WO2011157472A1 - Schaltungsanordnung zur bestimmung einer spannungsschwankung von leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen netz - Google Patents
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Definitions
- Circuit arrangement for determining a voltage fluctuation of
- the invention relates to a circuit arrangement for determining a
- inverter - For the drive in hybrid or electric vehicles electrical machines in the form of induction machines are usually used, which in conjunction with inverters - often referred to as inverter - are operated.
- the electrical energy for the operation of the electric machine is in this case from a disconnected from the electrical system of the vehicle, ungrounded power supply, e.g. in form of a
- the unearthed electrical network created in this way often referred to as the IT network (Isole Terre) - reduces the IT network (Isole Terre)
- Isolation error can be reported without it already has a system failure. For this, however, it is necessary that the insulation resistance of the electrical network is continuously or at least periodically monitored during operation of the vehicle, which is possible, for example, based on a voltage fluctuation of the conductor potentials of the IT network.
- From DE 10 2006 031 663 B3 is a method for measuring the insulation resistance in an IT network with a DC voltage intermediate circuit and at least one self-commutated converter and a measuring arrangement for measuring the
- Connection of the phase terminals with the positive branch or the negative branch of the voltage intermediate circuit comprises. It is envisaged that a
- Operating state of the inverter during which the inverter is in operation and the electrical device, which is also in a normal mode, feeds, is determined by detecting parameters of a converter control.
- at least one of the voltages of the positive branch or the negative branch is measured.
- the present invention provides a circuit arrangement for determining a voltage fluctuation of conductor potentials in an ungrounded electrical network, the network comprising a DC intermediate circuit, an n-phase network with an n-phase first electrical load, with n> 3, a 1-phase network , So a single-phase AC mains, with a 1-phase second electrical load, a connected to the DC voltage intermediate circuit first inverter for controlling the first electrical load and one to the
- a voltage divider in particular a symmetrical voltage divider, is provided, which is connected between supply lines of the 1-phase network.
- the voltage divider has a center tap on which a variable characterizing a measuring voltage is measured with the aid of a measuring device, the measuring voltage measuring the voltage fluctuation of the supply voltage potentials of the voltage source
- DC intermediate circuit represents a reference potential.
- the invention is based on the basic idea that the center tap of a voltage divider, which is connected between the supply lines of the 1-phase network, its potential compared to the conductor potentials, ie the potentials of
- the measuring range of the measuring device is adapted to a maximum amplitude of the voltage fluctuation, whereby the
- Fig. 1 is a schematic block diagram of an ungrounded network with a
- Circuitry, 2 is a graphical representation of the time course of the measuring voltage in normal operation without insulation fault
- FIG. 3 is a graphical representation of the frequency spectrum of the measuring voltage of FIG. 2,
- FIG. 5 is a graphical representation of the frequency spectrum of the measuring voltage of FIG. 4,
- Fig. 6 is a graphic representation of the time course of the measuring voltage at
- FIG. 7 is a graphic representation of the frequency spectrum of the measuring voltage according to FIG. FIG.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a 3-phase network 1 with a three-phase electrical machine 2, which may be designed, for example, as a synchronous, asynchronous or reluctance machine, with a first pulse inverter 3 connected thereto.
- the first pulse inverter 3 comprises switching elements 4a 4f in the form of circuit breakers, which are connected to individual phases U, V, W of the electric machine 2 and the phases U, V, W either against a voltage applied to a positive supply voltage rail 5 of a DC intermediate circuit 6 positive supply voltage potential T + or on a negative supply voltage rail 7 of the DC voltage intermediate circuit 6 adjacent negative supply voltage potential T- switch.
- the one with the positive pulse inverter 3 comprises switching elements 4a 4f in the form of circuit breakers, which are connected to individual phases U, V, W of the electric machine 2 and the phases U, V, W either against a voltage applied to a positive supply voltage rail 5 of a DC intermediate circuit 6 positive supply voltage potential T + or on a negative supply voltage rail 7 of the DC voltage intermediate
- Supply voltage rail 5 connected switching elements 4a-4c are also called “high-side switch” and the negative supply voltage rail. 7 connected switch 4d-4f as “low-side switch” and can
- IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
- metal oxides metal oxides
- MOSFET Semiconductor Field-Effect Transistor
- Pulse inverter 3 further comprises a plurality of freewheeling diodes 8a-8f, which are each arranged parallel to one of the switching elements 4a-4f.
