EP4165768A2 - Messanordnung für einen umrichter und umrichteranordnung - Google Patents

Messanordnung für einen umrichter und umrichteranordnung

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EP4165768A2
EP4165768A2 EP21745206.9A EP21745206A EP4165768A2 EP 4165768 A2 EP4165768 A2 EP 4165768A2 EP 21745206 A EP21745206 A EP 21745206A EP 4165768 A2 EP4165768 A2 EP 4165768A2
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EP
European Patent Office
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measuring
unit
converter
designed
arrangement according
Prior art date
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Pending
Application number
EP21745206.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Reisinger
Martin Schmidt
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Filing date
Publication date
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    • G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor
    • G01R21/06—Arrangements for measuring electric power or power factor by measuring current and voltage

Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement for a converter and a converter arrangement with such a measuring arrangement.
  • Measurement arrangements for determining the power transmitted by an electrical converter are known from the prior art. Usually, the current and voltage are measured on the alternating current side or on the direct current side of the converter, and the transmitted power is determined from this. This is possible with a high degree of accuracy in the case of interference-free harmonic signals.
  • Such high-frequency switched converter units have several electronically controlled half bridges, which are switched on and off by an electronic control unit in a modulation process, for example pulse width modulation (PWM), with control signals staggered in time.
  • PWM pulse width modulation
  • the semiconductor switches of the half-bridges switch the input voltage on and off with a high and time-controlled switching frequency; the generated alternating voltage is thus composed of small pulses of different widths, which are fed to a choke, so that an approximately sinusoidal output current is established.
  • the switching frequency of the half bridges is significantly higher than the frequency of the useful signal. This high switching frequency has an impact on the generated output signal, so that it is subject to harmonics.
  • the harmonics cause losses, so that the switched electrical power and other electrical parameters can only be determined with difficulty in converters of this type. For example, it is difficult to determine the operating point and efficiency of an electrical machine when measuring the electrical parameters on the machine input side, since such a measurement has to take place in a specific frequency range and does not take into account the power of the harmonics. As a result, the parameters and machine parameters required for regulating the electrical machine are subject to great uncertainties. It is practically impossible to determine non-linear effects via current and switching frequency.
  • a measuring arrangement is designed to determine the electrical power of a switched electrical converter unit, in which at least two electronic half-bridges are switched by a control unit in a modulation method with control signals that are offset in time.
  • the half bridges can each have two semiconductor switches, in particular SiC or GaN semiconductor switches.
  • Such semiconductor switches can consist of several components and in particular comprise free-wheeling diodes arranged in parallel.
  • the converter unit can be a switched inverter arrangement for converting a direct voltage Vdc into an alternating voltage V ac .
  • the converter unit can also be a switched rectifier arrangement for converting an alternating voltage V ac into a direct voltage Vdc.
  • the converter unit can also be a switched DC voltage converter for converting a first DC voltage Vi into a second DC voltage ⁇ .
  • the measuring arrangement according to the invention comprises a measuring unit which is connected to current sensors which are designed to measure the bridge currents in the output or input lines of the half-bridges of the converter unit. Interfaces of the converter unit can be used for this purpose.
  • the current sensors can be highly dynamic sensors, the measuring frequency of which is at least as high as or higher than the switching frequency of the PWM method.
  • the current sensors can be arranged in the output or input lines of the half-bridges of the converter unit.
  • control unit and the measuring unit can be designed as electronic data processing units.
  • the control unit and the measuring unit can be designed as separate and independent units, so that an existing converter arrangement with a control unit can be supplemented by a compatible measuring unit for power measurement.
  • the control unit and the measuring unit can be integrated in a common unit.
  • the measuring unit is connected to the control unit for time synchronization. As a result, the times of the PWM control signals defined by the control unit can be transmitted to the measuring unit.
  • the measuring unit is designed to define measuring times of the current sensors, which are time-synchronized with the control signals of the half-bridges. It is thereby achieved that measured values of the current sensors are taken into account at those times at which the corresponding half-bridge is activated, that is to say is live. In this way, the electrical current supplied or drawn by the half bridge can be measured in each pulse of the PWM method. Consequently, when calculating the electrical power, the currents of each individual half-bridge of the converter unit can be taken into account, which results in a more precise power measurement than if only the resulting total current were taken into account. In particular, this enables dead times between the bridge switches to be taken into account.
  • the measuring unit can be designed to interrogate the current sensors with a measuring frequency which corresponds approximately to the frequency of the control signals.
  • the control unit or the measuring unit defines measuring times in advance which are essentially in the middle of the switch-on duration of the control signals.
  • the measuring unit can be designed to interrogate the current sensors with a measuring frequency that is higher than the frequency of the control signals.
  • the measuring unit obtains several measured values during a PWM pulse and the measuring unit subsequently selects those measuring times that are essentially in the middle of the switch-on duration ton of the control signals.
  • the measuring unit can also be designed to interrogate the current sensors during the activation period of the control signals at several measuring times and to average the resulting measured values during a PWM pulse. As a result, the mean current value of this PWM pulse can be measured particularly precisely.
  • the measuring unit is connected to at least one direct voltage sensor arranged on the direct voltage side of the converter unit.
  • the measuring unit can be designed to determine the switched electrical power from the measured bridge currents and the measured direct voltage on the direct voltage side. It is basically irrelevant in which direction the power flow is pointing; the converter unit can be designed as a rectifier or inverter.
  • the total electrical power transmitted during a period of the useful signal can be calculated as the sum of the individual measured current values in the PWM pulses times the measured DC voltage, based on the respective duration of the PWM pulses compared to the period duration of the useful signal. In the case of a multiphase converter unit, this calculation can also be carried out for individual phases of the converter unit in order to determine the electrical power supplied or drawn for each phase.
  • the measuring unit can be designed to take into account the electrical internal resistances of the semiconductor switches and other electronic components of the half bridges, for example free-wheeling diodes connected in parallel, when calculating the electrical power of the converter unit.
  • the measuring unit is also connected to a direct current sensor arranged on the direct voltage side of the converter unit.
  • the measuring unit can calculate the electrical power drawn or supplied on the direct current side.
  • the electrical efficiency of the converter unit can be calculated by comparing it with the electrical power calculated on the AC side from the individual bridge currents.
  • the invention also relates to a converter arrangement with a measuring arrangement according to the invention, wherein the converter unit can be a switched rectifier arrangement, a switched inverter arrangement, or a switched DC voltage converter.
