DE102022208878A1

DE102022208878A1 - Method and arrangement for identifying a ground fault in a drive unit of a vehicle

Info

Publication number: DE102022208878A1
Application number: DE102022208878.6A
Authority: DE
Inventors: Vladislav Damec; Martin Neubauer; Christian Foerth; Frank Kleindienst; Markus Lang; Dirk Opper; Günter Pöllot
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2024-02-29
Also published as: GB2623622A; GB202312499D0

Abstract

Ein Erdschluss auf der Ausgangsseite eines Wechselrichters in einer Antriebseinheit erkannt, indem der zeitliche Verlauf der Eingangsspannung des Wechselrichters in einer Prüfeinrichtung ausgewertet wird und bei einer hohen zeitlichen Änderung ein Steuersignal erzeugt wird, mit dem der Wechselrichter gesteuert wird.A ground fault on the output side of an inverter in a drive unit is detected by evaluating the time profile of the inverter's input voltage in a test device and, in the event of a large change over time, generating a control signal with which the inverter is controlled.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem ein Erdschluss in einem potentialfreien Netz, insbesondere in einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs identifiziert und gegebenenfalls ein solcher lokalisiert werden kann, sowie eine entsprechende Anordnung.The invention relates to a method with which a ground fault in a potential-free network, in particular in a drive unit of a vehicle, can be identified and, if necessary, such a fault can be localized, as well as a corresponding arrangement.

Bei Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen, wird für die elektrische Versorgung gelegentlich ein potentialfrei ausgeführtes Netz verwendet. Ein potentialfrei ausgeführtes Netz (auch als isoliertes Netz oder IT-Netz bezeichnet) zeichnet sich dadurch aus, dass alle stromführenden Leiter gegen Erde isoliert sind. Der Begriff „isoliert“ umfasst dabei auch eine resistive Verbindung gegen Erde.
In einem IT-Netz ist bei einem einfachen Erdschluss (d.h. niederohmige Verbindung nur eines Leiters zur Erde) der Betrieb weiter möglich, da in der Regel kein hoher Fehlerstrom auftritt.In vehicles, especially rail vehicles, a potential-free network is occasionally used for the electrical supply. A potential-free network (also known as an isolated network or IT network) is characterized by the fact that all current-carrying conductors are insulated from earth. The term “insulated” also includes a resistive connection to earth.
In an IT network, operation is still possible in the event of a simple earth fault (ie a low-resistance connection of just one conductor to earth), as no high fault current usually occurs.

Bei einem Fahrzeug, insbesondere einem Schienenfahrzeug, können Erdschlüsse in der Umgebung der Motoren auftreten, beispielsweise durch Schäden an der Kabelisolierung. An einem solchen Punkt liegt eine hohe Spannungswelligkeit gegenüber dem speisenden Gleichspannungsnetz vor, da die Motoren über Wechselrichter, beispielsweise Pulswechselrichter, an das Versorgungsnetz angeschlossen sind. Bei einem Erdschluss auf der Wechselspannungsseite des Wechselrichters wird diese Welligkeit dem Versorgungsnetz (Gleichspannungsseite) aufgeprägt. Dies kann zur Überlastung von Komponenten auf der Gleichspannungsseite wie beispielsweise Entstörfiltern führen, zu unzulässigen EMV-Störungen oder Störströmen im Massesystem, zu resonanter Überspannung und/oder zu weiteren Schäden im gesamten Netz. Daher muss ein einfacher Erdschluss schnell erkannt und lokalisiert werden und anschließend nach Möglichkeit das betroffene Subsystem abgetrennt werden.In a vehicle, especially a rail vehicle, ground faults can occur in the area around the motors, for example due to damage to the cable insulation. At such a point there is a high voltage ripple compared to the supplying DC voltage network, since the motors are connected to the supply network via inverters, for example pulse inverters. If there is a ground fault on the AC side of the inverter, this ripple is imposed on the supply network (DC side). This can lead to overloading of components on the DC voltage side such as interference filters, to unacceptable EMC interference or interference currents in the ground system, to resonant overvoltage and/or to further damage to the entire network. Therefore, a simple ground fault must be identified and localized quickly and then, if possible, the affected subsystem must be isolated.

