EP3552029A1 - Strommesseinrichtung sowie verfahren zur messung eines elektrischen stromes in einem stromleiter - Google Patents

Strommesseinrichtung sowie verfahren zur messung eines elektrischen stromes in einem stromleiter

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EP3552029A1
EP3552029A1 EP17825730.9A EP17825730A EP3552029A1 EP 3552029 A1 EP3552029 A1 EP 3552029A1 EP 17825730 A EP17825730 A EP 17825730A EP 3552029 A1 EP3552029 A1 EP 3552029A1
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EP
European Patent Office
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current
voltage
measuring
commutation path
measuring device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17825730.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Henkenius
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Universitaet Paderborn
Original Assignee
Universitaet Paderborn
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Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Paderborn filed Critical Universitaet Paderborn
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter

Definitions

  • the invention relates to a current measuring device for measuring an electric current in a conductor of a power electronic device, in particular a regulated power electronic converter, with a current transformer associated with the current transformer.
  • the invention relates to a method for measuring an electric current in a conductor of a power electronic device, in particular a power electronic converter, wherein the electric current is measured by means of an inductive current transformer.
  • the object of the present invention is therefore to specify a current-measuring device and a method for measuring an electric current in a current conductor of a power-electronic device, such that a fully compliant Current flow can be determined, with negative effects are minimized by Kommutleitersinduktditeen.
  • the invention should be used for silicon carbide or gallium nitride components.
  • the current measuring device comprises a current detection unit having an amplifier winding which is associated with the current to be measured leading current conductor for determining a coil voltage representing the current to be measured, which comprises the current transformer, which is arranged in a second commutation path for determining a measurement voltage representing the current to be measured, which has a first gradient curve which comprises an observer module to which the measuring voltage and the coil voltage are applied on the input side and which is designed such that a Output signal of the observer module in the passage state of the second Kommut ist istspfades corresponds to a course of the measuring voltage and in a passage state of the first Kommutêttechnikspfades corresponds to a course of an estimated signal, wherein the estimation design al is formed by continuation of the measurement voltage with a magnitude equal to the first gradient course, but negative second pitch curve.
  • the invention enables a very cheap and compact construction of a current measuring device, which can be placed in a very small space. Additional inductances in a commutation path are reduced to the bare minimum. Furthermore, switching characteristics of the power electronic switches are hardly affected.
  • the basic idea of the invention is to determine a total current in power electronics arrangements on the basis of an observer principle. Only a single current transformer is used to measure the electric current in a commutation path. The measurement of the current through this current transformer takes place during the transmission state of this commutation path.
  • a current detection unit is provided, at the input of which a test signal output by the current transformer and, on the other hand, a coil signal dropping in a coil connecting the commutation path with an input voltage is present.
  • the current determination unit is designed such that an output signal is determined on the basis of these two input signals, which corresponds to the course of the measurement signal in the passage state of the one commutation path in which the current transformer is located, and which corresponds to the course of an estimation signal in the pass-through state of the other commutation path.
  • the estimated signal is calculated as a continuation of the measurement signal determined in a commutation path and has the same absolute gradient progression as the measurement signal, but with a slope that is negative for the measurement signal.
  • the output signal which corresponds to the total current to be determined, has the course of the measurement signal in the pass-through state of the one commutation path, while it "connects" to the measurement signal in the pass-through state of the other commutation path and continues with a negative slope it is the case with the measurement signal.
  • the current detection unit on the one hand on a current detection device with the current transformer and a rectifier bridge circuit and a switching unit for selectively switching a rectifier bridge path, by means of which a measurement signal can be provided.
  • the current detection unit has an observer module, at the input of which the measurement signal and a coil voltage are present, which drops across the coil which is arranged in the current branch which extends between a connection point of the one (first) commutation path and the other (second) Kommut réellespfades on the one hand and a terminal of the input voltage on the other hand extends.
  • This observer module has a multiplier for multiplying the coil voltage and a regulator voltage, and an integrator integrating a multiplier voltage at the output of the multiplier to the output signal.
  • the observer module has a controller, to whose input a control difference consisting of the output signal and the measurement signal is present.
  • the observation module during the passage state of a commutation path in which the current transformer is calibrated, wherein the output signal approaches the measurement signal.
  • the course of the output signal during the passage state of a commutation path thus corresponds to the measurement signal. If there is a changeover from one commutation path to the other commutation path in which the amplifier coil is arranged, the output signal is determined as an estimated value, assuming the estimated value of the measurement signal at the switchover time and that with negative slope to the previous measurement signal during the pass-through state of the other one Commutation path is continued. In the pass-through state of the other commutation path, an estimate of the current value thus takes place.