  • the measuring unit is preferably integrated with the control unit in a common data processing unit.
  • the converter unit can be connected to an electric machine, for example an electric motor or an electric generator.
  • the measuring unit can also be connected to the electrical machine.
  • the measuring unit can be designed to receive mechanical measured values such as speed, torque, acceleration and the like and to calculate the mechanical power of the electrical machine from these mechanical measured values.
  • the measuring unit can be designed for connection to external sensors of the machine.
  • the measuring unit can be designed to receive thermal measured values such as the temperature of a motor winding, waste heat or temperature difference of a cooling medium of the electrical machine or the like.
  • the measuring unit can also be designed to determine the mechanical power of the electrical machine from these thermal measured values.
  • the measuring unit can be designed to determine parameters of the components of an electrical and / or mechanical equivalent circuit diagram of the electrical machine from the electrical or mechanical measured values.
  • the measuring unit can also be designed to determine the efficiency of the electrical machine from the calculated electrical power of the converter unit and the calculated mechanical power of the electrical machine, that is to say the efficiency of the conversion of the electrical power into mechanical power or vice versa.
  • the measuring unit can also be designed to determine parameters derived from the electrical and mechanical measured values, such as active power, reactive power or power factor of the electrical machine.
  • the converter arrangement is used in an industrial application, a test stand for vehicles, or in a vehicle.
  • the converter unit of the converter arrangement can also draw a direct voltage from a direct voltage intermediate circuit of a test stand or feed such a circuit.
  • the DC voltage sensor can preferably be arranged in a central DC voltage intermediate circuit in order to be able to easily calculate the electrical power drawn or supplied by the converter unit.
  • FIG. 1a shows an embodiment of an embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic block diagram with an electrical machine
  • FIG. 1b shows an embodiment of an embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic circuit diagram
  • FIG. 1c shows a further exemplary embodiment of an embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic circuit diagram
  • 2a shows schematically the course of the control signals and the resulting current in the output line of the half bridges in an embodiment of a measuring arrangement according to the invention
  • 2b shows schematically the course of the control signals and the resulting current in the output line of the half bridges in a further embodiment of a measuring arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows an embodiment of a further embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic circuit diagram
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an embodiment of a converter arrangement according to the invention as a schematic block diagram.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of an embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic block diagram with an inverter arrangement
  • 6 shows an exemplary embodiment of an embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic block diagram with a switched DC voltage converter.
  • the measuring arrangement comprises an electronic measuring unit 1 which is connected via interfaces to current sensors 6, 6 ‘(not shown) in an electrical converter unit 2.
  • the measuring unit 1 is connected via interfaces to sensors for measuring mechanical variables of an electrical machine 7, namely the speed, the acceleration, the torque and the waste heat of the electrical machine.
  • the converter unit 2 is a switched inverter arrangement which converts a direct voltage Vi made available by a battery into an alternating voltage V ac for operating the electrical machine 7.
  • the converter unit 2 comprises two electronic half bridges 3, 3 ', which are switched by an electronic control unit 4 in a modulation process with control signals that are offset in time.
  • the control unit 4 and the measuring unit 1 are designed as separate units.
  • the control unit 4 calculates trigger times for controlling the electronic half-bridges 3, 3 'of the converter unit 2 and makes them available to the converter unit 2.
  • the current sensors 6, 6 'are for measuring the Bridge currents in the output or input lines of the half bridges 3, 3 'of the converter unit 2 are arranged.
  • the measuring unit 1 is connected to the control unit 4 for time synchronization and is designed to define measuring times 8, 8 of the current sensors 6, 6, which are synchronized in time with the control signals of the half bridges 3, 3 ‘. As a result, the measuring unit 1 can detect the current values precisely when the PWM control signals activate the respective half-bridge.
  • FIG. 1b shows an exemplary embodiment of an embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic circuit diagram.
  • the internal structure of the converter unit 2, which here works as an inverter is shown schematically.
  • the half bridges 3, 3 'each include two electronic semiconductor switches, namely - depending on the desired voltage range and desired dynamics - SiC or GaN transistors Qi, Cte, Qi ‘, Cte' with free-wheeling diodes connected in parallel (not shown for reasons of clarity). These semiconductor switches are connected to the control unit 4 via control lines.
  • a direct voltage sensor 10 On the input side, that is to say on the side of the direct voltage Vi, a direct voltage sensor 10 is arranged.
  • current sensors 6, 6 'with high dynamics are arranged in the two output lines of the half bridges 3, 3'.
  • the DC voltage sensor 10 and the current sensors 6, 6 ' are connected to the measuring unit 1 via data lines.
  • the control unit 4 provides the measuring unit 1 with a trigger signal in order to enable the current measurement to be synchronized with the PWM control signals.
  • FIG. 1c shows a further exemplary embodiment of an embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic circuit diagram.
  • This embodiment corresponds essentially to that from FIG. 1b, but the control unit 4 comprises the measuring unit 1, in other words, the function of the measuring unit 1 is taken over by the control unit 4 in this exemplary embodiment.
  • 2a shows schematically the course of the control signals of the switches Q1, Q2 'or Q2, Q1' and the resulting current I3 in the output line of the left half bridges 3 of the circuit from FIG. 1b.
  • the PWM control signals of the switches are shown with solid lines.
  • the control unit 4 controls the semiconductor switches with PWM-modulated signals in such a way that an approximately sinusoidal current profile results in the output line.
  • the dashed lines show the measurement times 8, 8 'of the current sensors 6, 6'.
  • the measuring unit 1 queries the current sensors at a frequency which corresponds approximately to the frequency of the control signals, so that a current measurement takes place in each of the PWM control signals.
  • the current value measured per period T is represented by a point.
  • the period duration of the PWM control signals is marked with the symbol T.
  • the measuring unit 1 knows the expected profile of the control signals and defines measurement times 8, 8 ‘in advance, which are essentially in the middle of the switch-on duration ton of the control signals. Consequently, in this embodiment, the current sensors 6, 6 'must be designed for a frequency which corresponds to the frequency of the PWM control signals.
  • the transmitted electrical power of the output signal is calculated as the sum of the number M of half bridges and the number N of PWM pulses per period of the output signal Tout from the mean measured bridge current lij per half bridge and the direct voltage Vij measured in the current pulse on the direct voltage side of the converter unit , whereby the DC voltage Vi j measured in the current pulse can also be assumed to be constant if necessary:
  • the calculated transmitted electrical power can be compared as a result of the mechanical power calculated from the mechanical variables of the electrical machine 7.