Allerdings ist das sichere Erkennen eines einfachen Erdschlusses schwierig und das Auffinden der Fehlerursache aufwändig, insbesondere bei einem ausgedehnten Netz mit einer großen Anzahl von Lasten, oder bei nicht-dauerhaften oder unregelmäßig wiederkehrenden Erdschlüssen. Es ist bekannt, Isolationswächter einzusetzen, die die Impedanz zwischen dem spannungsführenden System und dem Erdpotential messen. Ferner ist bekannt, bei einem Erdschluss auftretende Spannungsspitzen oder eine Potentialverschiebung des potentialfreien Netzes auszuwerten. Oft wird die Ursache des Erdschlusses durch sukzessives Zuschalten der Lasten in einem langwierigen Prozess gesucht, oder es wird ein Fehlerstromdetektor eingesetzt.However, reliably detecting a simple ground fault is difficult and finding the cause of the fault is time-consuming, especially in an extensive network with a large number of loads, or in the case of non-permanent or irregularly recurring ground faults. It is known to use insulation monitors that measure the impedance between the live system and the ground potential. It is also known to evaluate voltage peaks or a potential shift in the potential-free network that occur in the event of a ground fault. The cause of the earth fault is often sought by successively connecting the loads in a lengthy process, or a residual current detector is used.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Erdschluss in einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs zuverlässig erkannt und lokalisiert werden kann.
Eine weitere Aufgabe ist die Angabe einer entsprechenden Anordnung.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object of the invention is to provide a method with which a ground fault in a drive unit of a vehicle can be reliably detected and localized.
Another task is to specify a corresponding arrangement.
These tasks are solved by a method with the features of patent claim 1 and by an arrangement according to patent claim 7. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Erdschluss auf der Wechselspannungsseite (Ausgang) eines Wechselrichters in einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs zu starken Änderungen auf der Gleichspannungsseite (Eingang) des Wechselrichters führt, d.h. die zeitliche Änderung dU/dt der Eingangsspannung des Wechselrichters gegen Masse (Gleichtakt) ist deutlich größer als im störungsfreien Betrieb. Im störungsfreien Betrieb ist die eingangsseitige Spannung am Wechselrichter zwar in der Regel nicht absolut konstant, sondern weist Spektralanteile auf, die aus dem Versorgungsnetz kommen, wie beispielsweise harmonische Frequenzen, die bei der Umformung in Unterstationen entstehen. Diese sind aber durch eine deutlich niedrigere zeitliche Änderung dU/dt gekennzeichnet als die Spektralanteile aufgrund eines Erdschlusses. Die zeitliche Änderung dU/dt wird durch eine an den Eingang angeschlossene Prüfeinheit geprüft und mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Wird dieser Wert überschritten, erzeugt die Prüfeinheit ein Steuersignal und gibt dieses an eine Steuereinheit zur Steuerung des Wechselrichters.The invention is based on the knowledge that a ground fault on the AC voltage side (output) of an inverter in a drive unit of a vehicle leads to strong changes on the DC voltage side (input) of the inverter, i.e. the temporal change dU/dt of the input voltage of the inverter to ground ( Common mode) is significantly larger than in trouble-free operation. In trouble-free operation, the input voltage at the inverter is usually not absolutely constant, but rather has spectral components that come from the supply network, such as harmonic frequencies that arise during conversion in substations. However, these are characterized by a significantly lower temporal change dU/dt than the spectral components due to a ground fault. The temporal change dU/dt is checked by a test unit connected to the input and compared with a specified value. If this value is exceeded, the test unit generates a control signal and sends it to a control unit to control the inverter.

Es kann vorgesehen sein, dass die Prüfeinheit das Steuersignal erst bei mehrmaliger Überschreitung des Werts innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls erzeugt.It can be provided that the test unit only generates the control signal when the value is exceeded several times within a certain time interval.

