DK172562B1 - Fremgangsmåde ved måling af fejlstrømme i en vekselretter, samt vekselretter med styrede halvlederswitche - Google Patents

Description

DK PR 172562 B1 i

Opfindelsen angår en fremgangsmåde ved måling af fejlstrømme i en vekselretter, hvor styrede halvlederswitche ved pulsbreddemodulering konverterer en jævnspænding fra en mellemkreds til en flerfaset vekselspænding, hvor fa-5 sestrømme rekonstrueres ved måling af en strøm i mellemkredsen, og hvor strømfej ldetektionen sker ved både at måle den fremløbende strøm, som flyder til switchene, og den tilbageløbende strøm, som flyder fra switchene.

Opfindelsen angår også en vekselretter med styrede halv-10 lederswitche, som ved pulsbreddemodulering konverterer en jævnspænding fra en mellemkreds til en flerfaset vekselspænding, hvor fasestrømme rekonstrueres med en måleindretning, der måler en strøm i mellemkredsen, og hvor måleindretningen yderligere ved måling af den fremløbende 15 strøm, som flyder til halvlederswitchene og den tilbageløbende strøm, som flyder fra switchene tjener som fejlstrømsdetektor.

I en artikel udgivet af Institut for energiteknik, Ålborg Universitet, af Frede Blaabjerg og John Pedersen med tit-20 len "A new low-cost, fully fault protected PWM-VSI inverter with true phase-current information", beskrives en fremgangsmåde af den ovennævnte art. Artiklen er publiceret ved IPEC '95, Yokohama, Japan, 3-7 april 1995.

Vekselretteren består af seks transistorer, der styres 25 igennem otte mulige switchtilstande. Heraf giver to ikke spænding imellem fase-fase ledningerne, mens de seks andre medfører en resulterende spændingsbelægning, som ved tilkobling af en belastning afstedkommer en spænding mellem faserne, der afstedkommer en strøm iDC i mellemkred-30 sen. Strømmen løber frem mod transistorerne i mellemkredsens positive strømskinne og returnerer fra transistorerne i mellemkredsens negative strømskinne. De tre fase-strømmen kan rekonstrueres ved en måling af DC-strømmen DK PR 172562 B1 2 f.eks. i den negative strømskinne i mellemkredsen, som det nærmere er angivet i artiklen, jf. også senere.

Vekselretteren anvendes eksempelvis til motorstyringer, men kan også anvendes i aktive ensrettere, aktive filtre, 5 kompensatorer osv.

Det er yderst vigtigt at fejl, f.eks. kortslutninger i vekselretteren bliver opdaget hurtigt, da der er tale om betydelige strømstyrker.

I artiklen er der vist forskellige fejldetekteringer. I 10 en første udførelse måler man fejlstrømme med fire strømsensorer, en for hver fase samt DC-strømmen. Dette er selvsagt en dyr løsning og derfor foreslås det ifølge artiklen, at anvende DC-strømmålingen dels til at rekonstruere de tre fasestrømme, og dels til fejldetektering, 15 idet der dog omkring faserne findes en yderligere strømsensor, som kan registrere jordfejl.

Endelig omtales i artiklen en måde, hvor man kun anvender én strømsensor, til rekonstruktion af de tre fasestrømme, som er koblet således, at alle fejl kan detekteres.

20 Strømsensoren måler den fremløbende og den tilbageløbende DC-strøm, og de to strømme adderes i strømmålingen. Princippet har dog den ulempe, at strømsensoren måler den dobbelte strøm, hvorved opløsningen på målingen og jordfejlsdetekteringsopløsning bliver halveret.

25 En lignende måde at måle fejlstrømme i en vekselretter kendes fra JP Abstract No. 1110016. Ifølge denne publikation anvendes der en ringkernetransformator med 2 viklinger med samme viklingstal. Den ene vikling tilføres den fremløbende strøm medens den anden vikling tilføres den 30 tilbageløbende strøm.