  • An efficiency of the electrical machine 7 can be calculated from the ratio of the mechanical power to the electrical power.
  • the mechanical power of the electrical machine 7 can also be determined from the measured waste heat.
  • Fig. 2b shows schematically the course of the control signals and the resulting current in the output line of the half bridges in a further embodiment of a measuring arrangement according to the invention.
  • the measuring unit 1 queries the current sensors 6, 6 ‘with a measuring frequency that is significantly higher than the frequency of the control signals, as can be seen from the numerous dashed lines. Only afterwards, that is to say in a post-processing step, does the measuring unit 1 select those measuring times 8, 8 ‘that are essentially in the middle of the switch-on duration ton of the control signals.
  • the transmitted electrical power of the output signal is also calculated here according to the above formula. This allows the power measurement to be flexibly adapted to the PWM method; however, requires the use of highly dynamic current sensors.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a further embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic circuit diagram.
  • the converter unit 2 is designed as a 3-phase inverter which converts a direct voltage Vi into a 3-phase alternating voltage by means of six half-bridges 3, 3 ', 3a, 3a', 3b, 3b 'arranged in parallel and electronically controlled by the control unit 4 converts with phases L1, L2, L3.
  • Two half bridges are connected together via current-compensated interleaving chokes 9, 9 ', 9a, 9a', 9b, 9b 'in order to enable a smooth current transfer between the half bridges.
  • a current sensor 6, 6 ', 6a, 6a', 6b, 6b ' is arranged in each output line of the half bridges; the input DC voltage is measured via a DC voltage sensor 10.
  • the measuring unit 1 is again integrated into the control unit 4.
  • the measuring unit 1 is designed to use the synchronized measured values of the current sensors 6, 6 ', 6a, 6a', 6b, 6b 'and the DC voltage sensor 10, the electrical power of each phase L1, L2,
  • the converter arrangement comprises a measuring arrangement and two converter units 2, 2, which work as an inverter and a downstream rectifier.
  • the measuring unit 1 is again integrated into the control unit 4.
  • two electronic half bridges 3, 3 are switched by a control unit 4 in a modulation process with control signals that are offset in time.
  • the two converter units 2, 2 ‘thus form a DC voltage converter which converts the DC voltage Vi to the DC voltage V2.
  • the invention is not restricted to the present exemplary embodiments, but rather comprises all devices and methods within the scope of the following patent claims.
  • the invention is not limited to the use of pulse width modulation methods with a constant switching frequency, but also includes the use of pulse width modulation methods with a variable switching frequency. Terms used herein are not intended to be interpreted too narrowly.
  • the specific circuit implementation of the inverter or rectifier arrangement is also not essential to the invention.
  • Converter units provided according to the invention in the form of inverter or rectifier arrangements or DC voltage converters can always provide internal galvanic isolation and can be provided for medium to high electrical outputs, for example outputs in the range from 10 kW to 100 kW with a DC voltage of 12V, 24V, 48V, 230V or 850 V or up to 300 kVA AC power.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of an embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic block diagram.
  • This exemplary embodiment differs from that described in FIG. 1 a in that an inverter arrangement 11 is tested instead of an electrical machine 7.
  • the measuring arrangement comprises an electronic measuring unit 1 which is connected via interfaces to current sensors 6, 6 ‘(not shown) in an electrical converter unit 2.
  • the measuring unit 1 is connected via interfaces to sensors for measuring electrical quantities of the inverter arrangement 11 to be tested, namely direct current Idc and direct voltage Vdc.
  • the converter unit 2 is a switched inverter arrangement which converts a direct voltage Vi made available by a battery into an alternating voltage V ac for operating the inverter arrangement 11 to be tested.
  • the converter unit 2 comprises two electronic half bridges 3, 3 ', which are switched by an electronic control unit 4 in a modulation process with control signals that are offset in time.
  • the control unit 4 and the measuring unit 1 are designed as separate units.
  • the control unit 4 calculates trigger times for controlling the electronic half-bridges 3, 3 'of the converter unit 2 and makes them available to the converter unit 2.
  • the Current sensors 6, 6 ' are arranged in the output or input lines of half-bridges 3, 3' of converter unit 2 to measure the bridge currents.
  • the measuring unit 1 is connected to the control unit 4 for time synchronization and is designed to define measuring times 8, 8 of the current sensors 6, 6, which are synchronized in time with the control signals of the half bridges 3, 3 ‘. As a result, the measuring unit 1 can detect the current values precisely when the PWM control signals activate the respective half-bridge.
  • the inverter arrangement 11 to be tested is, in particular, a converter assigned to an electrical machine.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of an embodiment of a measuring arrangement according to the invention as a schematic block diagram, in which a switched DC voltage converter 12 is tested.
  • the measuring arrangement comprises an electronic measuring unit 1 which is connected via interfaces to current sensors 6, 6 ‘(not shown) in an electrical converter unit 2.
  • the measuring unit 1 is connected via interfaces to sensors for measuring electrical quantities of the switched direct voltage converters 12 to be tested, namely direct current Idc2 and direct voltage Udc2.
  • the converter unit 2 is also a switched DC voltage converter which converts a DC voltage Vi provided by a battery into a DC voltage Vdc for operating the switched DC voltage converter 12 to be tested.
  • the converter unit 2 comprises two electronic half bridges 3, 3 ', which are switched by an electronic control unit 4 in a modulation process with control signals that are offset in time.
  • the control unit 4 and the measuring unit 1 are designed as separate units.
  • the control unit 4 calculates trigger times for controlling the electronic half-bridges 3, 3 'of the converter unit 2 and makes them available to the converter unit 2.
  • the current sensors 6, 6 ' are arranged in the output or input lines of the half-bridges 3, 3' of the converter unit 2 for measuring the bridge currents.
  • the measuring unit 1 is connected to the control unit 4 for time synchronization and is designed to define measuring times 8, 8 'of the current sensors 6, 6' that are time-synchronized with the control signals of the half-bridges 3, 3 '. As a result, the measuring unit 1 can detect the current values precisely when the PWM control signals activate the respective half-bridge.
  • the switched DC / DC converter 12 to be tested is in particular a DC / DC converter in the vehicle connected downstream of a fuel cell or a DC / DC converter in a DC charging infrastructure.

