinheit (7) dazu ausgebildet ist, Maximalwerte (UDC'max, Imax) und Minimalwerte (UDC'min, Imin) der gemessenen Spannung (UDC`) und/oder des gemessenen Stroms (I) zu ermitteln.
Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Auswerteeinheit (7) dazu ausgebildet ist, eine Fouriertransformation der gemessenen Spannung (UDC`) und/oder des gemessenen Stroms (I) durchzuführen.
Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Auswerteeinheit (7) dazu ausgebildet ist, eine zeitliche Ableitung der gemessenen Spannung (UDC`) und/oder des gemessenen Stroms (I) zu bilden.
Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Auswerteeinheit (7) dazu ausgebildet ist, eine Warnmeldung in Abhängigkeit von der ausgewerteten Spannung (UDC`) und/oder des ausgewerteten Stroms (I) zu erzeugen.
Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Auswerteeinheit (7) dazu ausgebildet ist, eine Lastkenngröße für den Puffer-Kondensator (4) in Abhängigkeit von der ausgewerteten Spannung (UDC`) und/oder des ausgewerteten Stroms (I) zu ermitteln, wobei die Lastkenngröße eine Belastung des Puffer-Kondensators (4) durch alle an das DC-Netz (3) angeschlossene Geräte (1, 8, 9) abbildet.
Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (1) einen Temperatursensor (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Puffer-Kondensators (4) und/oder eine Temperatur von Anschlusspolen (16, 17) des Anschlusses (2) zu messen, - wobei die Auswerteeinheit (7) mit dem Temperatursensor (10) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, die gemessene Temperatur in Verbindung mit der gemessenen Spannung (UDC`) und/oder dem gemessenen Strom (I) auszuwerten.
Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Sensor einen A/D-Wandler (18) aufweist, dessen Abtastfrequenz größer als 1 kHz ist.
System (100), aufweisend: - ein DC-Netz (3), - eine Anzahl von elektrischen Geräten (1, 8, 9), die jeweils mit dem DC-Netz (3) verbunden sind, wobei mindestens eines der elektrischen Geräte (1, 8, 9) ein Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.