  • the invention in conjunction with the preamble of claim 9 is characterized in that the electrical current is measured as a measuring signal by means of the current transformer in a second Kommut réellespfad, while the second Kommut réellespfad is in the für effetsschreib that the electric current in the passage state of a first Kommut réellespfades estimated signal is only estimated, the estimated signal after switching from the second Kommut réellespfad on the first Kommut réellespfad from the measurement signal under negative slope to the slope of the measurement signal in the previous passage state of the second Kommuttechnikspfades, continues.
  • the current measuring method according to the invention is inexpensive, fast and very compact. In particular, it enables current regulation and monitoring in regulated power electronic converters.
  • the compact design of the current measuring device enables the placement of a current detection in a very small space, so that the influence on the switching behavior of power electronic semiconductor devices is reduced to a minimum.
  • the current measuring method is particularly suitable for fast switching power electronic components, such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) semiconductor devices.
  • Fig. 1 is an illustration of a current measuring device according to the invention for
  • Fig. 4 is a time chart of sizes of the current measuring device before and after switching from one Kommutêtspfad to another Kommut réellespfad.
  • the current measuring device can be used to measure an electric current in a current conductor of a power electronic device.
  • 1 shows by way of example a half-bridge circuit having a first commutation path 1 comprising a first power electronic component D H and a second commutation path 2 comprising a second power electronic component DL.
  • the power electronic components D H , D L may be formed, for example, as a thyristor or diodes. It is assumed that both an input voltage Ui and an output voltage U 2 are constant and greater than zero. In addition, the output voltage U 2 is greater than the input voltage Ui.
  • the current measuring device essentially consists of a current detection unit 3, which has an observer module 4, a coil winding or amplifier winding L with a proportionality constant Ki and a current transformer 6 with a proportionality constant K 2 .
  • the coil winding L is assigned to the one current to be measured i L leading current conductor (commutation path 2).
  • the coil winding L is arranged in a branch current, which connects a connection point 40 with a terminal of the input voltage Ui.
  • the connection point 40 is arranged between the power electronic component DH arranged in the first commutation path 1 and the power electronic component D L arranged in the second commutation path 2.
  • the coil winding L is not arranged in parallel with the power electronic component DH arranged in the first commutation path 1.
  • the current transformer 6 is in series with that in the second Commutation path 2 arranged power electronic device D L arranged.
  • the current transformer 6 is preferably designed as an inductive current transformer.
  • the switches S H , S L are switched on or off alternately, as can be seen from FIG. If the switch SL is switched on in the second commutation path 2, the switch S H in the first commutation path 1 is switched off. As soon as the switch S L is turned on, an electric current i L to be measured, which flows through the coil winding L and the current transformer 6, rises linearly. The current i L is detected by the current transformer 6 and provided as a measuring signal, in particular measuring voltage signal U, an input of the observer module 4 available. As can be seen from FIG.
  • the current transformer 6 is integrated in a current detection device 7, which has, in addition to the current transformer 6, a rectifier bridge circuit 8, a switching unit 9 for the selective connection of a rectifier bridge path of the rectifier bridge circuit 8 and a load resistor RB.
  • the measuring voltage UM drops at the load resistor RB.
  • the switch positions Si, S 2 of the switching unit 9 are dependent on the current direction i L to be measured. Both are therefore switched over in a complementary manner as soon as the sign of the current to be measured ii_ changes. As a result, the voltage measurement signal UM is unipolar, in the present embodiment exclusively positive.
  • a voltage drop u L at the coil winding L which corresponds to the product of the proportionality factor Ki and the input voltage Ui, is applied to a further input of the observer module 4.
  • the output voltage u 0 is fed via a switch S 3 to the input of the controller 12, which is formed in the present embodiment as a PI controller with an operational amplifier, the resistors RRI, RR 2 and capacitor C R.
  • the measurement voltage u M is applied at the other input of the controller 12.
  • the regulator voltage u R applied on the output side of the regulator 12 is fed to the one input of the multiplier 0.
  • the observer module 4 uses the height and the sign of the coil voltage u L to adapt the output voltage uo to the measuring voltage UM. As a result, the observer module 4 is calibrated adaptively as long as the output voltage u 0 is not equal to the measurement voltage u M.
  • the controller 12 is formed by the switch S3 as an interruptible controller with integrating portion.
  • the controller 12 evaluates the voltage difference between the output voltage u 0 of the integrator 11 and the measurement voltage u M.
  • the switch S 3 is turned on as soon as the measuring voltage UM is not equal to zero.
  • the control difference (UM - u 0 ) is amplified by the controller 12 and fed back to the multiplier 10 via the output voltage u R. If the control difference, for example, positive, the output voltage increases u 0 and amplified by multiplication with the coil voltage u L, the input voltage us at the integrator 11. This increases the output voltage U 0 faster until it is equal to the measurement voltage u M. Then the output voltage u 0 of the observer module 4 follows exactly the scaled current K 2 x ii_. The observer module 4 is calibrated with it.
  • the measurement voltage U jumps to the value zero.
  • the control difference (u M - u 0 ) has the value 0.
