DE3841491A1 - Verfahren und vorrichtung zur strom- und/oder spannungsbegrenzung von leistungselektronischen bauteilen oder geraeten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Strom- und/oder Spannungsbegrenzung von insbesondere leistungselektronischen Bauteilen oder Geräten gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.

In der Leistungselektronik besteht häufig die Notwendigkeit, Geräte oder Bauteile gegen Überlastung, d. h. gegen Über­ ströme und/oder -spannungen, zu schützen. Hierfür müssen die relevanten Größen im Leistungsteil erfaßt und in einem Steuer- oder Regelungsteil leistungsbegrenzend verarbeitet werden. Da aber die Größen im Leistungsteil zumeist auf hohem Spannungspotential liegen, besteht der Wunsch nach einer potentialgetrennten Meßwerterfassung. Allerdings ist eine vollproportional arbeitende, potentialgetrennte Meßwerterfassung und -übertragung aufwendig und teuer und führt zu großvolumigen Geräten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strom- und/oder Spannungsbegrenzung anzugeben, womit eine potential­ getrennte, aber dennoch proportional arbeitende Meßwert­ erfassung und -übertragung auf einfache Weise sowie mit minimalem Geräteaufwand durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale der Ansprüche 1 und/oder 8 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Anhand der Zeichnung soll im folgenden die Erfindung am Beispiel eines Umrichters zum Betrieb eines Drehstrom-Motors näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild mit einer ersten Ausführungs­ form einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild mit einer zweiten Ausführungs­ form einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 und 4 Diagramme zur Darstellung des Verlaufs eines erfindungsgemäß geregelten Eingangsspannungssignals U _ein ′ bei Änderungen eines Eingangsspannungssignals U _ein und

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Impulsverlängerungseinrichtung.

Im dargestellten Beispiel ist ein Drehstrom-Motor 2 mit einem leistungselektronischen Umrichter 4 (Dreiphasen- Wechselrichter) verbunden, der über einen Brückengleich­ richter 6 an Netzspannung U _Netz angeschlossen ist. Die gleichgerichtete Netzspannung wird durch einen Zwischen­ kreis-Kondensator 8 geglättet.

Ein Reglerteil 10 zum Regeln bzw. Steuern der Drehzahl des Motors 2 besteht aus einem Rampengenerator 12 und vorzugs­ weise zwei mit diesem verbundenen Reglern 14, 16, wobei ein dem Rampengenerator 12 zugeführtes, einer Eingangsspannung U _ein entsprechendes Eingangssignal durch einen rampenartigen Anstieg bzw. Abfall eines am Ausgang des Rampengenerators 12 vorhandenen Spannungssignals U _ein ′ eingestellt und den Reglern 14, 16 zugeführt wird. Anhand des Spannungssignals U _ein ′ stellen die Regler 14, 16 nun eine der Motorkennlinie optimal angepaßte Kombination aus einem einer Motorspannung U _M sowie einem einer Motorfrequenz f _M entsprechenden Signal ein, wobei diese Signale vorzugsweise über eine Potential­ trennung 18, z. B. mittels eines Modulators 20, dem Umrichter 4 zugeführt werden, der seinerseits den Motor 2 ansteuert.

Um nun den Umrichter 4 gegen Überlastung, d. h. gegen Über­ strom und/oder Überspannung zu schützen, ist es erforder­ lich, relevante Größen, nämlich den Strom- und/oder den Spannungs-Istwert U _ist bzw. I _ist im Leistungsteil zu erfassen und leistungsbegrenzend, d. h. strom- und/oder spannungsbegrenzend, zu verarbeiten.

Hierzu werden über eine Strom-Erfassungseinrichtung 22 und/oder eine Spannungs-Erfassungseinrichtung 24 (nur in Fig. 2) die jeweiligen pegelproportionalen, analogen Istwerte des Stromes I _ist und/oder der Spannung U _ist ermittelt. Da diese Größen im Leistungsteil aber auf hohem Spannungspotential liegen, besteht der Wunsch nach einer potentialgetrennten Meßwerterfassung und -verarbeitung. Allerdings ist eine voll proportional arbeitende, potential­ getrennte Meßwertübertragung aufwendig und teuer und führt zu großvolumigen Geräten.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß die pegelpropor­ tionalen, analogen Istwertsignale in zeitproportionale, digitale Istwertsignale umgeformt werden, daß die digitalen Istwertsignale jeweils potentialgetrennt übertragen werden, und daß anschließend aus den digitalen Istwertsignalen wieder analoge Istwertsignale generiert werden. Dabei erfolgt die Übertragung vorzugsweise auf optischem Wege.

Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Strom-Erfassungseinrichtung 22 mit einem sog. PWM- Modulator 26 verbunden (PWM = pulse width modulation = Pulsbreiten- bzw. Pulsdauermodulation), wobei der PWM- Modulator 26 erfindungsgemäß die analogen Istwerte in digitale, impulsdauer- bzw. impulsbreitenmodulierte Istwertsignale (PWM-Signale) umformt. Diese PWM-Signale werden erfindungsgemäß über ein mit dem PWM-Modulator 26 verbundenes, digital arbeitendes, potentialtrennendes Übertragungselement 28 in den Reglerteil 10 übertragen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn - wie dargestellt - das Übertragungselement 28 ein Opto-Koppler 30 ist. Das Übertragungselement 28 bzw. der Opto-Koppler 30 ist mit einem Filter 32 verbunden, der erfindungsgemäß aus den übertragenen PWM-Signalen durch Filterung wieder Analog­ signale I _ist generiert, die in einem Komparator 34 mit Sollwerten I _soll verglichen werden. Der Komparator 34 erzeugt nun in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs ein Ausgangssignal, welches erfindungsgemäß auf den die Motorspannung U _M regelnden Regler 16 und/oder auf den Rampengenerator 12 einwirkt, um den Strom-Istwert I _ist auf den Sollwert I _soll nachzuführen, d. h. zu begrenzen. Dies bedeutet, daß die Spannung U _M zur Strombegrenzung bzw. Stromreduzierung herabgesetzt wird, bis der Istwert wieder maximal dem Sollwert entspricht. Es wird folglich stets die Bedingung I _ist I _soll eingeregelt.

Fig. 2 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche Komponenten wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Auch in diesem Fall wird über die Strom-Erfassungseinrichtung 22 der Strom- Istwert I _ist ermittelt. Allerdings wird hier bereits auf der Seite des hohen Potentials in einem beispielsweise als OP-Verstärker ausgebildeten Komparator 36 der Istwert I _ist mit einem z. B. über ein Potentiometer 38 einstellbaren Sollwert I _soll verglichen. Auf der Basis dieses Vergleichs werden erfindungsgemäß digitale Ja/Nein-Signale erzeugt, und zwar wird ein Ja-Signal erzeugt, wenn der Istwert den Sollwert übersteigt, und ein Nein-Signal, wenn der Istwert dem Sollwert ist. Diese Ja/Nein-Signale werden nun über das Übertragungselement 28 bzw. den Opto-Koppler 30 über­ tragen, wobei ein Ja-Signal so lange ansteht und den Opto- Koppler "eingeschaltet" hält, wie der Istwert I _ist größer als der Sollwert I _soll ist. Das Übertragungselement 28 bzw. der Opto-Koppler 30 ist nun erfindungsgemäß ander­ seitig, d. h. auf der Seite niedrigen Potentials, mit einem Integrator 40 verbunden, der ein Ausgangssignal erzeugt, welches so lange ansteigt bzw. abfällt, wie ein Ja-Signal ansteht, und welches wieder abfällt bzw. ansteigt wenn ein Nein-Signal ansteht. Dieses Ausgangssignal des Inte­ grators 40 wirkt nun erfindungsgemäß derart auf den die Motorspannung U _M regelnden Regler 16, daß die Motorspannung U _M und damit auch der Strom-Istwert I _ist reduziert werden. Damit ändert sich nun aber auch das Ausgangssignal des Komparators 36 in ein Nein-Signal, so daß der Opto-Koppler 30 "erlischt", was wieder zu einer Erhöhung der Motorspan­ nung U _M führt, da der Integrator 40 ein wieder abfallendes bzw. ansteigendes Ausgangssignal erzeugt. Der Istwert I _ist des Stromes pendelt sich mithin auf den vorgegebenen Maximalwert I _soll ein, d. h. er schwankt ständig ein wenig um den Sollwert I _soll .

Im Beispiel nach Fig. 2 sind nun noch zwei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angedeutet, die sich insbeson­ dere auf die Strombegrenzung in der Anlauf- bzw. Beschleu­ nigungsphase des Motors 2 sowie auf die Spannungsbegrenzung in der Bremsphase, d. h. im Generatorbetrieb des Motors 2 beziehen. Zur näheren Erläuterung wird im folgenden zusätzlich auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen.

