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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem im laufenden Betrieb festgestellt werden kann, ob ein Erdschluss vorliegt, um dadurch eine Motorsteuerung zu schützen, die eine Highside- und eine Lowside-Gleichstromleitung aufweist. Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, zwischen Überströmen vom Differentialtyp und Überströmen vom Gleichtakttyp zu unterscheiden.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei Motorsteuerungen für Wechselstrommotoren und dergleichen muss es bekannt sein, ob ein Erdschluss (vom Gleichtaktfehler-Typ; common-mode fault) während des Betriebs vorliegt. Dieser Fehlertyp sollte von Fehlern vom differentiellen Typ (differential mode faults), wie beispielsweise Überströmen, die von einem blockierten Läufer des Motors herrühren, unterschieden werden können.
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Der zuständige Fachmann wird die folgende Prioritäts-Reihenfolge bei übermäßigem Strom in einer Motorsteuerung bestätigen.
- a. Kurzschlussströme im Bereich des Sättigungsniveaus der Schaltelemente sollten ein dauerhaftes Herunterfahren verursachen, welches unabhängig davon, ob es sich bei dem Problem mit der niedrigen Impedanz um ein Problem vom Gleichtakttyp oder vom differentiellen Typ handelt, innerhalb von Mikrosekunden eingeleitet wird.
- b. Überströme, die durch Fehler vom Gleichtakttyp mit einer den Strom begrenzenden Impedanz in der Erdschleife verursacht werden, sollten über eine bestimmte Zeitspanne im Bereich von mehreren Millisekunden hinweg auf ein oberes Niveau begrenzt werden, bevor ein dauerhaftes Herunterfahren eingeleitet wird.
- c. Überströme, die durch belastungsbedingte Fehler vom differentiellen Typ verursacht werden, sollten für eine bestimmte Zeitspanne im Bereich von Sekunden auf ein oberes Niveau begrenzt werden, bevor ein dauerhaftes Herunterfahren eingeleitet wird.
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Motorsteuerungen, die einen Erdschluss an einer Ausgangsphase aufweisen, werden üblicherweise als mit einem Problem vom Typ b behaftet eingestuft, wenn gleichrichterseitig eine Induktivität zur Begrenzung von Leitungsstromoberwellen gemäß IEC1000-3-2 oder IEC1000-3-12 vorgesehen ist. Der Unterschied zwischen den Punkten b und c besteht darin, dass Fehler vom Gleichtakttyp den Gleichrichterteil mit hoch frequenten Strömen belasten, während dies Fehler vom Differentialtyp nicht tun. Die Belastung des Gleichrichters kann zu katastrophalen Fehlern führen, falls deren Zeitdauer den Bereich von Millisekunden überschreitet.
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Die von Danfoss Drives A/S seit 1995 produzierten Motorsteuerungen vom Typ VLT5000 verwenden drei Stromwandler für die Ausgangsphasen. Durch Aufsummierung der Signale der Stromwandler wird ein Erdschlussfehlersig-nal erzeugt. Mit diesem Prinzip ist es daher stets möglich, zwischen Fehlern vom differentiellen Typ und Fehlern vom Gleichtakttyp zu unterscheiden. Der Nachteil dieser Lösung betrifft deren Kosten.
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Die von Danfoss Drives A/S seit 1998 produzierten Motorsteuerungen vom Typ VT2800 verwenden einen Nebenschlusskreis (shunt) im lowside-seitigen Gleichstromleitungsbus (lower DC-link bus), um Ströme vom differentiellen Typ zu detektieren, und einen aufsummierenden Stromumformersatz vom Gleichtakttyp im Gleichrichterteil, um Erdströme zu detektieren. Mit diesem Prinzip ist es daher möglich, zwischen Fehlern vom differentiellen Typ und Fehlern vom Gleichtakttyp zu unterscheiden. Eine ähnliche Herangehensweise wird in
US 5,687,049 vorgeschlagen, wo der aufsummierende Umformersatz in der Inverterstufe der Motorsteuerung platziert ist. Obwohl diese Lösungen niedrigere Kosten als die VLT5000-Lösung verursachen, führen beide Lösungen zu einem problematischen Layout der Leistungssteueranordnung (PCB für Power Control Box), da eine größere Anzahl an Strommesselementen in der Gleichstromleitung vorgesehen werden muss.
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US 5,687,049 schlägt eine Lösung mit Strommesselementen auf der Highside- und der Lowside-Seite im Invertiererteil des Gleichstromleitungsbusses vor. Die Aufsummierung der beiden Messwerte (wobei zumindest einer eine galvanische/funktionale Isolierung aufweisen muss) ergibt ein Erdschlusssignal, das dem der VLT5000-Lösung ähnelt. Mit dieser Lösung ist es daher möglich, zwischen dem Typ b und dem Typ c zu unterscheiden. Die Layout-Auslegung der Leistungssteuerschaltung (PCB) erweist sich in der Praxis jedoch als nachteilig.