Ved hjælp af en magnetisme/strøm konverter bestemmes summen af strømmene. Denne sum føres til et sammenlignings- DK PR 172562 B1 3 kredsløb, hvor den sammenlignes med en forud fastlagt referenceværdi. Hvis der er stor afvigelse mellem værdierne er der fejl i vekselretteren, såsom overstrøm/kortslut-ning, eller jordfejl, hvilket indebærer at vekselrette-5 rens drift afbrydes. Dette kendte kredsløb har principielt samme opbygning, som kredsløbet vist på fig. 2 i denne beskrivelses detailbeskrivelse.

Det er nu et formål med opfindelsen at forbedre den ovennævnte rekonstruktion af de tre fasestrømme, således at 10 opløsningen på både målingen og fejldetekteringen, bliver optimal.

Ifølge opfindelsen opnås det ved en fremgangsmåde af den i krav l’s indledning angivne art, der er karakteristisk ved, at strømmålingen udføres ved hjælp af en strømsen-15 sor, der måler differencen mellem den fremløbende og den tilbageløbende strøm, idet den fremløbende strøm omsættes til en 1. fysisk værdi, medens den tilbageløbende strøm omsættes til en 2. fysisk værdi, og hvor den 1. og den 2. fysiske værdi er forskellige, når den fremløbende strøm 20 og den tilbageløbende strøm er ens.

På denne måde kan enhver fejl detekteres, under bevarelse af rekonstruktionen af fasestrømmene, og med større opløsning end hidtil kendt, idet summen af de to fysiske værdier vil være forskellig fra nul, når vekselretteren 25 arbejder uden fejl. Især kan fejl detekteres, når vekselretteren sættes i en tilstand, hvor der ikke er spændingsforskel mellem faserne, medens rekonstruktionen af fasestrømmene kan ske på basis af sumværdierne af de fysiske størrelser.

30 Som angivet i krav 2, måles den fremløbende strøm og den tilbageløbende strøm med en strømsensor, der har to transducere, hvoraf den første transducer omsætter den fremløbende strøm til den 1. fysiske værdi, medens den DK PR 172562 B1 4 anden transducer omsætter den tilbageløbende strøm til den 2. fysiske værdi.

Hvis der som transducere anvendes to spoler med forskelligt viklingstal og specielt således, at den ene spole 5 har én vikling mere end den anden, fås maksimal opløsning. Yderligere opnås en optimal frekvenskarakteristik, når en af spolerne har netop én vikling.

Som nævnt angår opfindelsen også en vekselretter med styrede halvlederswitche af den i krav 6's indledning angiv-10 ne art. Denne vekselretter er katakteristisk ved, at måleindretningen omsætter den fremløbende strøm til en 1. fysisk værdi, medens den tilbageløbende strøm omsættes til en 2. fysisk værdi, idet den 1. fysiske værdi er forskellig fra den 2. fysiske værdi, når den fremløbende 15 strøm og den tilbageløbende strøm er ens.

Fordelagtige udførelsesformer for opfindelsen fremgår i øvrigt af de uselvstændige krav.

Opfindelsen skal nu forklares nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken 20 fig. 1 viser en kendt vekselretter af PWM-VSI typen med en strømsensor, fig. 2 viser ligeledes en kendt vekselretter af PWM-VSI typen men med beskyttelse mod fejlstrømme, fig. 3 viser hvorledes vekselretteren ved vektornotation 25 kan moduleres, fig. 4 viser spændingsvektorernes rumlige beliggenhed til en 3-faset vekselstrømsmaskine, fig. 5 viser en tabel over fasestrømme ud af vekselretteren som funktion af spændingsvektorerne ifølge fig. 3 og 30 4, DK PR 172562 B1 5 fig. 6 viser et strømkredsløb med beskyttelsesprincippet ifølge opfindelsen, fig. 7 viser er eksempel på en kortslutning i en inver-tergren, 5 fig. 8 viser et eksempel på kortslutning af 2 faser, fig. 9 viser et eksempel på en jordfejl, og fig. 10 viser strømsensoropstilling til brug ved beskyttelsesprincippet ifølge opfindelsen.

