DE102022208056A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Umrichters - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (74) zum Ermitteln eines Zustands eines Umrichters (2) anhand von mehreren Sensorwerten (94), die jeweils zu einem mittels eines analogen Sensors (38) einer jeweiligen Sensoreinheit (18) erstellten Messwert (50) korrespondieren. Ein Taktsignal (76), das mehrere gleiche Takte (80) mit zwei unterschiedlichen Taktzuständen (78) aufweist, wird an jede Sensoreinheit (18) geleitet. Während eines der Taktzustände (78) jedes Takts (80) wird bei jeder Sensoreinheit (18) ein vorgegebener Referenzwert (84) um den jeweils aktuellen Messwert (50) mittels einer vorgegebenen Operation auf einen jeweiligen Zwischenwert (56) verändert. Während des anderen Taktzustands (78) des jeweils gleichen Takts (80) wird bei jeder Sensoreinheit (18) der jeweilige Zwischenwert (86) um einen jeweiligen Hilfswert (90) mittels einer entgegengesetzten Operation bis zum Referenzwert (84) verändert. Während der jeweiligen verbleibenden Zeitspanne des gleichen Takts (80) wird ein erster Zustand (96) und ansonsten ein zweiter Zustand (98) als jeweiliger Sensorwert (94) verwendet, und die Sensorwerte (94) werden mittels einer Einspeiseschaltung (102) in eine gemeinsame, gegen einen Ausgabepunkt (34) geführte Ausgabeleitung (36) eingespeist. Ferner betrifft die Erfindung einen Umrichter (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Umrichters sowie einen Umrichter. Der Umrichter weist jeweils mehrere Sensoreinheiten mit jeweils einem analogen Sensor auf.
  • Umrichter weisen üblicherweise mehrere elektrische und/oder elektronische Bauteile auf, die sich bei Betrieb aufgrund von elektrischen Verlusten erwärmen. Wenn eine kritische Temperatur überschritten wird, werden die einzelnen Bauteile beschädigt, sodass diese ersetzt werden müssen. Zur Vermeidung hiervon sind üblicherweise mehrere Temperatursensoren vorhanden, und wenn die um eine Sicherheitsschwelle reduzierte Temperatur erreicht wird, der Umrichter abgeschaltet wird.
  • In zunehmendem Maße weisen derartige Umrichter einzelnen Module auf, die jeweils ein oder mehrere Leistungshalbleiterschalter umfassen, mittels derer eine vergleichsweise hohe elektrische Spannung, nämlich die Zwischenkreisspannung, geschaltet wird. Aufgrund der Module ist hierbei eine Montage des Umrichters erleichtert. Die Steuerung und/oder Regelung des Umrichters, anhand derer auch die Leistungshalbleiterschalter betätigt werden, erfolgt üblicherweise mittels einer Steuereinheit. Die Steuereinheit des Umrichters ist meist galvanisch zu der mittels der Leistungshalbleiterschalter geschalteten Spannungen getrennt, sodass eine sichere Bedienung für Personen möglich ist. Auch ist auf diese Weise eine Anforderung an die zur Realisierung der Steuereinheit verwendeten Bauteile verringert.
  • In die Module ist meist ein Temperatursensor oder zumindest ein temperaturabhängiger Widerstand eingebettet, mittels dessen die Temperatur des Moduls und somit auch der Leistungshalbleiterschalter ermittelt werden kann. Der Widerstand ist hierbei meist gegenüber den mittels des jeweiligen Moduls geführten elektrischen Spannungen nicht sicher galvanisch getrennt. Zum Weiterverarbeiten des auf diese Weise jeweils bereitgestellten elektrischen Widerstands bzw. einer sich in Abhängigkeit des Widerstands ergebenden elektrischen Spannung mittels der Steuereinheit, ist es somit erforderlich, eine galvanische Trennung vorzunehmen.
  • Da die sich ergebenden elektrischen Spannung bzw. der Widerstand ein analoges Signal ist, ist hierfür bei jedem Modul eine analoge galvanische Trennung erforderlich, was jedoch vergleichsweise kostenintensiv ist. Bei einer Alternative erfolgt eine Digitalisierung des jeweiligen Werts mittels jeweils eines dem jeweiligen Modul zugeordneten isolierenden Delta-Sigma-Modulator, mittels dessen eine Einspeisung des auf diese Weise erstellten Signals in eine Ausgabeleitung erfolgt. Somit ist für jedes Modul ein vergleichsweise kostenintensiver Delta-Sigma-Modulator erforderlich. Die Signale der unterschiedlichen Module sind dabei zueinander nicht synchron, weswegen jedem Modul zumindest vier Adern der Ausgabeleitung zugeordnet werden müssen, was einen Verkabelungsaufwand und somit auch einen Herstellungsaufwand erhöht.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform werden die sich ergebenden elektrischen Spannungen bzw. der jeweilige Widerstand mittels einer jeweils zugeordneten Leitung zu einer gemeinsamen Digitalisierungsschaltung übertragen, mittels derer die Digitalisierung und ggf. auch eine geringfügige Auswertung erfolgt. Die mittels der Digitalisierungsschaltung erstellten Signale werden über einen galvanischen Trenner, wie einen Optokoppler zu der Steuerung übertragen. Somit ist die Anzahl an Bauteilen zur Digitalisierung sowie zur galvanischen Trennung reduziert. Jedoch sind vergleichsweise viele und gegebenenfalls lange Leitungen zwischen den Modulen und der Digitalisierungsschaltung erforderlich, die galvanisch nicht zu der vergleichsweise großen Zwischenkreisspannung getrennt sind, an die somit besondere Anforderungen an den Berührschutz existieren. Somit sind eine Komplexität und Herstellungskosten erhöht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Umrichters sowie einen besonders geeigneten Umrichter anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Sicherheit erhöht und Herstellungskosten reduziert sind, und wobei zweckmäßigerweise eine Weiterverarbeitung erleichtert ist.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Umrichters durch die Merkmale des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Das Verfahren dient dem Ermitteln eines Zustands eines Umrichters. Der Umrichter ist beispielsweise ein Wechselrichter, ein Gleichrichter oder ein DC/DC-Wandler. Vorzugsweise ist die bei Betrieb mittels des Umrichters bereitgestellte elektrische Leistung zwischen 200 W und 500 kW. Der Umrichter ist beispielsweise ein Bestandteil einer Industrieanlage und wird zum Beispiel für den Betrieb eines Aktors verwendet, mittels dessen ein Werkstück erstellt und/oder bearbeitet wird. Alternativ hierzu erfolgt mittels des Umrichters eine Bestromung eines Elektromotors, mittels dessen ein Antrieb eines Fahrzeugs erfolgt, wie zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Personenkraftwagens (Pkw) oder eines Nutzkraftwagens, wie eines Lastwagens (Lkw) oder Bus. Alternativ hierzu wird ist das Fahrzeug eine Pistenraupe, eine Baumaschine oder ein landwirtschaftliches Gerät.
  • Insbesondere weist der Umrichter mehrere Leistungshalbleiterschalter auf, wobei der Zustand des Umrichters insbesondere anhand des Zustands der Leistungshalbleiterschalter bestimmt ist oder zumindest damit zusammenhängt. Vorzugsweise liegen die Leistungshalbleiterschalter in Modulen vor, wobei zum Beispiel stets zwei Leistungshalbleiterschalter zu einem derartigen Modul zusammengefasst sind. Insbesondere ist mittels der Leistungshalbleiterschalter eine Brückenschaltung bereitgestellt, vorzugsweise eine B6-Schaltung. Geeigneterweise sind dabei drei Module vorhanden, wobei mittels jedes Moduls ein Brückenzweig bereitgestellt ist.