- the pulse inverter 3 determines the power and mode of operation of the electric machine 2 and is supplied by a control unit, not shown, e.g. in the form of a microcontroller, driven accordingly.
- the electric machine 2 can be operated either in motor or generator mode.
- the pulse inverter 3 also includes a so-called
- Voltage of a high-voltage energy storage in the form of a high-voltage battery 1 1 in the DC voltage intermediate circuit 6 is used.
- An electrical system 12 of the vehicle with a low-voltage energy storage device in the form of a low-voltage battery 13 is connected via a
- DC-DC converter 14 connected in parallel to the DC-link capacitor 6.
- the electric machine 2 is in the illustrated embodiment, three-phase
- the number of phases is preferably divisible by three or at least by three.
- the high-voltage battery 1 1 in the idle state of the DC intermediate circuit 6 - often referred to as a traction network or high-voltage circuit.
- two main contactors 15 and 16 and a Vorladeflex 17 are provided.
- the pre-charging contactor allows a current-limited charge of the DC link capacitor via a pre-charge resistor 18.
- a second inverter 19 is arranged, which is also connected to the DC voltage intermediate circuit 6 and for controlling a single-phase load 20 in a 1-phase network 21, that is, a single-phase AC mains, is used.
- the second inverter 19 is designed for only one phase, it is generally constructed analogously to the first inverter with regard to the internal interconnection. He is therefore simplistic only as
- a voltage divider 22 is provided, which is connected between supply lines 23, 24 of the 1-phase network 21 and is preferably designed symmetrically.
- a measuring voltage U M is measured with the aid of a measuring device 25 relative to the reference potential, which directly represents a voltage fluctuation of the supply voltage potentials T + and T- of the DC intermediate circuit 6 against the reference potential.
- the measuring range of the measuring device 25 is advantageously adapted to a maximum amplitude of the voltage fluctuation.
- the voltage divider 22 can, as shown, be formed from ohmic resistors 26 and 27 or else with the aid of capacitances and / or inductances. Decisive for the usability is only the voltage dividing function. Of course, the voltage divider 22 may also be formed of more than two components.
- another variable derived from the measuring voltage U M which thus characterizes the measuring voltage U M , can also be measured.
- an evaluation unit 28 which may be a controller of the inverter integrated or alternatively can also be implemented as a separate unit, the
- Measuring voltage U M of a frequency transformation preferably a fast Fourier transform (FFT) subjected to calculate in this way the frequency spectrum of the measurement voltage U M.
- FFT fast Fourier transform
- the predetermined electrical frequencies or angular velocities are not fixed values, but dependent on an electrical angular velocity ⁇ ⁇ ⁇ the electric machine 2, which is proportional to the electrical frequency of the electric machine 2.
- a variable characterizing the electrical frequency of the electric machine 2 such as the electrical angular velocity ⁇ ⁇ ⁇ , determined. This determination can be made on the basis of metrological results. Often the electric
- FIG. 2 shows the time course of the measuring voltage U M in normal operation of the electric machine 2 and thus of the pulse inverter 3 without insulation fault.
- the measuring voltage U M runs in the form of an alternating voltage about a zero line, which corresponds to the reference potential, so for example vehicle mass. This process is due to the fact that during the PWM operation
- Signal component is present and at the 3-fold electrical angular velocity 3 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ a signal component with a spectral amplitude of Ao is present.
- Spectral amplitude in error-free case in this case a spectral amplitude of 0, so in the case of a deviation, a single-ended isolation error can be reliably detected.
- the magnitude amplitude change that is, in this case the amplitude value A- ⁇ itself, is a measure of the deterioration of the insulation resistance.