Das Steuersignal bewirkt vorzugsweise eine Beendigung des Betriebs des Wechselrichters. Die Steuereinheit kann so ausgebildet sein, dass sie Betriebsbefehle, die für einen ordnungsgemäßen Betrieb benötigt werden, nur dann an den Wechselrichter leitet, wenn ein Freigabesignal anliegt, und das Steuersignal bewirkt eine Sperrung des Freigabesignals. Alternativ oder zusätzlich kann die Prüfeinheit im Fehlerfall (wenn also dU/dt höher ist als im störungsfreien Fall) ein Steuersignal an die Steuereinheit senden, das bewirkt, dass die Steuereinheit bzw. die Steuereinrichtung einen Abschaltbefehl an den Wechselrichter sendet und/oder keine Betriebsbefehle, die für einen ordnungsgemäßen Betrieb benötigt werden, an den Wechselrichter sendet. Durch eine geeignete Parametrierung der Komponenten wird erreicht, dass nur der Wechselrichter der betroffenen Antriebseinheit abgeschaltet wird.The control signal preferably causes the operation of the inverter to end. The control unit can be designed so that it only forwards operating commands that are required for proper operation to the inverter when a release signal is present, and the control signal causes the release signal to be blocked. Alternatively or additionally, in the event of a fault (i.e. if dU/dt is higher than in the fault-free case), the test unit can send a control signal to the control unit, which causes the control unit or the control device to send a switch-off command to the inverter and/or no operating commands, which are needed for proper operation, is sent to the inverter. Appropriate parameterization of the components ensures that only the inverter of the affected drive unit is switched off.

Die Prüfeinheit erfasst die am Wechselrichter anliegende Eingangsspannung des Antriebssystems gegen Masse. In einer Ausführungsform weist die Prüfeinheit einen Filter in Form eines Hochpasses auf, der die hohen Frequenzen, also die Spektralanteile des Signals, die typischerweise bei einem Erdschlussfehler vorkommen, durchlässt und die niedrigeren Frequenzen, also die Spektralanteile des normalen Betriebs, unterdrückt. Die durchgelassenen Spektralanteile der Spannung werden an eine Auswerteeinheit geleitet, die die zeitliche Änderung dU/dt ermittelt. Diese Auswertung kann analog oder digital erfolgen.The test unit records the input voltage of the drive system applied to the inverter against ground. In one embodiment, the test unit has a filter in the form of a high pass that passes the high frequencies, i.e. the spectral components of the signal that typically occur in the event of a ground fault, and suppresses the lower frequencies, i.e. the spectral components of normal operation. The transmitted spectral components of the voltage are sent to an evaluation unit that determines the change over time dU/dt. This evaluation can be done analog or digital.

Die Prüfeinheit kann zusätzlich einen Tiefpass aufweisen, der zusammen mit dem Hochpass einen Bandpassfilter darstellt. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die anschließende Auswertung in der Auswerteeinheit digital erfolgt, die Auswerteeinheit also einen A/D-Wandler umfasst. Der Bandpass wirkt dann auch als Antialiasingfilter für die digitale Verarbeitung.The test unit can additionally have a low pass, which together with the high pass represents a bandpass filter. This is particularly advantageous if the subsequent evaluation in the evaluation unit is carried out digitally, i.e. the evaluation unit includes an A/D converter. The bandpass then also acts as an antialiasing filter for digital processing.

Eine digital arbeitende Auswerteeinheit umfasst neben einem A/D-Wandler vorzugsweise eine Prozessoreinheit zur Bestimmung von dU/dt und zur Bildung des Steuersignals. Die Prozessoreinheit kann beispielsweise die digitalisierten Werte der Spannung U(t) zu unterschiedlichen Zeiten t1, t2 erfassen, deren Differenz bilden und diese Differenz mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleichen. Bei Überschreitung des Schwellwerts kann das Steuersignal erzeugt werden. Es kann aber auch jede Überschreitung des Schwellwerts in einem Zähler gezählt werden und das Steuersignal erzeugt werden, wenn die Anzahl der Überschreitungen in einem vorgegebenen Zeitraum einen vorgegebenen Wert überschreitet. Alternativ oder zusätzlich zu einer Prozessoreinheit kann die digital arbeitende Auswerteeinheit eine Logikschaltung, ein FPGA, einen p-Controller oder ähnliches aufweisen.In addition to an A/D converter, a digitally operating evaluation unit preferably includes a processor unit for determining dU/dt and for forming the control signal. The processor unit can, for example, record the digitized values of the voltage U(t) at different times t1, t2, form their difference and compare this difference with a predetermined threshold value. If the threshold value is exceeded, the control signal can be generated. However, each exceeding of the threshold value can also be counted in a counter and the control signal can be generated if the number of exceedances in a predetermined period of time exceeds a predetermined value. Alternatively or in addition to a processor unit, the digitally operating evaluation unit can have a logic circuit, an FPGA, a p-controller or similar.