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Die Konferenzveröffentlichung ”Single Current Sensor Technique in the DC-link of Three-phase PWM-VS Inverters A Review and the Ultimate Solution” (Einzelstrom-messtechnik in der Gleichstromleitung von dreiphasigen Pulsweitenmodulations-Invertierern, ein Rückblick und die ultimative Lösung) der IAS '96 Konferenz und
US 5,687,049 beschreiben eine Lösung mit einem Stromwandler, bei dem sowohl der positive, als auch der negative Gleichstromleitungsbus mit einer ungeraden Anzahl an Windungen durch den Wandler hindurch geführt wird. Dies verringert die Anzahl der Strommesselemente auf eins und wird als die ”ultimative Lösung” zum Schutz einer Motorsteuerung bezeichnet (welche zwischen dem Typ b und dem Typ c unterscheidet). Der Fachmann auf diesem Gebiet wird jedoch bestätigen, dass diese Art von mehrfachen Windungen in einem Stromwandler eine optimale Kopplung beeinträchtigen kann und zu einer übermäßigen Streuinduktivität auf der Invertiererseite der Gleichstromverbindung führen kann. Darüber hinaus ist das Layout der Leistungssteuerschaltung (PCB) problematisch. Weiterhin wird das Design und der automatische Zusammenbau bei modernen Stromwandlern mit geringer Größe schwierig, wenn mehrere Wicklungen mit unterschiedlichen Spannungspotentialen verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung wird daher vorzugsweise gemeinsam mit den folgenden Hardwarekombinationen verwendet, welche für moderne, kostengünstige und robuste Motorsteuerungen als am geeignetsten angesehen werden.
- 1. Motorsteuerung mit einer Inverterstufe, welche eine Nebenschlussleitung (shunt) in Serie mit jedem der Lowside-Schaltelemente sowie einen Entsättigungsschutz der Highside-Schaltelemente verwendet.
- 2. Motorsteuerung mit einer Nebenschlussleitung im Lowside-Gleichstromleitungsbus und Entsättigungsschutz der Highside-Schaltelemente.
- 3. Motorsteuerung mit einem Stromwandler im Highside- oder Lowside-Gleichstromleitungsbus und einem Entsättigungsschutz für die Highside- oder Lowside-Schaltelemente.
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Bei den Punkten 1 und 2 wird angenommen, dass die Steuerschaltungsanordnung der Motorsteuerung sich auf den Lowside-Gleichstromleitungsbus bezieht. Bei Punkt 3 wird angenommen, dass die Steuerungsschaltungsanordnung (galvanisch) von der Leistungsstufe isoliert ist. Die Strommesselemente geben ein Rückkopplungssignal an die Steuerschaltungsanordnung der Motorsteuerung ab. Der Entsättigungsschutz wird verwendet, um die Schaltelemente auf der Seite zu schützen, welche der Seite gegenüber liegt, an der das Strommesselement/die Strommesselemente platziert ist/sind. Der Entsättigungsschutz kann oder kann nicht eine galvanisch funktional isolierte Rückkopplung zur Steuerschaltungsanordnung umfassen, so wie dies in
US 5,687,049 beschrieben ist.
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Ein Entsättigungsschutz ohne Rückkopplung ist in
US 5,687,049 patentiert, was bedeutet, dass die Schaltelemente mit Entsättigungsschutz von Zyklus zu Zyklus auf eine sich selbst schützende Weise betrieben werden, bis die zentrale Steuerschaltungsanordnung die Inverterstufe in Folge eines von den Strommesselementen kommenden Fehlersignals herunterfährt. Entsättigungsschutz mit Rückkopplungssignal ist wohlbekannt und wird von vielen Gate-Ansteuerungsherstellern zumindest seit den frühen 1990er Jahren angeboten. Ein Beispiel stellt der IXYS Ansteuerungschipsatz IXPD4410 und IXPD4411 dar.
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Die bevorzugten Hardwarekonfigurationen können nicht zwischen einem Fehlerzustand vom Gleichtakttyp und einem Fehlerzustand vom differentiellen Typ unterscheiden, wie dies bei den anderen Lösungen der Fall ist. Ein intelligentes Abtasten des Strommesselements/der Strommesselemente der Gleichstromleitung ist erforderlich. Die oben erwähnte IAS '96-Veröffentlichung lehrt, dass der Erdschlussstrom während der Null-Spannungs-Vektoren 000 oder 111 abgetastet werden kann. Das im Rahmen von IAS '96 vorgeschlagene Verfahren bietet jedoch nicht die Möglichkeit, dass die Phase, die den Erdschluss aufweist, identifiziert werden kann.
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Daher ist die Information im Verlauf einer Schaltperiode verfügbar, solange ein Null-Spannungs-Vektor zur Verfügung steht.
EP 0 490 388 B1 offenbart ein Prinzip zum Empfangen eines Überstromfehlersignals, bei dem ein erster Arbeitsschritt darin besteht, aus der Pulsweitenmodulationssequenz ein Signal zu generieren, um festzustellen, ob der Fehler im Verlauf eines Null-Spannungs-Vektors oder eines aktiven Vektors aufgetreten ist. Dieses wird bei dem obigen Typ b und dem obigen Typ c unterschiedlich sein. Das Patent betrachtet jedoch nicht das Problem, dass ein Null-Spannungs-Vektor nicht in grundsätzlich allen Betriebspunkten vorhanden sein muss. Im Einzelnen offenbart
EP 0 490 388 B1 die Erzeugung eines Fehlersignals, welches anormale Betriebszustände der Motorsteuerung anzeigt, die Erzeugung zumindest eines Testvektors durch Einschalten zumindest eines der Schaltelemente als Antwort auf das Fehlersignal und die Messung der Größe eines Stroms, der in der Gleichstromleitung fließt, während zumindest ein Schaltelement eingeschaltet ist, um somit einen Erdschlussfehler zu detektieren.
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DE 698 09 841 T1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Erdschlussschutz einer Solarstromanlage und eine Solarstromanlage, die das Verfahren und die Vorrichtung benutzt. Hierbei überprüft man, ob ein Erdschluss länger als eine erste vorgegebene Zeit andauert, woraufhin ein Wechselrichter-Sperrsignal abgegeben wird. Wenn der Erdschluss für eine länger als eine zweite vorgegebene Zeit andauernde Zeitperiode, die länger ist als die erste vorgegebene Zeit, andauert, wird ein Abschaltsignal abgegeben.