  • the output voltage uo remains at the same voltage value as before the switching time tu.
  • the voltage UL on the coil winding L changes, since the gradient of the measuring voltage UM and the output voltage before the switching time tu were the same.
  • the scaled current K 2 IL decreases to the same extent as the output voltage u 0 .
  • the slope of the output voltage u 0 thus corresponds in magnitude to the slope of the output voltage u 0 before the switching time tu.
  • the output voltage u 0 has a constant positive gradient in the conducting state of the second commutation path 2 in the present exemplary embodiment and a constant negative gradient in the transmitted state of the first commutation path 1, which are equal in magnitude.
  • the current i L to be measured is thus estimated.
  • the complete course of the output voltage Uo during the passage state of the first commutation path 1 and of the second commutation path 2 corresponds to the total current ii_ to be measured.
  • K 2 The proportionality factors Ki and K 2 are linearly dependent on each other. K 2 can be derived from the following equation which applies to the switching time tu of the half-bridge circuit:
  • the regulator voltage u R is constant both in the pass-through state of the first commutation path 1 and in the second commutation path 2.
  • the multiplying voltage us jumps to a negative value after the switching time tu.
  • the current measuring device is based on the idea that, during the passage state of a commutation path 1, the current I L is measured. sen and during the passage state of the second Kommut ists- path 2 is estimated.

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Abstract

Strommesseinrichtung sowie Verfahren zur Messung eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter Die Erfindung betrifft eine Strommesseinrichtung zur Messung eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung, insbesondere eines geregelten leistungselektronischen Umrichters, mit einem dem Stromleiter zugeordneten Stromwandler (6), wobei die Strommesseinrichtung eine Stromermittlungseinheit (3) aufweist, die eine Verstärkerwicklung aufweist, die dem den zu messenden Strom führenden Stromleiter zugeordnet ist zur Ermittlung einer den zu messenden Strom repräsentierenden Spulenspannung, die den Stromwandler umfasst, der in einem zweiten Kommutierungspfad (2) angeordnet ist zur Ermittlung einer den zu messenden Stroms repräsentierenden Messspannung, die einen ersten Steigungsverlauf aufweist, die einen Beobachtermodul (4) umfasst, an dem eingangsseitig die Messspannung und die Spulenspannung anliegt und die derart ausgebildet ist, dass ein Ausgangssignal des Beobachtermoduls im Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades einem Verlauf der Messspannung entspricht und in einem Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades (1) einem Verlauf eines Schätzsignals entspricht, wobei das Schätzsignal durch Fortsetzung der Messspannung mit einem zum ersten Steigungsverlauf betragsmäßig gleichen, aber negativen zweiten Steigungsverlauf gebildet ist.

Description

Strommesseinrichtung sowie Verfahren zur Messung eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter
Die Erfindung betrifft eine Strommesseinrichtung zur Messung eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung, insbesondere eines geregelten leistungselektronischen Umrichters, mit einem dem Stromleiter zugeordneten Stromwandler.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung, insbesondere eines leistungselektronischen Umrichters, wobei der elektrische Strom mittels eines induktiven Stromwandlers gemessen wird.
Aus der DE 10 2015 200 654 A1 bzw. der EP 2 824 464 A1 ist es bekannt, zur Strommessung Strommesswiderstände einzusetzen. Nachteilig an dieser Messmethode ist, dass das Spannungsmesssignal einer leistungselektronischen Anordnung nicht potentialgetrennt von der leistungselektronischen Schaltung erfasst wird. Durch das Einbringen des Strommesswiderstandes in einen Strompfad der leistungselektronischen Anordnung fallen Verluste an, die den Wirkungsgrad der Strommesseinrichtungen beeinträchtigen.