Eine analog arbeitende Auswerteeinheit kann einen Gleichrichter und einen Komparator umfassen. Der Komparator vergleicht die gleichgerichtete Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert und erzeugt direkt oder indirekt das Steuersignal. Die analog arbeitende Auswerteeinheit kann zusätzlich eine Einrichtung zur Glättung der gleichgerichteten Spannung umfassen, so dass eine ausreichend geglättete Spannung am Eingang des Komparators anliegt. Dabei liegt im störungsfreien Betrieb aufgrund des Hochpasses keine oder nur eine niedrige Spannung an.An analog evaluation unit can include a rectifier and a comparator. The comparator compares the rectified voltage with a predetermined threshold and generates the control signal directly or indirectly. The analog evaluation unit can additionally include a device for smoothing the rectified voltage, so that a sufficiently smoothed voltage is present at the input of the comparator. In trouble-free operation, there is no or only a low voltage due to the high pass.

Gemäß einer anderen Ausführungsform findet am Eingang der Prüfeinheit keine Frequenzfilterung statt. Die von der Prüfeinrichtung erfasste Spannung am Eingang des Wechselrichters wird digitalisiert, und es wird deren zeitliche Änderung dU/dt durch die Prüfeinheit bestimmt. Die Prüfeinrichtung kann eine digitale Auswerteinheit wie oben beschrieben aufweisen. Die Ausführungsform kann rein softwaremäßig realisiert werden.According to another embodiment, no frequency filtering takes place at the input of the test unit. The voltage recorded by the testing device at the input of the inverter is digitized and its change over time, dU/dt, is determined by the testing unit. The testing device can have a digital evaluation unit as described above. The embodiment can be implemented purely in software.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
2 ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung
3 ein Ausführungsbeispiel der Prozessoreinheit
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments. Show it in a schematic representation

1 an embodiment of the invention
2 an embodiment of the control device
3 an embodiment of the processor unit
3 another embodiment of the control device

1 zeigt ein Beispiel für ein Antriebssystem eines Schienenfahrzeugs. Es umfasst eine Antriebseinheit 1, optionale weitere Antriebseinheiten sind mit 1a, 1b bezeichnet und können gleichartig aufgebaut sein. Die Antriebseinheiten sind über Stromschienen oder Oberleitungen vom Bahnnetz 2, 3 gespeist, die Gehäuse von Komponenten sind über Räder 4 des Fahrzeugs geerdet. Das Bahnnetz 2, 3 ist als isoliertes Netz betrieben und stellt eine Gleichspannung als Versorgungsspannung (DC-Versorgungsspannung) zur Verfügung. Dabei liegen die beiden Leitungen 2, 3 auf einem Potential von bspw. +400V bzw. -250V. 1 shows an example of a drive system for a rail vehicle. It includes a drive unit 1, optional further drive units are designated 1a, 1b and can be constructed in the same way. The drive units are powered via busbars or overhead lines from the railway network 2, 3, the housings of components are grounded via wheels 4 of the vehicle. The railway network 2, 3 is operated as an isolated network and provides a direct voltage as a supply voltage (DC supply voltage). The two lines 2, 3 are at a potential of, for example, +400V or -250V.

Die Antriebseinheit 1 umfasst einen Motor 5, der über Leitungen 6 mit einem Wechselrichter 7 verbunden ist. Die Eingänge 8,9 des Wechselrichters sind mit der DC-Versorgungsspannung 2, 3 verbunden, wobei in beiden Verbindungsleitungen eine Induktivität 10 für eine Entkopplung zu den weiteren Antriebseinheiten 1a, 1b vorhanden ist. Über Schalter 11 ist die Antriebseinheit 1 von der DC-Versorgungsspannung trennbar.The drive unit 1 includes a motor 5, which is connected to an inverter 7 via lines 6. The inputs 8, 9 of the inverter are connected to the DC supply voltage 2, 3, with an inductance 10 being present in both connecting lines for decoupling from the further drive units 1a, 1b. The drive unit 1 can be separated from the DC supply voltage via switch 11.