På fig. 1 ses en 3-faset PWM-VSI (pulse width modulator-10 voltage source inverter), der består af 6 transistorer TI, T2, T3, T4, T5, og T6, i en trefaset vekselretterbro, som hver især på kendt vis har en parallelkoblet friløbsdiode. Ved passende påtrykning af spændinger uj_, U2 og U3 på transistorernes baser/gate, jf. senere, frembringes på 15 udgangene af de parvist koblede transistorer fasespændinger og fasestrømme ig^, iS2 °9 iS3' der f-e^s- kan tilføres som styrestrøm til en belastning i form af en motor.

Transistorerne fødes med jævnspænding fra en mellem-20 strømskreds 1. Ved en passende omskiftning af transistorerne fra ledende til ikke ledende tilstand omdanner vek-selretterbroen jævnspændingen til trefaset vekselspænding.

På kendt vis kan fasestrømmene rekonstrueres ved måling 25 af strømmen iDC i mellemkredsen. Yderligere kan måling af iDC afsløre om der er fejl i vekselretteren, f.eks. hvis der konstateres en strøm iD(- selv om der er påtrykt spændinger til transistorernes baser/gate, som skulle gøre mellemkredsen strømløs. Fejlafsløringen, er ved det i 30 fig. 1 viste kredsløb dog ikke i alle tilfælde sikker, f.eks. hvis transistorerne TI, T2 og T3 alle er tændte, DK PR 172562 B1 6 og der sker en jordfejl, hvor jordfejlen opstår i belastningen, og således ikke når strømsensoren. Analoge betragtninger gælder for transistorerne T4, T5 og T6, hvis strømsensoren er placeret i den strømskinne i mellem-5 strømskredsen, som bærer den fremløbende strøm.

På fig. 2 er der vist en vekselretter som i forhold til fig. 1 adskiller sig ved, at der i mellemstrømskredsen måles både en fremløbende og en tilbageløbende strøm, som adderes. På denne måde kan jordfejl også konstateres, 10 hvis alle 3 transistorer TI, T2 og T3 er tændte. Der er dog den ulempe, at fordoblingen af den målte strøm halverer opløsningen på bestemmelsen af fasestrømmene, og også på jordfejlsdetektionen.

I det følgende vil det i forbindelse med fig. 3-5 nær-15 mere blive forklaret, hvorledes vekselretteren ifølge opfindelsen bliver styret.

Transistorerne TI, T2, T3, T4, T5 og T6 switches således, at der i mellemkredsen opstår entydigt definerede strømme, som for hver separat switchtilstand kan henføres til 20 en bestemt fase, jf. fig. 5, nemlig strømmene isl, -isl, is2, "is2' -*-33 °9 -^s3· Derudover kan vekselretteren være strømløs i mellemkredsen. Symbolsk kan dette udtrykkes ved en vektornotation, som er vist i tabellen på fig. 5.

Som det ses af denne tabel er hver af de 8 switchtilstan-25 de tildelt en vektor på formen (x, y, z), hvor x betegner transistor l's tilstand ved at logisk "Γ betyder tændt, medens logisk "0" betyder slukket. Tilsvarende gælder for transistor T2, hvis tilstand er y, og transistor 3 med tilstanden z. Det bemærkes i øvrigt, at transistorerne 30 T4, T5 og T6 arbejder komplementært med transistorerne TI, T2 og T3, hvilket betyder, at når TI er tændt er T4 slukket, medens at når TI er slukket er T4 tændt osv.

DK PR 172562 B1 7

Ved som vist på fig. 3, at påtrykke faserne spændingsvektoren (100) i et tidsrum TI, og spændingsvektoren (110) i tiden T2, svarende til en pulsbreddemodulering, kan en vilkårlig spændingsbelægning us med en ønsket frekvens og 5 amplitude på en belastning realiseres, idet us's vinkel er direkte proportional med tidsrummenes relative størrelse. Det bemærkes, at når (x, y, z) = (0,0,0) eller (1,1,1) er belastningen koblet fra mellemkredsen, dvs.

us = 0.

