Die Erfindung betrifft eine Ansteuerung für Stromrichterventile, wie sie beispielsweise in den
verschiedenen Klassen von Stromrichtern eingesetzt werden. Derartige Ansteuerungen sind
beispielhaft aus U. Nicolai et al., "Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-
Leistungsmodule", ISBN 3-932633-24-5, Seite 192 bis 196 bekannt.
Nach dem Stand der Technik (vgl. Fig. 1) bestehen Ansteuerungen für Stromrichterventile
aus einer anwendungsspezifischen Anfordereinheit und einer systemspezifischen
Ansteuereinheit des Leistungshalbleitermoduls.
Anwendungsspezifisch meint hier individuell passend zum Einsatzgebiet der
Stromrichterventile bzw. des Stromrichters; systemspezifisch meint individuell passend zum
oder Bestandteil des Stromrichterventile bzw. daraus aufgebauter Einheiten wie
beispielsweise Stromrichter in Form Leistungshalbleitermodulen.
Die Ansteuereinheit weist in der Regel gewisse Schutzfunktionen, wie z. B. eine
Kurzimpulsunterdrückung und/oder eine Kurzschlusserkennung auf. Des weiteren hat sie
die Aufgabe die von der Anfordereinheit erzeugten analogen Steuersignale an die Treiber
der Stromrichterventile weiterzugeben. Die Ansteuereinheit meldet Fehler und/oder
einzelne Messwerte, wie Temperatur oder abgegebener Strom ebenfalls als analoge Signale
an die Anfordereinheit.
Die anwendungsspezifische Anfordereinheit erzeugt die systemspezifischen analogen
Schaltsignale, d. h. Schaltsignale zum Zeitpunkt und für die Dauer zu denen die
Stromrichterventile eingeschaltet sein sollen. Diese werden als kontinuierliches analoges
Signal an die Ansteuereinheit weitergeleitet. Die Anfordereinheit steuert somit mittels seiner
erzeugten Analogsignale direkt die Stromrichterventile an.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ansteuerung für einen u. a. mittels
Stromrichterventilen aufgebauten Stromrichter nach dem Stand der Technik. Derartige
Stromrichter bestehen nach dem Stand der Technik aus einem oder mehreren
Leistungshalbleitermodulen. Es handelt sich hier um die Ansteuerung eines 3 Phasen
Stromrichters zum Betrieb eines Motors (40). Die Anfordereinheit (10), bestehend aus einer
digitalen Recheneinheit (11), einer nachgeschalteten analogen Signalverarbeitung bzw.
-erzeugung (12), erzeugt die Steuersignale für die 3 TOP- und die 3 BOT- Schalter des
Stromrichters (36). Diese Signale werden als 0/15 V Analogwerte an der Schnittstelle (13) der
Anfordereinheit (10) als Ausgangssignal angelegt. Die angelegten Signale führen unmittelbar
zum Schalten der entsprechenden Stromrichterventile (37) des Stromrichters (36). Hierbei
muss das Ansteuersignal eines jeden der 6 Stromrichterventile an einem Kontakt der
Schnittstelle (13) angelegt werden, da das jeweils anzusteuernde Stromrichterventil so lange
eingeschaltet bleibt wie das entsprechende Signal anliegt.
Die Schnittstelle (13) der Anfordereinheit (10) weist auch mindestens ein Eingangssignal auf.
Stand der Technik sind beispielhaft folgende analog dargestellte Eingangssignale:
- - Temperaturüberwachung der Stromrichterventile
- - Überstromüberwachung der Stromrichterventile
- - Abgegebener Strom der jeweiligen Halbbrücke
- - Spannung des Zwischenkreises
Es ist auf Grund der möglicherweise gestörten Datenübertragung (siehe unten) nicht sicher
gestellt, dass alle Eingangssignale in der Anfordereinheit korrekt ausgewertet und in
entsprechend geänderte Ansteuerimpulse umgesetzt werden können.
Weiterhin nachteilig am Stand der Technik ist, dass die Anfordereinheit systemspezifische
Signale erzeugen muss und dass daher bei einer Änderung des Stromrichters, z. B. bei einer
neue Generation derselben, auch die Anfordereinheit an die neuen systemspezifischen
Ansteuersignale angepasst werden muss. Auch die mögliche neue Ausgestaltung der in der
Anfordereinheit eingehenden Signale erfordert ein Anpassung der anwendungsspezifischen
Anfordereinheit an diese systemspezifischen Signale.