Die Antriebseinheit 1, insbesondere der Wechselrichter 7, wird von einer Steuereinrichtung 12 gesteuert, deren Aufbau und Arbeitsweise in den folgenden Figuren näher erläutert wird. Die Steuereinrichtung 12 empfängt über eine erste Schnittstelle Befehle 13 von einem übergeordneten System und sendet über zweite Schnittstelle Betriebsbefehle 14 an den Wechselrichter 7, wodurch der Wechselrichter gesteuert wird. Die Steuereinrichtung 12 weist ferner einen Anschluss 15 an das Versorgungspotential, insbesondere das positive Versorgungspotential 2, und einen Anschluss an Masse 16 auf.The drive unit 1, in particular the inverter 7, is controlled by a control device 12, the structure and operation of which is explained in more detail in the following figures. The control device 12 receives commands 13 from a higher-level system via a first interface and sends operating commands 14 to the inverter 7 via a second interface, whereby the inverter is controlled. The control device 12 also has a connection 15 to the supply potential, in particular the positive supply potential 2, and a connection to ground 16.

Ferner ist ein Entstörfilter 17 vorhanden, der zwischen die das positive Versorgungspotential 2, das negative Versorgungspotential 3 und Masse, also Gehäuse, geschaltet ist. Der Entstörfilter 17 dient dazu, im störungsfreien Betrieb auftretende taktfrequente Ströme (d.h. im Takt des Wechselrichters, beispielsweise 1450 kHz) zurück zum Umrichter 7 zu führen, damit sie nicht in das Versorgungsnetz gelangen. Solche taktfrequenten Ströme können durch parasitäre Kapazitäten von Komponenten auf der Wechselstromseite entstehen, insbesondere durch Motorkabel. Der Entstörfilter 15 kann auf übliche Weise gebildet sein und insbesondere Kondensatoren und Widerstände aufweisen.There is also an interference filter 17, which is connected between the positive supply potential 2, the negative supply potential 3 and ground, i.e. housing. The interference filter 17 serves to eliminate interference that occurs during interference-free operation clock-frequency currents (ie in the cycle of the inverter, for example 1450 kHz) back to the inverter 7 so that they do not get into the supply network. Such clock frequency currents can arise from parasitic capacitances of components on the AC side, especially motor cables. The interference filter 15 can be formed in the usual way and in particular have capacitors and resistors.

2 zeigt die Steuereinrichtung 12 im Einzelnen. Über die beiden Anschlüsse 15 und 16 wird die (positive) Eingangsspannung des Wechselrichters gegen Masse erfasst. Die Steuereinrichtung 12 beinhaltet eine Prüfeinheit 20 und eine Steuereinheit 21.
In der Prüfeinheit 20 wird die Eingangsspannung durch einen Bandpass 22 gefiltert, der passend dimensionierte Kondensatoren 22a, 22b und Widerstände 22c, 22d aufweist, so dass Spektralanteile der Spannung, die bei einem störungsfreien Betrieb auftreten, ausreichend stark gedämpft werden. Dagegen lässt der Bandpassfilter Frequenzen, die typischerweise bei einer Störung in Form eines wechselspannungsseitigen Erdschlusses auftreten, im Wesentlichen ungeschwächt passieren. Bei Verwendung eines Bandpasses anstelle eines einfachen Hochpasses wird im Fall einer nachfolgenden digitalen Verarbeitung gleichzeitig ein Aliasing-Effekt vermieden, da sehr hohe Frequenzen nicht weitergeleitet werden. 2 shows the control device 12 in detail. The (positive) input voltage of the inverter to ground is recorded via the two connections 15 and 16. The control device 12 includes a testing unit 20 and a control unit 21.
In the test unit 20, the input voltage is filtered through a bandpass 22, which has appropriately sized capacitors 22a, 22b and resistors 22c, 22d, so that spectral components of the voltage that occur during interference-free operation are sufficiently attenuated. In contrast, the bandpass filter allows frequencies that typically occur in the event of a disturbance in the form of an AC-side ground fault to pass through essentially unattenuated. When using a bandpass instead of a simple highpass, an aliasing effect is avoided in the case of subsequent digital processing, as very high frequencies are not passed on.

