DE10230527B4

DE10230527B4 - Verfahren und Einrichtung zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit elektronischer Leistungsbauelemente

Info

Publication number: DE10230527B4
Application number: DE2002130527
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Ginzburg; Elmar Dipl.-Ing. Stachorra
Original assignee: EUS GES fur INNOVATIVE ENERGI; Eus Gesellschaft fur Innovative Energieumwandlung und -Speicherung Mbh
Current assignee: EUS GES fur INNOVATIVE ENERGI; Eus Gesellschaft fur Innovative Energieumwandlung und -Speicherung Mbh
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2022-07-06
Also published as: DE10230527A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit elektronischer Leistungsbauelemente, welche im Betriebszustand einen Strom bis zur Höhe eines Nennstroms führen, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Bauelements mit einem Strom von weniger als 10% des Nennstroms eine aus einer externen Quelle stammende hochfrequente elektrische Prüfgröße an den in seinem Betriebszustand den Betriebsstrom führenden Stromzweig angelegt wird, wobei die Frequenz der Prüfgröße sehr viel höher ist als die Frequenz des Betriebsstroms, dass über dem Stromzweig die von der Prüfgröße hervorgerufene Spannungsverteilung gemessen wird und dass anhand der gemessenen Spannungsverteilung die gegebene bzw. nicht gegebene Funktionstüchtigkeit detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit elektronischer Leistungsbauelemente, insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente, welche im Betriebszustand einen Strom bis zur Höhe eines Nennstroms führen.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit eines Fehlerstrombegrenzers, insbesondere eines Fehlerstrombegrenzers in einer Sammelschienenkupplung elektrischer Netze.

Aus der WO 2001013133 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit elektronischen Leistungsbauelemente entnehmbar, welche im Betriebszustand einen Strom bis zur Höhe eines Nennstroms führen. Ferner ist aus der US 6,396,298 B1 ein Verfahren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit eines elektrischen Leistungsbauelements entnehmbar, welches im Betriebszustand einen Strom bis zur Höhe eines Nennstroms führt, wobei bei diesem Verfahren die Prüfung bei einem noch kleinen Betriebsstrom erfolgt.

Die Funktionstüchtigkeit eines elektronischen Leistungsbauelementes bedingt zum einen die Stromführung und zum anderen die Abschaltung des Bauelementes beim Erreichen der Sperrbedingungen, beispielsweise die Überschreitung des Nennstroms um einen vorgegebenen Betrag. Die Funktionstüchtigkeit bedingt aber auch, dass im Zustand, in dem kein Strom oder ein geringer Strom geführt wird, sowohl ein jederzeitiges Wiedereinschalten als auch Abschalten des Leistungsbauelementes gewährleistet ist. Die Funktionalität ist dann nicht mehr gegeben, wenn aufgrund eines Defektes der Innenwiderstand des leistungselektronischen Bauelements nahezu Null ist, während es im funktionstüchtigen Zustand bei Stromlosigkeit noch einen messbaren definierten Innenwiderstand aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln dahingehend auszugestalten, dass eine sichere Erkennung der vorhandenen bzw. nicht vorhandenen Funktionstüchtigkeit ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bzw. einer Einrichtung nach Anspruch 2 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben.

Die Erfindung zeichnet sich davon ausgehend dadurch aus, dass beim Betrieb des Bauelements mit einem Strom von weniger als 10% des Nennstroms eine aus einer externen Quelle stammende hochfrequente elektrische Prüfgröße an den in seinem Betriebszustand den Betriebsstrom führenden Stromzweig angelegt wird, wobei die Frequenz der Prüfgröße sehr viel höher ist als die Frequenz des Betriebsstroms, dass über dem Stromzweig die von der Prüfgröße hervorgerufene Spannungsverteilung gemessen wird und dass anhand der gemessenen Spannungsverteilung die gegebene bzw. nicht gegebene Funktionstüchtigkeit detektiert wird.

Gemäß dem vorrichtungstechnischen Aspekt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Einrichtung eine Quelle zur Erzeugung einer hochfrequenten elektrischen Prüfgröße zugeordnet ist, durch welche beim Betrieb des Bauelements mit einem Strom von weniger als 10% des Nennstroms an seinen im Betriebszustand den Nennstrom führenden Stromzweig eine hochfrequente Prüfgröße anlegbar ist, wobei die Frequenz der Prüfgröße sehr viel größer ist als die Frequenz des Nennstroms, dass Mittel zur Erfassung der über dem Stromzweig vom Prüfstrom hervorgerufenen Spannungsverteilung sowie Detektormittel zur Auswertung der Spannungsverteilung vorgesehen sind.