Im Diagramm nach Fig. 3 ist dargestellt, daß das Eingangs­ spannungssignal U _ein des Rampengenerators 12 zur Erhöhung der Drehzahl des Motors 2 im Zeitpunkt T ₁ sprunghaft erhöht wird. Der Rampengenerator 12 hat nun die Wirkung, sein Spannungssignal U _R rampenartig ansteigen zu lassen (siehe den gestrichelt dargestellten Verlauf), bis das Spannungs­ signal U _ein ′ am Ausgang des Rampengenerators 12 dem Span­ nungssignal U _ein an seinem Eingang entspricht (Nachführung). Da jedoch in der Anlauf- bzw. Beschleunigungsphase eines Drehstrommotors ein besonders hoher Strom I _ist auftreten kann, der zusätzlich zu der Gefährdung der Bauteile auch dazu führt, daß der Motor 2 in den Schlupfbereich eintritt, ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, daß das über das Über­ tragungselement 28 bzw. den Opto-Koppler 30 übertragene Ja/Nein-Signal über eine Verbindung 42 auch derart auf den Rampengenerator 12 einwirkt, daß letzterer für die Dauer des Ja-Signals, d. h. bei Auftritt eines Überstromes, den rampen­ artigen Anstieg des Spannungssignals U _R anhält, wodurch die Beschleunigung für diese Zeitdauer ebenfalls unterbleibt und der Strom I _ist wieder abfällt. Der Opto-Koppler 30 erlischt hierdurch wieder, wodurch am Rampengenerator 12 auch wieder ein Nein-Signal ansteht und er den rampenartigen Anstieg des Spannungssignals U _R fortsetzt. Durch eine fortschreitende Wiederholung dieses Vorgangs ergibt sich ein treppenartiger, effektiv flacherer Verlauf des Spannungssignals U _ein ′, wodurch das Beschleunigungsverhalten des Motors 2 vorteil­ hafterweise erheblich verbessert wird, da ein Schlupfbetrieb wirksam verhindert wird. Dies bedeutet, daß der Motor 2 durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen hinsichtlich seines Momentes stets im optimalen Bereich der Motorkennlinie gefahren wird.

Demgegenüber ist in Fig. 4 dargestellt, daß das Eingangs­ spannungssignal U _ein des Rampengenerators 12 zur Verminde­ rung der Drehzahl des Motors 2 im Zeitpunkt T ₂ sprunghaft vermindert wird. Hierdurch ist der Rampengenerator 12 bestrebt, sein Spannungssignal U _R rampenartig abfallend nachzuführen (hier wiederum gestrichelt dargestellt). Der Motor 2 fährt hierdurch im Bremsbetrieb und wirkt daher als Generator, wodurch sich die Stromrichtung umkehrt. Daher müssen die Bauteile nun gegen Überspannungen geschützt werden. Gemäß Fig. 2 wird die Spannung U _ist erfindungsgemäß durch die Spannungs-Erfassungseinrichtung 24 ermittelt und in einem weiteren Komparator 44 mit einem z. B. mittels eines Potentiometers 46 einstellbaren Sollwert U _soll verglichen.

Auf der Basis dieses Vergleichs wird erfindungsgemäß auch hier ein digitales Ja/Nein-Signal erzeugt, welches vorteil­ hafterweise über ein zweites digitales sowie potentialtren­ nendes Übertragungselement 48, das zweckmäßigerweise eben­ falls als Opto-Koppler 50 ausgeführt sein kann, übertragen. Dieses Ja/Nein-Signal wirkt nun erfindungsgemäß über eine Verbindung 52 ebenfalls auf den Rampengenerator 12 ein, und zwar derart, daß - siehe Fig. 4 - bei Anstehen einer Über­ spannung (U _ist < U _Soll ) bzw. des hierdurch erzeugten Ja- Signals der Rampengenerator 12 den rampenartigen Abfall seines Spannungssignals U _R zeitweise anhält, bis die Über­ spannung wieder verschwunden ist und ein Nein-Signal auf der Verbindung 52 ansteht. Daraufhin setzt der Rampengenerator 12 den abfallenden Verlauf U _R wieder fort, bis wieder eine Überspannung auftritt und ein Ja-Signal ansteht. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das Spannungssignal U _ein ′ am Ausgang des Rampengenerators 12 dem eingangsseiti­ gen Signal U _ein entspricht. Es ergibt sich auch hier ein treppenartiger, effektiv flacherer Verlauf des Spannungs­ signals, wodurch vorteilhafterweise das Betriebsverhalten des Motors 2 optimiert wird.

Im dargestellten Beispiel nach Fig. 2 sind die Komparatoren 36 und 44 als OP-Verstärker ausgeführt, es können jedoch auch durchaus andere geeignete Bauteile, wie z. B. Zener­ dioden, verwendet werden.