Die entsprechend gefilterte Eingangsspannung wird über einen Anschluss 23 an eine Auswerteeinheit 24 geleitet. Die Auswerteeinheit 24 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen A/D-Wandler 25, der die Eingangsspannung U(t) digitalisiert und die digitalen Werte 26 an eine Prozessoreinheit 27 in der Auswerteeinheit 24 weiterleitet. Die Prozessoreinheit ermittelt die zeitliche Änderung dU/dt und vergleicht diese mit einem vorgegebenen Schwellwert. Bei Überschreiten oder bei zu häufigem Überschreiten des Schwellwerts wird ein Steuersignal 28 an die Steuereinheit gesendet. Das Steuersignal bewirkt eine Steuerung des Wechselrichters. Beispielsweise kann das Steuersignal das Senden eines Abschaltbefehls an den Wechselrichter bewirken. In einer anderen Ausführungsform kann bei Überschreiten oder bei zu häufigem Überschreiten des Schwellwerts ein Freigabesignal, das im störungsfreien Betrieb an der Steuereinheit 21 anliegt, gesperrt werden.The correspondingly filtered input voltage is passed to an evaluation unit 24 via a connection 23. In this exemplary embodiment, the evaluation unit 24 comprises an A/D converter 25, which digitizes the input voltage U(t) and forwards the digital values 26 to a processor unit 27 in the evaluation unit 24. The processor unit determines the temporal change dU/dt and compares this with a predetermined threshold value. If the threshold value is exceeded or exceeded too frequently, a control signal 28 is sent to the control unit. The control signal controls the inverter. For example, the control signal can cause a shutdown command to be sent to the inverter. In another embodiment, if the threshold value is exceeded or is exceeded too frequently, an enable signal that is present at the control unit 21 during trouble-free operation can be blocked.

3 zeigt ein Beispiel für die Auswertung des digitalisierten U(t)-Signals 26 durch die Prozessoreinheit 27. Die Werte U(t) werden in einen Speicher, insbesondere in ein FIFO-Schieberegister 30 geschoben, wobei die Taktung beispielsweise 20 us beträgt. Es werden zu geeigneten Zeitpunkten t1, t2 mindestens die zugehörigen Werte U(t1), U(t2) entnommen (symbolisiert durch 31) ; im gezeigten Beispiel werden insgesamt vier Werte U(tla), U(t1b), U(t2a), U(t2b) entnommen, wobei jeweils zwei Werte direkt aufeinanderfolgend sind und ihr Mittelwert (32, 33) gebildet wird. Es wird also aus U(t1a) und U(t1b) der Mittelwert U(t1) gebildet, wobei die Zeitdifferenz zwischen U(t1a) und U(t1b) 20 µs beträgt. Entsprechendes gilt für U(t2a) und U(t2b) und ihren Mittelwert U(t2). Die Mittelwertbildung ist optional und dient einer Glättung. Die Zeitpunkte t1 und t2 werden vorzugsweise so gewählt, dass ihre Differenz in etwa der erwarteten halben Periodendauer von U(t) im Störungsfall entspricht. Im betrachteten Beispiel beträgt diese zeitliche Differenz 80us.
Anschließend wird die Differenz zwischen U(t1) und U(t2) ermittelt (34) und mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen (35). Eine Überschreitung des Schwellwerts wird in einem Zähler 36 gezählt, der nach einer bestimmten Zeit wieder auf Null gestellt wird. Wenn in diesem Zeitintervall eine vorgegebene Anzahl von Schwellwertüberschreitungen gezählt wird, wird das Steuersignal an die Steuereinheit gesendet. Der zu wählende Schwellwert ist abhängig von der Zusammensetzung und Dimensionierung des Antriebssystems und der Antriebseinheit, sowie von der Taktung des Schieberegisters. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Schwellwert 20 A/µs betragen und das Steuersignal erzeugt werden, wenn der Schwellwert 20 mal innerhalb eines Zeitintervalls von 50 msec überschritten wird. 3 shows an example of the evaluation of the digitized U(t) signal 26 by the processor unit 27. The values U(t) are shifted into a memory, in particular into a FIFO shift register 30, with the clocking being, for example, 20 us. At least the associated values U(t1), U(t2) are taken at suitable times t1, t2 (symbolized by 31); In the example shown, a total of four values U(tla), U(t1b), U(t2a), U(t2b) are taken, with two values in direct succession and their mean value (32, 33) being formed. The average value U(t1) is formed from U(t1a) and U(t1b), whereby the time difference between U(t1a) and U(t1b) is 20 µs. The same applies to U(t2a) and U(t2b) and their mean value U(t2). Averaging is optional and serves for smoothing. The times t1 and t2 are preferably chosen so that their difference corresponds approximately to the expected half period of U(t) in the event of a fault. In the example under consideration, this time difference is 80us.
The difference between U(t1) and U(t2) is then determined (34) and compared with a predetermined threshold value (35). If the threshold value is exceeded, it is counted in a counter 36, which is reset to zero after a certain time. If a predetermined number of threshold value violations is counted in this time interval, the control signal is sent to the control unit. The threshold value to be selected depends on the composition and dimensions of the drive system and the drive unit, as well as on the clocking of the shift register. In this exemplary embodiment, the threshold value can be 20 A/µs and the control signal can be generated when the threshold value is exceeded 20 times within a time interval of 50 msec.

