WO2008122602A1 - Überspannungsschutz für einen umrichter - Google Patents

Überspannungsschutz für einen umrichter Download PDF

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WO2008122602A1
WO2008122602A1 PCT/EP2008/054083 EP2008054083W WO2008122602A1 WO 2008122602 A1 WO2008122602 A1 WO 2008122602A1 EP 2008054083 W EP2008054083 W EP 2008054083W WO 2008122602 A1 WO2008122602 A1 WO 2008122602A1
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circuit
motor
short
potential side
power switch
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PCT/EP2008/054083
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Bernhard Föcking
Guido Stöppler
Alexander Wagenpfeil
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0833—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements
    • H02H7/0838—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements with H-bridge circuit
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters
    • H02H7/1227—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters responsive to abnormalities in the output circuit, e.g. short circuit

Definitions

  • the invention relates to a motor module for a
  • Electric motor in particular a permanent-magnet synchronous motor, as well as on such a motor module comprehensive control device.
  • the invention further relates to a method for protecting an intended for controlling an electric motor inverter from overvoltage.
  • a stator-side rotating field winding In an electric motor as it is used for example as a drive of a production or machine tool, usually a stator-side rotating field winding is provided.
  • the rotary field winding of the motor is single or multi-stranded, mostly three-stranded, designed and produced - fed with a corresponding single- or multi-phase, usually approximately sinusoidal drive current - a circulating in the air gap between the stator and the rotor of the motor magnetic field, the drives the runner.
  • the strands of the rotating field winding which are interconnected usually in a star connection are also referred to below as motor phases.
  • the motor phases are usually electronically commutated by means of a so-called converter circuit (hereinafter abbreviated to "inverter”).
  • a converter circuit conventionally comprises a so-called electrical intermediate circuit, which leads to a direct electrical voltage (hereinafter referred to as intermediate circuit voltage).
  • intermediate circuit voltage a direct electrical voltage
  • an associated half-bridge is connected (deviating from this is the only motor phase between two half-bridges connected in a single-phase electric motor).
  • Each half-bridge comprises two series-connected circuit breakers, between which a phase connection for the assigned motor phase is arranged.
  • the circuit breakers are usually in the form of electronic switching ments, in particular so-called IGBTs or MOS-FETs trained.
  • the two circuit breakers of a half-bridge are referred to below as high-potential-side or low-potential-side circuit breakers.
  • Each circuit breaker is connected in parallel with a freewheeling diode, which is oriented in the reverse direction with respect to the voltage gradient in the intermediate circuit.
  • a control device for an electric motor usually comprises, in addition to the converter, control logic for controlling the power switches of the converter. Furthermore, the control device of an electric motor usually comprises a control component which, by monitoring an operating variable of the electric motor, usually the motor current or the rotational speed, generates a control signal, which in turn is fed to the control logic as an input variable.
  • the voltage induced by the rotation of the rotor in the stator windings is proportional to the rotational speed of the motor and to the magnetic flux linkage, which represents a measure of the height of the magnetic field in the air gap between rotor and stator.
  • the induced voltage is thus approximately proportional to the rotational speed of the motor.
  • the induced voltage can in this case reach high values, which without suitable protective measures would lead to damage to a conventional converter.
  • an electric motor is usually run at high speeds in a so-called field weakening mode.
  • the motor phases are energized in such a way that the stator generates a magnetic field with a field component counteracting the rotor magnetic field and thus the magnetic field in the air gap between rotor and stator is weakened.
  • VPM Voltage Protection Module
  • a so-called Voltage Protection Module in the form of an electric circuit connected between the motor phases is usually provided in addition to the converter.
  • VPM Voltage Protection Module
  • Such a voltage protection module as is known, for example, from DE 298 13 080 U1, is essentially formed by six diodes and a thyristor interposed therebetween, wherein the motor phases can be short-circuited to one another by triggering the thyristor.
  • the thyristor is controlled via an evaluation circuit of the voltage protection module as a function of the voltage applied in the motor phases.
  • the invention has for its object to provide a simple and inexpensive to implement, compact and at the same time effective overvoltage protection for a provided for the supply of an electric motor inverter.
  • This object is achieved with respect to a motor module by the features of claim 1.
  • the object is achieved by the features of claim 15.
  • the high-potential side circuit breaker or the low-potential side circuit breaker of all half bridges of the inverter causes the motor phase (s) of an electric motor connected to the converter to be short-circuited, so that the intermediate circuit voltage is reduced.
  • the operating state of the converter in which the high-potential-side or low-potential-side circuit breaker of all half-bridges are open is referred to below as shortening "short circuit".
  • short circuit In the case of such a “short circuit” so the motor phases are short-circuited, but not the DC link. If the short circuit is formed via the high-potential-side power switches, the low-potential-side power switches are correspondingly simultaneously supplied, and vice versa.
  • an operating state of a circuit breaker in which the relevant circuit breaker is electrically conductive is referred to as "open”. Accordingly, an operating state of a circuit breaker in which the relevant circuit breaker blocks is referred to as "controlled”.
  • the invention can basically be used both in a single-phase and in a polyphase electric motor.
  • the motor phases will be referred to exclusively in the plural.
  • the special case of a single motor phase is included herein.
  • protection logic is provided in particular.
  • a “logic” is in particular a software module, which is implemented in an associated hardware component, in particular a controller.
  • the protection logic can also be realized by a logic circuit.
  • control logic is integrated in an advantageous embodiment of the invention in the engine module. As a result, a particularly high reliability is achieved with a simple design.
  • This embodiment of the method is particularly advantageous for embodiments of the inventive motor module in which the motor module - inside the module or via an external supply component - is supplied with voltage from the intermediate circuit.
  • the short circuit is expediently restored when the intermediate circuit voltage again exceeds the predetermined maximum voltage.
  • the circuit breakers of the inverter are projected in such a way, ie designed so that they can absorb the expected during the short circuit short-circuit currents permanently without damage.
  • the short circuit is preferably interrupted only temporarily until the short-circuit current has reduced.
  • the short circuit is thus produced intermittently.
  • the short circuit can be interrupted for all motor phases.
  • the short-circuit current is detected separately for each motor phase, and in case of overcurrent, the short circuit is interrupted only for the affected motor phase (s).
  • a decision variable that is characteristic of the temperature of one or more of the circuit breakers open during the short circuit.
  • the short circuit is interrupted when this decision size exceeds a predetermined maximum value.
  • a decision variable either the temperatures of the controlled circuit breaker itself, derived from these temperatures average or maximum temperature or correlated with this temperature, in particular proportional size can be used.
  • the temperatures are either measured or modeled, ie calculated on the basis of a predetermined temperature model, in particular on the basis of the time profile of the currents flowing through the open circuit breaker.
  • the short circuit is expediently interrupted only temporarily until the relevant circuit breakers have cooled sufficiently.
  • the short circuit is therefore operated intermittently again.
  • the short circuit is in turn interrupted in alternative process variants either for all engine phases or for each affected engine phase separately.
  • Time intervals instead, the length of these time intervals optionally depending on other parameters, e.g. the amount of short-circuit current can vary.
  • the temperature of the open-circuited power switch or a decision variable correlated therewith is again determined, and the change is only made when the temperature or decision variable exceeds a predetermined maximum value and thus actually overheats the circuit breaker currently open.
  • the protection logic and thus the overvoltage protection method implemented by the latter, can be reversibly activated and deactivated by specifying a switching signal. This feature allows the motor module to be used to drive motors where overvoltage protection is unnecessary or even detrimental. The latter applies, for example, for asynchronous motors.
  • the control logic is expediently designed to query the switching signal at predetermined, in particular regular time intervals.