Nach einer ersten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Betrieb des Bauelements im Kleinlastbetrieb, bei dem ein Strom größer als Null bis zu einem Wert von 10% des Nennstroms fließt, die elektrische Prüfgröße ein hochfrequenter Prüfstrom ist, der in dem zu prüfenden Stromzweig einen Spannungsabfall hervorruft, dessen Höhe von den Detektormitteln auswertbar ist.

Nach einer zweiten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass außerhalb des stromführenden Betriebs des Bauelements die elektrische Prüfgröße eine hochfrequente Prüfspannung ist, die eine Spannungsverteilung hervorruft, deren Verlauf von den Detektormitteln auswertbar ist.

Es ist der Kerngedanke der Erfindung nach der ersten Variante, anhand des eingeprägten Prüfstroms im ansonsten quasi-stromlosen Zustand des elektronischen Leistungsbauelements einen Spannungsabfall zu erzeugen und diesen zu messen. Falls sich ergibt, dass der Spannungsabfall nahezu Null ist, kann auf die Funktionsuntüchtigkeit des Bauelements geschlossen werden, weil sein Innenwiderstand dann nahezu Null ist und ein Defekt vorhanden ist, während beim Auftreten eines merklichen Spannungsabfalls auf die Funktionstüchtigkeit geschlossen werden kann. Außerhalb des stromführenden Zustands gemäß der zweiten Variante, wobei kein Strom über Bauelemente fließt und fließen kann, dient eine angelegte hochfrequente Spannung dazu, die Spannungsverteilung zwischen den zu prüfenden Bauelementen zu messen und zu vergleichen. Eine unsymmetrische Spannungsverteilung zwischen gleichartigen gesperrten Bauelementen deutet auf eine Funktionsuntüchtigkeit eines Bauelements hin.

Hierdurch ist eine, zweifelsfreie, in Folge der ständigen Einspeisung des Prüfstroms bzw. der Prüfspannung außerhalb des Betriebszustands somit permanente Aussage über den Zustand und damit die Funktionstüchtigkeit des Bauelements und damit seiner mit ihm zusammenwirkenden Komponenten gegeben.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung für leistungselektronische Bauelemente in Form von sogenannten „I_S-Begrenzern", auch „FCL Fault Current Limiter" genannt, vorzugsweise solche, die in einer Sammelschienenkupplung zwischen zwei elektrischen Netzen positioniert sind. Im normalen _Betriebsfall geben sich bei dieser Anordnung, da die Kupplung dann i.d.R, unbelastet, d.h. von nur einem geringen Strom oder gar keinen Strom durchflossen ist, sehr kleine Ströme, wodurch eine Überwachung des leistungselektronischen Bauelements bislang unmöglich war.

Erfindungsgemäß erfolgt die Diagnose der Funktionstüchtigkeit durch die Einprägung eines Prüfstroms gemäß der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Lösung.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Dabei zeigen

1, die Anordnung eines I_S-Begrenzers in einem elektrischen Netz, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist;

2 die Darstellung nach 1 mit einer ergänzenden Skizze zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung;

3 eine Detailansicht von 2 entlang der Schnitte a, a' und b, b'.