Aus der EP 1 580 563 A1 ist es bekannt, zur potentialfreien Strommessung Stromwandler einzusetzen. Die Stromwandler sind relativ kompakt aufgebaut und lassen sich auf engem Bauraum platzieren. Nachteilig an den Stromwandlern ist, dass sie einen relativ großen Einfluss auf das Schaltverhalten der leistungselektronischen Schalter haben, denn diese Stromwandler können nur in einem Kommutierungspfad angeordnet werden. Hierdurch wird eine zusätzliche Streuinduktivität in den Kommutierungspfad eingebracht. Ferner wird die Kommutierungsdauer vergrößert. Bei Einsatz von Stromwandlern kann das zu messende Stromsignal nur während der Einschaltdauer des jeweiligen Kommutierungspfades erfasst werden. Sollte in einer Ausschaltphase (nichtleitender Zustand des Kommutierungspfades) ein Fehlerfall eintreten, kann dieser nicht anhand des gemessenen Stromsignals erkannt werden. Zur Vermeidung dieser Problematik müssten mindestens zwei Stromwandler, also jeweils ein Stromwandler in einem ersten und zweiten Kommutierungspfad angeordnet werden. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass hierdurch das Schaltverhalten in den Kommutierungspfaden beeinflusst wird. Insbesondere wenn die schaltenden Bauteile der leistungselektronischen Anordnung aus Siliziumcar- bid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) bestehen, sind die Umschaltzeiten (10 bis 25 ns) kleiner als Umschaltzeiten von aus Silizium bestehenden Halbleiterbauelementen (> 100 ns). Deshalb ist es notwendig, dass die Kommutierungspfade so niederinduktiv wie möglich gestaltet werden, um zur Zerstörung elektrischer Bauteile führende hohe Strom-, Spannungsspitzen oder Oszillationen während der Kommutierungsphase zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Strommesseinrichtung sowie ein Verfahren zur Messung eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung anzugeben, dass ein vollstän- diger Stromverlauf ermittelt werden kann, wobei negative Effekte durch Kommutierungsinduktivitäten minimiert werden. Insbesondere soll die Erfindung für Siliziumcarbid- oder Galliumnitrid-Bauteile genutzt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtung eine Stromermittlungseinheit aufweist, die eine Verstärkerwicklung aufweist, die dem den zu messenden Strom führenden Stromleiter zugeordnet ist zur Ermittlung einer den zu messenden Strom repräsentierenden Spulenspannung, die den Stromwandler umfasst, der in einem zweiten Kommutierungspfad angeordnet ist zur Ermittlung einer den zu messenden Stroms repräsentierenden Messspannung, die einen ersten Steigungsverlauf aufweist, die einen Beobachtermodul umfasst, an dem eingangsseitig die Messspannung und die Spulenspannung anliegt und die derart ausgebildet ist, dass ein Ausgangssignal des Beobachtermoduls im Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades einem Verlauf der Messspannung entspricht und in einem Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades einem Verlauf eines Schätzsignals entspricht, wobei das Schätzsignal durch Fortsetzung der Messspannung mit einem zum ersten Steigungsverlauf betragsmäßig gleichen, aber negativen zweiten Steigungsverlauf gebildet ist.
Die Erfindung ermöglicht einen sehr günstigen und kompakten Aufbau einer Strommesseinrichtung, die auf einem engsten Raum platzierbar ist. Zusatzinduktivitäten in einen Kommutierungspfad werden auf das notwendigste reduziert. Des Weiteren werden Schalteigenschaften der leistungselektronischen Schalter kaum beeinflusst. Grundgedanke der Erfindung ist es, einen Gesamtstrom in leistungselektronischen Anordnungen auf Basis eines Beobachterprinzips zu ermitteln. Es wird lediglich ein einziger Stromwandler zur Messung des elektrischen Stromes in einem Kommutierungspfad genutzt. Die Messung des Stromes durch diesen Stromwandler erfolgt während des Durchleitungs- zustandes dieses Kommutierungspfades. Zusätzlich ist eine Stromermittlungseinheit vorgesehen, an dessen Eingang zum einen ein von dem Stromwandler abgegebenes Messsignal und zum anderen ein in einem den Kommutierungspfad mit einer Eingangsspannung verbindenden Stromzweig angeordneten Spule abfallendes Spulensignal anliegt. Dei Stromermittlungseinheit ist derart ausgebildet, dass auf Basis dieser beiden Eingangssignale ein Ausgangssignal ermittelt wird, das im Durchleitungszustand des einen Kommutierungspfades, in dem sich der Stromwandler befindet, dem Verlauf des Messsignals entspricht, und das im Durchleitungszustand des anderen Kommutierungspfades dem Verlauf eines Schätzsignals entspricht. Das Schätzsignal wird als Fortsetzung des in einem Kommutierungspfad ermittelten Messsignals berechnet und weist den gleichen betragsmäßigen Steigungsverlauf auf wie das Messsignal, jedoch mit einer zum Messsignal negativer Steigung. Das Ausgangssignal, das dem zu ermittelten Gesamtstrom entspricht, weist im Durchleitungszustand des einen Kommutierungspfades den Verlauf des Messsignals auf, während es im Durchleitungszustand des anderen Kommutierungspfades am Messsignal„anknüpft" und mit negativer Steigung fortsetzt. Es erfolgt somit zum Umschaltzeitpunkt keine sprunghafte Änderung, wie es bei dem Messsignal der Fall ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Stromermittlungseinheit zum einen eine Stromerfassungseinrichtung mit dem Stromwandler sowie einer Gleichrichterbrückenschaltung und eine Schalteinheit zur wahlweisen Durchschaltung eines Gleichrichterbrückenpfades auf, mittels dessen ein Messsignal bereitgestellt werden kann.