  • this switching signal is preferably provided by the control module available.
  • the control logic is expediently designed to store the respectively last value of the switching signal. On the basis of this stored value decides the control logic when starting and in the case of a failed transmission of the switching signal self-sufficient, whether the over-voltage protection method should be executed or not.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an electric motor with an associated control device that includes a motor module and a control module
  • FIG. 2 shows a flowchart of a first program part of a protection logic implemented in the motor module for activating or deactivating an overvoltage protection method as a function of a switching signal
  • FIG. 3 shows in a flowchart a second program part of the protection logic for performing the actual overvoltage protection method
  • FIG. 4 is a representation according to FIG. 3 of an alternative embodiment of the second program part of the protection logic.
  • FIG. 1 shows, roughly schematically, an (electric) motor 1 in the form of a permanent-magnet synchronous motor, which is provided as the drive of a production or machine tool.
  • 1 shows a control device 2 for supplying the motor 1 with a drive current.
  • the control device 2 in this case comprises two separate modules, namely a motor module 3 and a control module 4th
  • the motor 1 comprises a stator 5 (shown only diagrammatically in the illustration), which is wound with a rotating field winding 6.
  • the rotating field winding 6 comprises three winding strands, hereinafter referred to as motor phases L1, L2 and L3, which are connected together in a star point 7.
  • Each motor phase L1, L2, L3 is characterized in terms of its physical properties by an inductance L L1 , L L2 , L L3 an ohmic resistance R L , R L2 , R L3 and an induced voltage U L i, U L2 , U L3 ,
  • the inductors L L1 , L L2 , L L3 , resistors R L , R L2 , R L3 and voltages U L i, U L2 , U L3 are entered in FIG 1 in the form of an equivalent circuit diagram.
  • the motor module 3 comprises a converter 8 and a control unit 9.
  • the converter 8 comprises an electrical intermediate circuit 10 with a high-potential side 11 and a low-potential side 12, between which an intermediate circuit voltage U z is applied during operation of the motor 1.
  • each half-bridge 13a, 13b, 13c for supplying a respective motor phase L1, L2, L3 are connected in parallel.
  • Each half-bridge 13a, 13b, 13c comprises a phase connection 14a, 14b, 14c, at which the associated motor phase
  • the motor phase L1 is connected to the phase terminal 14a of the half bridge 13a, the motor phase L2 to the phase terminal 14b of the half bridge 13b and the motor phase L3 to the phase terminal 14c of the half bridge 13c.
  • each half-bridge 13a, 13b, 13c comprises a high potential-side power switch 15a, 15b, 15c, in particular in the form of an IGBT.
  • Each of these power switches 15a, 15b, 15c, a free-wheeling diode 16a, 16b, 16c is connected in parallel.
  • a partipotential deviser power switch 17a, 17b, 17c is in turn embodied in particular in the form of an IGBT and is flanked by a freewheeling diode 18a, 18b, 18c connected in parallel.
  • the converter 8 further comprises a capacitor 19 connected in parallel circuit 10 in parallel connection with the half bridges 13a, 13b, 13c to compensate for voltage ripples during operation of the motor 1.
  • the control unit 9 is formed by a microcontroller or comprises at least one such.
  • the control unit 9 is supplied via a module-internal voltage supply unit 20 with a supply voltage U v of typically 24 volts.
  • the voltage supply unit 20 is in turn fed from the intermediate circuit 10.
  • control unit 9 a control logic 21 and a protection logic 22 in the form of software modules are implemented.
  • the control unit 9 controls the circuit breaker 15a, 15b, 15c in the operation of the engine 1 by dispensing each associated control signals C on or to rotational-generating phase currents I L i, I L2 , I L 3 in the Motor phases Ll, L2 and L3 to produce.
  • the phase currents I L i, I L2, I L 3 are picked up by current ⁇ knives 23a, 23b, 23c, wherein measured values of these phase currents (for reasons of simplification also referred to as I L i, I L2, I L3) of the control unit 9 as an input variable be supplied.
  • the control unit 9 is supplied with the DC link voltage U z or a measured value proportional thereto as an input variable.
  • the control module 4 includes a (not shown control logic), which controls the speed and / or power of the engine 1 based on a predetermined control variable.
  • a control unit 9 calculates this from the measured phase currents I L i, I L2, I L 3 is an actual current value I and supplies this to the control module 4 to as an input variable.
  • the control module 4 Based on a comparison of the actual current value I with a stored current setpoint, the control module 4 generates a voltage setpoint U 3 as the output variable and returns it to the control unit 9.
  • the control logic 21 Based on this voltage setpoint U 3 and the measured motor currents I L i, I L2 , I L 3, the control logic 21 generates the control signals C.
  • the protection logic 22 monitors during operation of the motor 1, the intermediate circuit voltage U z and closes in the event of an overvoltage, the motor phases L1, L2, L3 via the intermediate circuit 10 briefly by either all highpotential facultyen
  • This switching signal S is the control unit 9, and thus the protection logic 22 provided by the control module 4 as an input variable.
  • the protection logic 22 is divided into two program parts, of which a first part of the program shown in FIG. 2 interrogates the value of the switching signal S at regular time intervals, while a second program part shown in FIG. 3 carries out the actual overvoltage protection method.
  • the first program part according to FIG. 2 is started in a first step 30 with a timer function or the like at regular time intervals.
  • the switching signal S is queried.
  • the protection logic 22 checks whether the
  • Switching signal S could be read in error-free. If this is not the case (N), the program flow returns to step 30 and repeats the read-in process after a waiting time has elapsed. Otherwise (J), i. in the case of an error-free read-in process, the read-in new value of the switching signal S is stored in step 33, whereupon the program sequence in turn returns to step 30.
  • the second program part of the protection logic 22 shown in FIG. 3 works in principle independently and independently of the first program part. This ensures that the overvoltage protection is provided even if no current value of the switching signal S could be read in, e.g. So in case of failure of the control module, in case of disturbed data connection to this fertilizer or when starting the control device. 2
  • a first step 34 of the program part according to FIG. 3 it is first checked by checking the value of the switching signal S stored in the control unit 9 as to whether the overvoltage protection method should be activated. If this is not the case (N), then step 34 is performed again. Otherwise (J) determines the protection logic 22 in a subsequent step 35, the value of the intermediate circuit voltage U z . In a subsequent step 36, it is checked whether the sol chechel detected value of the intermediate circuit voltage U z is a predetermined maximum voltage U Zmax exceeds (U z> U z, max). If this is not the case (N), the program flow returns to step 34.
  • step 37 the protection logic 22 causes a short circuit of the motor phases L1, L2, L3 by turning on all the high potential side power switches 15a, 15b, 15c.
  • the intermediate circuit voltage U z decreases gradually. It is ensured by subsequent steps 38 to 42 that as a result of the short circuit the intermediate circuit voltage U z , and thus also the supply voltage U v of the control unit 9, does not collapse and that the open circuit breakers 15 a, 15 b, 15 c are not overloaded.
  • the intermediate circuit voltage U z is first detected again in step 38. Furthermore, in step 38, a value for the short-circuit current I ⁇ flowing through the opened circuit breakers 15a, 15b, 15c and a decision variable T for the temperature of the opened circuit breakers 15a, 15b, 15c are determined.
  • step 39 the protection logic 22 checks in accordance with the decision rule
  • step 40 the short circuit is canceled by energizing the power switches 15a, 15b, 15c.
  • the removal of the short-circuit has the effect that the short-circuit current I ⁇ degrades and that for the short-circuit Final circuit breaker circuit 15a, 15b, 15c cool.