Wie aus 1 hervorgeht, sind zwei elektrische Netze vorgesehen (Netz 1, Netz 2), welche entlang der Trennungslinien a, a' bzw. b, b' über einen I_S-Begrenzer (Fault Current Limiter) miteinander verbunden sind. Der Fault Current Limiter hat die Aufgabe, Fehlerströme zwischen den Netzen bis hin zu einem Nennstrom zu führen und oberhalb des Nennstroms eine Abschaltung zu bewirken, um einen Stoßkurzschlussstrom entgegen zu wirken.
2 zeigt das Funktionsprinzip, mit dem erreicht werden kann, dass der in 1 dargestellte I_S-Begrenzer permanent überwacht wird, um zu jedem Zeitpunkt seine Funktionalität gewährleisten zu können, d.h. eine Wiedereinschaltung nach dem Abschalten infolge der Überschreitung des zulässigen Stroms zu ermöglichen.
Hierzu ist vorgesehen, dass eine permanente Überwachung des leistungselektronischen Bauelements dadurch erfolgt, dass im stromlosen Zustand ein hochfrequenter Prüfstrom verwendet wird, dessen Frequenz einige kHz beträgt und damit sehr viel größer ist als die Wechselstromfrequenz des Nennstroms bzw. des Betriebsstroms im elektronischen Bauelement, und dass dieser Prüfstrom in das leistungselektronische Bauelement eingeprägt wird und zwar in denjenigen Stromzweig, der auch im Betrieb den Betriebsstrom führen soll. Aufgrund seiner hohen Frequenz beeinträchtigt der Prüfstrom das Restnetz nahezu nicht. Durch geeignete Auskopplung des hochfrequenten Signalanteils, der sich durch den Spannungsabfall, verursacht durch den hochfrequenten Prüfstrom an den Innenwiderständen der leistungselektronischen Bauelemente ergibt, kann in einfacher Weise der Zustand des Elements festgestellt werden, d.h. Ziel der Prüfung ist es, die Funktionsfähigkeit des Bauelements herzustellen, sprich eine Aussage darüber zu treffen, ob das leistungselektronische Bauelement einen Widerstand von nahezu 0 Ω hat (und damit funktionsunfähig ist) oder ob es noch einen messbaren, definierten Innenwiderstand besitzt und damit funktionsfähig ist.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit elektronischer Leistungsbauelemente, welche im Betriebszustand einen Strom bis zur Höhe eines Nennstroms führen, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Bauelements mit einem Strom von weniger als 10% des Nennstroms eine aus einer externen Quelle stammende hochfrequente elektrische Prüfgröße an den in seinem Betriebszustand den Betriebsstrom führenden Stromzweig angelegt wird, wobei die Frequenz der Prüfgröße sehr viel höher ist als die Frequenz des Betriebsstroms, dass über dem Stromzweig die von der Prüfgröße hervorgerufene Spannungsverteilung gemessen wird und dass anhand der gemessenen Spannungsverteilung die gegebene bzw. nicht gegebene Funktionstüchtigkeit detektiert wird.
Einrichtung zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit elektronischer Leistungsbauelemente, welche im Betriebszustand einen Strom bis zur Höhe des Nennstroms führen, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung eine Quelle zur Erzeugung einer hochfrequenten elektrischen Prüfgröße zugeordnet ist, durch welche beim Betrieb des Bauelements mit einem Strom von weniger als 10% des Nennstroms an seinen im Betriebszustand den Nennstrom führenden Stromzweig eine hochfrequente Prüfgröße anlegbar ist, wobei die Frequenz der Prüfgröße sehr viel größer ist als die Frequenz des Nennstroms, dass Mittel. zur Erfassung der über dem Stromzweig vom Prüfstrom hervorgerufenen Spannungsverteilung sowie Detektormittel zur Auswertung der Spannungsverteilung vorgesehen sind.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Bauelements im Kleinlastbetrieb, bei dem ein Strom größer als Null bis zu einem Wert von 10% des Nennstroms fließt, die elektrische Prüfgröße ein hochfrequenter Prüfstrom ist, der in dem zu prüfenden Stromzweig einen Spannungsabfall hervorruft, dessen Höhe von den Detektormitteln auswertbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des stromführenden Betriebs des Bauelements die elektrische Prüfgröße eine hochfrequente Prüfspannung ist, die eine Spannungsverteilung hervorruft, deren Verlauf von den Detektormitteln auswertbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Quelle zur Erzeugung der Prüfgröße ein Schwingkreis zugeordnet ist, über den der Prüfstrom in das Bauelement einspeisbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis ein Serienschwingkreis ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu überwachende elektronische Leistungsbauelement ein Halbleiterbauelement ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises in der Größenordnung der Frequenz des Prüfstroms liegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zu überwachende elektronische Leistungsbauelement ein Transistor oder ein Thyristor ist.
Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit eines Fehlerstrombegrenzers (I_S-Begrenzer).
Verwendung nach Anspruch 10, wobei der Fehlerstrombegrenzer (I_S-Begrenzer) in einer Sammelschienen Kupplung für elekrische Netze angeordnet sind.