4 zeigt eine andere Ausführungsform der Steuereinrichtung 12, die ggf. auch rein analog aufgebaut werden kann. Über die beiden Anschlüsse 15 und 16 wird die (positive) Eingangsspannung des Wechselrichters 7 gegen Masse erfasst. Die Steuereinrichtung 12 beinhaltet eine Prüfeinheit 20 und eine Steuereinheit 21.
In diesem Beispiel umfasst die Prüfeinheit 20 einen Hochpass mit geeignet dimensionierten Komponenten (Widerstand 22e, Kondensator 22f). Die Eingangsspannung wird durch den Hochpass 22e, f gefiltert, so dass Spektralanteile der Spannung, die bei einem störungsfreien Betrieb auftreten, ausreichend stark gedämpft werden, und Frequenzen, die typischerweise bei einer Störung in Form eines Erdschlusses auftreten, im Wesentlichen ungeschwächt passieren. Wenn die Signalverarbeitung analog erfolgt, ist ein zusätzlicher Tiefpass oder ein Bandpasses nicht notwendig. 4 shows another embodiment of the control device 12, which can also be constructed in a purely analogue manner. The (positive) input voltage of the inverter 7 against ground is detected via the two connections 15 and 16. The control device 12 includes a testing unit 20 and a control unit 21.
In this example, the test unit 20 includes a high-pass filter with suitably sized components (resistor 22e, capacitor 22f). The input voltage is filtered by the high pass 22e, f, so that spectral components of the voltage that occur during trouble-free operation are sufficiently attenuated, and frequencies that typically occur in the event of a fault in the form of a ground fault pass through essentially unattenuated. If the signal processing is analog, an additional low pass or band pass is not necessary.

Die Auswerteeinheit 24 weist Gleichrichter 40a, 40b auf, der die Schaltflanken gleichrichtet. Vorteilhaft ist ferner eine Schaltung 41 zur Glättung, dies wird durch einen Kondensator 41a und einen Widerstand 41b erreicht. Die geglättete Spannung wird in einem Komparator 42 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Hierzu kann ggf. auch ein Relais, ein Spannungswandler bzw. ein A/D-Wandler eingesetzt werden. Wenn die am Komparatoreingang anliegende Spannung größer als der vorgegebene Schwellwert ist, wird ein Steuersignal 28 erzeugt und an die Steuereinheit 21 gesendet. Wie oben beschrieben bewirkt dies eine Steuerung des Wechselrichters, beispielsweise wird ein an der Steuereinheit anliegendes Freigabesignal gesperrt.The evaluation unit 24 has rectifiers 40a, 40b, which rectify the switching edges. A circuit 41 for smoothing is also advantageous; this is achieved by a capacitor 41a and a resistor 41b. The smoothed voltage is compared with a predetermined threshold value in a comparator 42. If necessary, a relay, a voltage converter or an A/D converter can also be used for this purpose. If the comparator is on If the voltage present is greater than the predetermined threshold value, a control signal 28 is generated and sent to the control unit 21. As described above, this causes the inverter to be controlled; for example, a release signal present at the control unit is blocked.

Die Erfindung basiert auf der Auswertung der Schaltflanken, d.h. der Spannungsänderung der DC-Versorgungsspannung eines Wechselrichters. Wenn ausgangsseitig ein Erdschluss aufgetreten ist, ist diese Änderung sehr stark und dU/dt sehr groß. Durch eine passende Parametrierung und ggf. geeignete Filterung sowie durch eine ausreichende Entkopplung von Antriebseinheiten untereinander und vom Versorgungsnetz durch die Induktivitäten 10 kann eine gute Selektivität erreicht werden, d.h. ein wechselspannungsseitiger Erdschluss ist von anderen Störungen im Versorgungsnetz oder von einem Erdschluss an anderer Stelle gut unterscheidbar. Durch die Entkopplung verschiedener Antriebseinheiten voneinander kann der Erdschluss lokalisiert werden, da nur der Wechselrichter der betroffenen Einheit entsprechend gesteuert, vorzugsweise abgeschaltet wird.The invention is based on the evaluation of the switching edges, i.e. the voltage change in the DC supply voltage of an inverter. If a ground fault has occurred on the output side, this change is very strong and dU/dt is very large. Through appropriate parameterization and, if necessary, suitable filtering as well as through sufficient decoupling of drive units from one another and from the supply network through the inductors 10, good selectivity can be achieved, i.e. a ground fault on the AC voltage side can be easily distinguished from other faults in the supply network or from a ground fault elsewhere . By decoupling different drive units from each other, the ground fault can be localized because only the inverter of the affected unit is controlled accordingly, preferably switched off.