  • the removal of the short circuit has the further consequence that - if the engine 1 is still rotating - the intermediate circuit voltage U z builds up again due to the induction effect of the engine 1.
  • step 41 the intermediate circuit voltage U z, the (now on the free-wheeling diodes 16a, 16b, 16c, 18a, 18b, 18c effluent) Short-circuit current I ⁇ and the decision determined large T again, and in step 42 by the decision rule
  • steps 37 to 42 go through several times.
  • the short-circuit is thus operated intermittently, on the one hand to permanently press the intermediate circuit voltage U z below the maximum value U z , max , while at the same time avoid overloading the circuit breaker 15a, 15b, 15c, which is open for the short circuit.
  • FIG 4 shows a variant of the second part of the program shown in FIG 3, which - unless otherwise below executed - similar to the program described above.
  • the protective logic 22 is designed to alternately connect the short circuit in step 37 via the high-potential-side power switches 15a, 15b, 15c or via the low potential-side power switches 17a, 17b, 17c form. Furthermore, in steps 38 and 41, only the intermediate circuit voltage U z and the short-circuit current I k are determined, and in step 39, only these quantities according to the decision rule
  • step 40 the short circuit is interrupted in step 40 analogously to the method described in connection with FIG.
  • step 42 the short circuit is restored if the condition
  • the decision variable T for the temperature of the opened circuit breakers 15a, 15b, 15c and 17a, 17b, 17c is determined in step 43 only in the event that the threshold value comparison performed in step 39 is negative (N). In this case, it is checked in a subsequent step 44 whether the decision variable T exceeds the stored threshold value T max (T> T max ). If not (N), by returning to step 38, the monitoring of the DC link voltage U z , the short-circuit current I ⁇ and the decision size T continues. Otherwise, the program flow returns to step 37, whereby the short circuit on each previously energized power switch 15a, 15b, 15c and 17a, 17b, 17c is made again.
  • the circuit breaker 15a, 15b, 15c is detected at overheating and 17a, 17b, 17c (T> T max ) are maintained without appreciable interruption, switching only between the high potential side power switches 15a, 15b, 15c and the low potential side power switches 17a, 17b, 17c to make the short circuit.
  • the protection logic 22 recognizes in a preferred embodiment, when the critical operating range has been left, and in this case returns to normal operation.
  • the recognition is flanked by the fact that the control module 4 guarantees or confirms compliance with the non-critical state (eg by pulse cancellation). For example, if the speed of the motor 1 has been reduced so far that the induced voltage U LI , U L2 , U L3 falls below the intermediate circuit voltage, the control module 4 ensures that the speed is maintained in this non-critical area until the protection logic 22 is ready again ,

Abstract

Zur Realisierung eines einfachen, preisgünstigen, kompakten und gleichzeitig effektiven Überspannungsschutzes für einen zur Versorgung eines mit mindestens einer Motorphase (L1, L2, L3) versehenen Elektromotors (1) vorgesehenen Umrichter (8), der einen elektrischen Zwischenkreis (10) und mehrere in dem Zwischenkreis parallelgeschaltete Halbbrücken (13a, 13b, 13c) mit jeweils einem hochpotentialseitigen Leistungsschalter (15a, 15b, 15c) und einem niederpotentialseitigen Leistungsschalter (17a, 17b, 17c) sowie einem zwischengeschalteten Phasenanschluss (14a, 14b, 14c) aufweist, wird ein Überspannungsschutzverfahren angegeben. Verfahrensgemäß werden eine Zwischenkreisspannung (Uz) erfasst, und die oder jede Motorphase (L1,L2,L3) durch Aufsteuerung der hochpotentialseitigen Leistungsschalter (15a, 15b, 15c) oder der niederpotentialseitigen Leistungsschalter (17a, 17b, 17c) kurzgeschlössen, wenn die Zwischenkreisspannung (Uz) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet. Weiterhin wird ein Motormodul (3) angegeben, das den Umrichter (8) sowie eine Schutzlogik (22) zur Durchführung des Verfahrens umfasst.

Description

Beschreibung
Überspannungsschutz für einen Umrichter
Die Erfindung bezieht sich auf ein Motormodul für einen
Elektromotor, insbesondere einen permanenterregten Synchronmotor, sowie auf eine ein solches Motormodul umfassende Steuereinrichtung. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zum Schutz eines zur Ansteuerung eines Elektromotors vorgesehenen Umrichters vor Überspannung.
Bei einem Elektromotor wie er beispielsweise als Antrieb einer Produktions- oder Werkzeugmaschine verwendet wird, ist üblicherweise eine ständerseitige Drehfeldwicklung vorgese- hen. Die Drehfeldwicklung des Motors ist ein- oder mehrsträn- gig, zumeist dreisträngig, ausgeführt und erzeugt - mit einem entsprechend ein- oder mehrphasigen, meist etwa sinusförmigen Antriebsstrom gespeist - ein in dem Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer des Motors umlaufendes magnetisches Feld, das den Läufer antreibt. Die untereinander meist in einer Sternschaltung miteinander verschalteten Stränge der Drehfeldwicklung sind nachfolgend auch als Motorphasen bezeichnet .
Die Motorphasen werden üblicherweise mittels einer so genannten Umrichterschaltung (nachfolgend kurz "Umrichter") elektronisch kommutiert. Ein solcher Umrichter umfasst herkömmlicherweise einen so genannten elektrischen Zwischenkreis, der eine elektrische Gleichspannung (nachfolgend als Zwi- schenkreisspannung bezeichnet) führt. In den Zwischenkreis ist für jede Motorphase jeweils eine zugeordnete Halbbrücke geschaltet (abweichend hiervon ist bei einem einphasigen Elektromotor die einzige Motorphase zwischen zwei Halbbrücken geschaltet) . Jede Halbbrücke umfasst zwei in Serie geschal- tete Leistungsschalter, zwischen denen ein Phasenanschluss für die zugeordnete Motorphase angeordnet ist. Die Leistungsschalter sind üblicherweise in Form elektronischer Schaltele- mente, insbesondere so genannter IGBTs oder MOS-FETs, ausgebildet. In Hinblick auf ihre jeweilige Anordnung bezüglich des Phasenanschlusses und des Spannungsgefälles im Zwischenkreis sind die beiden Leistungsschalter einer Halbbrücke nachfolgend als hochpotentialseitiger bzw. niederpotential- seitiger Leistungsschalter bezeichnet. Jedem Leistungsschalter ist jeweils eine Freilaufdiode parallelgeschaltet, die bezüglich des Spannungsgefälles im Zwischenkreis in Sperrrichtung orientiert ist.
Eine Steuereinrichtung für einen Elektromotor umfasst üblicherweise zusätzlich zu dem Umrichter eine Steuerlogik zur Ansteuerung der Leistungsschalter des Umrichters. Die Steuereinrichtung eines Elektromotors umfasst des Weiteren übli- cherweise eine Regelungskomponente, die durch Überwachung einer Betriebsgröße des Elektromotors, üblicherweise des Motorstroms oder der Drehzahl, ein Steuersignal generiert, das wiederum als Eingangsgröße der Steuerlogik zugeführt ist.
Im Sinne einer modularen Bauweise werden der Umrichter mit der zugeordneten Steuerlogik einerseits und die Regelungskomponente andererseits mitunter als voneinander getrennte Baugruppen hergestellt. Die den Umrichter und die Steuerlogik umfassende Baugruppe wird hierbei als Motormodul bezeichnet.
Im Betrieb des Elektromotors ist die durch die Rotation des Läufers in die Ständerwicklungen induzierte Spannung proportional zu der Drehzahl des Motors sowie zu der magnetischen Flussverkettung, die ein Maß für die Höhe des magnetischen Feldes im Luftspalt zwischen Läufer und Ständer darstellt.