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Abstract

Messanordnung zur Bestimmung der Brückenströme einer geschalteten elektrischen Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3') von einer Steuereinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, umfassend eine Messeinheit (1), die mit Stromsensoren (6, 6') verbunden ist, wobei die Stromsensoren (6, 6') zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken (3, 3') angeordnet sind, und die Messeinheit (1) mit der Steuerungseinheit (4) zur zeitlichen Synchronisierung verbunden ist, wobei die Messeinheit (1) dazu ausgeführt ist, Messzeitpunkte (8, 8') der Stromsensoren (6, 6') zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken (3, 3') synchronisiert sind, sowie Umrichteranordnung mit einer derartigen Messanordnung.

Description

Messanordnung für einen Umrichter und Umrichteranordnung
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung für einen Umrichter sowie eine Umrichteranordnung mit einer derartigen Messanordnung.
Aus dem Stand der Technik sind Messanordnungen zur Bestimmung der von einem elektrischen Umrichter übertragenen Leistung bekannt. Gewöhnlich werden dabei Strom und Spannung auf der Wechselstromseite oder auf der Gleichstromseite des Umrichters gemessen, und daraus die übertragene Leistung bestimmt. Dies ist bei störungsfreien harmonischen Signalen mit hoher Genauigkeit möglich.
Bei Umrichteranordnungen mit hochfrequent geschalteten Wandlereinheiten führen diese Messanordnungen jedoch zu ungenauen Ergebnissen. Derartige hochfrequent geschaltete Wandlereinheiten verfügen über mehrere elektronisch gesteuerte Halbbrücken, die durch eine elektronische Steuereinheit in einem Modulationsverfahren, beispielsweise Pulsweitenmodulation (PWM), mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen ein- und ausgeschaltet werden. Beispielsweise schalten bei einem PWM-Wechselrichter die Halbleiterschalter der Halbbrücken die Eingangsspannung mit hoher und zeitlich variabel gesteuerter Schaltfrequenz ein und aus; die erzeugte Wechselspannung setzt sich somit aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammen, die auf eine Drossel geführt werden, sodass sich ein annähernd sinusförmiger Ausgangsstrom einstellt. Die Schaltfrequenz der Halbbrücken ist dabei wesentlich höher als die Frequenz des Nutzsignals. Diese hohe Schaltfrequenz schlägt auf das erzeugte Ausgangssignal durch, sodass dieses mit Oberschwingungen behaftet ist. Die Oberschwingungen bewirken Verluste, sodass die geschaltete elektrische Leistung und andere elektrische Kenngrößen bei derartigen Umrichtern nur schwierig bestimmt werden können. Beispielsweise ist die Bestimmung des Arbeitspunkts und Wirkungsgrads einer elektrischen Maschine bei einer Messung der maschineneingangsseitigen elektrischen Parameter nur schwer möglich, da eine derartige Messung in einem bestimmten Frequenzbereich erfolgen muss und die Leistung der Oberschwingungen nicht berücksichtigt. Dies führt dazu, dass die für die Regelung der elektrischen Maschine erforderlichen Kenngrößen und Maschinenparameter mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Nichtlineare Effekte über Strom und Schaltfrequenz können praktisch nicht ermittelt werden.
Aus diesen und anderen Gründen besteht Bedarf nach einer Messanordnung zur exakten Bestimmung der geschalteten elektrischen Leistung und anderer Kenngrößen bei geschalteten Umrichtern. Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß mit einer Messanordnung nach Anspruch 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Messanordnung ist zur Bestimmung der elektrischen Leistung einer geschalteten elektrischen Wandlereinheit ausgebildet, in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken von einer Steuerungseinheit in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden. Die Halbbrücken können jeweils zwei Halbleiterschalter aufweisen, insbesondere SiC- oder GaN- Halbleiterschalter. Derartige Halbeiterschalter können aus mehreren Bauteilen bestehen und insbesondere in Parallelschaltung angeordnete Freilaufdioden umfassen.
Bei der Wandlereinheit kann es sich um eine geschaltete Wechselrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung Vdc in eine Wechselspannung Vac handeln. Die Wandlereinheit kann auch eine geschaltete Gleichrichteranordnung zur Umwandlung einer Wechselspannung Vac in eine Gleichspannung Vdc sein. Ferner kann die Wandlereinheit auch ein geschalteter Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung Vi in eine zweite Gleichspannung \ sein. Die erfindungsgemäße Messanordnung umfasst eine Messeinheit, die mit Stromsensoren verbunden ist, welche zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken der Wandlereinheit ausgebildet sind. Zu diesem Zweck können Schnittstellen der Wandlereinheit genutzt werden. Die Stromsensoren können hochdynamische Sensoren sein, deren Messfrequenz zumindest gleich hoch oder höher ist als die Schaltfrequenz des PWM-Verfahrens. Die Stromsensoren können in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken der Wandlereinheit angeordnet sein.
Die Steuerungseinheit und die Messeinheit können als elektronische Datenverarbeitungseinheiten ausgebildet sein. Die Steuerungseinheit und die Messeinheit können als getrennte und unabhängige Einheiten ausgebildet sein, sodass eine bestehende Umrichteranordnung mit einer Steuerungseinheit durch eine kompatible Messeinheit zur Leistungsmessung ergänzt werden kann. Alternativ können die Steuereinheit und die Messeinheit in einer gemeinsamen Einheit integriert sein.
Die Messeinheit ist mit der Steuerungseinheit zur zeitlichen Synchronisierung verbunden. Dadurch können die von der Steuerungseinheit definierten Zeitpunkte der PWM-Ansteuersignale an die Messeinheit übertragen werden.