- FIGS. 6 and 7 show the time profile of the measuring voltage U M or the resulting spectral distribution when a symmetrical insulation fault occurs in the 3-phase network 1. This affects the deterioration of the
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer Spannungsschwankung von Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz, wobei das Netz einen Gleichspannungszwischenkreis (6), ein n-Phasen-Netz (1) mit einem n-phasigen ersten elektrischen Verbraucher (2), mit n ≥ 3, ein 1-Phasen-Netz (21) mit einem einphasigen zweiten elektrischen Verbraucher (20), einen an den Gleichspannungszwischenkreis (6) angeschlossenen ersten Wechselrichter (3) zur Steuerung des ersten elektrischen Verbrauchers (2) und einen an den Gleichspannungszwischenkreis (6) angeschlossenen zweiten Wechselrichter (19) zur Steuerung des zweiten elektrischen Verbrauchers (2) umfasst. Erfindungsgemäß ist ein Spannungsteiler (22), insbesondere ein symmetrischer Spannungsteiler vorgesehen, welcher zwischen Versorgungsleitungen (23, 24) des 1-Phasen-Netzes (21) angeschlossen ist und einen Mittelabgriff (M) aufweist. Außerdem ist eine Messeinrichtung (25) zum Messen einer, eine Messspannung (UM) charakterisierenden Größe am Mittelabgriff (M) des Spannungsteilers (22) vorgesehen, wobei die Messspannung (UM) die Spannungsschwankung von Versorgungsspannungspotentialen (T+, T-) des Gleichspannungszwischenkreises (6) gegen ein Bezugspotenzial repräsentiert.
Description
Beschreibung Titel
Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer Spannungsschwankung von
Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer
Spannungsschwankung von Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz. Stand der Technik
Für den Antrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden in der Regel elektrische Maschinen in Form von Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche in Verbindung mit Wechselrichtern - häufig auch als Inverter bezeichnet - betrieben werden. Die elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Maschine wird dabei aus einer vom Bordnetz des Fahrzeugs getrennten, nicht geerdeten Stromversorgung, z.B. in Form einer
leistungsfähigen Hochvoltbatterie, geliefert. Das auf diese Weise geschaffene ungeerdete elektrische Netz - häufig auch als IT-Netz (Isole Terre) bezeichnet - reduziert die
Gefährdung z.B. von Servicepersonal, da bei einem Einzelfehler, wie z.B. einem
Isolationsfehler, kein geschlossener Stromkreis aufgebaut wird. Darüber hinaus muss der Betrieb bei Auftreten eines Einzelfehlers nicht eingestellt werden, so dass ein
Isolationsfehler gemeldet werden kann, ohne dass es schon einen Systemausfall zur Folge hat. Dafür ist es jedoch erforderlich, dass der Isolationswiderstand des elektrischen Netzes auch während des Betriebs des Fahrzeuges kontinuierlich oder zumindest periodisch überwacht wird, was beispielsweise anhand einer Spannungsschwankung der Leiterpotentiale des IT-Netzes möglich ist.
Aus der DE 10 2006 031 663 B3 ist ein Verfahren zur Messung des Isolationswiderstands in einem IT-Netz mit einem Gleichspannungszwischenkreis und mindestens einem selbstgeführten Stromrichter sowie einer Messanordnung zur Messung der
Zwischenkreisspannung gegen Grundpotential bekannt, bei dem eine Offline- und eine Online-Messung vorgesehen sind. Dabei werden während der Offline-Messung, während derer alle Leistungsschalter des Stromrichters geschlossen sind, die Potentiale Up und Um sowie die Zwischenkreisspannung gemessen und daraus der Isolationswiderstand bestimmt. Während der Online-Messung werden die Potentiale Up und Um gemessen und der zeitliche Verlauf der Messungen bewertet. Dazu werden insbesondere die beiden
Potentiale summiert, die Summe fourier-transformiert und die Änderung des
Frequenzspektrums in ihrem zeitlichen Verlauf bewertet.