Bei einer annähernd konstanten Stärke der magnetischen Flussverkettung, wie sie insbesondere bei einem permanent erregten Läufer gegeben ist, ist somit die induzierte Spannung etwa proportional zu der Drehzahl des Motors. Insbesondere bei einem Motor, der für hohe Drehzahlen ausgelegt ist, kann die induzierte Spannung hierbei hohe Werte erreichen, die ohne geeignete Schutzmaßnahmen zu einer Beschädigung eines herkömmlichen Umrichters führen würde. Um zu verhindern, dass die induzierte Spannung einen zulässigen Maximalwert übersteigt, wird ein Elektromotor bei hohen Drehzahlen üblicherweise in einem so genannten Feldschwächbetrieb gefahren. Dabei werden die Motorphasen derart bestromt, dass der Ständer ein Magnetfeld mit einer dem Läufermagnetfeld entgegenwirkenden Feldkomponente erzeugt und so das Magnetfeld im Luftspalt zwischen Läufer und Ständer geschwächt wird.
Bei einem Ausfall der Motorsteuerung wird jedoch in der Regel die induzierte Spannung des Motors ungeschwächt über die
Freilaufdioden des Umrichters auf den Zwischenkreis geschaltet. Es müssen deshalb geeignete Maßnahmen getroffen werden, um zu verhindern, dass der Umrichter in diesem Fall durch die Induktionsspannung des Motors beschädigt oder zerstört wird.
Zu diesem Zweck ist üblicherweise zusätzlich zu dem Umrichter ein so genanntes Spannungsschutzmodul (Voltage Protection Module - VPM) in Form einer zwischen die Motorphasen geschalteten elektrischen Schaltung vorgesehen. Ein solches Span- nungsschutzmodul, wie es beispielsweise aus DE 298 13 080 Ul bekannt ist, ist im Wesentlichen durch sechs Dioden und einen diesen zwischengeschalteten Thyristor gebildet, wobei durch Aufsteuerung des Thyristors die Motorphasen miteinander kurzgeschlossen werden können. Der Thyristor wird über eine Auswerteschaltung des Spannungsschutzmoduls in Abhängigkeit von der in den Motorphasen anliegenden Spannung angesteuert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach und preisgünstig zu realisierenden, kompakten und gleichzeitig effektiven Überspannungsschutz für einen zur Versorgung eines Elektromotors vorgesehenen Umrichter anzugeben. Diese Aufgabe wird bezüglich eines Motormoduls gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich eines Verfahrens zum Schutz des Umrichters vor Überspannung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 15.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, bei einem Umrichter der oben beschriebenen Art die Zwischenkreisspannung zu erfassen und im Falle einer Überspannung - nämlich dann wenn die Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet - die hochpotentialseitigen Leistungsschalter oder die nieder- potentialseitigen Leistungsschalter aller Halbbrücken des Umrichters aufzusteuern . Durch die Aufsteuerung der hochpotentialseitigen bzw. niederpotentialseitigen Leistungsschalter wird bzw. werden die Motorphase (n) eines an den Umrichter an- geschlossenen Elektromotors kurzgeschlossen, so dass die Zwischenkreisspannung abgebaut wird.
Der Betriebszustand des Umrichters, in dem die hochpotentialseitigen oder niederpotentialseitigen Leistungsschalter aller Halbbrücken aufgesteuert sind, wird entsprechend nachfolgend verkürzend als "Kurzschluss" bezeichnet. Im Falle eines solchen "Kurzschlusses" sind also die Motorphasen kurzgeschlossen, nicht aber der Zwischenkreis. Wird der Kurzschluss über die hochpotentialseitigen Leistungsschalter gebildet, so sind entsprechend gleichzeitig die niederpotentialseitigen Leistungsschalter zugesteuert, und umgekehrt. Als "aufgesteuert" wird dabei ein Betriebszustand eines Leistungsschalters bezeichnet, in dem der betreffende Leistungsschalter elektrisch leitend ist. Als "zugesteuert" wird entsprechend ein Be- triebszustand eines Leistungsschalters bezeichnet, in dem der betreffende Leistungsschalter sperrt.
Die Erfindung ist grundsätzlich sowohl bei einem einphasigen als auch bei einem mehrphasigen Elektromotor einsetzbar. Le- diglich aus Gründen der Vereinfachung wird auf die Motorphasen nachfolgend ausschließlich im Plural Bezug genommen. Der Spezialfall einer einzelnen Motorphase ist hierin mitumfasst. Durch die Erfindung wird ein effektiver Überspannungsschutz durch eine geeignete Ansteuerung der ohnehin zwingend vorhandenen Leistungsschalter des Umrichters erzielt, so dass der Überspannungsschutz zumindest weitgehend ohne zusätzliche
Hardwarekomponenten auskommt. Dies ermöglicht eine einfache, preisgünstige und kompakte Realisierung einer Steuereinrichtung.
Zur Durchführung des Überspannungsschutzverfahrens ist insbesondere eine Schutzlogik vorgesehen. Als "Logik" wird dabei insbesondere ein Softwaremodul bezeichnet, das in einer zugehörigen Hardwarekomponente, insbesondere einem Controller, implementiert ist. Die Schutzlogik kann ferner aber auch durch einen logischen Schaltkreis realisiert sein.
Die Steuerlogik ist in vorteilhafter Ausführung der Erfindung in das Motormodul integriert. Hierdurch wird bei gleichzeitig einfachem Aufbau eine besonders hohe Ausfallsicherheit erzielt.
Um zu verhindern, dass im Fehlerfall - insbesondere nach Zusammenbruch der externen Spannungsversorgung des Zwischenkreises - die Zwischenkreisspannung zusammenbricht, wird in vorteilhafter Ausführung der Erfindung verfahrensgemäß der
Kurzschluss aufgehoben, wenn die Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet. Nach Aufhebung des Kurzschlusses wird der Zwischenkreis durch den Induktionsstrom des Motors wieder aufgeladen. Diese Ausführung des Ver- fahrens ist insbesondere für Ausführungen des erfinderischen Motormoduls vorteilhaft, in denen das Motormodul - modulintern oder über eine externe Versorgungskomponente - aus dem Zwischenkreis mit Spannung versorgt wird. Der Kurzschluss wird zweckmäßigerweise dann wieder hergestellt, wenn die Zwi- schenkreisspannung die vorgegebene Maximalspannung erneut überschreitet . In bevorzugter Ausbildung der Erfindung sind die Leistungsschalter des Umrichters derart projektiert, d.h. ausgelegt, dass sie die während des Kurzschlusses erwartungsgemäß auftretenden Kurzschlussströme dauerhaft ohne Beschädigung auf- nehmen können.
Alternativ hierzu oder zur Sicherheit auch zusätzlich zu einer solchen Projektierung ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, den Kurzschlussstrom zu erfassen und den Kurzschluss zu unterbrechen, wenn der gemessene Kurzschlussstrom einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet. Der Kurzschluss wird dabei bevorzugt nur vorübergehend unterbrochen, bis sich der Kurzschlussstrom abgebaut hat. Der Kurzschluss wird somit intermittierend hergestellt. Der Kurzschluss kann für alle Motorphasen unterbrochen werden. In einer alternativen Variante der Erfindung wird der Kurzschlussstrom dagegen für jede Motorphase separat erfasst, und im Überstromfall der Kurzschluss nur für die betroffene Motorphase (n) unterbrochen.