10 Som det videre ses på fig. 4 sammenholdt med fig. 5, kan ved passende valg af (x, y, z) en hvilken som helst spændingsbelægning påføres en belastning.

På fig. 4 ses et symbolsk vektordiagram, der er inddelt i 6 sektorer mærket I, II, III, IV, V og VI. Hver af disse 15 sektorer er afgrænset af spændingsvektorerne fra tabellen i fig. 5, således at en vilkårlig fasestrøm kan tilføres en belastning.

Som eksempel på påtrykning af en spændingsvektor us i sektor IV, svarende til fasestrømmene iS2 og - isl, kan 20 dette ske ved at omskifte transistorerne i følgende vektorsekvens : (000), (010), (Oil), (111), (111), (011), (010), (000).

Det bemærkes at den sidste fasestrøm bestemmes ud fra ligningen 25 is1 + is2 + is3 = °*

Ved ændring af skiftefrekvens, og det tidsmæssige forløb af de enkelte fasestrømme, kan der således tilvejebringes en vilkårlig spændingsvektor i sektor IV med ovennævnte skiftesekvens, til en belastning.

30 På helt analog måde kan spændingsvektorer i de andre sektorer tilvejebringes.

DK PR 172562 B1 8

Da der ved modulering af vekselretteren frembringes spændingsvektorer ved at skifte mellem de 8 tilstande i fig.

5, er det klart at ved måling af iDC kan de 3-fasestrømme bestemmes, idet der er en entydig sammenhæng mellem fase-5 strømmene og iDc* I det følgende vil det blive forklaret, hvorledes en måling af ipc ifølge opfindelsen, kan forbedre detektion af eventuelle fejl i vekselretteren. Princippet er vist på fig. 6, der som på fig. 1 og 2 viser en 3-faset veksel-10 retter, der er koblet til en belastning i form af en 3-faset vekselstrømsmotor.

Som det ses på figuren udføres strømmålingen ved som i fig. 2, at måle både den fremløbende og tilbageløbende strøm. Forskellen ligger i, at målingen foretages så-15 ledes, at den fremløbende iDC strøm kan "skelnes” fra den tilbageløbende iDC strøm.

Nærmere bestemt gælder der følgende: iDc = NI x if -j N2 x if., hvor 20 NI og N2 betegner antal viklinger på en spole i en strømsensor .

Hvis NI = N2, når der ikke er jord- eller fase-nul fejl, vil de 2 strømme ophæve hinanden og give den resulterende i Dc = 0/ hvilket ganske vist sikrer at vekselretteren er 25 fejlfri, men information til brug ved rekonstruktion af fasestrømme forsvinder også.

Derimod, hvis NI * N2, kan der måles en resulterende Idc strøm til rekonstruktion af fasestrømmene under bevarelse af fejldetektering i 30 både den positive og den negative DC gren, og vel at mærke under bevarelse af den høje følsomhed.

DK PR 172562 B1 9

Med andre ord får man i forhold til opstillingen ifølge fig. 1 fuld beskyttelse af vekselretteren i DC mellem-kredsen, også når der er påtrykt spændingsvektoren (000) eller (111), hvor faserne er koblet fra én af mellemkred-5 sens strømskinner, og i forhold til udførelsesformen i fig. 2 en høj opløsning under bevarelse af fuld fejldetektering .

I denne forbindelse bemærkes yderligere, at i forhold til udførelsesformen ifølge fig. 2 kan strømsensorens udsty-10 ringsområde halveres fra f.eks. 50A til 25A, så den bliver billigere.

Af hensyn til dynamikområde i frekvensmæssig henseende foretrækkes det at NI og N2 har så få viklinger som muligt. Samtidigt sikrer det mindst mulige krav til over-15 spændingsbeskyttelse af effektswitchene.