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Ein Industriestandard zur Erzeugung von Pulsweiten-modulation ist die Raum-Vektor-Modulation (space vector modulation), die in der Konferenzveröffentlichung ”Stator Flux Oriented Asynchronous Vector Modulation for AC-Drives”(”Statorflussorientierte asynchrone Vektormodulation für Wechselstromantriebe”; im Folgenden als SFAVM bezeichnet) der PESC '90 Konferenz gemeinsam mit allen Varianten der SFAVM, die durch Variation der Null-Spannungs-Vektorverteilung erzeugt wird, beschrieben ist. Das Ziel dieser Pulsweitenmodulationsstrategien ist es, eine optimierte Motorleistung in Bezug auf Drehmoment und Stromwelligkeit, Verluste, akustischen Lärm und das Spannungsübertragungs-Verhältnis zwischen Eingang und Ausgang zu erzielen. Es ist weithin bekannt, dass SFAVM die Null-Spannungs-Vektoren bei jeder Schaltperiode bei niedrigen Ausgangsspannungen verwendet. Bei hohen Ausgangsspannungen ist jedoch die Verwendung von Null-Spannungs-Vektoren minimiert. Bei manchen Schaltzyklen können die Null-Spannungs-Vektoren nicht verwendet werden, insbesondere im Übermodulationsbereich (over-modulation range). Und in einigen Zyklen können die Null-Spannungs-Vektoren nur für eine kurze Zeit verwendet werden, was bedeutet, dass eine genaue Messung eines Erdschlussstroms während eines Null-Spannungs-Vektors praktisch unmöglich wird. Das Problem verschlimmert sich, wenn die Schaltfrequenz erhöht wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die benötigten Null-Spannungs-Vektoren auf eine regelmäßige Weise im laufenden Betrieb (”on-the-fly”), zu erzeugen, auch wenn das normale, optimierte Pulsweitenmodulationsmuster (SFAVM usw.) der Motorsteuerung dies nicht fordert. Die Aufgabe besteht darin, dies zu implementieren, während sichergestellt wird, dass ein nur minimaler Einfluss auf die normale Pulsweitenmodulation mit hoher Güte erfolgt.
- 1. Ein erstes Prinzip besteht darin, dass man, sofern dies nicht vom normalen Pulsweitenmodulationsmuster verlangt wird, den erforderlichen Null-Spannungs-Testvektor über eine ausreichend lange Zeitspanne hinweg erzeugt, um den Erdschlussstrom genau zu messen, wobei dies mit einer Rate erfolgt, die niedriger als die Schaltfrequenz ist. Dies verringert unerwünschte Effekte hinsichtlich der Motorleistung.
- 2. Das nächste Prinzip besteht darin, dass jeder Fehler, der aufgrund der zusätzlichen Null-Spannungs-Vektoren während jeder Phase des Arbeitszyklus gemacht wird, zu einem späteren Zeitpunkt korrigiert wird, um ein Ungleichgewicht in dem Multiphasen-Pulsweitenmodulations-system auszugleichen.
- 3. Vorzugsweise werden die Punkte 1 und 2 synchron zur zugrunde liegenden Motorenfrequenz durchgeführt, so dass eine Halbwellensymmetrie und eine Viertelwellensymmetrie in Relation zu den Arbeitszyklenphasenkurven über die zugrunde liegende Periode hinweg erzielt wird.
- 4. Typischerweise sind die Punkte 1, 2 und 3 bei hohen Ausgangsspannungen erforderlich. Bei niedrigen Spannungen ist stets ein ausreichender Null-Spannungs-Vektor in jedem Schaltzyklus vorhanden.
- 5. Um die Tatsache auszugleichen, dass der Null-Spannungs-Vektor und der Erdschlussfehlertest lediglich bei einem Teil der Schaltzyklen durchgeführt wird, wird als Rückfallprinzip verwendet, dass der Null-Spannungs-Testvektor stets kurz vor dem Moment erzeugt wird, zu dem eine normale Pulsweitenmodulation wieder aufgenommen wird, nachdem ein Fehlersignal empfangen wurde, welches angewiesen hatte, dass die Inverterschaltelemente ausgeschaltet werden sollen, bis das Fehlersignal verschwindet. Das Fehlersignal kann beispielsweise durch einen Überstromzustand usw. verursacht werden. Um im Fehlerfalle für die Motorsteuerung die Möglichkeit eines Weiterarbeitens zur Verfügung zu stellen (fault ride-through capability), wird folglich in einer Ausschalt-/Einschaltpuls-weitenmodulationssequenz der Testvektor regelmäßig verwendet, was die erwünschte Unterscheidung zwischen den Punkten b und c ergibt. Die Philosophie besteht darin, dass während dieser Art von weiterarbeitender Ausschalt-/Einschalt-sequenz die normale Pulsweitenmodulationsgüte ohnehin verdorben ist. Daher kann der Testvektor häufiger als bei Punkt 1 angewendet werden.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf den Industriestandard SFAVM. Ein beliebiges anderweitiges Pulsweitenmodulationsschema, welches entweder auf vorab berechneten, optimierten Mustern oder auf unterschiedlichen stromgesteuerten Pulsweitenmodulationsschemata usw. beruht, kann ebenfalls in Kombination mit der Erfindung genutzt werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren, um im laufenden Betrieb festzustellen, ob ein Erdschlussfehler vorliegt, um da-durch eine Motorsteuerung zu schützen, welche auf einer Highside-Seite und auf einer Lowside-Seite eine Gleichstromleitung aufweist, und die auf der Highside-Seite und auf der Lowside-Seite Schaltelemente aufweist, wo-bei die auf der Highside-Seite und die auf der Lowside-Seite befindlichen Schaltelemente im Betrieb jeweils mit den auf der Highside-Seite und den auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromleitungsbussen verbunden sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Erzeugung eines Fehlersignals, wobei dieses Fehlersignal einen anormalen Betriebszustand der Motorsteuerung anzeigt,
- – Erzeugung zumindest eines Testvektors als Antwort auf das Fehlersignal, indem zumindest eines der Schaltelemente angeschaltet wird und
- – während zumindest eines der Schaltelemente angeschaltet ist, Messung der Größe des Stroms, der in der Gleichstromleitung fließt, die im Betrieb mit dem leitenden Schaltelement/den leitenden Schaltelementen verbunden ist, um einen Erdschluss zu detektieren,
- – wobei zunächst alle Schaltelemente ausgeschaltet werden, bevor das zumindest eine Schaltelement angeschaltet wird.