Zusätzlich oder alternativ hierzu ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen, eine Entscheidungsgröße zu bestimmen, die für die Temperatur eines oder mehrerer der während des Kurzschlusses aufgesteuerten Leistungsschalter charakteristisch ist. Dabei wird verfahrensgemäß der Kurzschluss unterbrochen, wenn diese Entscheidungsgröße einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet. Als Entscheidungsgröße können hierbei wahlweise die Temperaturen der ausgesteuerten Leistungsschalter selbst, eine aus diesen Temperaturen abgeleitete Durchschnitts- oder Maximaltemperatur oder eine mit dieser Temperatur korrelierte, insbesondere proportionale Größe herangezogen werden. Die Temperaturen werden hierbei in vorteilhaften Verfahrensvarianten entweder gemessen oder modelliert, d.h. anhand eines vorgegebenen Temperaturmodells, insbesondere anhand des zeitlichen Verlaufs der durch die aufgesteuerten Leistungsschalter fließenden Ströme berechnet. Auch bei dieser Verfahrensvariante wird der Kurzschluss zweckmäßigerweise nur vorübergehend unterbrochen, bis sich die betreffenden Leistungsschalter hinreichend abgekühlt ha- ben. Der Kurzschluss wird also wiederum intermittierend betrieben. Der Kurzschluss wird wiederum in alternativen Verfahrensvarianten entweder für alle Motorphasen oder für jede betroffene Motorphase separat unterbrochen.
Anstatt den Kurzschluss bei drohender Überhitzung der Leistungsschalter vollständig zu unterbrechen, wird gemäß einer alternativen Verfahrensvariante zur Bildung des Kurzschlusses alternierend zwischen den hochpotentialseitigen Leistungsschaltern und den niederpotentialseitigen Leistungsschaltern gewechselt. Dieser Wechsel findet optional in vorgegebenen
Zeitintervallen statt, wobei die Länge dieser Zeitintervalle optional in Abhängigkeit weiterer Parameter, z.B. der Höhe des Kurzschlussstromes, variieren kann. Alternativ hierzu wird wiederum die Temperatur der aufgesteuerten Leistungs- Schalter oder eine hiermit korrelierte Entscheidungsgröße bestimmt, und der Wechsel nur dann vorgenommen, wenn die Temperatur bzw. Entscheidungsgröße einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet und somit tatsächlich eine Überhitzung der gerade aufgesteuerten Leistungsschalter droht.
In einer bevorzugten Ausbildung des Motormoduls ist die Schutzlogik, und somit das von dieser ausgeführte Überspannungsschutzverfahren, durch Vorgabe eines Schaltsignals reversibel aktivierbar und deaktivierbar. Diese Eigenschaft ermöglicht es, das Motormodul auch zur Ansteuerung von Motoren zu verwenden, bei denen der Überspannungsschutz nicht notwendig ist oder sogar schädlich wäre. Letzteres trifft beispielsweise für Asynchronmotoren zu.
Die Steuerlogik ist dabei zweckmäßigerweise dazu ausgebildet, in vorgegebenen, insbesondere regelmäßigen Zeitabständen, das Schaltsignal abzufragen. Im Rahmen einer das Motormodul sowie ein zusätzliches Regelungsmodul umfassenden Steuereinrichtung wird dieses Schaltsignal bevorzugt durch das Regelungsmodul zur Verfügung gestellt.
Die Steuerlogik ist zweckmäßigerweise dazu ausgebildet, den jeweils letzten Wert des Schaltsignals zu speichern. Anhand dieses gespeicherten Wertes entscheidet die Steuerlogik beim Anfahren sowie im Falle einer fehlgeschlagenen Übermittlung des Schaltsignals autark, ob das Überspannungsschutzverfahren ausgeführt werden soll oder nicht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 in einem schematischen Blockschaltbild einen Elektromotor mit einer zugehörigen Steuereinrichtung, die ein Motormodul und ein Regelungsmodul umfasst, FIG 2 in einem Flussdiagramm einen ersten Programmteil einer in dem Motormodul implementieren Schutzlogik zur Aktivierung bzw. Deaktivierung eines Überspannungsschutzverfahrens in Abhängigkeit eines Schaltsignals,
FIG 3 in einem Flussdiagramm einen zweiten Programmteil der Schutzlogik zur Durchführung des eigentlichen Überspannungsschutzverfahrens, und
FIG 4 in Darstellung gemäß FIG 3 eine alternative Ausführung des zweiten Programmteils der Schutzlogik.
Einander entsprechende Teile, Größen und Strukturen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt grob schematisch einen (Elektro-) Motor 1 in Form eines permanenterregten Synchronmotors, der als Antrieb einer Produktions- oder Werkzeugmaschine vorgesehen ist. FIG 1 zeigt weiterhin eine Steuereinrichtung 2 zur Versorgung des Motors 1 mit einem Antriebsstrom. Die Steuereinrichtung 2 umfasst hierbei zwei voneinander getrennte Baugruppen, nämlich ein Motormodul 3 sowie ein Regelungsmodul 4.
Der Motor 1 umfasst einen (in der Darstellung lediglich sche- matisch angedeuteten) Ständer 5, der mit einer Drehfeldwicklung 6 bewickelt ist. Die Drehfeldwicklung 6 umfasst drei Wicklungsstränge, nachfolgend als Motorphasen Ll, L2 und L3 bezeichnet, die in einem Sternpunkt 7 zusammengeschlossen sind. Jede Motorphase L1,L2,L3 ist hinsichtlich ihrer physi- kaiischen Eigenschaften gekennzeichnet durch eine Induktivität LL1,LL2,LL3 einen ohmschen Widerstand RL,RL2,RL3 sowie eine induzierte Spannung ULi,UL2,UL3. Die Induktivitäten LL1,LL2,LL3, Widerstände RL,RL2,RL3 und Spannungen ULi,UL2,UL3 sind in FIG 1 in Form eines Ersatzschaltbildes eingetragen.
Das Motormodul 3 umfasst einen Umrichter 8 sowie eine Steuereinheit 9. Der Umrichter 8 umfasst einen elektrischen Zwischenkreis 10 mit einer hochpotentialen Seite 11 und einer niederpotentialen Seite 12, zwischen denen im Betrieb des Mo- tors 1 eine Zwischenkreisspannung Uz angelegt ist.
In den Zwischenkreis 10 sind drei Halbbrücken 13a, 13b, 13c zur Speisung jeweils einer Motorphase L1,L2,L3 parallel geschaltet. Jede Halbbrücke 13a, 13b, 13c umfasst einen Phasenan- Schluss 14a, 14b, 14c, an dem die zugehörige Motorphase
L1,L2,L3 angeschlossen ist. So ist die Motorphase Ll dem Pha- senanschluss 14a der Halbbrücke 13a, die Motorphase L2 an dem Phasenanschluss 14b der Halbbrücke 13b und die Motorphase L3 an dem Phasenanschluss 14c der Halbbrücke 13c angeschlossen.
Zwischen dem jeweiligen Phasenanschluss 14a, 14b, 14c und der Hochpotentialseite 11 des Zwischenkreises 10 umfasst jede Halbbrücke 13a, 13b, 13c einen hochpotentialseitigen Leistungsschalter 15a, 15b, 15c, insbesondere in Form eines IGBT. Jedem dieser Leistungsschalter 15a, 15b, 15c ist jeweils eine Freilaufdiode 16a, 16b, 16c parallel geschaltet. Zwischen den Mo- toranschluss 14a, 14b, 14c und die Niederpotentialseite 12 des Zwischenkreises 10 ist im Rahmen jeder Halbbrücke 13a, 13b, 13c jeweils ein niederpotentialseitiger Leistungsschalter 17a, 17b, 17c geschaltet. Jeder der niederpotentialseitigen Leistungsschalter 17a, 17b, 17c ist wiederum insbesondere in Form eines IGBT ausgebildet und wird von einer parallel geschalteten Freilaufdiode 18a, 18b, 18c flankiert.