  • Der Umrichter weist mehrere Sensoreinheiten auf, die jeweils einen analogen Sensor umfassen. Beispielsweise sind sämtliche Sensoren zueinander baugleich und somit auch die analogen Sensoren. Alternativ hierzu unterscheiden sich die Sensoreinheit oder zumindest in die analogen Sensoren. Besonders bevorzugt jedoch wird mittels der analogen Sensoren jeweils die gleiche physikalische Größe gemessen. Geeigneterweise ist jedem etwaigen Modul jeweils ein entsprechender analoger Sensor zugeordnet, sodass bei einer B6-Schaltung vorzugsweise drei Sensoren und somit drei Sensoreinheiten vorhanden sind.
  • Vorzugsweise ist jeder analoge Sensor ein Temperatursensor, sodass mittels dessen insbesondere eine Temperatur des jeweiligen Moduls oder sonstigen Bauteils des Umrichters gemessen werden kann. Vorzugsweise korrespondiert der zu ermittelnde Zustand des Umrichters einer Temperatur des Umrichters, wobei der Zustand beispielsweise der Temperatur entspricht, oder der Zustand weist beispielsweise lediglich zwei Zustände auf, wie einen Betrieb mit Betriebstemperatur (Normaltemperaturbereich) und eine Überhitzung des Umrichters. Vorzugsweise weist jeder analoge Sensor einen temperaturabhängigen Widerstand auf, der zweckmäßigerweise mittels weiterer Bestandteile derart verschaltet ist, dass mittels jedes analogen Sensors eine elektrische Spannung bereitgestellt ist, die zweckmäßigerweise in funktionellem im Zusammenhang mit dem jeweiligen aktuellen Widerstand des temperaturabhängigen Widerstands und somit der darauf wirkenden Temperatur ist. Beispielsweise sind die Temperatur und die elektrische Spannung direkt proportional zueinander, ein linearer Zusammenhang zwischen diesen besteht. Insbesondere ist die mittels des analogen Sensors bereitgestellte elektrische Spannung ein analoges Signal, das keine unterschiedlichen diskreten Stufen aufweist. Zweckmäßigerweise ist der analoge Sensor derart optimiert, dass dieser in einem Temperaturbereich zwischen 60 °C und 100 °C vergleichsweise/ausreichend genau ist.
  • Zusammenfassend wird mittels des analogen Sensors bei Betrieb ein Messwert erstellt, der analog ist, und beispielsweise direkt gemessen wird. Bevorzugt jedoch erfolgt mittels des analogen Sensors bereits eine Vorverarbeitung, mittels derer zum Beispiel ein sich aufgrund von zu messenden physikalischen Effekten ändernder Widerstand in eine zugeordnete elektrische Spannung transferiert wird. Alternativ oder in Kombination hierzu erfolgt eine Verstärkung, sodass eine Weiterverarbeitung erleichtert ist. Der auf diese Weise erstellte Wert entspricht dem Messwert, der mittels des jeweiligen analogen Sensors bereitgestellt wird.
  • Das Verfahren sieht vor, dass zunächst ein Taktsignal an die Sensoreinheiten geleitet wird. Das Taktsignal wird insbesondere mittels eines Taktgebers bereitgestellt und weist mehrere gleiche Takte auf, die sich somit nicht unterscheiden, und die sich jeweils zweckmäßigerweise zeitlich direkt aneinander anschließen. Jeder Takt weist zwei unterschiedliche Taktzustände auf. Dabei weist zum Beispiel jeder Takt lediglich genau die beiden unterschiedlichen Taktzustände auf, sodass das Taktsignal binär ist. Beispielsweise ist jeder Takt gleichmäßig auf die beiden Taktzustände aufgeteilt. Besonders bevorzugt jedoch ist zumindest einer der Taktzustände zeitliche länger, vorzugsweise der spätere der beiden Taktzustände.
  • Gemäß dem Verfahren wird während des einen der Taktzustände jedes Takts bei jeder Sensoreinheit ein vorgegebener Referenzwert um den jeweils aktuellen Messwert, der mittels des jeweiligen analogen Sensors bereitgestellt wird, mittels einer vorgegebenen Operation auf einen jeweiligen Zwischenwert verändert. Mit anderen Worten wird, solang der eine der Taktzustände andauert, die vorgegebenen Operation hintereinander durchgeführt, sodass der zunächst vorgegebene Referenzwert auf den Zwischenwert verändert wird. Der Referenzwert ist beispielsweise für sämtliche Sensoreinheiten gleich und zum Beispiel zentral vorgegeben, oder besonders bevorzugt ist dieser bei jeder Sensoreinheit separat vorgegeben, sodass sich die Referenzwerte zwischen den einzelnen Sensoreinheiten unterscheiden können, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen. Somit sind Herstellungskosten reduziert. Insbesondere erfolgt das Anwenden der Operation mit einer bestimmten Zeitkonstanten, die zweckmäßigerweise für sämtliche Sensoreinheiten gleich ist
  • Zusammenfassend erfolgt somit bei jeder Sensoreinheit während des einen Taktzustands jedes Takts das mehrmalige Anwenden der Operation, sodass sukzessive der jeweilige Referenzwert anhand des jeweils aktuellen Messwerts verändert wird, der jeweils mittels des jeweiligen analogen Sensors ermittelt wird. Nach Ablauf des Taktzustands liegen die Zwischenwerte vor, der sich aufgrund der unterschiedlichen Messwerte zwischen den einzelnen Sensoreinheit unterscheiden. Da das Taktsignal jedoch zeitlich für sämtliche Sensoreinheit vorgegeben ist, werden dabei die Zwischenwerte der unterschiedlichen Sensoreinheit jeweils zum gleichen Zeitpunkt erreicht.
  • In einem nachfolgenden Arbeitsschritt wird während des anderen Taktzustands des gleichen Takts bei jeder Sensoreinheit der jeweilige Zwischenwert um einen jeweiligen Hilfswert mittels einer entgegengesetzten Operation bis zum Referenzwert verändert. Die entgegengesetzte Operation ist zum Beispiel die inverse Operation zu der Operation, mittels derer der Referenzwert auf den Zwischenwert verändert wurde. Wenn der Referenzwert erreicht wurde, wird die entgegengesetzte Operation nicht mehr durchgeführt, sondern der Referenzwert wird nicht weiter verändert, also der Zwischenwert wird nicht mehr weiter verändert. Insbesondere ist der Hilfswert konstant. Der Hilfswert ist bei sämtlichen Sensoreinheiten beispielsweise extern vorgegeben, oder mittels jeder Sensoreinheit zweckmäßigerweise selbst erstellt, wobei sich diese vorzugsweise zwischen einzelnen Sensoreinheiten lediglich vergleichsweise gering unterscheiden. Zumindest steht bei jeder Sensoreinheit der Hilfswert zum Referenzwert in einem festen Verhältnis, wobei die Bauteile der Sensoreinheit insbesondere derart sind, dass das Verhältnis vorzugsweise lediglich geringe Schwankungen unter den einzelnen Sensoreinheiten aufweist. Insbesondere weist eine Verschaltung der Sensoreinheiten und/oder der verwendeten Bauteile, anhand derer der Hilfswert vorgegeben ist, geringe Fehlertoleranzen auf, sodass eine Vergleichbarkeit der zu erstellenden Sensorwerte zwischen den Sensoreinheiten erhöht ist.