Ferner weist die Stromermittlungseinheit ein Beobachtermodul auf, an dessen Eingang das Messsignal sowie eine Spulenspannung anliegt, die an der Spule abfällt, die in den Stromzweig angeordnet ist, welcher sich zwischen einem Verbindungspunkt des einen (ersten) Kommutierungspfades und des anderen (zweiten) Kommutierungspfades einerseits und einem Anschluss der Eingangsspannung andererseits erstreckt. Dieses Beobachtermodul weist einen Mutiplizierer zum Multiplizieren der Spulenspannung und einer Reglerspannung auf sowie einen Integrator, an dem einer am Ausgang des Multiplizierers liegende Multiplizierspannung integriert wird zu dem Ausgangssignal. Ferner weist das Beobachtermodul einen Regler auf, an dessen Eingang eine Regeldifferenz bestehend aus dem Ausgangssignal und dem Messsignal anliegt. Hierdurch wird das Beobachtungsmodul während des Durchleitungszustandes des einen Kommutierungspfades, in dem sich der Stromwandler befindet, kalibriert, wobei das Ausgangssignal sich dem Messsignal annähert. Der Verlauf des Ausgangssignals während des Durchleitungszustandes des einen Kommutierungspfades entspricht somit dem Messsignal. Erfolgt eine Umschaltung von dem einen Kommutierungspfad auf den anderen Kommutierungspfad, in dem die Verstärkerspule angeordnet ist, wird das Ausgangssignal als Schätzwert ermittelt, wobei für den Schätzwert von dem Messsignal zum Umschaltzeitpunkt ausgegangen wird und dieser mit negativer Steigung zum vorherigen Messsignal während des Durchleitungszustandes des anderen Kommutierungspfades, fortgeführt wird. In dem Durchleitungszustand des anderen Kommutierungspfades erfolgt somit eine Schätzung des Stromwertes.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mildem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom als Messsignal mittels des Stromwandlers in einem zweiten Kommutierungspfad gemessen wird, während sich der zweite Kommutierungspfad in dem Durchleitungszustand befindet, dass der elektrische Strom im Durchleitungs- zustand eines ersten Kommutierungspfades als Schätzsignal nur geschätzt wird, wobei das Schätzsignal nach Umschaltung von dem zweiten Kommutierungspfad auf den ersten Kommutierungspfad ausgehend von dem Messsignal unter negativer Steigung zu der Steigung des Messsignals im vorherigen Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades, weiter verläuft. Das erfindungsgemäße Strommessverfahren ist kostengünstig, schnell und sehr kompakt. Es ermöglicht insbesondere eine Stromregelung und eine Überwachung in geregelten leistungselektronischen Umrichtern. Die kompakte Bauform der Strommesseinrichtung ermöglicht das Platzieren einer Stromerfassung auf sehr engem Bauraum, so dass der Einfluss auf das Schaltverhalten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente auf einem Minimum reduziert wird. Das Strommessverfahren eignet sich insbesondere für schnellschaltende leistungselektronische Komponenten, wie beispielsweise Halbleiterbauelemente aus Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung zur
Messung eines elektrischen Stromes in einer Halbbrückenschaltung,
Fig. 2 eine detaillierte Darstellung der Strommesseinrichtung,
Fig. 3 Zeitverläufe von verschiedenen Größen der Strommesseinrichtung und
Fig. 4 ein Zeitverlauf von Größen der Strommesseinrichtung vor und nach der Umschaltung von einem Kommutierungspfad zu einem anderen Kommutierungspfad.
Die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung kann zur Messung eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter einer leistungselektronischen An- Ordnung, insbesondere in einem geregelten leistungselektronischen Umrichter, eingesetzt werden. In Figur 1 ist beispielhaft eine Halbbrückenschaltung dargestellt, die einen ersten Kommutierungspfad 1 enthaltend ein erstes leistungselektronisches Bauelement DH und einen zweiten Kommutierungspfad 2 enthaltend ein zweites leistungselektronisches Bauelement DL aufweist. Die leistungselektronischen Bauelemente DH, DL können beispielsweise als Thyristor oder Dioden ausgebildet sein. Es sei angenommen, dass sowohl eine Eingangsspannung Ui als auch eine Ausgangsspannung U2 konstant und größer als Null sind. Darüber hinaus ist die Ausgangsspannung U2 größer als die Eingangsspannung Ui.
In einer vereinfachten Darstellung sind den leistungselektronischen Bauelementen DH, DL jeweils ein Schalter SH, SL parallel geschaltet, die jeweils im eingeschalteten Zustand (SH = 1 , SL = 1) einen Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades 1 bzw. des zweiten Kommutierungspfades 2 symbolisieren.