Der Umrichter 8 umfasst ferner einen in Parallelschaltung zu den Halbbrücken 13a, 13b, 13c in den Zwischenkreis 10 geschal- teten Kondensator 19 zum Ausgleich von Spannungswelligkeiten im Betrieb des Motors 1.
Die Steuereinheit 9 ist durch einen MikroController gebildet oder umfasst zumindest einen solchen. Die Steuereinheit 9 wird über eine modulinterne Spannungsversorgungseinheit 20 mit einer Versorgungsspannung Uv von typischerweise 24 Volt versorgt. Die Spannungsversorgungseinheit 20 ist dabei ihrerseits aus dem Zwischenkreis 10 gespeist.
In der Steuereinheit 9 sind eine Steuerlogik 21 sowie eine Schutzlogik 22 in Form von Softwaremodulen implementiert. Nach einem durch die Steuerlogik 21 vorgegebenen Steuerverfahren steuert die Steuereinheit 9 die Leistungsschalter 15a, 15b, 15c im Betrieb des Motors 1 durch Abgabe von jeweils zugeordneten Steuersignalen C auf oder zu, um drehfeiderzeugende Phasenströme ILi,IL2,IL3 in den Motorphasen Ll, L2 und L3 zu erzeugen. Die Phasenströme ILi,IL2,IL3 werden durch Strom¬ messer 23a, 23b, 23c abgegriffen, wobei Messwerte dieser Phasenströme (aus Vereinfachungsgründen ebenfalls als ILi,IL2,IL3 bezeichnet) der Steuereinheit 9 als Eingangsgröße zugeführt werden. Weiterhin wird der Steuereinheit 9 die Zwischenkreis- spannung Uz oder ein hierzu proportionaler Messwert als Eingangsgröße zugeführt.
Das Regelungsmodul 4 enthält eine (nicht näher dargestellte Regelungslogik) , die die Drehzahl und/oder Leistung des Motors 1 anhand einer vorgegebenen Regelgröße regelt. Als Regelgröße wird dabei insbesondere der Motorstrom herangezogen. Die Steuereinheit 9 berechnet hierbei anhand der gemessenen Phasenströme ILi,IL2,IL3 einen Strom-Istwert I und führt diesen dem Regelungsmodul 4 als Eingangsgröße zu. Das Regelungsmodul 4 erzeugt anhand eines Vergleichs des Strom- Istwerts I mit einem hinterlegten Strom-Sollwert einen Spannungs-Sollwert U3 als Ausgangsgröße und führt diesen an die Steuereinheit 9 zurück. Anhand dieses Spannungs-Sollwertes U3 und der gemessenen Motorströme ILi,IL2,IL3 erzeugt die Steuer- logik 21 die Steuersignale C.
Die Schutzlogik 22 überwacht im Betrieb des Motors 1 die Zwischenkreisspannung Uz und schließt im Überspannungsfall die Motorphasen L1,L2,L3 über den Zwischenkreis 10 kurz, indem sie wahlweise entweder alle hochpotentialseitigen
Leistungsschalter 15a, 15b, 15c oder alle niederpotentialsei- tigen Leistungsschalter 17a, 17b, 17c aufsteuert. Um das Motormodul 3 abweichend von dem dargestellten Anwendungsfall auch mit Motoren verwenden zu können, bei denen ein solcher Über- Spannungsschutz nicht erforderlich ist oder sogar schädlich wäre - z.B. mit einem Asynchronmotor anstelle des Synchronmotors - ist das von der Schutzlogik 21 durchgeführte Verfahren durch Vorgabe eines entsprechenden Schaltsignals S reversibel aktivierbar und deaktivierbar. Dieses Schaltsignal S wird der Steuereinheit 9, und damit der Schutzlogik 22 von dem Regelungsmodul 4 als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt.
Das von der Schutzlogik 22 durchgeführte Verfahren ist anhand der FIG 2 und 3 in einer ersten beispielhaften Implementierung näher beschrieben. In dieser Ausführung ist die Schutzlogik 22 in zwei Programmteile gegliedert, von denen ein in FIG 2 dargestellter erster Programmteil in regelmäßigen Zeitabständen den Wert des Schaltsignals S abfragt, während ein in FIG 3 dargestellter zweiter Programmteil das eigentliche Überspannungsschutzverfahren durchführt . Der erste Programmteil gemäß FIG 2 wird in einem ersten Schritt 30 mit einer Timerfunktion oder dergleichen in regelmäßigen Zeitabständen gestartet. In einem nachfolgenden Schritt 31 wird das Schaltsignal S abgefragt. In einem nach- folgenden Schritt 32 überprüft die Schutzlogik 22, ob das
Schaltsignal S fehlerfrei eingelesen werden konnte. Ist dies nicht der Fall (N) , so kehrt der Programmablauf zu Schritt 30 zurück und wiederholt nach Ablauf einer Wartezeit den Einlesevorgang. Ansonsten (J), d.h. bei fehlerfreiem Einlese- Vorgang, wird in Schritt 33 der eingelesene neue Wert des Schaltsignals S gespeichert, woraufhin der Programmablauf wiederum zu Schritt 30 zurückkehrt.
Der in FIG 3 dargestellte zweite Programmteil der Schutzlogik 22 arbeitet prinzipiell autark und unabhängig von dem ersten Programmteil. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Überspannungsschutz auch dann gegeben ist, wenn kein aktueller Wert des Schaltsignals S eingelesen werden konnte, z.B. also bei Ausfall des Regelungsmoduls, bei gestörter Datenverbin- düng zu diesem oder beim Anfahren der Steuereinrichtung 2.
In einem ersten Schritt 34 des Programmteils gemäß FIG 3 wird zunächst durch Überprüfung des in der Steuereinheit 9 gespeicherten Wertes des Schaltsignals S überprüft, ob das Überspannungsschutzverfahren aktiviert werden soll. Ist dies nicht der Fall (N), so wird Schritt 34 erneut durchgeführt. Ansonsten (J) bestimmt die Schutzlogik 22 in einem nachfolgenden Schritt 35 den Wert der Zwischenkreisspannung Uz . In einem nachfolgenden Schritt 36 wird überprüft, ob der sol- chermaßen erfasste Wert der Zwischenkreisspannung Uz eine vorgegebene Maximalspannung UZmax überschreitet (Uz > Uz,max) . Ist dies nicht der Fall (N) , so kehrt der Programmablauf zu Schritt 34 zurück. Ansonsten veranlasst die Schutzlogik 22 in Schritt 37 einen Kurzschluss der Motorphasen L1,L2,L3, indem sie alle hochpotentialseitigen Leistungsschalter 15a, 15b, 15c aufsteuert . Infolge des Kurzschlusses sinkt die Zwischenkreisspannung Uz sukzessive ab. Durch nachfolgende Schritte 38 bis 42 wird dabei sichergestellt, dass infolge des Kurzschlusses die Zwischenkreisspannung Uz, und somit auch die Versorgungsspan- nung Uv der Steuereinheit 9 nicht zusammenbricht und dass die aufgesteuerten Leistungsschalter 15a, 15b, 15c nicht überbelastet werden.