Aus der EP 1 909 369 A2 ist ein Verfahren zur Isolationsüberwachung für im Betrieb befindliche Umrichteranordnungen bekannt, wobei die Umrichteranordnung einen Spannungszwischenkreis mit mindestens einem positiven Zweig und einem negativen Zweig, mindestens ein elektrisches Gerät, welches mindestens zwei Phasenanschlüsse aufweist, und mindestens einen Umrichter mit Schaltelementen zur elektrischen
Verbindung der Phasenanschlüsse mit dem positiven Zweig oder dem negativen Zweig des Spannungszwischenkreises umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass ein
Betriebszustand des Umrichters während dem der Umrichter in Betrieb ist und das elektrische Gerät, welches dabei ebenfalls in einem Normalbetrieb ist, speist, durch Erfassen von Parametern einer Umrichtersteuerung bestimmt wird. Außerdem werden zumindest eine der Spannungen des positiven Zweiges oder des negativen Zweiges gemessen. Schließlich werden nach Maßgabe der gemessenen Spannung oder
Spannungen und des Betriebszustandes des Umrichters Isolationsdefekte am
Spannungszwischenkreis und/oder an den Phasenanschlüssen und/oder am elektrischen Gerät bestimmt. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer Spannungsschwankung von Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz, wobei das Netz einen Gleichspannungszwischenkreis, ein n-Phasen-Netz mit einem n- phasigen ersten elektrischen Verbraucher, mit n > 3, ein 1 -Phasen-Netz, also ein einphasiges Wechselstromnetz, mit einem 1 -phasigen zweiten elektrischen Verbraucher, einen an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen ersten Wechselrichter zur Steuerung des ersten elektrischen Verbrauchers und einen an den
Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen zweiten Wechselrichter zur Steuerung des zweiten elektrischen Verbrauchers. Erfindungsgemäß ist ein Spannungsteiler, insbesondere ein symmetrischer Spannungsteiler, vorgesehen, welcher zwischen Versorgungsleitungen des 1 -Phasen-Netzes angeschlossen ist. Der Spannungsteiler weist dabei einen Mittelabgriff auf, an welchem mit Hilfe einer Messeinrichtung eine, eine Messspannung charakterisierende Größe gemessen wird, wobei die Messspannung die Spannungsschwankung der Versorgungsspannungspotentiale des
Gleichspannungszwischenkreises gegen ein Bezugspotenzial repräsentiert.
Während des Betriebs der elektrischen Verbraucher und damit während des Betriebs der Wechselrichter sind den Gleichspannungspotentialen der
Versorgungsspannungsschienen des Gleichspannungszwischenkreises
Wechselspannungsanteile überlagert, welche zu einer Spannungsschwankung der Versorgungsspannungspotentiale des Gleichspannungszwischenkreises gegen ein Bezugspotenzial, welches z.B. durch eine Fahrzeugkarosserie gebildet wird, führen. Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass der Mittelabgriff eines Spannungsteilers, welcher zwischen den Versorgungsleitungen des 1 -Phasen-Netzes angeschlossen ist, sein Potential gegenüber den Leiterpotentialen, also den Potentialen der
Versorgungsspannungsschienen nicht ändert, so dass das Potential des Mittelabgriffs gegen das Bezugspotential in demselben Maß schwankt wie die Leitungspotentiale. Somit kann an dem Mittelabgriff mittels einer einzigen Messung direkt eine Spannung gemessen werden, welche unmittelbar eine Spannungsschwankung der
Versorgungsspannungspotentiale des Gleichspannungszwischenkreises gegen das Bezugspotenzial repräsentiert. Potentielle Fehler durch weitere Messungen oder nachgehende Berechnungen werden damit sicher vermieden. Anstelle der Spannung selbst kann auch eine andere Größe, wie etwa der Strom, gemessen werden, welche die Spannung charakterisiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Messbereich der Messeinrichtung an eine maximale Amplitude der Spannungsschwankung angepasst, wodurch die
Messgenauigkeit erhöht wird. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines ungeerdeten Netzes mit einem
Gleichspannungszwischenkreis, einem daran angeschlossenen Wechselrichter, einer 3-phasigen elektrischen Maschine und einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung,
Fig. 2 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Messspannung im Normalbetrieb ohne Isolationsfehler,
Fig. 3 eine grafische Darstellung des Frequenzspektrums der Messspannung gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Messspannung bei
Auftreten eines einphasigen unsymmetrischen Isolationsfehlers im 3-Phasen- Netz,
Fig. 5 eine grafische Darstellung des Frequenzspektrums der Messspannung gemäß Fig. 4,
Fig. 6 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Messspannung bei
Auftreten eines symmetrischen Isolationsfehlers im 3-Phasen-Netz und
Fig. 7 eine grafische Darstellung des Frequenzspektrums der Messspannung gem. Fig.
6. Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines 3-Phasen-Netzes 1 mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2, welche beispielsweise als Synchron-, Asynchronoder Reluktanz-Maschine ausgeführt sein kann, mit einem daran angeschlossenen ersten Pulswechselrichter 3. Der erste Pulswechselrichter 3 umfasst Schaltelemente 4a-4f in Form von Leistungsschaltern, welche mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 2 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein an einer positiven Versorgungsspannungsschiene 5 eines Gleichspannungszwischenkreises 6 anliegendes positives Versorgungsspannungspotential T+ oder ein an einer negativen Versorgungsspannungsschiene 7 des Gleichspannungszwischenkreises 6 anliegendes negatives Versorgungsspannungspotential T- schalten. Die mit der positiven
Versorgungsspannungsschiene 5 verbundenen Schaltelemente 4a-4c werden dabei auch als„High-Side-Schalter" und die der negativen Versorgungsspannungsschiene 7
verbundenen Schalter 4d-4f als„Low-Side-Schalter" bezeichnet und können
beispielsweise als Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder als Metal Oxide
Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) ausgeführt sein. Der erste
Pulswechselrichter 3 umfasst ferner mehrere Freilaufdioden 8a-8f, welche jeweils parallel zu einem der Schaltelemente 4a-4f angeordnet sind.
Der Pulswechselrichter 3 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 2 und wird von einem nicht dargestellten Steuergerät, z.B. in Form eines MikroControllers, entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 2 kann dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden.
Der Pulswechselrichter 3 umfasst außerdem einen sogenannten
Zwischenkreiskondensator 10, welcher im Wesentlichen zur Stabilisierung einer
Spannung eines Hochvolt-Energiespeichers in Form einer Hochvolt-Batterie 1 1 in dem Gleichspannungszwischenkreis 6 dient. Ein Bordnetz 12 des Fahrzeugs mit einem Niedervolt-Energiespeicher in Form einer Niedervolt-Batterie 13 ist über einen
Gleichspannungswandler 14 parallel zum Zwischenkreis-Kondensator 6 geschaltet.
Die elektrische Maschine 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel dreiphasig
ausgeführt, kann aber auch mehr als drei Phasen aufweisen. Vorzugsweise ist die Anzahl der Phasen jedoch drei oder zumindest durch drei teilbar.
Beispielsweise für Servicezwecke ist es erforderlich, die Hochvolt-Batterie 1 1 im Ruhezustand von dem Gleichspannungszwischenkreis 6 - häufig auch als Traktionsnetz oder Hochvoltkreis bezeichnet - zu trennen. Dazu sind zwei Hauptschütze 15 und 16 sowie ein Vorladeschütz 17 vorgesehen. Das Vorladeschütz ermöglicht dabei eine strombegrenzte Ladung des Zwischenkreiskondensators über einen Vorladewiderstand 18.
Parallel zu dem ersten Wechselrichter 3 ist ein zweiter Wechselrichter 19 angeordnet, welcher ebenfalls an den Gleichspannungszwischenkreis 6 angeschlossen ist und zur Steuerung eines einphasigen Verbrauchers 20 in einem 1 -Phasen-Netz 21 , also einem einphasigen Wechselstromnetz, dient. Der zweite Wechselrichter 19 ist zwar auf nur eine Phase ausgelegt, bezüglich der inneren Verschaltung aber grundsätzlichen analog zu dem ersten Wechselrichter aufgebaut. Er ist deshalb vereinfachend lediglich als
Funktionsblock dargestellt.