Die Strommesseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Stromermittlungseinheit 3, die ein Beobachtermodul 4, eine Spulenwicklung bzw. Verstärkerwicklung L mit einer Proportionalitätskonstante Ki sowie einen Stromwandler 6 mit einer Proportionalitätskonstante K2 aufweist. Die Spulenwicklung L ist dem einen zu messenden Strom iL führenden Stromleiter (Kommutierungspfad 2) zugeordnet. Die Spulenwicklung L ist in einem Stromzweig angeordnet, der einen Verbindungspunkt 40 mit einem Anschluss der Eingangsspannung Ui verbindet. Der Verbindungspunkt 40 ist zwischen dem in dem ersten Kommutierungspfad 1 angeordneten leistungselektronischen Bauelement DH und dem in dem zweiten Kommutierungspfad 2 angeordneten leistungselektronischen Bauelement DL angeordnet. Die Spulenwicklung L ist nicht parallel zu dem in dem ersten Kommutierungspfad 1 angeordneten leistungselektronischen Bauteil DH angeordnet. Der Stromwandler 6 ist in Reihe zu dem in dem zweiten Kommutierungspfad 2 angeordneten leistungselektronischen Bauelement DL angeordnet. Der Stromwandler 6 ist vorzugsweise als ein induktiver Stromwandler ausgebildet.
Die Schalter SH, SL werden wechselweise ein- bzw. ausgeschaltet, wie aus Figur 3 ersichtlich ist. Wird der Schalter SL im zweiten Kommutierungspfad 2 eingeschaltet, wird der Schalter SH im ersten Kommutierungspfad 1 ausgeschaltet. Sobald der Schalter SL eingeschaltet ist, steigt ein zu messender elektrischer Strom iL, der durch die Spulenwicklung L und den Stromwandler 6 fließt, linear an. Der Strom iL wird durch den Stromwandler 6 erfasst und als Messsignal, insbesondere Messspannungsignal U , einem Eingang des Beobachtermoduls 4 zur Verfügung gestellt. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist der Stromwandler 6 in einer Stromerfassungseinrichtung 7 integriert, die neben dem Stromwandler 6, eine Gleichrichterbrückenschaltung 8, eine Schalteinheit 9 zur wahlweisen Durchschaltung eines Gleichrichterbrückenpfades der Gleichrichterbrückenschaltung 8 sowie einen Bürdenwiderstand RB aufweist. An dem Bürdenwiderstand RB fällt die Messspannung UM ab. Die Schalterstellungen S-i, S2 der Schalteinheit 9 sind von der zu messenden Stromrichtung iL abhängig. Beide werden daher komplementär umgeschaltet, sobald sich das Vorzeichen des zu messenden Stromes ii_ ändert. Dadurch ist das Spannungsmesssignal UM unipolar, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausschließlich positiv.
Ein Spannungsabfall uL an der Spulenwicklung L, der dem Produkt aus dem Proportionalitätsfaktor K-i und der Eingangsspannung Ui entspricht, liegt an einem weiteren Eingang des Beobachtermoduls 4 an.
Wie aus Figur 2 zu ersehen ist, weist das Beobachtermodul 4 im Wesentlichen einen Multiplizierer 0, ein dem Multiplizierer 10 nachgeschalteter Integrator 1 sowie einen Regler 2 auf. An dem Eingang des Multiplizierers 0 liegt der Spannungsabfall uL der Spulenwicklung L sowie eine Reglerspannung uR an. Ausgangsseitig des Multiplizierers 10 liegt ein Produkt us (us = U X Ul) an, das als Eingangsspannung an dem Integrator 1 anliegt. Ausgangsseitig des Integrators 1 1 , der einen Operationsverstärker sowie den Widerstand R| und den Kondensator Q aufweist, wird eine Ausgangsspannung u0 des Beobachtermoduls 4 gebildet, die dem Verlauf des Stromsignals i|_ im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades 1 und des zweiten Kommutierungspfades 2 entsprechen soll. Die Ausgangsspannung u0 wird über einen Schalter S3 an den Eingang des Reglers 12 geführt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Pl-Regler ausgebildet ist mit einem Operationsverstärker, den Widerständen RRI , RR2 sowie Kondensator CR. An dem anderen Eingang des Reglers 12 liegt die Messspannung uM an. Die ausgangsseitig des Reglers 12 anliegende Reglerspannung uR wird an den einen Eingang des Multiplizierers 0 geführt.
Wenn sich also der erste Kommutierungspfad 1 nicht im Durchleitungszustand (SH = 0) und der zweite Kommutierungspfad 2 im Durchleitungszustand (SL = 1 ) befinden, liegt eine positive Spannung, nämlich uu = Κ-ι x Ui an der Spulenwicklung L an. Das Beobachtermodul 4 nutzt die Höhe und das Vorzeichen der Spulenspannung uL, um die Ausgangsspannung uo an die Messspannung UM anzupassen. Hierdurch wird das Beobachtermodul 4 adaptiv kalibriert, solange die Ausgangsspannung u0 nicht gleich der Messspannung uM ist. Wenn der Schalter SL ausgeschaltet wird (SL = 0) und der Schalter SH eingeschaltet wird (SH = 1 ) kommutiert der Spulenstrom iL auf den ersten Kommutierungspfad 1. In diesem Umschaltzeitpunkt tu sinkt die Messspannung uM auf Null und die Spulenspannung uL springt auf den Wert uL = K1 (Ui - U2). In diesem Zeitpunkt wird die Messung des Stroms ii_ bzw. die Beobachtung derselben deaktiviert. Das Beobachtermodul 4 nutzt nun den Spannungswert uL, um das zu messende Stromsignal IL zu schätzen. Sofern die Messspannung uM und die Ausgangsspannung u0 für einen kurzen Zeitraum vor der Umschaltung gleich waren, entspricht der Verlauf der Ausgangsspannung u0 des Beobachtermoduls 4 exakt dem mit dem Proportionalitätsfaktor K2 skalierten Stromverlauf (uM = K2 x ii_).