Hierfür wird in Schritt 38 zunächst wiederum die Zwischen- kreisspannung Uz erfasst. Weiterhin werden in Schritt 38 ein Wert für den durch die aufgesteuerten Leistungsschalter 15a, 15b, 15c fließenden Kurzschlussstrom Iκ und eine Entscheidungsgröße T für die Temperatur der aufgesteuerten Leistungsschalter 15a, 15b, 15c ermittelt. Den Kurzschlussstrom Iκ be- stimmt die Schutzlogik 22 hierbei anhand der gemessenen Phasenströme ILi,IL2,IL3- Insbesondere wird als Kurzschlussstrom Iκ der maximale Wert der Phasenströme ILi,IL2,IL3 herangezogen, während die Entscheidungsgröße T anhand eines hinterlegten Temperaturmodells der Leistungsschalter 15a, 15b, 15c durch zeitliche Erfassung, insbesondere Integration, der Phasenströme ILi, IL2, IL3 ermittelt wird.
In Schritt 39 überprüft die Schutzlogik 22 nach Maßgabe der Entscheidungsregel
U2 < Uz,max ODER Iκ > Iκ,maχ ODER T > Tmax,
ob die Zwischenkreisspannung Uz, der Kurzschlussstrom Iκ oder die Entscheidungsgröße T hinterlegte Schwellwerte Uz,max, Iκ,maχ/ Tmax unter- bzw. überschreiten. Solange dies nicht der Fall ist (N), werden die Schritte 38 und 39 wiederholt.
Ansonsten (J) wird in Schritt 40 der Kurzschluss durch Zusteuerung der Leistungsschalter 15a, 15b, 15c aufgehoben.
Die Aufhebung des Kurzschlusses hat die Wirkung, dass sich der Kurzschlussstrom Iκ abbaut und sich die für den Kurz- Schluss aufgesteuerten Leistungsschalter 15a, 15b, 15c abkühlen. Die Aufhebung des Kurzschlusses hat weiterhin zur Folge, dass sich - sofern sich der Motor 1 noch dreht - die Zwi- schenkreisspannung Uz infolge der Induktionswirkung des Mo- tors 1 wieder aufbaut.
Im Schritt 41 werden die Zwischenkreisspannung Uz, der (nunmehr über die Freilaufdioden 16a, 16b, 16c bzw. 18a, 18b, 18c abfließende) Kurzschlussstrom Iκ und die Entscheidungs- große T erneut bestimmt und in Schritt 42 nach der Entscheidungsregel
U2 > Uz , max UND Iκ < Iκ, maχ UND T < Tmax
erneut mit hinterlegten Schwellwerten verglichen. Solange diese Entscheidungsregel nicht erfüllt ist (N) , werden die Schritte 41 und 42 wiederholt. Sobald andernfalls (J) festgestellt wird, dass die Entscheidungsgröße T den zugeordneten Schwellwert Tmax und der Kurzschlussstrom Iκ den zugeordneten Maximalstrom Iκmaχ unterschreiten, wird - sofern die Zwischenkreisspannung Uz den zugeordneten Maximalwert UZmax wieder überschreitet - durch Rücksprung auf Schritt 37 der Kurz- schluss wieder hergestellt.
Insbesondere wenn der Motor 1 über längere Zeit fremdgedreht wird, so dass die induzierten Spannungen ULi, UL2, UL3 ausreichen, um die Zwischenkreisspannung Uz auf einem den Maximalwert Uz,max dauerhaft überschreitenden Wert zu halten, werden die Schritte 37 bis 42 mehrfach durchlaufen. Der Kurz- Schluss wird somit intermittierend betrieben, um einerseits die Zwischenkreisspannung Uz dauerhaft unter den Maximalwert Uz,max zu drücken, dabei aber gleichzeitig eine Überbelastung der für den Kurzschluss aufgesteuerten Leistungsschalter 15a, 15b, 15c zu vermeiden.
In FIG 4 ist eine Variante des zweiten Programmteils gemäß FIG 3 dargestellt, die - soweit nicht nachfolgend anders ausgeführt - dem vorstehend beschriebenen Programmablauf gleicht .
Abweichend von der Ausführung gemäß FIG 3 ist in der Variante gemäß FIG 4 die Schutzlogik 22 aber dazu ausgebildet, den Kurzschluss in Schritt 37 stets alternierend über die hoch- potentialseitigen Leistungsschalter 15a, 15b, 15c oder über die niederpotentialseitigen Leistungsschalter 17a, 17b, 17c zu bilden. Weiterhin werden in den Schritten 38 und 41 lediglich die Zwischenkreisspannung Uz und der Kurzschlussstrom Iκ bestimmt und in Schritt 39 nur diese Größen nach der Entscheidungsregel
U2 < Uz , max ODER Iκ > Iκ, maχ
mit hinterlegten Schwellwerten verglichen. Im Falle eine Unterspannung (Uz < Uz,max) oder eines Überstroms (Iκ > Iκ,maχ) wird analog zu dem im Zusammenhang mit FIG 3 beschriebenen Verfahren in Schritt 40 der Kurzschluss unterbrochen. Infolge von Schritt 42 wird der Kurzschluss wieder hergestellt, wenn die Bedingung
U2 > Uz,max UND Iκ < Iκ,maχ
erfüllt ist.
Die Entscheidungsgröße T für die Temperatur der aufgesteuerten Leistungsschalter 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c wird in Schritt 43 nur für den Fall ermittelt, dass der in Schritt 39 durchgeführte Schwellwertvergleich negativ ausfällt (N) . In diesem Fall wird in einem nachfolgenden Schritt 44 überprüft, ob die Entscheidungsgröße T den hinterlegten Schwellwert Tmax überschreitet (T > Tmax) . Wenn nicht (N) , so wird durch Rücksprung auf Schritt 38 die Überwachung der Zwischenkreis- Spannung Uz, des Kurzschlussstromes Iκ und der Entscheidungsgröße T fortgesetzt. Ansonsten kehrt der Programmablauf zu Schritt 37 zurück, wodurch der Kurzschluss über die jeweils zuvor zugesteuerten Leistungsschalter 15a, 15b, 15c bzw. 17a, 17b, 17c erneut hergestellt wird.
Aufgrund der Eigenschaft der in FIG 4 dargestellten Pro- grammvariante, in Schritt 37 den Kurzschluss alternierend über die hochpotentialseitigen Leistungsschalter 15a, 15b, 15c oder über die niederpotentialseitigen Leistungsschalter 17a, 17b, 17c herzustellen, wird bei festgestellter Überhitzung der Leistungsschalter 15a, 15b, 15c und 17a, 17b, 17c (T > Tmax) ohne nennenswerte Unterbrechung aufrecht erhalten, wobei zur Herstellung des Kurzschlusses lediglich zwischen den hochpotentialseitigen Leistungsschaltern 15a, 15b, 15c und den niederpotentialseitigen Leistungsschaltern 17a, 17b, 17c geschaltet wird. Im Falle einer Unterspannung im Zwischenkreis (Uz < UZmin) sowie im Falle eines Überstroms (Iκ > Iκmaχ) wird dagegen zusätzlich zu dem Wechsel der Halbbrückenseite der Kurzschluss intermittierend betrieben.
Die Schutzlogik 22 erkennt in bevorzugter Ausbildung, wenn der kritische Betriebsbereich verlassen wurde, und kehrt in diesem Fall zum Normalbetrieb zurück. Die Erkennung wird flankiert dadurch, dass das Regelungsmodul 4 die Einhaltung des unkritischen Zustandes garantiert bzw. bestätigt (z.B. durch Impulslöschung) . Wenn beispielsweise die Drehzahl des Motors 1 soweit abgebaut wurde, dass die induzierte Spannung ULI, UL2, UL3 die Zwischenkreisspannung unterschreitet, sorgt das Regelungsmodul 4 dafür, dass die Drehzahl in diesem unkritischen Bereich gehalten wird, bis die Schutzlogik 22 wieder bereit ist.

