Einrichtung zur Istwert-Erfassung einer Meßgröße auf hohem Potential
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Istwert- Erfassung einer Meßgröße auf hohem Potential und deren Verwendung bei einem Stromrichter hoher Leistung.
Bei der Regelung eines Wechselstromantriebes benötigt die Steuer- und Regeleinrichtung des Stromrichters dieses Antriebs sowohl die Istwerte der Ausgangsströme be¬ ziehungsweise der AusgangsSpannungen, als auch die Istwerte des Zwischen reisstro es beziehungsweise der Zwischen- kreisspannung des Stromrichters. Diese Gleich- und Wechselgrößen auf hohem Potential müssen potentialgetrennt vom Umrichter zur zugehörigen Steuer- und Regeleinrichtung übertragen werden.
Zur potentialgetrennten Erfassung von Meßgrößen eines Stromrichters werden magnetische Sensoren verwendet. Ein derartiger Sensor besteht aus einer Spule mit einem Luftspalt, in dem ein Hallelement angeordnet ist, und einer Elektronik. Diese Spule wird über eine Stromleitung oder eine Stromschiene geschoben, in der der zu messende Strom fließt.
Die Nachteile dieser Meßwandler sind im wesentlichen durch das magnetische Meßprinzip bedingt. Diese Nachteile sind:
Großer Raumbedarf, zusätzliche Hilfsenergie mit relativ hoher Leistung erforderlich, große Störempfindlichkeit gegenüber äußeren Magnet¬ feldern und Potentialsprüngen zwischen Primär- und Sekundärseite.
Zusätzlich störend sind:
Die erforderlichen, abgeschirmten Leitungen zwischen Steuergerät und Stromrichter zur Übertragung der Hilfsenergie und des Meßwertes, - der hohe Isolationsaufwand für die sicherheits¬ technisch relevante Potentialtrennstelle zwischen Steuergerät und Stromrichter, der im und um diese Wandler erforderlich ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Istwert-Erfassung einer Meßgröße auf hohem Potential anzugeben, die die genannten Nachteile nicht mehr aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 6.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Istwert-Erfassung wird anstelle eines magnetischen Sensors ein Meßverstärker mit vorgeschalteter Meßbereichsanpassung verwendet. Das heißt, die Erfassung der Meßgröße und gegebenenfalls die Verarbeitung dieser Meßgröße geschieht bei dieser Einrichtung bei hohem Potential. Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform der Einrichtung zur Istwert-Erfassung einer Meßgröße braucht diese Einrichtung selbst keine Potentialtrennung mehr zu bewirken. Somit verringert sich der Raumbedarf dieser Einrichtung erheblich.
Bei der Verwendung dieser erfindungsgemäßen Einrichtung zur Istwert-Erfassung einer Meßgröße bei einem Stromrichter hoher Leistung, dessen Stromrichterventile jeweils mit einer Ansteuereinheit versehen sind, denen jeweils potentialgetrennt ein Steuersignal und eine Hilfsenergie und von diesen Steuereinheiten jeweils ein Rückmeldesignal potentialgetrennt einem Steuergerät zugeführt werden, sind keine abgeschirmten Leitungen zwischen dem Steuergerät des Stromrichters und der Einrichtung zur Istwert-Erfassung
erforderlich. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Einrichtung zur Istwert-Erfassung benötigt diese Einrichtung nunmehr nur noch sehr wenig Platz, so daß sie in unmittelbarer Nähe der Ansteuereinheit eines Stromrichterventils, dessen Strom-Istwert ermittelt werden soll, angeordnet werden kann. Dadurch kann die benötigte Hilfsenergie, die gegenüber der benötigten Hilfsenergie des bekannten magnetischen Meßwandlers sehr viel geringer ist, aus der Hilfsenergie der Ansteuereinheit eines Stromrichterventils ausgekoppelt werden. Das heißt, die Hilfsenergie für die erfindungsgemäße Einrichtung zur Istwert-Erfassung braucht nicht mehr vom Steuergerät übermittelt zu werden, wodurch das Problem des hohen Isolationsaufwandes für die sicherheitstechnisch relevante Potentialtrennstelle zwischen Steuergerät und Stromrichter entfällt.