Der Regler 12 ist mittels des Schalters S3 als ein unterbrechbarer Regler mit integrierendem Anteil ausgebildet. Der Regler 12 bewertet die Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung u0 des Integrators 11 und der Messspannung uM. Der Schalter S3 wird eingeschaltet, sobald die Messspannung UM ungleich Null ist.
Bei geschlossenem Schalter S3 wird die Regeldifferenz (UM - u0) durch den Regler 12 verstärkt und über die Ausgangsspannung uR auf den Multiplizierer 10 zurückgeführt. Ist die Regeldifferenz beispielsweise positiv, steigt die Ausgangsspannung u0 und verstärkt durch Multiplikation mit der Spulenspannung uL die Eingangsspannung us an dem Integrator 11. Hierdurch steigt die Ausgangsspannung U0 schneller an, bis diese mit der Messspannung uM gleich ist. Dann folgt die Ausgangsspannung u0 des Beobachtermoduls 4 exakt dem skalierten Strom K2 x ii_. Das Beobachtermodul 4 ist damit kalibriert.
Im Umschaltzeitpunkt tu der Halbbrückenschaltung, also wenn der erste Kommutierungspfad 1 eingeschaltet und der zweite Kommutierungspfad 2 ausgeschaltet wird, fällt die Messspannung U sprunghaft auf den Wert Null. Gleichzeitig wird der Schalter S3 geöffnet (S3 = 0). Die Regeldifferenz (uM - u0) hat dadurch den Wert 0. Die Ausgangsspannung uo verharrt auf dem gleichen Spannungswert wie vor dem Umschaltzeitpunkt tu. Gleichzeitig ändert sich die Spannung UL an der Spulenwicklung L, da der Steigungsverlauf der Messspannung UM und der Ausgangsspannung vor dem Umschaltzeitpunkt tu gleich waren. Da sich für das kalibrierte Beobachtermodul 4 nur die Spannung uL der Spulenwicklung L ändert, müssen sowohl die Steigung (K2 x Ii.) als auch die Ausgangsspannung u0 nach dem Umschaltzeitpunkt tu mit der gleichen be- tragsmäßigen Steigung weiterverlaufen. Der skalierte Strom K2IL sinkt im gleichen Maße wie die Ausgangsspannung u0. Die Steigung der Ausgangsspannung u0 entspricht betragsmäßig somit der Steigung der Ausgangsspannung u0 vor dem Umschaltzeitpunkt tu. Die Ausgangsspannung u0 weist im Durch- leitungszustand des zweiten Kommutierungspfades 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine konstante positive Steigung und im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades 1 eine konstante negative Steigung auf, die betragsmäßig gleich sind. Während des Durchleitungszustandes des ersten Kommutierungspfades 1 wird somit der zu messende Strom iL geschätzt. Der vollständige Verlauf der Ausgangsspannung Uo während des Durchleitungszustandes des ersten Kommutierungspfades 1 und des zweiten Kommutierungspfades 2 entspricht dem zu messenden Gesamtstrom ii_.
Die Proportionalitätsfaktoren Ki und K2 sind linear voneinander abhängig. K2 kann aus folgender Gleichung abgeleitet werden, die zum Umschaltzeitpunkt tu der Halbbrückenschaltung gilt:
U0=UM=UR X K-I X V-] x iL=K2 x iL, wobei Vi die Verstärkung des Integrators 1 1 ist.
Daraus folgt die lineare Abbildung: K2=UR X V x Ki.
Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, ist die Reglerspannung uR sowohl im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades 1 als auch des zweiten Kommutierungspfades 2 konstant. Die Multiplizierspannung us springt nach dem Umschaltzeitpunkt tu auf einen negativen Wert.