Die Messeinheit ist dazu ausgebildet, Messzeitpunkte der Stromsensoren zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken synchronisiert sind. Dadurch wird erreicht, dass Messwerte der Stromsensoren zu jenen Zeitpunkten berücksichtigt werden, zu denen die entsprechende Halbbrücke aktiviert, also stromführend, ist. Somit kann in jedem Puls des PWM-Verfahrens der von der Halbbrücke gelieferte oder bezogene elektrische Strom gemessen werden. Folglich können bei der Berechnung der elektrischen Leistung die Ströme jeder einzelnen Halbbrücke der Wandlereinheit berücksichtigt werden, was in einer genaueren Leistungsmessung resultiert, als wenn nur der resultierende Gesamtstrom berücksichtigt werden würde. Insbesondere wird dadurch ermöglicht, dass auch Totzeiten zwischen den Brückenschaltern berücksichtigt werden. Die Messeinheit kann dazu ausgebildet sein, die Stromsensoren mit einer Messfrequenz abzufragen, die etwa der Frequenz der Ansteuersignale entspricht. In diesem Fall definiert die Steuereinheit oder die Messeinheit im Vorhin Messzeitpunkte, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer der Ansteuersignale liegen. Alternativ kann die Messeinheit dazu ausgebildet sein, die Stromsensoren mit einer Messfrequenz abzufragen, die höher ist als die Frequenz der Ansteuersignale. In diesem Fall bezieht die Messeinheit mehrere Messwerte während eines PWM-Impulses und die Messeinheit wählt im Nachhinein jene Messzeitpunkte aus, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen. In diesem Fall kann die Messeinheit auch dazu ausgebildet sein, die Stromsensoren während der Einschaltdauer der Ansteuersignale zu mehreren Messzeitpunkten abzufragen, und die resultierenden Messwerte während eines PWM-Impulses zu mittein. Dadurch kann besonders genau der mittlere Stromwert dieses PWM-Impulses gemessen werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Messeinheit mit zumindest einem, auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit angeordneten Gleichspannungssensor verbunden ist. Die Messeinheit kann dazu ausgebildet sein, die geschaltete elektrische Leistung aus den gemessenen Brückenströmen und der gemessenen Gleichspannung auf der Gleichspannungsseite zu bestimmen. Dabei ist es grundsätzlich nicht relevant, in welche Richtung der Leistungsfluss zeigt; die Wandlereinheit kann als Gleichrichter oder Wechselrichter ausgebildet sein. Die gesamte, während einer Periode des Nutzsignals übertragene elektrische Leistung kann als Summe der einzelnen gemessenen Stromwerte in den PWM-Impulsen mal der gemessenen Gleichspannung berechnet werden, bezogen auf die jeweilige Zeitdauer der PWM-Impulse gegenüber der Periodendauer des Nutzsignals. Diese Berechnung kann bei einer mehrphasigen Wandlereinheit auch für einzelne Phasen der Wandlereinheit durchgeführt werden, um die je Phase gelieferte oder bezogene elektrische Leistung zu bestimmen.
Ferner kann die Messeinheit dazu ausgebildet sein, bei der Berechnung der elektrischen Leistung der Wandlereinheit die elektrischen Innenwiderstände der Halbleiterschalter und anderer elektronischer Komponenten der Halbbrücken, beispielsweise parallelgeschalteter Freilaufdioden, zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die Messeinheit auch mit einem, auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit angeordneten Gleichstromsensor verbunden ist. Folglich kann die Messeinheit die auf der Gleichstromseite bezogene oder gelieferte elektrische Leistung berechnen. Durch Vergleich mit der auf der Wechselstromseite aus den einzelnen Brückenströmen berechneten elektrischen Leistung kann der elektrische Wirkungsgrad der Wandlereinheit berechnet werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Umrichteranordnung mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung, wobei die Wandlereinheit eine geschaltete Gleichrichteranordnung, eine geschaltete Wechselrichteranordnung, oder ein geschalteter Gleichspannungswandler sein kann. In diesem Fall ist die Messeinheit vorzugsweise mit der Steuereinheit in eine gemeinsame Datenverarbeitungseinheit integriert.
Die Wandlereinheit kann an eine elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor oder einen Elektrogenerator, angeschlossen sein. Die Messeinheit kann ebenfalls mit der elektrischen Maschine verbunden sein.
Insbesondere kann die Messeinheit zur Entgegennahme von mechanischen Messwerten wie Drehzahl, Drehmoment, Beschleunigung und dergleichen und zur Berechnung der mechanischen Leistung der elektrischen Maschine aus diesen mechanischen Messwerten ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann die Messeinheit zum Anschluss an externe Sensoren der Maschine ausgebildet sein.
Die Messeinheit kann zur Entgegennahme von thermischen Messwerten wie Temperatur einer Motorwicklung, Abwärme oder Differenztemperatur eines Kühlmediums der elektrischen Maschine oder dergleichen ausgebildet sein. Die Messeinheit kann auch dazu ausgebildet sein, aus diesen thermischen Messwerten die mechanische Leistung der elektrischen Maschine zu bestimmen.
Die Messeinheit kann dazu ausgebildet sein, aus den elektrischen oder mechanischen Messwerten Parameter der Komponenten eines elektrischen und/oder mechanischen Ersatzschaltbildes der elektrischen Maschine zu bestimmen. Die Messeinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, aus der berechneten elektrischen Leistung der Wandlereinheit und der berechneten mechanischen Leistung der elektrischen Maschine den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu bestimmen, also die Effizienz der Umwandlung der elektrischen Leistung in mechanische Leistung oder umgekehrt.
Die Messeinheit kann auch dazu ausgeführt sein, aus den elektrischen und mechanischen Messwerten abgeleitete Kenngrößen wie Wirkleistung, Blindleistung oder Leistungsfaktor der elektrischen Maschine zu bestimmen.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Umrichteranordnung in einer industriellen Anwendung, einem Prüfstand für Fahrzeuge, oder in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Besonders bevorzugt kann die Wandlereinheit der Umrichteranordnung auch eine Gleichspannung einem Gleichspannungszwischenkreis eines Prüfstands beziehen oder einen solchen speisen. Bei der Anwendung in einem Prüfstand kann der Gleichspannungssensor vorzugsweise in einem zentralen Gleichspannungszwischenkreis angeordnet sein, um die von der Wandlereinheit bezogene oder gelieferte elektrische Leistung einfach berechnen zu können.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, den Figuren und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die Erfindung wird im Folgenden an Hand nicht ausschließlicher Ausführungsbeispiele erläutert:
Fig. 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild mit einer elektrischen Maschine;
Fig. 1b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild;
Fig. 1c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild;
Fig. 2a zeigt schematisch den Verlauf der Ansteuersignale und des resultierenden Stroms in der Ausgangsleitung der Halbbrücken bei einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung; Fig. 2b zeigt schematisch den Verlauf der Ansteuersignale und des resultierenden Stroms in der Ausgangsleitung der Halbbrücken bei einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung;
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild;
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung als schematisches Blockschaltbild.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild mit einer Wechselrichteranordnung; Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild mit einem geschalteten Gleichspannungswandler.
Fig. 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild. Die Messanordnung umfasst eine elektronische Messeinheit 1, die über Schnittstellen mit (nicht dargestellten) Stromsensoren 6, 6‘ in einer elektrischen Wandlereinheit 2 verbunden ist.