Aus Fig. 2 ist noch eine zusätzliche, vorteilhafte Weiter­ bildung der Erfindung ersichtlich. Dabei handelt es sich um in die Verbindungen 42 und 52 geschaltete Impulsver­ längerungseinrichtungen 54 und 56, die erfindungsgemäß dafür sorgen, daß auch sehr kurze, nadelartige Überstrom/ Spannungsimpulse zu einem Anhalten des Rampensignals U _R führen. Die Wirkung der Impulsverlängerungseinrichtungen 54 und 56 wird aus Fig. 5 deutlich. Ein Eingangssignal S _E bewirkt ein Ausgangssignal S _A , welches gegenüber dem Eingangssignal S _E um die Zeitdauer T _v verlängert ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine sehr sichere Strom- und/oder Spannungsbegrenzung erreicht, so daß Bauteile bzw. Geräte wirksam geschützt werden. Dabei liegt der Reglerteil 10 aufgrund der erfindungsgemäßen Potentialtrennung auf einem niedrigen Potential. Zusätzlich läßt sich durch die Erfindung in dem beschriebenen, speziellen Anwendungsfall auch eine erhebliche Verbesserung des Betriebsverhaltens eines Drehstrommotors erreichen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Strom- und/oder Spannungsbegrenzung von insbesondere leistungselektronischen Bauteilen oder Geräten, wobei jeweils pegelproportionale, analoge, den Istwerten des Stromes und/oder der Spannung entsprechende Istwertsignale ermittelt und mit einstellbaren Sollwerten verglichen werden, und wobei bei einer Abweichung des jeweiligen Istwertsignals von dem zugehörigen Sollwert automatisch der Strom- und/oder Spannungs-Istwert durch Regelung der Eingangsspannung auf den Sollwert nachgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die pegelproportionalen, analogen Istwertsignale zunächst in proportionale, digitale Istwertsignale umgeformt werden, daß die digitalen Istwertsignale jeweils potentialgetrennt übertragen werden, und daß anschließend aus den digitalen Istwertsignalen wieder analoge Istwertsignale generiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Istwertsignale auf optischem Wege über­ tragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Istwerte in digitale, impulsdauer- bzw. impulsbreitenmodulierte Istwertsignale umgeformt werden, aus denen nach der Übertragung die analogen Signale vorzugsweise durch Filterung wieder generiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragenen und rückgewonnenen analogen Istwert­ signale mit den Sollwerten verglichen und durch diesen Vergleich Differenzsignale erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Istwerte durch den Vergleich mit den Soll­ werten in digitale Ja/Nein-Signale umgeformt werden, die nach Übertragung vorzugsweise durch Integration wieder in analoge Signale umgeformt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ja-Signal erzeugt wird, wenn der Istwert den Sollwert übersteigt, sowie ein Nein-Signal, wenn der Istwert dem Sollwert ist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der rückgewonnenen, analogen Istwertsignale die Eingangsspannung und/oder -frequenz eines ins­ besondere zur Ansteuerung eines Drehstrommotors vor­ gesehenen Umrichters geregelt wird.

8. Vorrichtung zur Strom- und/oder Spannungsbegrenzung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einer Erfassungseinrichtung zum Ermitteln von Istwertsignalen des Stromes und/oder der Spannung, mindestens einer Einrichtung zum Einstellen von Strom- und/oder Spannungs-Sollwerten, mindestens einem Komparator zum Vergleichen der Istwertsignale mit den Sollwerten sowie mindestens einem die Istwerte auf die Sollwerte abgleichenden Reglerteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (22, 24) mit einem Analog/Digi­ tal-Umsetzer (26, 36, 44) und dieser über ein digital arbeitendes, potentialtrennendes Übertragungselement (28, 48) mit einem Digital/Analog-Umsetzer (32, 40) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement (28, 48) ein Opto-Koppler (30, 50) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Umsetzer ein Pulsbreiten- bzw. Puls­ dauermodulator (26) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital/Analog-Umsetzer ein Filter (32) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (32) mit einem Komparator (34) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Umsetzer von einem Komparator (36, 44) gebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital/Analog-Umsetzer ein Integrator (40) ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital/Analog-Umsetzer (32, 40) mit einem Eingangs­ spannungsregler (16) eines insbesondere zum Ansteuern eines Drehstrommotors (2) vorgesehenen Umrichters (4) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital/Analog-Umsetzer (32, 40) und/oder das Über­ tragungselement (28, 48) vorzugsweise über eine Impulsverlängerungseinrichtung (52, 54) mit einem Rampengenerator (12) verbunden ist/sind.