Zur Durchführung des Verfahrens sind keine aufwändigen zusätzlichen Komponenten notwendig, so dass die Kosten gering sind. Bei rein digitaler Auswertung sind nur entsprechende Softwarekomponenten notwendig, d.h. die Prozessoreinheit muss die entsprechenden Software-Schritte ausführen können. Bei anderen Ausführungsformen sind lediglich wenige und kostengünstige passive Elemente wie die Komponenten 22 zur Frequenzfilterung vorzusehen. Die Induktivitäten 10 zur Entkopplung sind in der Regel bereits vorhanden, ebenso der Entstörfilter 17, der der Glättung von Harmonischen in der DC-Versorgungsspannung dient. In diesem Entstörfilter können beispielsweise die Filterkomponenten 22 mit untergebracht werden.No complex additional components are necessary to carry out the process, so the costs are low. For purely digital evaluation, only appropriate software components are necessary, i.e. the processor unit must be able to carry out the corresponding software steps. In other embodiments, only a few and inexpensive passive elements such as components 22 need to be provided for frequency filtering. The inductors 10 for decoupling are usually already present, as is the interference filter 17, which is used to smooth harmonics in the DC supply voltage. For example, the filter components 22 can be accommodated in this interference suppression filter.

Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale und Aspekte der Erfindung können selbstverständlich miteinander in unterschiedlicher Weise kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden.The features and aspects of the invention described in the exemplary embodiments can of course be combined with one another in different ways. In particular, the features can be used not only in the combinations described, but also in other combinations or on their own.

Claims

Method for detecting a ground fault in a drive unit (1) of a vehicle, wherein - the drive unit (1) comprises an inverter (7), - the inverter (7) is connected on the input side to a potential-free DC supply voltage (2, 3) and is controlled by a control device (12), - the control device (12) is connected to the supply voltage and comprises a testing unit (20) and a control unit (21), in which - the test unit (20) checks the temporal change in the voltage at an input of the inverter (7), - the test unit (20) sends a control signal (28) to the control unit (12) when dU/dt changes over time above a predetermined value, - And the control device (12) controls the inverter (7) depending on the control signal (28).

Method according to the preceding claim, characterized in that the control signal (28) causes the inverter (7) to be switched off.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the testing unit (20) comprises a high pass (22 ef) or a band pass (22 ad) and an evaluation unit (24) connected thereto, and the evaluation unit generates the control signal (28).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit (24) comprises an A/D converter (25) and a processor unit (27) which evaluates the change in the voltage over time.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control signal (28) is generated when the predetermined value is exceeded several times within a predetermined time interval.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit (24) rectifies and, if necessary, smoothes the voltage present at its input and then compares it with the predetermined value, and the evaluation unit (24) generates the control signal (28) when the threshold value is exceeded .

Device for detecting a ground fault in a drive unit of a vehicle, with - a drive unit (1) with an inverter (7), which is connected on the input side to a potential-free DC supply voltage (2, 3), - a control device (12) for control of the inverter (7), which is connected to the supply voltage and comprises a test unit (20) and a control unit (21), - the test unit (20) being designed to check the temporal change in the voltage at an input of the inverter and at a temporal one Change dU/dt above a predetermined value to give a control signal (28) to the control unit (21), - and the control device (12) is designed to control the inverter (7) depending on the control signal (28).

Device according to the preceding claim, characterized in that the testing unit (20) comprises a high pass (22 ef) or a band pass (22 ad) and an evaluation unit connected to it.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit (24) comprises an A/D converter (25) and a processor unit (27) which evaluates the change in the voltage over time.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the processor unit (27) is designed to generate a control signal (28) if the predetermined value is exceeded several times within a predetermined time interval.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit (24) comprises a rectifier (40 ab) and optionally a circuit for smoothing (41 ab) the rectified voltage, and comprises a voltage comparator (42).