  • Das Verändern des Referenzwert auf den Zwischenwert sowie des Zwischenwerts auf den Referenzwert erfolgt hierbei insbesondere mittels analoger Technik. Mit anderen Worten erfolgt dies in der analogen Domäne, und weder der Hilfswert noch der Zwischenwert oder der Referenzwert liegen als digitale Signale vor.
  • Nachdem der Referenzwert erneut erreicht wurde, wird während der jeweiligen verbleibenden Zeitspanne des gleichen Takts ein erster Zustand als jeweiliger Sensorwert verwendet. Während der restlichen Zeitspanne des gleichen Takts wird ansonsten ein zweiter Zustand als jeweiliger Sensorwert verwendet. Mit anderen Worten weist der Sensorwert somit lediglich zwei unterschiedliche Zustände auf, und das Ermitteln erfolgt zum Beispiel mittels eines Komparators. Zusammenfassend wird somit während jedes Takts, solange nicht der Referenzwert vorliegt, als Sensorwerten der zweite Zustand und ansonsten der erste Zustand verwendet. Folglich liegt jeder Sensorwert als binäres Signal vor. Zweckmäßigerweise entsprechen die unterschiedlichen Zustände unterschiedlichen elektrischen Potentialen, sodass eine Weiterverarbeitung vereinfacht ist. Alternativ oder in Kombination hierzu sind der Referenzwert, der Zwischenwert und/oder der Hilfswert jeweils unterschiedliche elektrische Potentiale.
  • Die auf diese Weise erstellten Sensorwerte werden, insbesondere unverzüglich, also bereits während des jeweiligen Takts, mittels einer Einspeiseschaltung der jeweiligen Sensoreinheit in eine gemeinsame, gegen einen Ausgabepunkt geführte Ausgabeleitung eingespeist. Mit anderen Worten werden die auf diese Weise erstellten binären Sensorwerte in die Ausgabeleitung eingespeist, sodass nunmehr ein binäres Signal an den Ausgabepunkt vorliegt, weswegen eine Weiterverarbeitung vereinfacht ist. Jeder der Sensorwerte entspricht hierbei einer Information über den Zustand des Umrichters, sodass mittels des Verfahrens der Zustand des Umrichters ermittelt ist. Der Ausgabepunkt ist insbesondere ein Bestandteil einer Steuerung des Umrichters, mittels dessen beispielsweise eine Regelung und/oder Steuerung einer abgegebenen Leistung erfolgt. Insbesondere ist hierbei der Steuerung geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet, von einem Menschen bedient zu werden. Zweckmäßigerweise wird mittels der Steuerung der Zustand weiter ausgewertet und/oder ein (sonstiger) Betrieb des Umrichters in Abhängigkeit hiervon angepasst.
  • Bei dem Verfahren wird bei den unterschiedlichen Sensoreinheiten das gemeinsame Taktsignal verwendet, und es lediglich erforderlich, dass sich die Hilfswerte bei den unterschiedlichen Sensoreinheit und/oder deren Verhältnis zu dem jeweils verwendeten Referenzwert lediglich vergleichsweise gering unterscheiden. Somit sind lediglich dort Bauteile mit vergleichsweise geringen Fertigungstoleranzen erforderlich. Bei den sonstigen Bauteilen können vergleichsweise große Fehlertoleranzen gewählt werden, ohne dass dies Auswirkungen auf das Verfahren hätte. Somit sind Herstellungskosten reduziert. Da zudem mittels der Einspeiseschaltung die binären Sensorwerte oder darauf basierende Signale in die Ausgabeleitung eingespeist werden, ist eine Weiterverarbeitung vereinfacht. Da die Sensorwerte lediglich zwei unterschiedliche Zustände aufweisen, ist es möglich, die die unterschiedlichen Zustände repräsentierenden elektrischen Potentiale vergleichsweise gering zu wählen, sodass eine Sicherheit erhöht ist.
  • Beispielsweise werden sämtliche Sensorwerte separat in die Ausgabeleitung eingespeist, wobei jedem Sensorwert insbesondere eine Ader der Ausgabeleitung zugeordnet ist. Mit anderen Worten liegen an dem Ausgabepunkt mehrere Werte vor, wobei jeder davon zu jeweils einem der Messwert korrespondiert. Auf diese Weise ist eine Auswertung und/oder vergleichsweise genaue Bestimmung des aktuellen Zustands des Umrichters möglich. Alternativ hierzu ist beispielsweise lediglich eine begrenzte Anzahl an Adern vorhanden, und die Ausgabeleitung wird nach Art eines Bussystems betrieben. Aufgrund des vorgegebenen Taktsignals, das für sämtlichen Sensoreinheit gleich ist, ist ein koordiniertes Einspeisen der unterschiedlichen Sensorwerte möglich, sodass ein Herstellungsaufwand weiter verringert ist.
  • Besonders bevorzugt jedoch wird lediglich ein Extremwert der Sensorwerte an den Ausgabepunkt übermittelt. Somit ist eine Weiterverarbeitung vereinfacht. Insbesondere wird der Extremwert als Zustand des Umrichters verwendet, und/oder der Extremwert korrespondiert zu einem bestimmten Zustand des Umrichters, wie insbesondere einer Überhitzung, oder einem Betrieb in einem Normaltemperaturbereich ist. Beispielsweise ist der Extremwert derjenige Sensorwert, der sich einem vorgegebenen Wert am weitesten angenähert. Insbesondere ist der Extremwert das Minimum oder das Maximum der Sensorwerte. Sofern die Sensorwerte zu der aktuellen Temperatur korrespondieren, entspricht der Extremwert bevorzugt dem Maximum.
  • Insbesondere weisen die Einspeiseschaltungen zum Übermitteln lediglich des Extremwerts eine Logikschaltung vor, und mittels dieser wird beispielsweise jeweils abgestimmt mit den anderen Sensorwerten eine entsprechende Einspeisung vorgenommen. Vorzugsweise sind hierbei die Sensoreinheiten mit der Ausgabeleitung mit einer „und“-Verknüpfung oder einer „oder“-Verknüpfung verschaltet. Zweckmäßigerweise werden dabei sämtliche Sensorwerte gleichzeitig in die Ausgabeleitung eingespeist, sodass sich eine Überlagerung dieser ergibt. Dabei erfolgt die einspeisen insbesondere derart, dass aufgrund der Überlagerung lediglich der Extremwert an den Ausgabepunkt abgreifbar ist. Auf diese Weise ist eine Verschaltung weiter vereinfacht, und die Einspeiseschaltungen können vergleichsweise kostengünstig erstellt werden.
  • Beispielsweise sind die Einspeiseschaltungen jeweils nach Art eines Schmitt-Triggers ausgestaltet. Besonders bevorzugt jedoch weist jede Einspeiseschaltung ein Schaltelement auf, das anhand des jeweiligen Sensorwerts betätigt wird. Mit anderen Worten wird anhand des jeweiligen Sensorwerts das Schaltelement der jeweiligen Sensoreinheit betätigt. Die Schaltelemente sämtlicher Sensoreinheiten sind hierbei elektrisch parallel zwischen ein Bezugspotential, das beispielsweise Masse beträgt, und den Ausgabepunkt geschaltet. Da die Sensorwerte binäre Signale sind, liegt an dem Ausgabepunkt somit entweder das Bezugspotenzial oder ein hiervon abweichendes elektrisches Potential an. Aufgrund einer derartigen Verschaltung ist somit, je nach Anordnung, der Ausgabepunkt für den ersten Zustand oder den zweiten Zustand des jeweiligen Sensorwerts gegen das Bezugspotential geführt, wobei zeitliche Länge hiervon zu demjenigen Messwert/Sensorwert korrespondiert, das den Extremwert darstellt. Insbesondere ist dabei die höchste Temperatur, die mittels des analogen Sensors gemessen wird, anhand der Zeitdauer, die der Ausgabepunkt gegen das Bezugspotential geführt ist, ableitbar und in funktionalem Zusammenhang damit.