Eksempelvis kan NI = N2 + 1, og med N2 = 1.

I det følgende vil der i forbindelse med fig. 7-9 blive vist nogle mulige fejlsituationer i en 3-faset vekselret-20 ter.

På fig. 7 ses en kortslutning i en invertergren, der er markeret med fed streg, dvs. TI og T4 er tændt samtidigt.

Strømmen igH vil løbe i den kortsluttede gren, hvor ij = it = isH- Vec* sammenligning i en komparator 5, hvor en 25 tærskelværdi sammenlignes med ίρς· kan fejlen de- tekteres. Samme situation gælder naturligvis for de andre invertergrene.

På fig. 8 er der vist en fejlsituation, hvor 2 faser er kortsluttede. Spændingsbelægningen er (011).

30 I dette tilfælde vil Igjj kunne løbe som vist med fed streg, altså fra T2 gennem faserne ig2 og ig3 °9 gennem DK PR 172562 B1 10 T4. Som ved fejlsituationen ifølge fig. 7 vil strømmen if = if. * igfl/ kunne sammenlignes i en komparator med en tærskelværdi og give fejlmelding.

Endeligt viser fig. 9 en fejlsituation, hvor der er op-5 stået en jordfejl, her vist med fed streg ved, at en af faserne S3 er blevet utilsigtet jordet.

I dette tilfælde skelnes der mellem 2 tilfælde, nemlig en såkaldt lille jordfejl, og en egentlig kortslutning til jord.

10 Ved den lille jordfejl detekteres denne ved påtrykning af en af spændingsvektorerne (000) eller (111) til faserne, og hvis et komparatorkredsløb 5 konstaterer at Ipg er større end vil jordfejlen blive detekteret i AND-kredsen 7, som kun tillader gennemgang, når en af 15 spændingsvektorerne (0,0,0) eller (1,1,1) er påtrykt.

Ved den egentlige kortslutning til jord detekteres denne fejl som tidligere ved at iDC sammenlignes med i komparatoren 5.

Fejl til en eventuel 0-leder kan på samme måde detekte-20 res.

På fig. 10 er der skematisk vist en hvorledes strømmålingen i en udførelsesform kan udføres. Som vist på figuren er der mellem vekselretteren 12 og mellemkredsen 1 indskudt en differenstransformator 9, der har to spoler 10, 25 11, hvor den fremløbende strøm if er koblet til spolen 10, medens den tilbageløbende strøm i^ er koblet til spolen 11. Et Hallelement 13 er anbragt i differenstransformatorens spalte. Hallelementet omsætter det opbyggede magnetiske felt i spalten til en strøm, der udtages gen-30 nem en forstærker 14.

DK PR 172562 B1 11

Virkemåden er følgende:

Hvis den fremadløbende strøm if har samme nummeriske værdi, som den tilbageløbende strøm ij-, vil der i differenstransformatorens spalte opstå et magnetfelt, når spolerne 5 10, 11 har forskellige viklingstal, f.eks. som antydet på figuren, hvor spolen 10 har to viklinger, medens spolen 11 har tre viklinger. Dette magnetfelt kan så detekteres af Hallelementet, som omsætter magnetfeltet til en skærm.

Med denne måleopstilling kan strømmålingen bruges til bå-10 de fuld fejldetektering, og til rekonstruktion af fasestrømmene .

Selv om opfindelsen er beskrevet i forbindelse med en vekselretter der er tilkoblet en motor, er der intet til hinder indenfor de af patentkravene angivne rammer at an-15 vende opfindelsens principper i andre sammenhænge, såsom i forbindelse med aktive ensrettere, aktive filtre, kom-pensatorer.