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Unter ”laufend” (on-the-fly) ist zu verstehen, dass die Verfahrensschritte innerhalb eines Zeitbereiches vollständig durchgeführt werden, der der elektrischen Zeitkonstante des Wechselstrommotors ähnlich ist, um es möglich zu machen, eine vollständige Stabilität/Steuerung des Gleichstrommotors wieder zu erlangen. Die Verfahrensschritte sollten zumindest innerhalb eines Teils der Periode der Grundfrequenz der Ausgangsspannung der Motorsteuerung vollständig durchgeführt werden. Die Anzahl der Schaltelemente in der Motorsteuerung kann im Prinzip beliebig gewählt werden. Die Anzahl der Schaltelemente kann daher 2, 4, 6, 8, 10 oder sogar höher sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden Testvektoren angewendet, indem die Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Highside-Seite befindlichen Gleichstromleitung verbunden sind, in sequentieller Weise eingeschaltet werden. Im Falle einer Motorsteuerung, die sechs Schaltelemente aufweist, können die Testvektoren durch sequentielles Einschalten dreier Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Highside-Seite befindlichen Gleichstromleitung verbunden sind, angewendet werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden Testvektoren dadurch angewendet, dass die Schaltelemente, die im Betrieb mit den auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromverbindungen verbunden sind, in sequentieller Weise angeschaltet werden. Im Falle einer Motorsteuerung mit sechs Schaltelementen können wiederum Testvektoren dadurch angewendet werden, dass drei Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromleitung verbunden sind, in sequentieller Weise angeschaltet werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Testvektor dadurch angewendet, dass die Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Highside-Seite befindlichen Gleichstromleitung verbunden sind, zu einer im Wesentlichen gleichen Zeit angeschaltet werden. Im Falle von sechs Schaltelementen in der Motorsteuerung wird ein Testvektor angewendet, indem drei Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Highside-Seite befindlichen Gleichstromleitung verbunden sind, zu einem im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt eingeschaltet werden.
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In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Testvektor dadurch angewendet, dass die Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromleitung verbunden sind, zu einem im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt angeschaltet werden. Im Falle einer Motorsteuerung mit sechs Schaltelementen wird ein Testvektor dadurch angewendet, dass drei Schaltelemente, die im Betrieb mit dem auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromleitungsbus verbunden sind, zu einem im Wesentlichen gleichartigen Zeitpunkt eingeschaltet werden.
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Der gleiche Testvektor kann zu mehreren Zeitpunkten angewendet werden. Während der Anwendung dieses Testvektors wird die Größe des Stroms, der in der Gleichstromleitung fließt, die im Betrieb mit dem wiederholt leitenden Schaltelement/den wiederholt leitenden Schaltelementen verbunden ist/sind, dementsprechend häufig gemessen. Durch eine derartige wiederholte Anwendung des Testvektors können die Messungen überprüft werden, bevor eine Entscheidung, wie beispielsweise die Entscheidung zum dauerhaften Herunterfahren, getroffen und ausgeführt wird.
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Das erzeugte Fehlersignal kann durch Strommessmittel zur Verfügung gestellt werden, die den Strom in einem der Gleichstromleitungsbusse der Motorsteuerung messen. Die Strommessmittel können beispielsweise Informationen in Bezug auf die Größe des Stroms zur Verfügung stellen, der in der Gleichstromleitung fließt, die im Betrieb mit dem leitenden Schaltelement/den leitenden Schaltelementen verbunden ist/sind.
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Alle Schritte, die sich auf das Ein- und Ausschalten der Schaltelemente, auf die Verarbeitung des Fehlersignals und auf die Messung der Größe des Stroms in einer Gleichstromleitung der Motorensteuerung beziehen, können von einer Motorsteuereinheit, wie beispielsweise einem DSP (für digital signal processor; Digitaler Signalprozessor) gesteuert werden.
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Das Fehlersignal kann ein Anzeichen für Kurzschlussströme oder Überströme in einem der Gleichstromleitungsbusse der Motorsteuerung sein. Das Fehlersignal kann ebenso ein Anzeichen für eine Überspannung über zumindest eines der Schaltelemente der Motorsteuerung hinweg sein. Eine derartige Überspannung kann durch einen Entsättigungsschutzschaltkreis detektiert werden. Allgemein gesprochen kann es sich bei dem Fehlersignal um ein Anzeichen für einen im Wesentlichen beliebigen anormalen Betriebszustand der Motorsteuerung handeln, wie beispielsweise um eine anormale Temperatur, anormale Spannungen und anormale Ströme.