Die Ansteuereinheit (30) weist ihrerseits eine analoge Schnittstelle (31) zur Kommunikation
mit der Anfordereinheit (10) auf. Diese Schnittstelle empfängt die analogen Ansteuersignale
der Anfordereinheit und sendet kontinuierlich die bereits oben erwähnten Signale, wie
Temperaturüberwachung der Stromrichterventile, Überstromüberwachung der
Stromrichterventile, abgegebener Strom der jeweiligen Halbbrücke und/oder Spannung des
Zwischenkreises. Hierzu weist die Ansteuereinheit (30) bzw. der Stromrichter (36)
verschiedene Sensoren auf. Basierend auf diesen Sensorwerten beinhaltet die
Ansteuereinheit auch interne Schutzfunktionen für die Stromrichterventile, wodurch der
Stromrichter beispielsweise durch Abschalten vor Zerstörung geschützt werden kann. Für die
internen Schutzfunktionen können als Basisdaten ausschließlich die eigenen Sensorwerte
sowie die momentan von der Anfordereinheit anliegenden Ansteuersignale ausgewertet
werden. Eine vorausschauende Schutzfunktion ist aufgrund der fehlenden Werte für die
zukünftige Ansteuerung der Stromrichterventile nur sehr eingeschränkt möglich.
Da jede anwendungsspezifische Anfordereinheit (10) eigene Ansteuerimpulse erzeugt, kann
die systemspezifische Ansteuerung (30) prinzipielle oder systematische Fehlansteuerungen
der Anfordereinheit ebenfalls nicht oder nicht immer erkennen, da wie erwähnt jeweils nur
ein Momentanwert zur Verfügung steht und keine Vorhersage auf zukünftige
Ansteuerimpulse möglich ist. Daher kann der Stromrichter nicht vollständig durch die
systemspezifische Steuerung vor Fehlfunktionen der anwendungsspezifischen
Anfordereinheit geschützt werden. Es ist ebenfalls nicht sichergestellt, dass alle
Fehlermeldungen an die anwendungsspezifische Anfordereinheit (10) von diesem korrekt
ausgewertet und in entsprechend geänderte Ansteuerimpulse umgesetzt wurden.
Weiterhin können eingestrahlte Störungen (siehe unten) als Signal erkannt werden oder
übertragene mit eingestrahlten Störungen behaftete Signale nicht als solche erkannt werden.
Diese Fälle bergen die Gefahr einer unerwünschten Beschaltung des Stromrichters und
damit das Risiko dessen Störung oder Ausfall zu verursachen.
Nach dem Stand der Technik werden alle Signale zwischen der Anfordereinheit und der
Ansteuereinheit als kontinuierliche Analogwerte über ein konventionelles mehradriges Kabel
(20) ausgestaltet als Punkt zu Punkt Verbindung übertragen. Hierbei ist für das
Ansteuersignal eines jeden Stromrichterventils eine eigene Ader, insgesamt also sechs,
notwendig, da das Ansteuersignal so lange anliegen muss wie der Stromrichterventile
eingeschaltet sein soll. Weitere Adern des Kabel (20) sind für die Temperaturüberwachung
der Stromrichterventile, die Überstromüberwachung der Stromrichterventile, den
abgegebenen Strom der jeweiligen 3-phasigen Halbbrücke (3 Adern) sowie die Spannung
des Zwischenkreises notwendig. Das Übertragungskabel weist somit aus einer Vielzahl von
Adern auf, um alle gewünschten analogen Signale übertragen zu können.
Technologisch sinnvoll sind derartige Übertragungsleitungen (20) nur bei kurzen Distanzen
in der Größenordnung eines Meters. Bei zunehmender Länge ergeben sich die bekannten
Nachteile analoger Signalübertragung. Speziell bei Einsatz der Stromrichter (36) bei rauen
Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel in Windkraftanlagen, erweist sich dies als
besonders unvorteilhaft.