  • Besonders bevorzugt wird der jeweilige Sensorwert galvanisch getrennt zu dem Schaltelement übertragen. Insbesondere wird hierfür ein Optokoppler verwendet, und das Schaltelement ist beispielsweise ein Bestandteil des Optokopplers.
  • Infolgedessen ist der Ausgabepunkt und auch die Ausgabeleitung galvanisch zu den sonstigen mittels der jeweiligen Sensoreinheit geführten elektrischen Spannungen und insbesondere zu dem analogen Sensor getrennt, weswegen eine Sicherheit erhöht ist. Auch ist es möglich, den jeweiligen analogen Sensor beispielsweise vergleichsweise nah an den etwaigen Leistungshalbleiterschaltern zu positionieren, weswegen eine Genauigkeit beim Messen erhöht ist, wobei dennoch die Sicherheit erhöht ist. Auch sind Anforderungen an die Ausgabeleitung aufgrund der galvanischen Trennung verringert, sodass vergleichende kostengünstige Bauteile verwendet werden können, weswegen Herstellungskosten weiter reduziert sind.
  • In einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird das Taktsignal mittels eines galvanischen Trenners der jeweiligen Sensoreinheit empfangen. Mit anderen Worten wird das Taktsignal mittels des galvanischen Trenners der jeweiligen Sensoreinheit galvanisch zu den weiteren Bauteilen der Sensoreinheit getrennt, insbesondere zu dem analogen Sensor. Vorzugsweise erfolgt die Bereitstellung des Taktsignals mittels eines Taktgebers, der beispielsweise ein Bestandteil einer Steuerung des Umrichters ist. Auf diese Weise ist eine Konstruktion vereinfacht. Aufgrund des jeweiligen galvanischen Trenners ist es hierbei möglich, die Steuerung auf einem separaten elektrischen Potential bezüglich der Sensoreinheiten bzw. der etwaigen den Sensoreinheiten zugeordneten Module zu betreiben, weswegen eine Sicherheit erhöht ist. Auch bestehen hierbei an die Leitung zum Übertragen des Taktsignals zu den Sensoreinheiten verringerte Anforderung, weswegen Herstellungskosten reduziert sind.
  • Beispielsweise sind die Leitung, mittels derer das Taktsignal bereitgestellt wird, und die Ausgabeleitung mittels eines gemeinsamen Kabels realisiert, wobei zweckmäßigerweise auch die Sensorwerte galvanisch getrennt in die Ausgabeleitung eingespeist werden, sodass die jeweiligen Sensorwerte galvanisch getrennt zu dem jeweiligen Schaltelement übertragen werden. Somit ist eine Sicherheit weiter erhöht und auch Herstellungskosten reduziert. Zudem ist es möglich, die analogen Sensoren vergleichsweise weit beabstandet zu der etwaigen Steuerung anzuordnen.
  • Beispielsweise weist jede der Sensoreinheiten eine oder mehrere Spannungsquellen auf, wobei mittels einer der Spannungsquellen der Referenzwert und mittels der anderen der Hilfswert bereitgestellt wird. Somit ist eine Flexibilität erhöht. Besonders bevorzugt jedoch umfasst jede Sensoreinheit lediglich eine einzige Spannungsquelle, anhand derer der jeweilige Referenzwert und der jeweilige Hilfswert erstellt werden, wobei der Referenzwert und der Hilfswert mittels eines gemeinsamen Spannungsteilers bereitgestellt werden. Mit anderen Worten ist zusätzlich der Spannungsteiler vorhanden, der mehrere, elektrisch in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände aufweist, zwischen denen jeweils die ein Abgriff gebildet ist, wobei einer der Abgriffe der Referenzwert und der andere dem Hilfswert zugeordnet ist. Bei dem Verfahren sind nicht die Absolutwerte des Referenzwerts und des Hilfswerts maßgeblich, sondern deren Verhältnis zueinander. Mittels des Spannungsteilers und somit anhand der ohmschen Widerstände wird bei dieser Weiterbildung das Verhältnis vorgegeben. Derartige ohmsche Widerstände sind mit geringen Fertigungstoleranzen vergleichsweise kostengünstig, weswegen Herstellungskosten weiter verringert sind. Mit anderen Worten sind keine separaten Spannungsquellen und/oder Kondensatoren erforderlich.
  • Besonders bevorzugt wird als Operation, mittels derer der Referenzwert auf den Zwischenwert verändert wird, negatives Integrieren und als entgegengesetzte Operation Integrieren herangezogen. Zweckmäßigerweise wird für das negative Integrieren und das Integrieren die gleiche Zeitkonstante verwendet. Alternativ hierzu werden unterschiedliche Zeitkonstanten zugeordnet. Aufgrund dieser Wahl für die Operation ist sichergestellt, dass der Referenzwert bzw. der Zwischenwert nicht übermäßig verändert werden, sodass keine Fehlfunktion auftritt. Innerhalb des einen Taktzustands sinkt dabei die elektrische Spannung, wenn diese für den Referenzwert und den Messwert verwendet wird, bei einem großen Messwert vergleichsweise schnell ab. Mit anderen Worten eine Steigung des Absinkens abhängig von dem jeweiligen Messwert. Das von dem jeweils realisiert Zwischenwert erfolgt hingegen stets mit der gleichen Steigung, nämlich um den Hilfswert, wobei abhängig von dem jeweils realisierten Messwert/Zwischenwert die Länge des Zeitfensters die zum erneuten Erreichen des Referenzwert und somit die Länge der verbleibenden Zeitspanne abhängig von dem jeweiligen Messwert sind.
  • Zum Integrieren bzw. negativen Integrieren wird geeigneterweise jeweils ein Operationsverstärker verwendet, der entsprechend verschaltet ist. Aufgrund der Verwendung dieser Operationen ist eine Verschaltung der Sensoreinheiten vereinfacht, und diese können mit vergleichsweise kostengünstigen Bauteilen realisiert werden. Zudem ist es hierbei möglich den Operationsverstärker, mittels dessen das Integrieren erfolgt, derart zu verschalten, dass eine Begrenzung auf den Referenzwert erfolgt, weswegen eine Verschaltung nochmals vereinfacht ist. Insbesondere werden die beiden Operationsverstärker geeignet miteinander verschaltet.