Zur Übertragung des ermittelten Meßwertes zum Steuergerät bietet sich die Verwendung des vorhandenen Übertragungskanals für das Rückmeldesignal von der Ansteuereinheit zum Steuergerät an. Dazu kann mit einfachen und bekannten Mitteln der analoge Meßwert für diesen entsprechenden Übertragungskanal verarbeitet werden, wodurch die räumliche Ausdehnung dieser Einrichtung nicht wesentlich geändert wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Einrichtung zur Istwert-Erfassung ist diese Einrichtung integraler Bestandteil einer Ansteuereinheit eines Stromrichterventils, deren BezugsSpannung als Bezugspunkt einer Meßgröße dient. Dadurch erhält die Ansteuereinheit zwei weitere Anschlüsse für die Meßgrößen und gegebenenfalls drei weitere Anschlüsse für die Energiezufuhr.
Durch diese Integration der Einrichtung zur Istwert-Erfassung wird im Stromrichter kein weiterer Platz für die Istwert- Erfassung benötigt. Außerdem besteht die Möglichkeit, beim aufgebauten Stromrichter nachträglich durch Verbindungen von
Meßpunkten des Stromrichters mit entsprechenden AnSteuereinheiten seiner Stromrichterventile noch weitere Meßgrößen erfassen zu können, die bei der Konstruktion des Stromrichters noch nicht berücksichtigt waren.
Außerdem werden durch die Vereinfachung der Einrichtung zur Istwert-Erfassung nicht nur Kosten gespart, sondern auch die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems wesentlich gesteigert.
Weitere Ausgestaltungsmerkmale der Einrichtung zur Istwert- Erfassung sind den Unteransprüchen 2-5 zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Istwert-Erfassung schematisch veranschaulicht sind.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Teils eines Strom richters mit einem herkömmlichen Meßwandler, in Figur 2 ist das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild nach Figur 1 mit der erfindungsgemäßen Einrichtung in zwei Ausführungs formen.
In Figur 1 ist von einem mehrphasigen Stromrichter 2 wegen der Übersichtlichkeit nur eine Phase 4, auch Phasenbaustein bzw. Phasenmodul genannt, näher dargestellt. Diese Phase 4 des Stromrichters 2 enthält zwei in Reihe geschaltete Thyristoren Thl und Th2 mit ihren zugehörigen Freilaufdioden FD1 und FD2. Der Verbindungspunkt 6 bildet einen Stromrichterausgang, an dem eine Phase einer nicht näher dargestellten mehrphasigen Last angeschlossen ist. In der Zuleitung 8 zwischen Ausgang 6 und einem Phasenanschluß der Last ist ein Shunt-Widerstand 10 angeschlossen, der zwei Anschlüsse 12 und 14 aufweist. Die gleichstromseitigen Anschlüsse des Phasenmoduls 4 des Stromrichters 2 sind mit
den gleichstromseitigen Anschlüssen P und N des Stromrichters 2 elektrisch gleitend verbunden.
Jedem abschaltbaren Thyristor Thl bzw. Th2, auch GTO (Gate- Turn-Off)- Thyristor genannt, ist eine Ansteuereinheit 16 bzw. 18 zugeordnet. Die Ansteuereinheit 16 bzw. 18, auch Gate-Unit genannt, ist ausgangsseitig mit einem Gate-Anschluß G und einem Kathoden-Anschluß K des GTO-Thyristors Thl bzw. Th2 elektrisch leitend verbunden. Außerdem ist die Ansteuereinheit 16 bzw. 18 mit seinem Rückmeldesignalanschluß 20 bzw. 22 mittels eines Lichtwellenleiters 24 bzw. 26 mit einem Steuergerät 28 des Stromrichters 2 potentialgetrennt verknüpft. Eingangsseitig ist der Steuersignalanschluß 30 bzw. 32 der Ansteuereinheit 16 bzw. 18 ebenfalls mittels eines Lichtwellenleiters 34 bzw. 36 mit dem Steuergerät 28 verknüpft. Außerdem weist die Ansteuereinheit 16 bzw. 18 Hilfsenergieanschlüsse 38, 40 bzw. 42, 44 auf, an denen eine Hilfsstromversorgung 46 bzw. 48 angeschlossen ist. Diese Hilfsstromversorgung 46 bzw. 48 besteht aus einem Wechselrichter 50 bzw. 52 und einem Trenntransformator 54 bzw. 56 zur Potentialtrennung der unterschiedlichen Potentiale des Steuergerätes 28 und des Stromrichters 2. Diese Potentialtrennstelle ist in diesem Blockschaltbild durch eine Strich-Punkt-Linie 58 angedeutet.