Weiters ist die Messeinheit 1 über Schnittstellen mit Sensoren zur Messung mechanischer Größen einer elektrischen Maschine 7 verbunden, nämlich der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Drehmoments und der Abwärme der elektrischen Maschine.
Die Wandlereinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine geschaltete Wechselrichteranordnung, die eine von einer Batterie zur Verfügung gestellte Gleichspannung Vi in eine Wechselspannung Vac zum Betrieb der elektrischen Maschine 7 umwandelt. Die Wandlereinheit 2 umfasst zwei elektronische Halbbrücken 3, 3‘, die von einer elektronischen Steuerungseinheit 4 in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerungseinheit 4 und die Messeinheit 1 als getrennte Einheiten ausgebildet. Die Steuerungseinheit 4 berechnet Triggerzeitpunkte zur Ansteuerung der elektronischen Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 und stellt diese der Wandlereinheit 2 zur Verfügung. Die Stromsensoren 6, 6‘ sind zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 angeordnet.
Die Messeinheit 1 ist mit der Steuerungseinheit 4 zur zeitlichen Synchronisierung verbunden und ist dazu ausgeführt, Messzeitpunkte 8, 8‘ der Stromsensoren 6, 6‘ zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken 3, 3‘ synchronisiert sind. Dadurch kann die Messeinheit 1 die Stromwerte genau dann detektieren, wenn die PWM-Ansteuersignale die jeweilige Halbbrücke aktivieren.
Fig. 1b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild. In diesem Schaltbild ist der innere Aufbau der Wandlereinheit 2, welche hier als Wechselrichter arbeitet, schematisch dargestellt. Die Halbbrücken 3, 3‘ umfassen jeweils zwei elektronische Halbleiterschalter, nämlich -je nach gewünschtem Spannungsbereich und gewünschter Dynamik - SiC- oder GaN-Transistoren Qi, Cte, Qi‘, Cte' mit parallelgeschalteten Freilaufdioden (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Diese Halbleiterschalter sind über Ansteuerleitungen mit der Steuerungseinheit 4 verbunden.
Eingangsseitig, also auf Seiten der Gleichspannung Vi, ist ein Gleichspannungssensor 10 angeordnet. Ausgangsseitig, also auf Seiten der Wechselspannung Vac, sind in den beiden Ausgangsleitungen der Halbbrücken 3, 3‘ Stromsensoren 6, 6‘ mit hoher Dynamik angeordnet. Der Gleichspannungssensor 10 und die Stromsensoren 6, 6‘ sind mit der Messeinheit 1 über Datenleitungen verbunden. Die Steuerungseinheit 4 stellt der Messeinheit 1 ein Triggersignal zur Verfügung, um eine Synchronisierung der Strommessung mit den PWM-Ansteuersignalen zu ermöglichen.
Fig. 1c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen jener aus Fig. 1b, wobei jedoch die Steuerungseinheit 4 die Messeinheit 1 umfasst, mit anderen Worten, die Funktion der Messeinheit 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die Steuerungseinheit 4 übernommen. Fig. 2a zeigt schematisch den Verlauf der Ansteuersignale der Schalter Q1 , Q2‘ bzw. Q2, Q1‘ und des resultierenden Stroms I3 in der Ausgangsleitung der linken Halbbrücken 3 der Schaltung aus Fig. 1b. Dabei sind die PWM-Ansteuersignale der Schalter mit durchgezogenen Linien dargestellt. Die Steuerungseinheit 4 steuert die Halbleiterschalter derart mit PWM-modulierten Signalen an, dass sich in der Ausgangsleitung ein etwa sinusförmiger Stromverlauf ergibt. Die strichlierten Linien zeigen die Messzeitpunkte 8, 8‘ der Stromsensoren 6, 6‘. Die Messeinheit 1 fragt die Stromsensoren in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Frequenz ab, die etwa der Frequenz der Ansteuersignale entspricht, sodass in jedem der PWM-Ansteuersignale eine Strommessung erfolgt. Der je Periode T gemessene Stromwert ist durch einen Punkt dargestellt. Die Periodendauer der PWM-Ansteuersignale ist mit dem Symbol T gekennzeichnet.
Die Messeinheit 1 kennt hier den zu erwartenden Verlauf der Ansteuersignale und definiert vorab Messzeitpunkte 8, 8‘, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen. Folglich müssen bei dieser Ausführungsform die Stromsensoren 6, 6‘ auf eine Frequenz ausgelegt sein, die der Frequenz der PWM-Ansteuersignale entspricht.
Die übertragene elektrische Leistung des Ausgangssignals berechnet sich als Summe über die Anzahl M der Halbbrücken und die Anzahl N der PWM-Pulse je Periode des Ausgangssignals Tout aus dem mittleren gemessenen Brückenstrom lij je Halbbrücke und der im aktuellen Puls gemessenen Gleichspannung Vij auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit, wobei die im aktuellen Puls gemessene Gleichspannung Vi j gegebenenfalls auch als konstant angenommen werden kann: Die berechnete übertragene elektrische Leistung kann in Folge der aus den mechanischen Größen der elektrischen Maschine 7 berechneten mechanischen Leistung gegenübergestellt werden.
Aus dem Verhältnis der mechanischen Leistung zur elektrischen Leistung kann ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 7 berechnet werden. Die mechanische Leistung der elektrischen Maschine 7 kann auch aus der gemessenen Abwärme bestimmt werden.