Claims

Patentansprüche
1. Motormodul (3) für einen mit mindestens einer Motorphase (L1,L2,L3) versehenen Elektromotor (1), - mit einem Umrichter (8), der einen elektrischen Zwischenkreis (10) und mehrere in dem Zwischenkreis parallelgeschaltete Halbbrücken (13a, 13b, 13c) mit jeweils einem hochpotentialseitigen Leistungsschalter (15a, 15b, 15c) und einem niederpotentialseitigen Leistungsschalter (17a, 17b, 17c) sowie einem zwischengeschalteten Phasen- anschluss (14a, 14b, 14c) aufweist, mit einer Schutzlogik (22), die dazu ausgebildet ist, eine Zwischenkreisspannung (Uz) zu erfassen, und zum Kurzschließen der oder jeder Motorphase (L1,L2,L3) die hochpotententialseitigen oder niederpotentialseitigen
Leistungsschalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) aufzusteuern, wenn die Zwischenkreisspannung (Uz) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
2. Motormodul (3) nach Anspruch 1, wobei die Schutzlogik (22) dazu ausgebildet ist, den Kurz- schluss aufzuheben, wenn die Zwischenkreisspannung (Uz) einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.
3. Motormodul (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzlogik (22) dazu ausgebildet ist, den durch mindestens einen der aufgesteuerten Leistungsschalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) fließenden Kurzschlussstrom (Iκ) zu ermitteln, und den Kurzschluss bezüglich der zugeordneten Motorphase (L1,L2,L3) zu unterbrechen, wenn der Kurzschlussstrom (Iκ) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
4. Motormodul (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schutzlogik (22) dazu ausgebildet ist, eine für die Temperatur mindestens eines der aufgesteuerten Leistungsschalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) charakteristische Entscheidungsgröße (T) zu bestimmen, und den Kurzschluss bezüglich der zugeordneten Motorphase (Ll, L2, L3) zu unterbrechen, wenn die Entscheidungsgröße (T) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
5. Motormodul (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schutzlogik (22) dazu ausgebildet ist, zur Bildung des Kurzschlusses zeitlich alternierend die hochpotential- seitigen Leistungsschalter (15a, 15b, 15c) und die nieder- potentialseitigen Leistungsschalter (17a, 17b, 17c) aufzu- steuern.
6. Motormodul (3) nach Anspruch 5, wobei die Schutzlogik (22) dazu ausgebildet ist, eine für die Temperatur mindestens eines der aufgesteuerten Leistungs- Schalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) charakteristische Entscheidungsgröße (T) zu bestimmen, und zur Bildung des Kurzschlusses zwischen den hochpotentialseitigen und den nieder- potentialseitigen Leistungsschaltern (15a, 125b, 15c; 17a, 17b, 17c) zu wechseln, wenn die Entscheidungsgröße (T) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
7. Motormodul (3) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Schutzlogik (22) dazu ausgebildet ist, die Entscheidungsgröße (T) anhand des zeitlichen Verlaufs des durch mindestens einen der aufgesteuerten Halbbrücken
(13a, 13b, 13c) fließenden Stroms (ILi, IL2, IL3) zu bestimmen.
8. Motormodul (3) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Schutzlogik (22) dazu ausgebildet ist, als Ent- scheidungsgröße (T) eine gemessene Temperatur mindestens eines der aufgesteuerten Leistungsschalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) heranzuziehen.
9. Motormodul (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer aus dem Zwischenkreis (10) gespeisten Spannungsversorgung (20) .
10. Motormodul (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die in den Halbbrücken (13a, 13b, 13c) angeordneten Leistungsschalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) derart ausgelegt sind, dass sie dauerhaft ohne Beschädigung den zu erwartenden Kurzschlussstrom aufnehmen können.
11. Motormodul (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schutzlogik (22) durch ein Schaltsignal (S) reversibel aktivierbar und deaktivierbar ist.
12. Motormodul (3) nach Anspruch 11, wobei die Schutzlogik (22) dazu ausgebildet ist, das Schaltsignal (S) in vorgegebenen Zeitabständen abzufragen.
13. Steuereinrichtung (2) für einen mit mindestens einer Motorphase (L1,L2,L3) versehenen Elektromotor (1), mit einem Motormodul (3) nach einem der Ansprüche 1 bis
12 sowie mit einem hiervon getrennten Regelungsmodul (4), das dazu ausgebildet ist, das Motormodul (3) nach Maßgabe einer
Betriebsgröße des Elektromotors (1), insbesondere des
Motorstroms (I) oder der Drehzahl, anzusteuern.
14. Steuereinrichtung (2) nach den Ansprüchen 11 oder 12 und 13, wobei das Regelungsmodul (4) dazu ausgebildet ist, der Schutzlogik (22) in vorgegebenen Zeitabständen das Schaltsignal (S) zuzuführen.
15. Verfahren zum Schutz eines zum Antrieb eines mit mindestens einer Motorphase (L1,L2,L3) versehenen Elektromotors (1) vorgesehenen Umrichters (8), der einen elektrischen Zwischenkreis (10) und mehrere darin parallelgeschaltete Halbrücken (13a, 13b, 13c) mit jeweils einem hochpotentialseitigen Leis- tungsschalter (15a, 15b, 15c) und einem niederpotentialseitigen Leistungsschalter (17a, 17b, 17c) sowie einem zwischengeschal- teten Phasenanschluss (14a, 14b, 14c) umfasst, vor Überspannung, bei dem eine Zwischenkreisspannung (Uz) erfasst wird, und bei dem die oder jede Motorphase (L1,L2,L3) durch Auf- Steuerung aller hochpotentialseitigen Leistungsschalter (15a, 15b, 15c) oder aller niederpotentialseitigen Leistungsschalter (17a, 17b, 17c) kurzgeschlossen werden, wenn die Zwischenkreisspannung (Uz) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Kurzschluss aufgehoben wird, wenn die Zwischenkreisspannung (Uz) einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet .
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei welchem der durch mindestens einen der aufgesteuerten Leistungsschalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) fließende Kurzschlussstrom (Iκ) erfasst wird, und bei welchem der Kurz- Schluss bezüglich der zugeordneten Motorphase (L1,L2,L3) unterbrochen wird, wenn der Kurzschlussstrom (Iκ) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei welchem eine für die Temperatur mindestens eines der aufgesteuerten Leistungsschalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) charakteristische Entscheidungsgröße (T) bestimmt wird, und bei welchem der Kurzschluss bezüglich der zugeordneten Motorphase (L1,L2,L3) unterbrochen wird, wenn die Entscheidungs- große (T) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei welchem zur Bildung des Kurzschlusses zeitlich alternierend die hochpotentialseitigen Leistungsschalter (15a, 15b, 15c) und die niederpotentialseitigen Leistungsschalter (17a, 17b, 17c) aufgesteuert werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem eine für die Temperatur mindestens eines der aufgesteuerten Leistungsschalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) charakteristische Entscheidungsgröße (T) bestimmt wird, und bei welchem zur Bildung des Kurzschluss zwischen den hochpo- tentialseitigen und den niederpotentialseitigen Leistungsschaltern (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) gewechselt wird, wenn die Entscheidungsgröße (T) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet .
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei welchem die Entscheidungsgröße (T) anhand des zeitlichen Verlaufs der durch die aufgesteuerten Halbbrücken (13a, 13b, 13c) fließenden Ströme (ILi, IL2/ IL3) bestimmt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei welchem als Entscheidungsgröße (T) eine gemessene Temperatur der aufgesteuerten Leistungsschalter (15a, 15b, 15c; 17a, 17b, 17c) herangezogen wird.
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