  • Der Umrichter umfasst mehrere, jeweils einen analogen Sensor aufweisende Sensoreinheiten und eine gegen einen Ausgabepunkt geführte Ausgabeleitung umfasst. Vorzugsweise ist die Ausgabeleitung gegen eine Steuerung des Umrichters geführt, und der Ausgabepunkt ist zweckmäßigerweise ein Bestandteil der Steuerung. Geeigneterweise erfolgt mittels der Steuerung ein Abfragen des an der Ausgabeleitung anliegenden elektrischen Potentials. Der Umrichter ist gemäß einem Verfahren zum Ermitteln eines Zustands eines Umrichters betrieben. Gemäß dem Verfahren wird ein Taktsignal, das mehrere gleiche Takte mit zwei unterschiedlichen Taktzuständen aufweist, an jede Sensoreinheit geleitet, und während eines der Taktzustände jedes Takts wird bei jeder Sensoreinheit ein vorgegebener Referenzwert um den jeweils aktuellen Messwert mittels einer vorgegebenen Operation auf einen jeweiligen Zwischenwert verändert. Während des anderen Taktzustands des jeweils gleichen Takts wird bei jeder Sensoreinheit der jeweilige Zwischenwert um einen jeweiligen Hilfswert mittels einer entgegengesetzten Operation bis zum Referenzwert verändert, während der jeweiligen verbleibende Zeitspanne des gleichen Takts wird ein erster Zustand und ansonsten ein zweiter Zustand als jeweiliger Sensorwert verwendet. Die Sensorwerte werden mittels einer Einspeiseschaltung in eine gemeinsame, gegen einen Ausgabepunkt geführte Ausgabeleitung eingespeist.
  • Vorzugsweise sind die Sensoreinheiten zueinander baugleich und/oder dienen insbesondere dem Bestimmen einer Temperatur. Hierfür weist jeder analoge Sensor geeigneterweise einen temperaturabhängigen Widerstand auf, der zum Beispiel mittels eines Operationsverstärkers derart verschaltet ist, dass mittels jedes analogen Sensors eine elektrische Spannung bereitgestellt ist, wobei diese abhängig von der auf den temperaturabhängigen Widerstand wirkenden Temperatur ist. Geeigneterweise weist der Umrichter, vorzugsweise die Steuerung, einen Taktgeber auf, mittels dessen bei Betrieb das Taktsignal bereitgestellt ist.
  • Insbesondere weist der Umrichter mehrere Module auf, denen jeweils einer der analogen Sensoren zugeordnet ist. Jedes Modul umfasst dabei zweckmäßigerweise zwei elektrisch in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterschalter, sodass mittels dieser ein Brückenzweig realisiert ist. Vorzugsweise umfasst der Umrichter einen Gleichspannungszwischenkreis, mittels dessen bei Betrieb vorzugsweise eine elektrische Gleichspannung größer als 200 V geführt wird, und wobei zwischen den beiden elektrischen Potentialen die Module elektrisch parallel geschaltet sind.
  • Insbesondere wird zum Durchführen der Operation und der entgegengesetzten Operation jeweils ein Operationsverstärker verwendet, und als Operation wird zum Beispiel inverses Integrieren herangezogen. Insbesondere erfolgt anhand der Verschaltung der beiden Operationsverstärker eine Begrenzung auf den Referenzwert, wofür vorzugsweise eine Diode herangezogen wird, mittels derer insbesondere der Ausgang eines der Operationsverstärker, im nachfolgenden der erste Operationsverstärker, mit dem invertierenden Eingang des verbleibenden Operationsverstärkers verbunden ist, der nachfolgend als zweiter Operationsverstärker bezeichnet ist. Dessen Ausgang ist dabei vorzugsweise über eine Kapazität, wie einen Kondensator, ebenfalls gegen dessen invertierenden Eingang geführt. Zudem ist dessen Ausgang gegen den nichtinvertierten Eingang des ersten Operationsverstärkers geführt ist, mittels dessen somit das Integrieren erfolgt, wohingegen mit dem zweiten Operationsverstärker das negative Integrieren erfolgt.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Sensoreinheit zur Durchführung des Verfahrens. Hierbei wird mittels der Sensoreinheit jeweils ein Teil des Verfahrens durchgeführt.
  • Die Sensoreinheit umfasst einen analogen Sensor, mittels dessen beispielsweise eine elektrische Spannung bereitgestellt ist, die proportional zu einem physikalisch realisierten Wert ist. Insbesondere ist der analoge Sensor zum Messen einer Temperatur geeignet, sowie insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Vorzugsweise umfasst der analoge Sensor einen temperaturabhängigen Widerstand, der insbesondere mittels eines Operationsverstärkers derart verschaltet ist, dass mittels des analogen Sensors bei Betrieb eine elektrische Spannung bereitgestellt ist, wobei die elektrische Spannung abhängig, insbesondere proportional, zu einer vorherrschenden Temperatur ist.
  • Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Weiterbildungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf den Umrichter / die Sensoreinheit sowie untereinander zu übertragen und umgekehrt.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • 1 schematisch einen Umrichter, der mehrere Sensoreinheiten aufweist,
    • 2 eine Verschaltung der Sensoreinheiten,
    • 3 einen Schaltplan einer der zueinander baugleichen Sensoreinheiten,
    • 4 ein Verfahren zum Ermitteln eines Zustands des Umrichters,
    • 5 den zeitlichen Verlauf eines Messwerts, eines Sensorwerts und eines Taktsignals, und
    • 6 gemäß 3 eine alternative Ausführungsform der Sensoreinheit.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist schematisch vereinfacht ein Umrichter 2 in Form eines Wechselrichters dargestellt. Der Umrichter 2 weist einen Gleichspannungsanschluss 4 auf, der zwei unterschiedliche Anschlüsse 6 aufweist, zwischen denen bei Betrieb eine Zwischenkreisspannung 8 anliegt, die 400 V beträgt. Die beiden Anschlüsse 6 sind über jeweils ein Modul 10 elektrisch miteinander verbunden, die elektrisch parallel zueinander zwischen die Anschlüsse 6 geschaltet sind.
  • Die Module 10 weisen jeweils zwei elektrisch in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterschalter 12 auf, sodass mittels jedes Moduls 10 ein Brückenzweig bereitgestellt ist, und der Umrichter 2 eine Brückenschaltung, nämlich eine B6-Schaltung aufweist. Zwischen den Leistungshalbleiterschaltern 12 jedes Moduls 10 ist jeweils ein Abgriff gebildet, der gegen einen Wechselspannungsanschluss 14 des Umrichters 2 geführt ist. Die Betätigung der Leistungshalbleiterschalter 12 erfolgt mittels einer nicht näher dargestellten Treiberschaltung, die wiederum mittels einer Steuerung 16 betätigt ist, mittels derer eine Regelung des Umrichters 2 in Abhängigkeit von externen Vorgaben erfolgt. Mittels der Steuerung 16 erfolgt auch eine Überwachung der Betriebsparameter des Umrichters 2, und dieser wird bei einer Überhitzung abgeschaltet, nämlich wenn eine Betriebstemperatur der Leistungshalbleiterschaltern 12 einen Grenzwert überschreitet, wie 90 °C.
  • Der Umrichter 2 weist drei zueinander baugleiche Sensoreinheiten 18 auf, wobei jede der Sensoreinheiten 18 in jeweils eines der Module 10 integriert ist. Hierbei sind die Sensoreinheiten 18 ein Bestandteil jeweils einer Leiterplatte oder eines Teils einer Leiterplatte, an dem zum Beispiel auch einer oder beide Leistungshalbleiterschalter 12 befestigt sind. Dabei sind die Sensoreinheit 18 zueinander beabstandet.
  • In 2 ist die Verschaltung der Sensoreinheiten 18 dargestellt. Jede Sensoreinheit 18 weist einen galvanischen Trenner 20 in Form eines ersten Optokopplers auf, der mit einer Leitung 22 elektrisch kontaktiert ist und mittels dieser betrieben wird. Mit anderen Worten wird mittels der Leitung 22 ein Signal bereitgestellt, anhand dessen der jeweilige galvanischer Trenner 20 betrieben ist, sodass der Rest der Sensoreinheit 18 von der Leitung 22 galvanisch getrennt ist. Hierbei sind die galvanischen Trenner 20 elektrisch parallel zwischen zwei Adern der Leitung 20 geschaltet. Die Leitung 22 ist mit einem Taktgeber 24 betrieben, die ein Bestandteil der Steuerung 16 ist.