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Das Verfahren gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen Schritt umfassen, bei dem die Motorsteuerung dauerhaft ausgeschaltet wird, falls ein Erdschluss erkannt wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur während des laufenden Betriebs erfolgenden Feststellung, ob ein Erdschluss vorliegt, um dadurch eine Motorsteuerung zu schützen, die eine auf einer Highside-Seite und eine auf einer Lowside-Seite befindliche Gleichstromleitung aufweist und auf einer Highside-Seite und auf einer Lowside-Seite befindliche Schaltelemente aufweist, wobei die auf der Highside-Seite und die auf der Lowside-Seite befindlichen Schaltelemente im Betrieb mit den jeweiligen auf der Highside-Seite und den auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromleitungsbussen verbunden sind, wobei die Motorsteuerung weiterhin eine Motorsteuereinheit aufweist, die durch Erzeugung eines Pulsweitenmodulationssignals für jedes der Schaltelemente steuert, wann die Schaltelemente an- und ausgeschaltet werden sollen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Modifizierung des erzeugten Pulsweitenmodulationssignals durch Vergrößerung des Arbeitszyklus zumindest eines der Pulsweitenmodulationssignale, das an die auf der Lowside-Seite befindlichen Schaltelemente ausgegeben wird, wobei der vergrößerte Arbeitszyklus eine Zeitperiode aufweist, die einen Teil der Schaltperiode der auf der Lowside-Seite befindlichen Schaltelemente aufweist,
- – Erzeugung und dadurch Anwendung von 000-Test-vektoren und
- – Messung der Größe eines in der auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromleitung fließenden Stroms, während die Schaltelemente auf der Lowside-Seite eingeschaltet sind, um einen Erdschluss zu detektieren,
wobei der 000-Testvektor mit einer Rate erzeugt und angewendet wird, die niedriger ist als die Schaltfrequenz der auf der Lowside-Seite befindlichen Schaltelemente.
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Unter der Bezeichnung 000-Testvektor wird verstanden, dass die drei Schaltelemente, die im Betrieb mit der auf der Lowside-Seite liegenden Gleichstromleitung verbunden sind, eingeschaltet sind. Das Verhältnis zwischen der Rate, mit der der Testvektor erzeugt und angewendet wird, und der Schaltfrequenz der auf der Lowside-Seite liegenden Schaltelemente ist typischerweise im Bereich von 0,05 bis 0,5.
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Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen Schritt umfassen, bei dem das erzeugte Pulsweitenmodulationssignal durch Verkleinerung des Arbeitszyklusses des Pulsweitenmodulationssignals, das auf die auf der Lowside-Seite liegenden Schaltelemente angewandt wird, modifiziert wird, um den vorangegangenen vergrößerten Arbeitszyklus auszugleichen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich diese auf ein Verfahren zur im laufenden Betrieb erfolgenden Bestimmung, ob ein Erdschluss vorliegt, um dadurch eine Motorsteuerung zu schützen, die auf einer Highside-Seite und auf einer Lowside-Seite Gleichstromleitungen aufweist, und auf einer Highside-Seite und auf einer Lowside-Seite liegende Schaltelemente aufweist, wobei die auf der Highside-Seite und die auf der Lowside-Seite liegenden Schaltelemente im Betrieb jeweils mit den auf der Highside-Seite und den auf der Lowside-Seite liegenden Gleichstromleitungsbussen verbunden sind, wobei die Motorsteuerung weiterhin eine Motorsteuereinheit aufweist, um durch Erzeugung eines Pulsweitenmodulationssignals für jedes der Schaltelemente zu steuern, wann die Schaltelemente an- und auszuschalten sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Modifizierung des erzeugten PWM-Signals durch Vergrößerung des Arbeitszyklus zumindest eines PWM-Signals, das auf die auf der Highside-Seite liegenden Schaltelemente angewendet wird, wobei die Vergrößerung des Arbeitszyklusses eine Zeitperiode aufweist, die einen Teil der Schaltperiode der auf der Highside-Seite liegenden Schaltelemente aufweist,
- – Erzeugung und dadurch Anwendung eines 111-Test-vektors und
- – Messung der Größe des in der auf der Highside-Seite liegenden Gleichstromleitung fließenden Stroms, während das auf der Highside-Seite liegende Schaltelement angeschaltet ist, um einen Erdschluss zu detektieren,
wobei der 111-Testvektor mit einer Rate erzeugt und angewendet wird, welche niedriger ist als die Schaltfrequenz der auf der Highside-Seite liegenden Schaltelemente.
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Unter der Bezeichnung 111-Testvektor wird verstanden, dass die drei Schaltelemente, welche im Betrieb mit der auf der Highside-Seite liegenden Gleichstromleitung verbunden sind, eingeschaltet sind. Das Verhältnis zwischen der Rate, mit der der Testvektor erzeugt und angewendet wird und der Schaltfrequenz der auf der Lowside-Seite liegenden Schaltelemente liegt erneut typischerweise im Bereich von 0,05 bis 0,5.
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Das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt kann weiterhin einen Schritt umfassen, bei dem das erzeugte PWM-Signal durch Verkleinerung des Arbeitszyklus des PWM-Signals, das auf die auf der Highside-Seite liegenden Schaltelemente angewandt wird, modifiziert wird, um dadurch die vorherigen vergrößerten Arbeitszyklen zu kompensieren.