Weiterhin nachteilig an der analogen Übertragung (20) ist die fehlende Störsicherheit der
Signale. Es können durch eingestrahlte Störungen Signale nicht als solche erkannt werden,
oder die Störung selbst kann als Signale erkannt werden. Diese Fälle bergen die Gefahr
einer unerwünschten Beschaltung des Stromrichters und damit das Risiko dessen Störung
oder Ausfall zu verursachen. Die analoge Übertragung ermöglicht ebenso wenig eine
Detektion oder gar Korrektur von Übertragungsfehlern.
Zusammenfassend ergeben die Nachteile des Standes der Technik eine prinzipbedingte
Einschränkung der Funktionssicherheit und damit der Verfügbarkeit des Stromrichters.
Fig. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik die Ansteuerung
mehrerer Stromrichter (36). Hierzu ist eine Anpassung der Anfordereinheit (10) durch eine
schaltungstechnische Erweiterung um die für die weiteren Stromrichter notwendige Anzahl
von Schnittstellen (13) notwendig (Fig. 2a). Alternativ können wie in Fig. 2b gezeigt Adapter
(21) vorgesehen werden, die die Ansteuersignale an die jeweilige Ansteuereinheit (30) der
Stromrichter (36) und nur an diesen weiterleiten. Hierzu ist ebenfalls eine
schaltungstechnische Anpassung der Anfordereinheit (10) im Vergleich zur Ansteuerung nur
eines Stromrichters erforderlich. Diese als Skalierbarkeit bezeichnete Möglichkeit der
Ausweitung der Ansteuerung auf mehrere Stromrichter ist nach dem Stand der Technik nur
aufwändig möglich. Als Hauptnachteil ist die Erfordernis weiterer analoger Ansteuerleitungen
mit oben genannten Nachteilen zu sehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Ansteuerung für
Stromrichterventile oder daraus aufgebaute Stromrichter vorzustellen, die störsicher und
Fehler erkennend ausgebildet ist, eine gegenüber dem Stand der Technik weniger
aufwändig gestaltete Anfordereinheit benötigt und skalierbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass die Anfordereinheit lediglich die Parameter
zur Steuerung des oder der Stromrichterventile als digitale Werte an die Ansteuereinheit
übergibt, erst dort die entsprechenden analogen Signale zur Ansteuerung des oder der
Stromrichterventile erzeugen werden und die Übertragung dieser Parameter ist mittels einer
geeigneten digitalen, störsicher und fehlererkennend Datenübertragung ausgeführt.
Die erfinderische Lösung wird an Hand der Fig. 3 und 4 weiter erläutert. Hierbei wird
beispielhaft die Ansteuerung eines 3 Phasen Motors gezeigt.
Fig. 3 zeigt die Ansteuerung eines 3 Phasen Stromrichter zur Ansteuerung eines Motors (40)
mit einer Anfordereinheit (10) bestehend aus den für die Ansteuerung der Stromrichterventile
(37) mindestens notwendigen Komponenten, einer digitalen Recheneinheit (11) und einer
damit verbundenen digitalen Schnittstelle (14) samt deren Ansteuerung (15). Die
Anfordereinheit (10) selbst weist keinerlei analoge Signalverarbeitung zur Ansteuerung der
Stromrichterventile (37) bzw. des Stromrichters (36) auf. Die digitale Recheneinheit (11)
erhält von der Ansteuereinheit (30) ausschließlich normierte digitale Signale über die digitale
Schnittstelle (14) zum Stromrichter bzw. zu dessen Ansteuereinheit (30). Aus diesen
Eingangssignalen sowie anwendungsspezifischen Daten werden digitale Ausgangssignale
erzeugt, die über die digitale Schnittstelle (14) der Ansteuereinheit (30) auf Anforderung
durch diese zugeführt werden. Die mittels dieser Signale zugeführten Daten enthalten
lediglich die Parameter der Ansteuerung der Stromrichterventile in normierter digitaler Form.
Die Anfordereinheit (10) ihrerseits erhält ebenfalls in normierter digitaler Form alle benötigten
Betriebsparameter des Stromrichters (36), um die für die gewünschte Betriebsart
notwendigen Ausgangssignale zu erzeugen.
Durch die normierte digitale Form des Datenaustausches benötigt die
anwendungsspezifische Anfordereinheit (10) keinerlei systemspezifische Informationen über
interne Parameter der Ansteuerung des Stromrichters (36).