  • Jede Sensoreinheit 18 weist ferner einen zweiten Optokoppler 26 auf die, wie auch die ersten Optokoppler, jeweils ein Schaltelement 28 aufweisen, das mittels einer Leuchtdiode 30 des zweiten Optokopplers 26 betrieben ist. Die Schaltelemente 28 sind elektrisch zueinander parallel und zwischen ein Bezugspotential 32, nämlich Masse, und einen Ausgabepunkt 34 geschaltet, wofür eine Ausgabeleitung 36 verwendet wird, die somit zwei Adern umfasst. Zusammenfassend ist die Ausgabeleitung 36 gegen den Ausgabepunkt 34 geführt, der ein Bestandteil der Steuerung 16 ist, wobei mittels dieser bei Betrieb das an dem Ausgabepunkt 34 anliegende elektrische Potential abgefragt wird.
  • Die Ausgabeleitung 36 und die Leitung 22 sind mittels eines gemeinsamen Kabels realisiert, wobei aufgrund der galvanischen Trenner 20 sowie der zweiten Optokoppler 26 die Leitungen und auch die Steuerung 16 galvanisch zu den sonstigen mit dem Rest der Sensoreinheiten 18 und auch mittels der Module 10 geführten elektrischen Potentiale getrennt sind. Somit sind Anforderungen an das Kabel sowie die Steuerung 16 reduziert, auch wenn Teile der Sensoreinheiten 18 nicht galvanisch zu dem mittels der Leistungshalbleiterschalter 12 geführten elektrischen Spannungen getrennt sind.
  • In 3 ist ein Schaltplan einer der zueinander baugleichen Sensoreinheiten 18 dargestellt. Jede Sensoreinheit 18 weist einen analogen Sensor 38 auf, der jeweils einen temperaturabhängigen Widerstand 40 umfasst. Dieser ist parallel zu dem mittleren von drei elektrisch in Reihe geschalteten ersten Hilfswiderständen 42 geschaltet, die ohmsche Widerstände sind, und deren Widerstandswerte sich unterscheiden können. Die Reihenschaltung der ersten Hilfswiderstände 42 ist zwischen zwei elektrische Potentiale geschaltet, in dem Beispiel zwischen das Bezugspotential 32 und ein elektrisches Hilfspotential 44, das mittels einer nicht näher dargestellten Spannungsquelle vorgegeben ist.
  • Gegen einen der Anschlüsse des temperaturabhängigen Widerstands 40 ist der nichtinvertierende Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 46 geführt, der mit zwei zweiten Hilfswiderständen 48 zu einer nicht invertierenden Verstärkerschaltung verschaltet ist. Hierfür ist der invertierende Eingang des weiteren Operationsverstärkers 46 fegen den Mittenabgriff der elektrischen Reihenschaltung der zweiten Hilfswiderstände 48 geführt, die zwischen den Ausgang des weiteren Operationsverstärkers 46 und das Bezugspotential 32 geführt ist. Aufgrund der Verschaltung liegt an dem Ausgang des weiteren Operationsverstärkers 46 bei Betrieb ein Messwert 50 an, nämlich ein elektrisches Potential, das in funktionellem Zusammenhang zu dem aktuellen Wert des elektrischen Widerstands des temperaturabhängigen Widerstand 40 und somit zu der auf diesen wirkenden Temperatur ist. Die Werte der Hilfswiderstände 42, 48 sind hierbei derart gewählt, dass im Wesentlichen eine lineare Verstärkung/Umwandlung in einem Temperaturbereich zwischen 60 °C und 100 °C erfolgt. Alternativ oder in Kombination hierzu sind die Werte der Hilfswiderstände 42, 48 derart gewählt, dass zwischen 60°C und 100°C die Änderung des Messwerts 50 möglichst groß ist. Der Messwert 50 ist dabei ein analoger Wert, sodass der Sensor ein analoger Sensor 38 ist.
  • Der Ausgang des weiteren Operationsverstärkers 46 und somit der Messwert 50 sind gegen den galvanischen Trenner 20 geführt, nämlich dessen zugeordnetes Schaltelement 52, das elektrischen Strom führend ist, wenn an der Leuchtdiode 54 des galvanischen Trenners 20 eine elektrische Spannung anliegt, die mittels des Taktgebers 24 bereitgestellt ist. Das Schaltelement 52 ist jeweils direkt gegen zwei weitere Widerstände 56 geführt, von denen einer gegen das Bezugspotential 32 geführt ist. Der verbleibende weitere Widerstand 56 ist gegen den invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 58 geführt und über eine Kapazität 60 mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 58. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 58 ist ferner mit dem nichtinvertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 62 geführt, dessen Ausgang über eine Diode 64 gegen den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 58 geführt ist.
  • Jede Sensoreinheit 18 weist ferner einen Spannungsteiler 66 auf, der drei elektrisch in Reihe geschaltete Widerstände 68 umfasst, und der zwischen das Bezugspotential 32 und das Hilfspotenzial 44 geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers ist dabei gegen einen der Mittenabgriffe des Spannungsteilers 66 und der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 20 gegen den verbleibenden Mittenabgriff geführt.
  • Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 62 ist gegen den nichtinvertierenden Eingang eines zusätzlichen Operationsverstärkers 70 geführt, der als Spannungsfolger verschaltet ist. Hierfür ist der Ausgang des zusätzlichen Operationsverstärkers 70 gegen den dessen invertierenden Eingang führt. Der Ausgang des zusätzlichen Operationsverstärkers 70 ist zudem gegen die Leuchtdiode 30 des jeweiligen zweiten Optokopplers26 geführt, der wiederum über einen zusätzlichen Widerstand 72 gegen das Bezugspotential 32 geführt ist. Die Werte und Ausgestaltungen der weiteren Widerstände 56, der Widerstände 68 und des zusätzlichen Widerstands 72 können sich hierbei unterscheiden und sind insbesondere auf die jeweiligen verwendeten Operationsverstärker 58, 62, 70 angepasst.
  • In 4 ist ein Verfahren 74 zum Ermitteln eines Zustands des Umrichters 2 dargestellt, das mittels der Sensoreinheiten 18 der Steuerung 16 sowie weiterer Bestandteile des Umrichters 2, wie der Leitung 22 und der Ausgabeleitung 36, durchgeführt wird. Somit ist der Umrichter 2 gemäß dem Verfahren 74 betrieben. In einem ersten Arbeitsschritt 75 wird mittels des Taktgebers 24 ein Taktsignal 76 bereitgestellt, und über die Leitung 20 an jede der Sensoreinheiten 18 geleitet.
  • Das Taktsignal 76, dessen zeitlicher Verlauf in 5 dargestellt ist, weist zwei unterschiedliche Taktzustände 78 auf, zwischen denen das Taktsignal 76 alterniert. Das Taktsignal 76 ist hierbei in aufeinanderfolgende Takte 80 unterteilt, die zueinander gleichartig sind, und die jeweils direkt aneinander anschließen. Jeder Takt 80 beginnt dabei mit der Annahme eines der Taktzustände 78. Im Verlauf des jeweiligen Takts 80 wird dieser auf den anderen Taktzustand 78 verändert, und der Takt 80 endet mit dem erneuten Wechsel zu dem ursprünglichen Taktzustand 78. Somit ist das Taktsignal 76 ein binäres Signal und insbesondere ein Rechtecksignal. Die beiden Taktzustände 78 werden hierbei mittels unterschiedlicher elektrischer Potentiale realisiert.