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Das Verfahren gemäß dem zweiten und dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann synchron zu einer von der Motorsteuerung stammenden Basis-Ausgangsspannung erfolgen.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur im laufenden Betrieb erfolgenden Bestimmung, ob ein Erdschluss vorliegt, um dadurch eine Motorsteuerung zu schützen, wobei das Verfahren den Schritt/die Schritte der wiederholten Anwendung des Verfahrens gemäß dem zweiten und dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst. Falls durch Anwendung eines Verfahrens gemäß dem zweiten, dritten und vierten Aspekt ein Erdschluss detektiert wird, kann das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt angewendet werden.
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Gemäß einem fünften und letzten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Motorsteuerung, die Mittel zur Einrichtung der Motorsteuerung umfasst, so dass durch diese ein beliebiger des ersten, zweiten, dritten und vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr mit weiteren Details unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert, wobei
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1 eine der möglichen Hardwarekonfigurationen, die für die Erfindung geeignet sind, zeigt;
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2 die acht Spannungsvektoren bei einer dreiphasigen Motorsteuerung zeigt;
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3 den PWM-Zyklus eines SFAVM bei niedrigen und hohen Ausgangsspannungen zusammen mit den Null-Spannungs-Vektoren und den aktiven Spannungsvektoren zeigt;
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4 eine mögliche Implementierung eines Phasenarbeitszyklus zeigt, bei dem Punkt 3 angewendet wird, wobei alle Kurven durch einen Versatz von 1 justiert und durch eine Division durch 2 korrigiert werden sollten, um den tatsächlichen Arbeitszyklus zu beschreiben und;
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5 eine weiterarbeitende Ausschalt-/Einschalt-PWM-Sequenz zeigt, bei der Punkt 5 angewendet ist, wobei von der Konfiguration in 1 ausgegangen wird.
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Obgleich die Erfindung für unterschiedliche Modifikationen und alternative Ausführungsformen empfänglich ist, wurden in den Zeichnungen exemplarisch spezielle Ausführungsbeispiele gezeigt, welche im Folgenden im Detail beschrieben werden. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung durch die offenbarten speziellen Ausführungsformen zu beschränken. Vielmehr soll die Erfindung sämtliche Modifikationen Äquivalente und Alternativen mit umfassen, die unter die Grundidee und den Bereich der Erfindung fallen, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine Motorsteuerung, die gemäß der Konfiguration 3 gestaltet ist, d. h. die einen Stromumwandler in der auf der Highside-Seite liegenden Gleichstromleitung sowie einen Entsättigungsschutzschaltkreis, der beim Gate-Treiber der auf der Lowside-Seite liegenden Schalter des Inverters angeordnet ist, aufweisen. Ein Bremsschaltkreis, der zwei Dioden und einen Schalter mit einem Entsättigungsschutzschaltkreis aufweist, ist über den Entsättigungsschutz mit einem Oder-Gatter (nicht dargestellter Bremswiderstand) verbunden. Das Oder-Gatter schaltet auf ”hoch”, falls einer der Entsättigungsschutzschaltkreise einen Sättigungszustand über einen Schalter hinweg signalisiert.
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Gemäß konventioneller Bauart umfasst die Motorsteuerung weiterhin einen Dreiphasengleichrichter und Spulen, die in die auf der Highside-Seite und die auf der Lowside-Seite befindlichen Gleichstromleitungsbusse eingeschleift sind. Die Spulen arbeiten als Drosseln, um die Hauptrückkopplung zu verringern. Ein optionales Hochfrequenzinterferenzfilter (Radio-Frequency Interference, RFI) ist am Eingang zum Gleichrichter angeordnet.
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Die Steuereinheit der Motorsteuerung umfasst einen digitalen Signalprozessor (Digital signal processor, DSP), welcher die Gesamtmotorsteuerung durchführt und die PWM-Steuersignale erzeugt, welche zu einem galvanischen Isolator geführt werden, der aus sieben Optokopplern besteht, nämlich einem Optokoppler für jeden Inverterschalter und einen für jeden Bremsschalter. Dementsprechend sind die Signale, die von den Entsättigungsschutzkreisen stammen, mittels eines Optokopplers galvanisch isoliert und werden dem Entsättigungssteuerschaltkreis, der mit dem DSP verbunden ist, zugeführt. Ein Stromregelschaltkreis ist mit dem Stromwandler und dem DSP verbunden. Die Steuereinheit ist elektrisch auf Erde bezogen. Im Betrieb sind die Inverterschalter pulsweitenmoduliert und elektrisch mit dem Dreiphasenwechselstrommotor verbunden.
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Falls zwischen einem der drei Motorphasen und der Erde zufälligerweise ein Kurzschluss auftritt (1 zeigt einen solchen Fehler am Ausgang zwischen Schalter Q3 und Q4), so ist ein Problem gemäß Punkt b aufgetaucht, d. h. es liegt ein Erdschlussfehler mit einer den Strom begrenzenden Impedanz in der Erdschlussschleife vor. Die Spulen in der Gleichstromleitung arbeiten als eine den Strom begrenzende Impedanz, bis eine Sättigung auftritt. Aufgrund der reduzierten Stromstärke des Stroms, liegt die akzeptable Reaktionszeit im Bereich von Millisekunden und nicht im Bereich von Mikrosekunden. Der Fehlerzustand kann aufgrund von sich wiederholenden Spitzen auf der pulsierenden Gleichspannung gegenüber dem Gleichrichter phasenversetzt sein.