Auf der Seite hohen Potentials ist innerhalb des Stromrichters 2 eine Einrichtung 60 zur Istwert-Erfassung angeordnet, deren Meßgrößen-Eingänge 62 und 64 mit den gleichstromseitigen Anschlüssen P und N des Stromrichters 2 elektrisch leitend verbunden sind. Bei dieser Einrichtung 60 handelt es sich um einen im Handel erhältlichen magnetischen Sensor mit Hallelement 66 und Elektronik 68, der zur Strombegrenzung einen Vorwiderstand 70 aufweist (LEM Current Transducerε, Datapack, der Firma Heme International) . Die Eletronik 68 weist 2 Hilfsenergieanschlüsse 72 und 74 und einen Meßsignalanschluß 76 auf. Diese Anschlüsse 72 bis 76 sind elektrisch leitend mit dem Steuergerät 28 verbunden. Da
das Steuergerät 28 und die Einrichtung 60 sich auf sehr unterschiedlichem Potential befinden, muß die Potentialtrennung, ebenfalls gekennzeichnet durch eine Strich-Punkt-Linie 58, innerhalb der Einrichtung 60 vonstatten gehen. Durch den hohen Isolationsaufwand für die sicherheitstechnisch relevante Potentialtrennung zwischen Steuergerät 28 und Stromrichter 2 beansprucht die bekannte Einrichtung 60 einen großen Raum. Außerdem sind abgeschirmte Leitungen zwischen Steuergerät 28 und Stromrichter 2 zur Übertragung der Hilfsenergie und des Meßwertes erforderlich, um Störungen zu vermeiden. In der dargestellten Anordnung der Einrichtung 60 zur Istwert-Erfassung wird die Spannung Ul, d.h. der Spannungsabfall am GTO-Thyristor Thl, gemessen. Soll der Strom il, der aus dem Ausgang 6 des Stromrichters 2 herausfließt, gemessen werden, so muß die Einrichtung 60 mit seinen Anschlüssen 62 und 64 mit den Anschlüssen 12 und 14 des Shunt-Widerstandes 10 elektrisch leitend verbunden werden.
Der Gesamtaufwand für die sichere elektrische Trennung an der Strich-Punkt-Linie 58 der Einrichtung 60 zwischen Steuergerät 28 und Stromrichter 2 ist nicht nur sehr hoch, sondern beansprucht auch einen erheblichen Raum, der den Platzbedarf des Stromrichters 2 wesentlich erhöht.
In der Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 60 zur Istwert-Erfassung einer Meßgröße näher dargestellt. Diese vorteilhafte Ausführungsform besteht aus einer Meßbereichsanpassung 78, einem Meßverstärker 80, einer Signalverarbeitungs-Einrichtung 82 und einer Hilfenergie-Versorgungseinheit 84.
Die Signalverarbeitung-Einrichtung 82 besteht beispielsweise aus einem Analog-Digital-Wandler 86 und einem nachgeschalteten Modulator 88, wobei der Modulator 88 einen zweiten Signaleingang 90 aufweist. Die Meßbereichsanpassung 78 ist eingangsseitig mit den Meßgrößen-Eingängen 62 und 64
und ausgangεseitig mit dem Meßverstärker 80 elektrisch leitend verbunden. Als Meßbereichsanpassung 78 ist beispielsweise ein Spannungsteiler, bestehend aus den zwei Widerständen 92 und 94, vorgesehen, wobei deren Verbindungspunkt 96 den Ausgang der Meßbereichsanpassung 78 bildet. Der nachfolgende Meßverstärker 80 verstärkt einerseits die angepaßte Meßgröße MW' ' und paßt andererseits die Meßbereichsanpassung 78 impedanzmäßig an die nachfolgende Signalverarbeitungs-Einrichtung 82 an. Diese Signalverarbeitungs-Einrichtung 82 verarbeitet den analogen Istwert MW' der gemessenen Meßgröße derart, daß diese Meßgröße auf einem vorbestimmtem Übertragungsweg dem Steuergerät 28 zugeführt werden kann. Da das Steuergerät 28 beispielsweise gemäß dem Aufsatz "Mikrocomputer-Steuerungen in Triebfahrzeugen am Beispiel von SIBAS 16 " abgedruckt in der DE-Zeitschrift "ZEV-Glas. Ann. 113 (1989), Nr. 4 April, Seiten 117-126) ", mikrocomputergesteuert ist, muß das analoge Meßsignal MW' in Digitalform vorliegen. Welcher handelsübliche Analog-Digital-Wandler 86 mit welchem Verfahren verwendet wird, bleibt dem Anwender überlassen. Das zu übertragende Meßsignal, das am Meßsignalanschluß 76 der Einrichtung 60 ansteht, kann auch analog sein, wodurch die Umsetzung in einen digitalen Wert auch im Steuergerät 28 vorgenommen werden kann.