  • Das Taktsignal 76 wird mittels des galvanischen Trenners 20 jeder Sensoreinheit 18 im Wesentlichen gleichzeitig empfangen, und es ist derart ausgestaltet, dass bei Empfangen des ersten Taktzustands 78 jedes Takts 80 das jeweilige Schaltelement 52 des galvanischen Trenners 20 elektrisch leitend ist, sodass der jeweilige Messwert 50 zu dem zweiten Operationsverstärkers 58 geleitet wird.
  • Mittels dessen wird ein zweiter Arbeitsschritt 82 in durchgeführt, bei dem ein Referenzwert 84, der vorgegeben ist, und mittels des Spannungsteiler 66 bereitgestellt ist, um den jeweiligen Messwert 50 mittels negativer Integration auf einen jeweiligen Zwischenwert 86 verringert wird, wie ebenfalls in 5 dargestellt ist. Somit wird der Referenzwert 84 bei Beginn jedes Takts 80 für die Dauer des einen der Taktzustände 78 so lange verringert, wie dieser Taktzustand 78 andauert. Wenn dieser Taktzustand 78 beendet wird, ist der jeweilige Zwischenwert 86 erreicht. Hierbei ist bei steigendem Messwert 50, also steigenden Temperaturen, der jeweilige Zwischenwert 56 weiter verringert, wobei aufgrund der stets gleichen Länge, die dieser Taktzustände 78 andauert, die Steigung steiler ist. Zusammenfassend wird somit während des einen der Taktzustände 78 jedes Takts 80 bei jeder Sensoreinheit 18 der vorgegebene Referenzwert 84 um den jeweils aktuellen Messwert 50 mittels einer vorgegebenen Operation, nämlich mittels inversem Integrierens, auf den jeweiligen Zwischenwert 86 verändert. Die Zeitkonstante zum negativen Integrieren ist anhand des einen der weiteren Widerstände 56 sowie der Kapazität 60 bestimmt. Insbesondere werden der erste und zweite Arbeitsschritt 75, 82 gleichzeitig durchgeführt,
  • Sobald von dem Taktsignal 76 der andere Taktzustand 78 angenommen wird, wird ein dritter Arbeitsschritt 86 durchgeführt. In diesem ist das Schaltelement 52 des galvanischen Trenners 20 nicht mehr stromführend, sodass zunächst kein weiterer Betrieb des zweiten Operationsverstärkers 58 erfolgt. Jedoch wird mittels des ersten Operationsverstärkers 62 der jeweilige Zwischenwert 86 mittels der entgegengesetzten Operation, nämlich mittels Integrierens um einen jeweiligen Hilfswert 90 verändert, bis erneut der Referenzwert 84 erreicht ist. Sobald der Referenzwert 84 erreicht wurde, wird mittels der Diode 64 ein weiteres Erhöhen verhindert, sodass der Referenzwert 84 das Maximum der Integration während jedes Takts 80 darstellt.
  • Zusammenfassend wird bei dem Verfahren 74 als Operation zum Verändern des Referenzwerts 84 negatives Integrieren und als entgegengesetzte Operation zum Verändern des Zwischenwerts 86 integrieren herangezogen, wofür die beiden Operationsverstärker 58, 62 verwendet werden. Der Zeitpunkt, zu dem der Referenzwert 84 hierbei jeweils erreicht wird, ist aufgrund des konstanten Hilfswerts 90 abhängig von dem Zwischenwert 86 und somit von dem jeweiligen Messwert 50. Der Zeitpunkt ist zudem abhängig von dem Verhältnis des Referenzwert 84 zu dem jeweiligen Hilfswert 90, was mittels des Spannungsteilers 66 vorgegeben wird, da der Referenzwert 84 und der Hilfswert 90 mittels des gemeinsamen Spannungsteilers 66 bereitgestellt werden. Der Zeitpunkt ist jedoch unabhängig von der Höhe des Hilfspotentials. Somit wird mittels sämtlicher Sensoreinheiten 18, sofern die Widerstände 68 zwischen den einzelnen Sensoreinheiten 18 lediglich geringe Fertigungstoleranzen aufweisen, bei gleichem Messwert 50 stets zum gleichen Zeitpunkt erneut der Referenzwert 84 erreicht. Die anderen Bauteile der Sensoreinheiten 18 hingegen können mit vergleichsweise hohen Fertigungstoleranzen gewählt werden, weswegen Herstellungskosten der Sensoreinheit 18 vergleichsweise gering sind.
  • In einem vierten Arbeitsschritt 92, der im Wesentlichen gleich zu dem zweiten und dritten Arbeitsschritt 82, 88 durchgeführt wird, wird mittels jeder Sensoreinheit 18 ein Sensorwert 94 erstellt, wofür auch der zusätzliche Operationsverstärker 70 verwendet wird. Der jeweilige Sensorwert 94, dessen zeitlicher Verlauf in 5 dargestellt ist, weist einen ersten Zustand 96 und einen zweiten Zustand 98 auf, sodass der Sensorwert 94 binär ist. Hierbei wird nachdem in dem jeweiligen Takt 80 erneut der Referenzwert 84 erreicht wurde, der erste Zustand 96 für den Sensorwert 94 verwendet und ansonsten der zweite Zustand 98. Somit wird während des Integrierens und des negativen Integrierens der zweite Zustand 98 verwendet. Zusammenfassend ist der Sensorwert 94 somit synchron zu den Takten 80, wobei jedoch die Zeitlänge, zu denen die unterschiedlichen Zustände 78, 96, 98 angenommen werden, nicht miteinander übereinstimmen jedoch wird auch bei dem Sensorwert 94 während jedes Takts 80 sowie zu dessen Ende einmal zwischen den beiden Zuständen 96, 98 gewechselt.
  • Bei steigendem Messwert 50 ist dabei die Zeitspanne, die die Zeit Dauer, die der erste Zustand 96 während jedes Takts 80 angenommen wird, verkürzt, und bei Beginn jedes Takts 80 ist der Sensorwert 94 gleich dem zweiten Zustand 98. Zusammenfassend liegen somit für jede der Sensoreinheiten 18 jeweils ein entsprechender Sensorwert 94 vor, und dies Sensorwerte 94 sind binäre Signale.
  • In einem sich anschließenden fünften Arbeitsschritt 100 werden mittels jeder Sensoreinheit 18, nämlich jeweils einer Einspeiseschaltung 102, die den jeweiligen zweiten Optokoppler 26 umfasst, der jeweilige Sensorwert 94 in die Ausgabeleitung 36 eingespeist. Hierbei wird, wenn der jeweilige Sensorwert 94 den zweite Zustand 98 aufweist, die Leuchtdiode 30 des jeweiligen zweiten Optokopplers 26 derart angesteuert, dass das Schaltelement 28 des zweiten Optokopplers 26 elektrisch leitend ist. Somit wird der jeweilige Sensorwert 94 galvanisch getrennt zu dem Schaltelement 28 übertragen. Zusammenfassend wird anhand des jeweiligen Sensorwerts 94 das Schaltelement 28 der jeweiligen Einspeiseschaltung 102 der jeweiligen Sensoreinheit 18 betätigt. Vorzugsweise finden der vierte und der fünfte Arbeitsschritt 92,100 gleichzeitig statt.