Fig. 2b zeigt schematisch den Verlauf der Ansteuersignale und des resultierenden Stroms in der Ausgangsleitung der Halbbrücken bei einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung. In diesem Ausführungsbeispiel fragt die Messeinheit 1 die Stromsensoren 6, 6‘ mit einer Messfrequenz ab, die wesentlich höher ist als die Frequenz der Ansteuersignale, wie durch die zahlreichen strichlierten Linien ersichtlich ist. Erst im Nachhinein, also in einem Post-Processing-Schritt, wählt die Messeinheit 1 jene Messzeitpunkte 8, 8‘ aus, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen. Die übertragene elektrische Leistung des Ausgangssignals berechnet sich auch hier nach der obigen Formel. Dies erlaubt die flexible Anpassung der Leistungsmessung an das PWM-Verfahren; erfordert jedoch die Verwendung hochdynamischer Stromsensoren.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Schaltbild. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Wandlereinheit 2 als 3-phasiger Wechselrichter ausgebildet, der eine Gleichspannung Vi mittels sechs parallel angeordneter, elektronisch von der Steuerungseinheit 4 angesteuerter Halbbrücken 3, 3‘, 3a, 3a‘, 3b, 3b‘ in eine 3-phasige Wechselspannung mit den Phasen L1, L2, L3 umwandelt. Je zwei Halbbrücken sind über stromkompensierte Interleaving-Drosseln 9, 9‘, 9a, 9a‘, 9b, 9b‘ zusammengeschaltet, um einen glatten Stromübergang zwischen den Halbbrücken zu ermöglichen. In jeder Ausgangsleitung der Halbbrücken ist ein Stromsensor 6, 6‘, 6a, 6a‘, 6b, 6b‘ angeordnet; die Eingangs-Gleichspannung wird über einen Gleichspannungssensor 10 gemessen. Wiederum ist die Messeinheit 1 in diesem Ausführungsbeispiel in die Steuerungseinheit 4 integriert. Die Messeinheit 1 ist dazu ausgebildet, aus den synchronisierten Messwerten der Stromsensoren 6, 6‘, 6a, 6a‘, 6b, 6b‘ und des Gleichspannungssensors 10 die elektrische Leistung jeder Phase L1, L2,
L3 zu berechnen.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung als schematisches Blockschaltbild. 1. Die Umrichteranordnung umfasst eine Messanordnung und zwei Wandlereinheiten 2, 2‘, die als Wechselrichter und nachgeschalteter Gleichrichter arbeiten. Wiederum ist die Messeinheit 1 in diesem Ausführungsbeispiel in die Steuerungseinheit 4 integriert. In jeder der Wandlereinheit 2, 2‘ werden zwei elektronische Halbbrücken 3, 3‘ von einer Steuereinheit 4 in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet. Gemeinsam bilden die beiden Wandlereinheiten 2, 2‘ also einen Gleichspannungswandler, der die Gleichspannung Vi auf die Gleichspannung V2 umwandelt.
In jedem der beiden Wandlereinheiten 2, 2‘ werden die Eingangs- bzw.
Ausgangsströme der Halbbrücken über Stromsensoren 6, 6‘ synchron zu den Ansteuersignalen gemessen; ferner werden die Gleichspannungen V1 und V2 ebenfalls gemessen. Dadurch kann die elektrische Leistung der beiden Wandlereinheiten 2, 2‘ getrennt voneinander gemessen werden, und es kann der Wirkungsgrad jeder Wandlereinheit 2, 2‘ bestimmt werden. Ferner sind in diesem Ausführungsbeispiel eingangsseitig und ausgangsseitig Gleichstromsensoren 5, 5‘ vorgesehen. Diese können zur Kalibrierung der in den Wandlereinheiten 2, 2‘ angeordneten dynamischen Stromsensoren 6, 6‘ verwendet werden, wobei zu diesem Zweck ausgangsseitig eine vorab definierte Last angeschlossen wird.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen und Verfahren im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Pulsweitenmodulationsverfahren mit konstanter Schaltfrequenz beschränkt, sondern umfasst auch die Verwendung von Pulsweitenmodulationsverfahren mit variabler Schaltfrequenz. Hierin verwendete Begriffe sollen nicht zu eng ausgelegt werden. Auch ist die konkrete schaltungstechnische Realisierung der Wechsel- oder Gleichrichteranordnung nicht erfindungswesentlich.
Erfindungsgemäß vorgesehene Wandlereinheiten in Form von Wechsel- oder Gleichrichteranordnungen bzw. Gleichspannungswandler können stets auch eine interne galvanische Trennung vorsehen und können für mittlere bis hohe elektrische Leistungen vorgesehen sein, beispielsweise Leistungen im Bereich von 10 kW bis 100 kW bei einer Gleichspannung von 12V, 24V, 48V, 230V oder 850 V bzw. bis zu 300 kVA Wechselstromleistung.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1a beschriebenen dadurch, dass eine Wechselrichteranordnung 11 statt einer elektrischen Maschine 7 getestet wird. Die Messanordnung umfasst eine elektronische Messeinheit 1, die über Schnittstellen mit (nicht dargestellten) Stromsensoren 6, 6‘ in einer elektrischen Wandlereinheit 2 verbunden ist.
Weiters ist die Messeinheit 1 über Schnittstellen mit Sensoren zur Messung elektrischen Größen der zu testenden Wechselrichteranordnung 11 verbunden, nämlich Gleichstrom Idc und Gleichspannung Vdc.
Die Wandlereinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine geschaltete Wechselrichteranordnung, die eine von einer Batterie zur Verfügung gestellte Gleichspannung Vi in eine Wechselspannung Vac zum Betrieb der zu testenden Wechselrichteranordnung 11 umwandelt. Die Wandlereinheit 2 umfasst zwei elektronische Halbbrücken 3, 3‘, die von einer elektronischen Steuerungseinheit 4 in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerungseinheit 4 und die Messeinheit 1 als getrennte Einheiten ausgebildet. Die Steuerungseinheit 4 berechnet Triggerzeitpunkte zur Ansteuerung der elektronischen Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 und stellt diese der Wandlereinheit 2 zur Verfügung. Die Stromsensoren 6, 6‘ sind zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 angeordnet.
Die Messeinheit 1 ist mit der Steuerungseinheit 4 zur zeitlichen Synchronisierung verbunden und ist dazu ausgeführt, Messzeitpunkte 8, 8‘ der Stromsensoren 6, 6‘ zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken 3, 3‘ synchronisiert sind. Dadurch kann die Messeinheit 1 die Stromwerte genau dann detektieren, wenn die PWM-Ansteuersignale die jeweilige Halbbrücke aktivieren.
Bei der zu testenden Wechselrichteranordnung 11 handelt es sich insbesondere um einen einer elektrischen Maschine zugeordneten Umrichter.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung als schematisches Blockschaltbild, bei der ein geschalteter Gleichspannungswandler 12 getestet wird. Die Messanordnung umfasst eine elektronische Messeinheit 1, die über Schnittstellen mit (nicht dargestellten) Stromsensoren 6, 6‘ in einer elektrischen Wandlereinheit 2 verbunden ist.
Weiters ist die Messeinheit 1 über Schnittstellen mit Sensoren zur Messung elektrischen Größen der zu testenden geschalteten Gleichspannungswandler 12 verbunden, nämlich Gleichstrom Idc2 und Gleichspannung Udc2.