Die Strommesseinrichtung basiert auf den Gedanken, dass während des Durchleitungszustandes eines Kommutierungspfades 1 der Strom lL gemes- sen und während des Durchleitungszustandes des zweiten Kommutierungs- pfades 2 geschätzt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Strommesseinrichtung zur Messung eines elektrischen Stromes (ii_) in einem Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung, insbesondere eines geregelten leistungselektronischen Umrichters, mit einem dem Stromleiter zugeordneten Stromwandler (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtung eine Stromermittlungseinheit (3) aufweist,
- , die eine Verstärkerwicklung (L) aufweist, die dem den zu messenden Strom (ii_) führenden Stromleiter zugeordnet ist zur Ermittlung einer den zu messenden Strom (iL) repräsentierenden Spulenspannung (uL),
- die den Stromwandler (6) umfasst, der in einem zweiten Kommutierungspfad (2) angeordnet ist zur Ermittlung einer den zu messenden Stroms (iL) repräsentierenden Messspannung (UM), die einen ersten Steigungsverlauf aufweist,
- die einen Beobachtermodul (4) umfasst, an dem eingangsseitig die Messspannung (UM) und die Spulenspannung (uL) anliegt und die derart ausgebildet ist, dass ein Ausgangssigna) (u0) des Beobachtermoduls (4) im Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades (2) einem Verlauf der Messspannung (UM) entspricht und in einem Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades (1) einem Verlauf eines Schätzsignals (K2I[_) entspricht, wobei das Schätzsignal (K2IL) durch Fortsetzung der Messspannung (uM) mit einem zum ersten Steigungsverlauf betragsmäßig gleichen, aber negativen zweiten Steigungsverlauf gebildet ist.
2. Strommesseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zu messende Strom (iL) gebildet ist durch Überlagerung des Messsignals (uM) im Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades (2) und des Schätzsignals (uo) im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades (1).
3. Strommesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromermittlungseinheit (3) eine Stromerfassungseinrichtung (7) mit dem Stromwandler (6) sowie ein Verstärkungsfaktor (K2), eine Gleichrichterbrückenschaltung (8), eine Schalteinheit (9) zur wahlweisen Durchschaltung eines Gleichrichterbrückenpfades und einen Bürdenwiderstand (RB) aufweist, an dem die den zu erfassenden Strom L) repräsentierende Messspannung (uM) abfällt.
4. Strommesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtermodul (4) einen Multiplizierer (10) zur Multiplikation einer an der Verstärkerwicklung (5) abfallenden Spulenspannung (uL) und einer Reglerspannung (uR) aufweist, wobei am Ausgang des Multiplizierers ( 0) eine Multiplizierspannung (us) anliegt, und dass das Beobachtermodul (4) einen Integrator (11) aufweist, an dem eingangsseitig die Multiplizierspannung (us) anliegt und an der ausgangsseitig das als eine Ausgangsspannung (u0) ausgebildete Ausgangssignal anliegt.
5. Strommesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtermodul (4) einen Regler (12) aufweist, an dem eingangsseitig über einen Schalter (S3) die Ausgangsspannung (u0) und die Messspannung (U ) anliegt und an der ausgangsseitig die Reglerspannung (uR) anliegt.
6. Strommesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (12) als eine Pl-Regler ausgebildet ist.
7. Strommesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (S3) im Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades (2) geschlossen ist und dass im Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades (2) die Ausgangsspannung (u0) auf die Messspannung (UM) regelbar ist.
8. Strommesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (S3) im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades (1) geöffnet ist und dass im Durchleitungszustand (S3) des ersten Kommutierungspfades (1) das Schätzsignal (uo) mit einer konstanten Steigung abfällt, wobei die Steigung betragsmäßig der Steigung des Messsignals (UM) im Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades (2) entspricht.
9. Verfahren zum Messen eines elektrischen Stromes (i|_) in einem
Stromleiter einer leistungselektronischen Anordnung, insbesondere eines leistungselektronischen Umrichters, wobei der elektrische Strom OL) mittels eines induktiven Stromwandlers (6) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom (iL) als Messsignal (UM) mittels des Stromwandlers (6) in einem zweiten Kommutierungspfad (2) gemessen wird, während sich der zweite Kommutierungspfad (2) in dem Durchleitungszustand befindet, dass der elektrische Strom L) im Durchleitungszustand eines ersten Kommutierungspfades (1) als Schätzsignal nur geschätzt wird, wobei das Schätzsignal (u0) nach Umschaltung von dem zweiten Kommutierungspfad (2) auf den ersten Kommutierungspfad (1) ausgehend von dem Messsignal (uM) unter negativer Steigung zu der Steigung des Messsignals (U ) im vorherigen Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades (2), weiter verläuft.
0. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Umschaltzeitpunkt (tu) vom Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades (2) in den Durchleitungszustandes des ersten Kommutierungspfades (1) ein Eingang eines Reglers (12) abgeschaltet wird, so dass eine Ausgangsspannung (UR) des Reglers (12) im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades (1) konstant bleibt, und dass an einem Eingang eines Integrators ( ) eine Spannung (us) anliegt, die im Durchleitungszustand des ersten Kommutierungspfades (1) einen im Vergleich zum Durchleitungszustand des zweiten Kommutierungspfades (2) negativen Wert annimmt.
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