Die erfinderische Ansteuereinheit (30) besteht aus mindestens einer digitalen Schnittstelle
(32) samt deren Ansteuerung (33), einer digitalen Recheneinheit (34) sowie den analogen
Komponenten (35) zur direkten Ansteuerung der Stromrichterventile (37) bzw. des
Stromrichters (36). Die digitale Recheneinheit (34) erhält als digitale Eingangssignal von der
Anfordereinheit (10) die Parameter zur Ansteuerung des Stromrichters (36). Sie wertet
weiterhin die Sensorwerte der Betriebsparameter des Stromrichters aus. Aus beiden
Datenströmen erzeugt die Recheneinheit (34) die Ansteuersignale für die analogen Treiber
(35) der Stromrichterventile (37). Somit liegt die vollständige Kontrolle des Stromrichters (36)
bei der systemspezifischen Komponente Ansteuereinheit (30) und nicht wie beim Stand der
Technik verteilt auf Ansteuereinheit (30) und Anfordereinheit (10). Unter vollständiger
Kontrolle soll hier verstanden werden, dass die Ansteuereinheit die von der Anfordereinheit
gewünschte Ansteuerung der Stromrichterventile ausführt, falls keine Parameter, wie
beispielsweise die Temperatur der Stromrichterventile, gegen eine derartig Ansteuerung
sprechen. In diesem Fall wird die Ansteuereinheit eine geeignet veränderte Ansteuerung
durchführen.
Die erfinderische Ansteuereinheit (30) weist somit eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem
Stand der Technik auf. Die Zuverlässigkeit bzw. Verfügbarkeit des Stromrichters wird erhöht,
da kritische Betriebszustände sicher erkannt werden können und die systemspezifische
Ansteuerung entsprechende Korrekturmaßnahmen durchführen kann ohne durch Signale
der anwendungsspezifischen Anfordereinheit mittels unvorhersehbarer Anforderungen
gestört zu werden.
Kritische Betriebszustände können gespeichert werden und stehen somit zu einer
nachträglichen Auswertung zur Verfügung.
Aufgrund der Ausgestaltung der Datenübertragung (siehe unten) werden Übertragungsfehler
entweder korrigiert oder zumindest erkannt und können nicht zu unvorhergesehen
Schaltzuständen des Stromrichters und damit zu dessen Ausfall führen.
Die Datenübertragung erfolgt seriell mittels des Standards IEEE 1394, der sowohl elektrische
als auch optische kabelgebundene Übertragungswege (22) bereitstellt. Weiterhin erlaubt
diese Datenübertragung Fehlererkennung und Fehlerkorrektur. Alternativ hierzu können
auch andere kabelgebundene Systeme oder auch Freiraumsysteme sowohl als Funksignale
als auch als optische Signale eingesetzt werden.
Die Datenübertragung mittels IEEE 1394 erlaubt weiterhin eine Vernetzung mehrerer
Komponenten, beispielsweise einer Anfordereinheit (10) mit mehreren Ansteuereinheiten
(30) ohne dazu Änderungen am Aufbau der Schaltung der Anfordereinheit (10) durchführen
zu müssen (Fig. 4). Hierzu müssen auf der Ansteuereinheit z. B. lediglich zwei digitale
Schnittstellen (32) samt deren Ansteuerung (33) vorgesehen werden. Es handelt sich hierbei
um eine typische Netzwerkstruktur. Eine Skalierbarkeit des Systems ist somit auf einfachem
Wege möglich.
Die gesamte erfinderische Ansteuerung für Leistungshalbleitermodule weist somit
wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf:
- - Erhöhte Funktionssicherheit durch Störsicherheit der Datenübertragung, wie durch die
Erzeugung der analogen Signale in der systemspezifischen Ansteuereinheit.
- - Einfachere Ausgestaltung der anwendungsspezifischen Anfordereinheit, da dieser nur
noch normierte digitale Signale von der Ansteuerung verarbeiten muss, sowie nur noch
derartige Signale für die Ansteuereinheit erzeugen muss.
- - Fehlertolerante und störsicher digitale Datenübertragung zwischen Anfordereinheit und
Ansteuereinheit.
- - Möglichkeit der vollständigen galvanischen Trennung zwischen Anfordereinheit und
Ansteuereinheit.
- - Skalierbarkeit und damit einfache Ausbaumöglichkeit.