Die Wandlereinheit 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein geschalteter Gleichspannungswandler, der eine von einer Batterie zur Verfügung gestellte Gleichspannung Vi in eine Gleichspannung Vdc zum Betrieb des zu testenden geschalteten Gleichspannungswandlers 12 umwandelt. Die Wandlereinheit 2 umfasst zwei elektronische Halbbrücken 3, 3‘, die von einer elektronischen Steuerungseinheit 4 in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerungseinheit 4 und die Messeinheit 1 als getrennte Einheiten ausgebildet. Die Steuerungseinheit 4 berechnet Triggerzeitpunkte zur Ansteuerung der elektronischen Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 und stellt diese der Wandlereinheit 2 zur Verfügung. Die Stromsensoren 6, 6‘ sind zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken 3, 3‘ der Wandlereinheit 2 angeordnet. Die Messeinheit 1 ist mit der Steuerungseinheit 4 zur zeitlichen Synchronisierung verbunden und ist dazu ausgeführt, Messzeitpunkte 8, 8‘ der Stromsensoren 6, 6‘ zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken 3, 3‘ synchronisiert sind. Dadurch kann die Messeinheit 1 die Stromwerte genau dann detektieren, wenn die PWM-Ansteuersignale die jeweilige Halbbrücke aktivieren.
Bei dem zu testenden geschalteten Gleichspannungswandler 12 handelt es sich insbesondere um einen einer Brennstoffzelle nachgeschalteten Gleichspannungswandler im Fahrzeug oder einen Gleichspannungswandler einer Gleichspannungsladeinfrastruktur.
Bezugszeichenliste
1 Messeinheit
2 2 Wandlereinheit
3, 3‘, 3a, 3a‘, 3b, 3b‘ Halbbrücke 4 Steuerungseinheit
5, 5‘ Gleichstromsensor
6, 6‘, 6a, 6a‘, 6b, 6b‘ Stromsensor 7 Elektrische Maschine
8 8 Messzeitpunkt
9, 9‘, 9a, 9a‘, 9b, 9b‘ Interleavingdrossel
10 10 Gleichspannungssensor
11 Wechselrichteranordnung
12 Gleichspannungswandler

Claims

Patentansprüche
1. Messanordnung zur Bestimmung der elektrischen Leistung einer geschalteten elektrischen Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3‘) von einer Steuerungseinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, umfassend eine Messeinheit (1), die mit Stromsensoren (6, 6‘) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Stromsensoren (6, 6‘) zur Messung der Brückenströme in den Ausgangs- oder Eingangsleitungen der Halbbrücken (3, 3‘) der Wandlereinheit (2) ausgebildet sind, und b. die Messeinheit (1 ) mit der Steuerungseinheit (4) zur zeitlichen Synchronisierung verbunden ist, wobei c. die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, Messzeitpunkte (8, 8‘) der Stromsensoren (6, 6‘) zu definieren, die zeitlich mit den Ansteuersignalen der Halbbrücken (3, 3‘) synchronisiert sind.
2. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, die Stromsensoren (6, 6‘) mit einer Messfrequenz abzufragen, die etwa der Frequenz der Ansteuersignale entspricht und im Vorhin Messzeitpunkte (8, 8‘) zu definieren, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen.
3. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, die Stromsensoren (6, 6‘) mit einer Messfrequenz abzufragen, die höher ist als die Frequenz der Ansteuersignale, und im Nachhinein jene Messzeitpunkte (8, 8‘) auszuwählen, die zeitlich im Wesentlichen in der Mitte der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale liegen.
4. Messanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, die Stromsensoren (6, 6‘) während der Einschaltdauer ton der Ansteuersignale zu mehreren Messzeitpunkten (8, 8‘) abzufragen, und die resultierenden Messwerte zu mittein.
5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) a. mit zumindest einem, auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit (2) angeordneten Gleichspannungssensor (10) verbunden ist, und b. zur Berechnung der geschalteten elektrischen Leistung der Wandlereinheit (2) oder einzelner Phasen der Wandlereinheit (2) aus den gemessenen Brückenströmen und der gemessenen Gleichspannung ausgebildet ist.
6. Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, bei der Berechnung der elektrischen Leistung der Wandlereinheit (2) die elektrischen Innenwiderstände der Halbleiterschalter und anderer elektronischer Komponenten der Halbbrücken (3, 3‘) zu berücksichtigen.
7. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) a. mit zumindest einem, auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit (2) angeordneten Gleichstromsensor (5) verbunden ist, und b. zur Berechnung der elektrischen Leistung auf der Gleichspannungsseite der Wandlereinheit (2) ausgebildet ist, sowie c. zur Berechnung des elektrischen Wirkungsgrades der Wandlereinheit (2) ausgebildet ist.
8. Umrichteranordnung, umfassend eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3‘) von einer Steuereinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (2) eine geschaltete Wechselrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung Vdc in eine Wechselspannung Vac ist.
9. Umrichteranordnung, umfassend eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3‘) von einer Steuereinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (2) eine geschaltete Gleichrichteranordnung zur Umwandlung einer Wechselspannung Vac in eine Gleichspannung Vdc ist.
10. Umrichteranordnung, umfassend eine Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Wandlereinheit (2), in der zumindest zwei elektronische Halbbrücken (3, 3‘) von einer Steuereinheit (4) in einem Modulationsverfahren mit zeitlich versetzten Ansteuersignalen geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (2) ein geschalteter Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung Vi in eine zweite Gleichspannung V2 ist.
11. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (2) an eine elektrische Maschine (7), beispielsweise einen Elektromotor oder einen Elektrogenerator, angeschlossen ist, und die Messeinheit (1) mit der elektrischen Maschine (7) verbunden ist.
12. Umrichteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) zur Entgegennahme von mechanischen Messwerten wie Drehzahl, Drehmoment und dergleichen und zur Berechnung der mechanischen Leistung der elektrischen Maschine (7) ausgebildet ist.
13. Umrichteranordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) zur Entgegennahme von thermischen Messwerten wie Temperatur einer Motorwicklung, Abwärme oder Differenztemperatur eines Kühlmediums der elektrischen Maschine (7) ausgebildet ist.
14. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, aus den elektrischen oder mechanischen Messwerten Parameter der Komponenten eines elektrischen und/oder mechanischen Ersatzschaltbildes der elektrischen Maschine (7) zu bestimmen.
15. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) dazu ausgebildet ist, aus der geschalteten elektrischen Leistung der Wandlereinheit (2) und der mechanischen Leistung der elektrischen Maschine (7) den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine (7) zu bestimmen.
16. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (4) und die Messeinheit (1) in einer gemeinsamen Einheit integriert sind.
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