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Gemäß 5 tritt der Erdkurzschluss während eines Spannungsvektors 110 auf, d. h. die Highside-Schalter Q1 und Q3 sind eingeschaltet und Schalter Q5 ist ausgeschaltet. Dementsprechend sind Q2 und Q4 ausgeschaltet und Q6 eingeschaltet. 2 zeigt den konventionellen Vektorkreis, der ebenfalls in Zusammenhang mit SFAVM genutzt wird. Vektoren 000 oder 111 führen zu einem stromfreien Zustand vom Differentialtyp in der Gleichstromleitung, d. h. die Motorströme fließen lediglich in der Inverterbrücke. Der Stromanstieg aufgrund der Erdverbindung wird vom Stromwandler gemessen und vom Stromsteuerschaltkreis detektiert, der dies dem DSP signalisiert. Der DSP bestätigt, dass sich die Motor-steuerung in einem Fehlerzustand befindet und führt basierend auf der Stromstärke des Fehlerstroms eine von zwei Möglichkeiten durch:
- 1. Falls die Amplitude des Fehlerstroms relativ niedrig ist, wird ein normaler Betrieb aufrecht erhalten, wobei der Normalbetrieb die Schritte in 4 umfasst.
- 2. Falls die Amplitude hoch ist, stoppt die Steuerung die Pulsweitenmodulation der Schalter. In diesem Fall wird der Betrieb beendet und der Motor dreht sich eine kurze Zeit antriebslos weiter. Diese Auslaufzeit kann annähernd beliebig gewählt werden, aber eine Zeitspanne, die einer oder mehrerer Schaltperioden entspricht, ist in der Praxis eine gute Wahl.
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Bevor der Betrieb mit PWM-Steuersignalen an den Inverterschaltern wieder aufgenommen wird, wird ein Schritt durchgeführt, bei dem der Fehlerdetektionsvektor angewendet wird. Die DSP legt den 111-Vektor an (da der Stromwandler auf der Highside-Seite liegt; umgedreht, falls er auf der Lowside-Seite liegt) und erwartet ein Null-Spannungs-Signal vom Stromwandler. Aufgrund des Erdschlussfehlers wird jedoch ein Strom fließen und die DSP wird den Betrieb des Motors stoppen, da als Fehlertyp ein Erdschlussfehler erkannt wurde.
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Ganz allgemein kann es sich bei dem Fehlersignal um andere Signale als Stromstärkesignale handeln. Es kann sich ebenfalls um Überspannungs- oder Unterspannungssignale der Gleichstromleitung (Gleichspannungssensor, nicht in der Fig. dargestellt) handeln. Falls das Fehlersignal statt vom Stromwandler vom Entsättigungsschutzschaltkreis von Q4 gekommen ist, würde der Entsättigungssteuerschaltkreis dies dem DSP signalisieren, welcher auf die gleiche Weise wie soeben beschrieben handeln würde.
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Daher kann die in 1 gezeigte Motorsteuerung den Betrieb aufgrund von einem der beiden Fehlersignale beenden. Wenn die Lowside-seitigen Entsättigungsschaltkreise getriggert werden, kann ein Erdschlusstest auch durch einfaches Anwenden des entgegengesetzten Null-Spannungs-Vektors 000 durchgeführt werden. Dies ermöglicht einen Erdschlusstest, der unabhängig von einer Strommessung ist.
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Im Folgenden wird das Timing und die Erzeugung des Testvektors im Detail beschrieben. 3a und b zeigen konventionelle SFAVM-Schaltperioden, die vier unterschiedliche Schaltzustände umfassen: Zwei Null-Vektoren (000, 111) und zwei aktive Vektoren (100, 110). Die Vektoren sind symmetrisch um die zentrale 180°-Achse der Schaltperiode herum angeordnet. 3a zeigt die Situation, bei der die Ausgangsspannung der Motorsteuerung hoch ist. Die Phase U ist über annähernd die gesamte Periode hinweg eingeschaltet, während die Phase W lediglich für eine kurze Zeitspanne eingeschaltet ist. Als Teil des konventionellen Modulationsschemas werden Null-Vektoren in der Mitte (111) und am Anfang und Ende der Periode (000) angewendet. Das Gleiche trifft für die Situation in 3b zu, wo die Ausgangsspannung des Motors niedriger ist.
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In 5 wird das SFAVM-Muster mit hoher Spannung von 3a wiederholt. Während des fünften Vektors 110, erreicht das oben beschriebene Überstromsignal (oder eine beliebige alternative Verletzung) den DSP, der den Betrieb stoppt. Über eine Zeitdauer hinweg, die ein wenig länger als eine Schaltperiode dauert, findet kein Schaltvorgang statt, um – möglicherweise – die Ursache des Fehlers zu beseitigen. Bei dem Fehler könnte es sich um Feuchtigkeit handeln, die während dieser Pause verdampft. Ebenso könnte ein Abkühlen des Schalters selbst das Problem beheben. Kurz bevor der Betrieb erneut aufgenommen wird, wird ein Vektor 111 angewendet. Dieser Test-Null-Vektor unterscheidet sich vom Null-Vektor, der am Anfang des SFAVM-Schemas von 3a angewendet wird, da dem Test-Null-Vektor eine Strommessung nachgeschaltet ist, um die Art des Fehlers zu identifizieren. Weiterhin kann die Pulslänge unterschiedlich lang sein. Die Dauer des angewendeten Testvektors ist größer als ein Minimalwert, um sicherzustellen, dass der Erdschlussfehler in jedem Betriebspunkt des Motors detektiert werden kann. Typischerweise hat er eine Länge, die einem Teil einer Schaltperiode entspricht. Die Zeitdauer kann zwischen 5 und 50 Mikrosekunden betragen, wie beispielsweise zwischen 15 Mikrosekunden und 45 Mikrosekunden, wie beispielsweise zwischen 20 Mikrosekunden und 40 Mikrosekunden und wie beispielsweise zwischen 25 Mikrosekunden und 35 Mikrosekunden betragen. Nachdem der Testvektor angewendet wurde, wird der Strom gemessen und, falls ein Erdschlussfehler detektiert wird, wird der Inverterbetrieb erneut unterbrochen, bevor ein neuer Test angewendet wird. Alternativ wird der Antrieb permanent in Gang gesetzt. Die Anzahl an Iterationen, die durchgeführt wird, bevor das Testergebnis als Erdschlussfehler akzeptiert wird, kann je nach Wunsch gewählt werden.