Claims (15)

1. Fremgangsmåde ved måling af fejlstrømme i en veksel- retter (12), hvor styrede halvlederswitche (TI, T2, T3, T4, T5, T6) ved pulsbreddemodulering konverterer en jævnspænding fra en mellemkreds (1) til en flerfaset vekselspænding, hvor fasestrømme rekonstrueres ved måling af en 10 strøm i mellemkredsen, og hvor strømfejldetektionen sker ved både at måle den fremløbende strøm, som flyder til switchene, og den tilbageløbende strøm, som flyder fra switchene, kendetegnet ved, at strømmålingen udføres ved hjælp af en strømsensor (4) , der måler 15 differencen mellem den fremløbende strøm og den tilbageløbende strøm, inden den fremløbende strøm omsættes til en 1. fysisk værdi, medens den tilbageløbende strøm omsættes til en 2. fysisk værdi, og hvor den 1. og den 2. fysiske værdi er forskellige, når den fremløbende strøm 20 og den tilbageløbende strøm er ens.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den fremløbende strøm og den tilbageløbende strøm måles med en strømsensor (4), der har to transducere (10, 11), hvoraf den første transducer (10) omsætter den frem-25 løbende strøm til den 1. fysiske værdi, medens den anden transducer (11) omsætter den tilbageløbende strøm til den 2. fysiske værdi.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at der som transducere anvendes to spoler (10, 11) 30 med forskelligt viklingstal. 1 Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at viklingstallet på den ene af spolerne (11) er én større end viklingstallet på den anden spole (10). DK PR 172562 B1 13

5. Fremgangsmåde ifølge krav 3 eller 4, kendetegnet ved, at en af spolerne har netop én vikling.

6. Vekselretter (12) med styrede halvlederswitche (TI,

5 T2, T3, T4, T5, T6) , som ved pulsbreddemodulering konver terer en jævnspænding fra en mellemkreds (1) til en fler-faset vekselspænding, hvor fasestrømme rekonstrueres ved en måleindretning (4), der måler en strøm i mellemkredsen, og hvor måleindretningen yderligere ved måling af 10 den fremløbende strøm, som flyder til halvlederswitchene og den tilbageløbende strøm, som flyder fra switchene tjener som fejlstrømsdetektor, kendetegnet ved, at måleindretningen (4) omsætter den fremløbende strøm til en 1. fysisk værdi, medens den tilbageløbende 15 strøm omsættes til en 2. fysisk værdi, idet den 1. fysiske værdi er forskellig fra den 2. fysiske værdi, når den fremløbende strøm og den tilbageløbende strøm er ens.

7. Vekselretter ifølge krav 6, kendetegnet ved, at måleindretningen (4) omfatter to transducere (10, 20 11) til omsætning af den fremløbende strøm og den tilba geløbende strøm til den 1., henholdsvis den 2. fysiske værdi.

8. Vekselretter ifølge krav 7, kendetegnet ved, at måleindretningen er en differenstransformator (9) 25 med to viklinger.

9. Vekselretter ifølge krav 8, kendetegnet ved, at differenstransformatoren (9) er koblet til et Hall-element (13).

10. Vekselretter ifølge krav 8 eller 9, kende-30 tegnet ved, at differenstransformatoren (9) har to viklinger med forskellige viklingstal. DK PR 172562 B1 14

11. Vekselretter ifølge krav 10, kendetegnet ved, at den ene spole (11) har én vikling mere end den anden spole (10).

12. Vekselretter ifølge krav 10 eller 11, kende- 5 tegnet ved, at en af spolerne har netop én vikling.

13. Vekselretter ifølge ethvert af kravene 6-11, kendetegnet ved, at fejlstrømsdetektoren (4) er indrettet til fejldetektering af en kortslutning i 10 en invertergren.

14. Vekselretter ifølge ethvert af kravene 6-11, kendetegnet ved, at fejlstrømsdetektoren (4) er indrettet til fejldetektering af kortslutning af to faser.

15. Vekselretter ifølge ethvert af kravene 6-11, kendetegnet ved, at fejlstrømsdetektoren er indrettet til fejldetektering af kortslutning til jord.