Die Stromversorgung des Meßverstärkers 80 und/oder der Signalverarbeitung-Einrichtung 82 erfolgt durch die Hilfsenergie-Versorgungseinheit 84. Diese Versorgungseinheit 84 besteht aus einem Hilfübertrager 100 und einer Gleichrichterschaltung 102, die eingangsseitig mit den Ausgängen der Sekundärwicklung 104 des Übertragers 100 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 104 weist als dritten Anschluß eine Mittelanzapfung 106 auf. Diese Mittelanzapfung 106 der Sekundärwicklung 104 ist ebenfalls mit dem Meßgrößen- Eingang 64 elektrisch leitend verbunden. Diese Mittelanzapfung 106 bildet für die Meßbereichsanpassung 78, den Meßverstärker 80 und die Signalverarbeitungs-Einrichtung
82 das Bezugspotential, auch Null- bzw. Massepotentialzahl genannt. Ausgangsseitig ist die Gleichrichterschaltung 102 mit den Versorgungsspannung-Anschlüssen des Meßverstärkers 80 verbunden.
Da für die Übertragung der Meßgröße zum Steuergerät 28 der Übertragungskanal für das Rückmeldesignal Rl bzw. R2 der Gate-Unit 16 bzw. 18 benutzt werden soll, um einen weiteren Lichtwellenleiter als Übertragungskanal zu sparen, wird der Modulator 88 benötigt. An seinem zweiten Signaleingang 90 steht das Rückmeldesignal Rl bzw. R2 an. Mittels eines Multiplexverfahrens wird die digitalisierte Meßgröße MW und das Rückmeldesignal Rl bzw. R2 über dem vorhandenen Lichtwellenleiter 24 bzw. 26 zum Steuergerät 28 potentialgetrennt übertragen.
Somit enthält eine einfache Ausführungsform der Einrichtung 60 zur Istwert-Erfassung nur eine Meßbereichsanpassung 78, einen Meßverstärker 80 und eine Hilfsenergie- Versorgungseinheit 84.
Der Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der Einrichtung 60 zur Istwert-Erfassung zu entnehmen. Bei dieser weiteren Ausführungsform besteht die Hilfsenergie-Versorgungseinheit 84 nur aus einer Gleichrichterschaltung 102 und vom Hilfsübertrager 100 blieb nur die Sekundärwicklung 104 mit seinen drei Ausgängen übrig, die dem Trenntransformator 56 als zusätzliche isolierte Sekundärwicklung 104 zugeordnet ist.
Außerdem zeigt diese Figur 3, daß die Einrichtung 60 zur Istwert-Erfassung jeweils in der Ansteuereinheit 16 und 18 integriert ist. In beiden Fällen sind die Hilfsenergieanschlüsse 72 und 74 der Einrichtung 60 mit den Hilfsenergieanschlüssen 38, 40 und 42, 44 der AnSteuereinheiten 16 und 18 elektrisch leitend verbunden. In beiden Fällen sind die Meßgrößen-Eingänge 62 und 64 der
Einrichtung 60 aus der Ansteuereinheit 16 und 18 herausgeführt.
Erst durch die Verkabelung dieser Eingänge 62 und 64 mit Meßpunkten des Stromrichters 2 wird festgelegt, was für Meßgrößen gemessen werden sollen. Soll beispielsweise der Strom il und die Spannung Ul gemessen werden, so werden die Eingänge 62 und 64 der Ansteuereinheit 16 mit den Anschlüssen 12 und 14 des Shunt-Widerstandes 10 und die Eingänge 62 und 64 der Ansteuereinheit 18 mit den Anschlüssen P und N elektrisch leitend verbunden.
Die integrierten Einrichtungen 60 der AnSteuereinheiten eines zweiten Phasenmoduls 4 des Stromrichters 2 könnte dazu verwendet werden, einerseits den Istwert eines zweiten Phasenstromes i2 und andererseits beispielsweise den Istwert der Temperatur der Stromrichterventile Thl, ..., Th6 zu messen.
Somit besteht bei der in der Ansteuereinheit integrierten Einrichtung 60 zur Istwert-Erfassung die Möglichkeit, auch nach Aufbau des Stromrichters 2 die zu messenden Meßgrößen auswählen zu können. Das heißt, durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Einrichtung 60 zur Istwert-Erfassung wird kein zusätzlicher Platz im Stromrichter 2 wie für die handelsübliche Einrichtung 60 benötigt. Außerdem werden durch diese Vereinfachungen Kosten gespart und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems gesteigert.