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Falls kein Erdschlussfehler detektiert wird, kann der normale Betrieb fortgesetzt werden, so dass auf diese Weise die Fähigkeit zum Weiterbetrieb zur Verfügung gestellt ist.
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Der in 5 gezeigte Testvektor ist vor der normalen Pulsweitenmodulation angeordnet dargestellt. Alternativ kann der Testvektor ebenso innerhalb der ersten Pulsweitenmodulationsperiode nach der Wiederinbetriebnahme angeordnet werden, beispielsweise durch einfache Arbeitszyklusverkleinerung, die ähnlich zu 4 durchgeführt wird. Dabei handelt es sich lediglich um die Frage nach einer einfachen Implementierung. Der wichtige Punkt ist, dass der Erdschlussstrom gemessen wird, bevor ein aktiver Vektor angewendet wird, der Ströme vom differentiellen Typ in der Gleichstromleitung verursacht, wodurch der Antrieb erneut antriebslos weiterlaufen könnte, bevor ein Erdfehlertest durchgeführt werden kann.
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4 zeigt in diagrammartiger Form die Arbeitszykluskurven für die auf der Highside-Seite liegenden Schalter für jede der drei Phasen U, V und W. Die y-Achse geht von –1 bis 1. Die tatsächlichen Arbeitszyklen, die in bekannter Weise über die Beziehung ton/(ton + toff) berechnet werden, können aus den in 4 dargestellten Kurven durch Addition von 1 und Division durch 2 erzielt werden. Die x-Achse stellt die Zeit in Sekunden dar. Die Phasensequenz in 4 sind die Phasen U, V und W.
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Zu einem Zeitpunkt von ungefähr 0,185 s, wird der Testvektor durch Modifikation der Phase W angewendet, was grafisch durch ein Dreieck am unteren Rand der Fig. dargestellt ist. 120° später wird der nächste Test-Vektor durch Modifikation der Phase U angewendet, was durch den Kreis am unteren Rand der Fig. dargestellt ist. Und weitere 120° später wird ein dritter Testvektor durch Modifikation der Phase V angewendet, was durch das Quadrat dargestellt ist. Die Anwendung des Testvektors verursacht einen Fehler in der geplanten Schaltperiode. Dieses Problem ist während eines Bedarfs an hoher Spannung evident und führt typischerweise zu einer verringerten Ausgangsspannung.
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Um Platz für den nächsten Testvektor zu schaffen, muss der geplante Arbeitszyklus modifiziert werden, d. h. er muss vergrößert werden. Dies ist in 4 gezeigt, wo der Arbeitszyklus der Phase W während der Anwendung des Testvektors ungefähr bei 0,185 s vergrößert wird. Der Arbeitszyklus wird beispielsweise von 0,06 auf 0,12 s vergrößert. Um dies zu kompensieren, wird jedoch der Arbeitszyklus 180° später (ungefähr bei 0,195 s) von 0,94 auf 0,88 verkleinert. Der Testvektor wird somit zu Zeitpunkten angewendet, wo der Arbeitszyklus niedrig (low) ist, und eine Korrektur wird durchgeführt, wenn der Arbeitszyklus hoch (high) ist.
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Vorzugsweise wird der der Strommessung dienende Erdschlussfehlertestvektor, der die Korrektur mit einschließt, mit einer Viertelwellen- und Halbwellensymmetrie ausgeübt, was in dem dreiphasigen PWM-System eine minimale Störung ergibt.
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Das Verfahren zur Anwendung eines Testvektors und zur Ausübung einer Korrektur für den Arbeitskreis, so wie dies in 4 dargestellt ist, kann ausgeführt werden, ohne das in 5 beschriebene Verfahren zu benutzen. Tatsächlich sind die beiden in 4 und 5 gezeigten Verfahren voneinander unabhängig, jedoch können diese miteinander kombiniert werden und so die bevorzugte Schutzqualität erzielen. Das Verfahren gemäß 4 läuft fortlaufend. Dies bedeutet, dass der Erdschlussfehlerstrom kontinuierlich mit einer Rate gemessen wird, die höchstens im Millisekundenbereich liegt, unabhängig davon, ob ein Fehlerzustand vorliegt oder nicht. Die Modifikation des Arbeitszyklus wird, falls es notwendig ist, mit der gleichen Rate angewendet, um den Testvektor zu erhalten.
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Das Verfahren gemäß 4 ist für Erdschlussfehlerzustände erforderlich, bei denen die Stromstärke des Fehlerstroms relativ klein ist, beispielsweise 20 bis 30% des nominellen Werts beträgt. Dies ist der Fall, falls die Erdschlussverbindung eine hohe Impedanz von beispielsweise 100 Ohm zwischen der Motorphase und der Erde aufweist. Vorzugsweise ist die Rate, mit der der Testvektor in 4 angewendet wird, niedriger als die Rate der Schaltfrequenz und liegt typischerweise im Bereich von 1 bis 10, d. h. bei 1,5 kHz in Bezug auf eine Schaltfrequenz von 15 kHz.