In dem 1 -Phasen-Netz 21 ist ein Spannungsteiler 22 vorgesehen, welcher zwischen Versorgungsleitungen 23, 24 des 1 -Phasen-Netzes 21 angeschlossen ist und bevorzugt symmetrisch ausgelegt ist. An einem Mittelabgriff M wird mit Hilfe einer Messeinrichtung 25 gegenüber dem Bezugspotential eine Messspannung UM gemessen, welche unmittelbar eine Spannungsschwankung der Versorgungsspannungspotentiale T+ und T- des Gleichspannungszwischenkreises 6 gegen das Bezugspotenzial repräsentiert. Dabei ist der Messbereich der Messeinrichtung 25 vorteilhaft an eine maximale Amplitude der Spannungsschwankung angepasst. Der Spannungsteiler 22 kann, wie dargestellt, aus ohmschen Widerständen 26 und 27 oder auch mit Hilfe von Kapazitäten und/oder Induktivitäten gebildet werden. Entscheidend für die Verwendbarkeit ist lediglich die spannungsteilende Funktion. Selbstverständlich kann der Spannungsteiler 22 auch aus mehr als zwei Komponenten gebildet werden. Alternativ zur unmittelbaren Messung der Messspannung UM kann auch eine andere von der Messspannung UM abgeleitete Größe, welche damit die Messspannung UM charakterisiert, gemessen werden.
Im Folgenden wird beispielhaft eine Verwendung der gemessenen Messspannung UM bei der Überwachung des Isolationswiderstandes in dem ungeerdeten elektrischen Netz näher ausgeführt. Durch eine Auswerteeinheit 28, welche ein Steuergerät der Wechselrichter integriert sein kann oder alternativ auch als eigenständige Einheit realisiert sein kann, wird die
Messspannung UM einer Frequenztransformation, vorzugsweise einer Fast-Fourier- Transformation (FFT) unterzogen, um auf diese Weise das Frequenzspektrum der Messspannung UM zu berechnen. Durch Auswertung der betragsmäßigen
Spektralamplituden | UMCW) I bei vorgegebenen elektrischen Frequenzen bzw.
Winkelgeschwindigkeiten, kann dann ein Isolationsfehler detektiert werden. Dabei sind jedoch die vorgegebenen elektrischen Frequenzen bzw. Winkelgeschwindigkeiten keine Fixwerte, sondern abhängig von einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωβι der elektrischen Maschine 2, welche proportional zur elektrischen Frequenz der elektrischen Maschine 2 ist.
Daher wird eine die elektrische Frequenz der elektrischen Maschine 2 charakterisierende Größe, wie z.B. die elektrische Winkelgeschwindigkeit ωβι, bestimmt. Diese Bestimmung kann auf Basis messtechnischer Ergebnisse erfolgen. Häufig wird die elektrische
Frequenz der elektrischen Maschine 2 aber auch vorgegeben, so dass diese vorbekannt ist.
Ein Isolationsfehler, das heißt eine Verschlechterung des Isolationswiderstandes macht sich dadurch bemerkbar, dass sich die Spektralamplitude UM (jK · ωβι) bei bestimmten Frequenzen betragsmäßig ändert. Abhängig davon, ob es sich um einen symmetrischen oder einen unsymmetrischen Isolationsfehler handelt, ergibt sich die Veränderung der Spektralamplitude bei der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωβι, also bei K=3, bzw. bei der (1 -fachen) elektrische Winkelgeschwindigkeit ωβι, also bei K=1. Dieser Zusammenhang wird aber im Folgenden noch detailliert erläutert. Die betragsmäßige Änderung der Spektralamplitude ist dabei jeweils ein Maß für die Verschlechterung des Isolationswiderstandes.
Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Messspannung UM im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 2 und damit des Pulswechselrichters 3 ohne Isolationsfehler. Die Messspannung UM verläuft dabei in Form einer Wechselspannung um eine Nulllinie, welche dem Bezugspotential, also z.B. Fahrzeugmasse, entspricht. Dieser Verlauf rührt daher, dass während des Pulswechselrichterbetriebs den
Versorgungsspannungspotentialen T+ und T- der Versorgungsspannungsschienen 5 bzw. 7 Wechselspannungsanteile überlagert sind. Eine Fast-Fourier-Transformation der in Figur 2 dargestellten Messspannung ergibt eine in Figur 3 schematisch dargestellte Spektralverteilung (Frequenzspektrum). Dabei ist zu erkennen, dass bei der (1 -fachen) elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωβι kein
Signalanteil vorhanden ist und bei der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 3 · ωβι ein Signalanteil mit einer Spektralamplitude von Ao vorhanden ist.