  • Zudem wird der Ausgabepunkt 34 mittels der Schaltelemente 28 der zweiten Optokoppler 26 gegen das Bezugspotential 32 geführt, wobei dies so lange erfolgt, solange zumindest einer der Sensorwerte 94 den zweiten Zustand 98 aufweist. Folglich wird lediglich mittels desjenigen Sensorwerts 94, bei dem der zweite Zustand 98 am längsten eingenommen wird, das elektrische Potenzial am Ausgabepunkt 34 bestimmt, wobei die Länge hiervon zu dem jeweiligen Messwert 50 korrespondiert.
  • Zusammenfassend bestimmt lediglich der Sensorwert 94 das elektrische Potential am Ausgabepunkt 34, das das Maximum aller Sensorwert 94 darstellt, also einen Extremwert, und das nämlich zu dem höchsten Messwert 50 korrespondiert. Folglich wird lediglich der Extremwert der Sensorwerte 94 an den Ausgabepunkt 34 übermittelt, also die höchste Temperatur. Solange diese unterhalb eines kritischen Werts ist, wie 90°, wird der Umrichter 2 mittels der Steuerung 16 unverändert betrieben. Falls Dahingegen der kritische Wert überschritten wird, wird als Zustand des Umrichters 2 eine Überhitzung angenommen, und der Umrichter 2 wird stillgesetzt oder zumindest mit verringerter Leistung betrieben. Folglich wird anhand des Verfahrens 74 der Zustand des Umrichters 2 ermittelt.
  • In 6 ist eine Abwandlung einer der Sensoreinheiten 18 dargestellt, wobei der analoge Sensor 38 mit dem temperaturabhängigen Widerstand 40 nicht verändert ist. Die sonstigen Bauteile des analogen Sensors 38, wie der weitere Operationsverstärker 46 und sowie die Hilfswiderstände 42, 48 sind weiterhin vorhanden, jedoch nicht explizit dargestellt. Der galvanischen Trenner 20 ist abgewandelt, wobei mittels dessen auch weiterhin das Schaltelement 52 betätigt, das jedoch kein Bestandteil des galvanischen Trenners 20, sondern separat hiervon ist. Auch ist das Schaltelement 52 mit einer weiteren Spannungsquelle 104 verbunden.
  • Die Verschaltung des ersten und zweiten Operationsverstärkers 62, 58 mit einem der weiteren Widerstände 56, der Kapazität 60 sowie der Diode 64 ist nicht verändert. Jedoch wird nunmehr der Referenzwert 84 mittels Masse bereitgestellt, und der Hilfswert 90 wird über eine zusätzliche Spannungsquelle 106 bereitgestellt. Die weitere und die zusätzliche Spannungsquelle 104, 106 sind dabei Gleichspannungsquellen. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 62 ist gegen den zweiten Optokoppler 26 geführt, mittels dessen das nicht näher dargestellte Schaltelement 28 betätigt ist, das separat zu dem zweiten Optokoppler 26 ist.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Umrichter
    4
    Gleichspannungsanschluss
    6
    Anschluss
    8
    Zwischenkreisspannung
    10
    Modul
    12
    Leistungshalbleiterschalter
    14
    Wechselspannungsanschluss
    16
    Steuerung
    18
    Sensoreinheit
    20
    galvanischer Trenner
    22
    Leitung
    24
    Taktgeber
    26
    zweiter Optokoppler
    28
    Schaltelement
    30
    Leuchtdiode
    32
    Bezugspotential
    34
    Ausgabepunkt
    36
    Ausgabeleitung
    38
    analoger Sensor
    40
    temperaturabhängiger Widerstand
    42
    erster Hilfswiderstand
    44
    Hilfspotential
    46
    weiterer Operationsverstärker
    48
    zweiter Hilfswiderstand
    50
    Messwert
    52
    Schaltelement
    54
    Leuchtdiode
    56
    weiterer Widerstand
    58
    zweiter Operationsverstärker
    60
    Kapazität
    62
    erster Operationsverstärker
    64
    Diode
    66
    Spannungsteiler
    68
    Widerstand
    70
    zusätzlicher Operationsverstärker
    72
    zusätzlicher Widerstand
    74
    Verfahren
    75
    erster Arbeitsschritt
    76
    Taktsignal
    78
    Taktzustand
    80
    Takt
    82
    zweiter Arbeitsschritt
    84
    Referenzwert
    86
    Zwischenwert
    88
    dritter Arbeitsschritt
    90
    Hilfswert
    92
    vierter Arbeitsschritt
    94
    Sensorwert
    96
    erster Zustand
    98
    zweiter Zustand
    100
    fünfter Arbeitsschritt
    102
    Einspeiseschaltung
    104
    weitere Spannungsquelle
    106
    zusätzliche Spannungsquelle

Claims (8)

  1. Verfahren (74) zum Ermitteln eines Zustands eines Umrichters (2) anhand von mehreren Sensorwerten (94), die jeweils zu einem mittels eines analogen Sensors (38) einer jeweiligen Sensoreinheit (18) erstellten Messwert (50) korrespondieren, bei welchem - ein Taktsignal (76), das mehrere gleiche Takte (80) mit zwei unterschiedlichen Taktzuständen (78) aufweist, an jede Sensoreinheit (18) geleitet wird, - während eines der Taktzustände (78) jedes Takts (80) bei jeder Sensoreinheit (18) ein vorgegebener Referenzwert (84) um den jeweils aktuellen Messwert (50) mittels einer vorgegebenen Operation auf einen jeweiligen Zwischenwert (56) verändert wird, - während des anderen Taktzustands (78) des jeweils gleichen Takts (80) bei jeder Sensoreinheit (18) der jeweilige Zwischenwert (86) um einen jeweiligen Hilfswert (90) mittels einer entgegengesetzten Operation bis zum Referenzwert (84) verändert wird, - während der jeweiligen verbleibende Zeitspanne des gleichen Takts (80) ein erster Zustand (96) und ansonsten ein zweiter Zustand (98) als jeweiliger Sensorwert (94) verwendet wird, - die Sensorwerte (94) mittels einer Einspeiseschaltung (102) in eine gemeinsame, gegen einen Ausgabepunkt (34) geführte Ausgabeleitung (36) eingespeist werden.
  2. Verfahren (74) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich ein Extremwert der Sensorwerte (94) an den Ausgabepunkt (34) übermittelt wird.
  3. Verfahren (74) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des jeweiligen Sensorwerts (94) ein Schaltelement (28) der jeweiligen Sensoreinheit (18) betätigt wird, die elektrisch parallel zwischen ein Bezugspotential (32) und den Ausgabepunkt (34) geschaltet sind.
  4. Verfahren (74) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Sensorwert (94) galvanisch getrennt zu dem Schaltelement (28) übertragen wird.
  5. Verfahren (74) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Taktsignal (76) mittels eines galvanischen Trenners (20) der jeweiligen Sensoreinheit (18) empfangen wird.
  6. Verfahren (74) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (84) und der Hilfswert (90) mittels eines gemeinsamen Spannungsteilers (66) bereitgestellt werden.
  7. Verfahren (74) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Operation negatives Integrieren und als entgegengesetzte Operation Integrieren herangezogen wird.
  8. Umrichter (2), der mehrere, jeweils einen analogen Sensor (38) aufweisende Sensoreinheiten (18) und eine gegen einen Ausgabepunkt (34) geführte Ausgabeleitung (36) umfasst, und der gemäß einem Verfahren (74) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 betrieben ist.
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