Tritt nun im Bereich des 3-Phasen-Netzes 1 ein einphasiger unsymmetrischer Isolationsfehler auf, das heißt eine Verschlechterung des Isolationswiderstandes auf einer der drei Phasen U, V oder W, so ergibt sich ein veränderter zeitlicher Verlauf der Messspannung UM (vgl. Figur 4) und auch eine veränderte Spektralverteilung (vgl. Figur 5). Insbesondere tritt bei der (1 -fachen) elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωβι nun ein Signalanteil mit einer Spektralamplitude von A-ι auf, welche im fehlerfreien Fall nicht auftrat oder zumindest in einem Grundrauschen unterging. Vergleicht man folglich die
Spektralamplitude A-ι mit der als Referenzwert dienenden entsprechenden
Spektralamplitude im fehlerfreien Fall, in diesem Fall also einer Spektralamplitude von 0, so kann im Falle einer Abweichung ein unsymmetrischer Isolationsfehler zuverlässig detektiert werden. Die betragsmäßige Amplitudenänderung, das heißt in diesem Fall also
der Amplitudenwert A-ι selbst, ist dabei ein Maß für die Verschlechterung des Isolationswiderstandes. Dabei, wie auch bei den noch folgenden Detektionen von Isolationsfehlern, kann selbstverständlich auch ein Mindestwert für die Abweichung vorgegeben werden, welcher überschritten sein muss, bevor ein Isolationsfehler detektiert wird.
In den Figuren 6 und 7 sind der zeitliche Verlauf der Messspannung UM bzw. die sich daraus ergebende Spektralverteilung bei Auftreten eines symmetrischen Isolationsfehlers im 3-Phasen-Netz 1 dargestellt. Dabei wirkt sich die Verschlechterung des
Isolationswiderstandes auf alle drei Phasen in analoger Weise aus. Aus Figur 7 erkennt man, dass sich ein derartiger Isolationsfehler dadurch bemerkbar macht, dass sich die Spektralamplitude bei der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 3 · ωβι von einem Wert A0 auf einen Wert A2 erhöht hat. Der betragsmäßige Anstieg ist dabei wiederum ein Maß für die Verschlechterung des Isolationswiderstandes. Durch Vergleich der
Spektralamplitude der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 3 · ωβι mit der als Referenzwert dienenden entsprechenden Spektralamplitude im fehlerfreien Fall, in diesem Fall also A0, kann somit auch ein symmetrischer Isolationsfehler sicher detektiert werden.
Ein ähnlicher Effekt zeigt sich auch bei Auftreten eines symmetrischen Isolationsfehlers im Gleichspannungszwischenkreis 6. Auch dabei ergibt sich eine Veränderung der Spektralverteilung im Bereich der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 3 · ωβι, allerdings in Form eines Absinkens des Amplitudenwertes auf einen niedrigeren Wert als im Normalbetrieb, als niedriger als A0. In diesem Fall ist der betragsmäßige Abfall ein Maß für die Verschlechterung des Isolationswiderstandes.
Für die Anwendbarkeit der Erfindung ist es lediglich entscheidend, die Spektralamplituden bei der 1 -fachen und 3-fachen, oder im Fall eines n-Phasen-Netzes der n-fachen elektrischen Frequenz oder auch Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen. Insofern können anstelle einer Frequenztransformation auch Bandpassfilterungen mit entsprechenden Mittelfrequenzen bei ωβι und 3 · ωβι (n · ωβι) eingesetzt werden und die benötigten Amplitudenwerte anschließend aus den gefilterten Messspannungen berechnet werden.
Claims
Ansprüche 1 . Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer Spannungsschwankung von
Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz, wobei das Netz umfasst
- einen Gleichspannungszwischenkreis (6),
- ein n-Phasen-Netz (1 ) mit einem n-phasigen ersten elektrischen Verbraucher (2), mit n > 3
- ein 1 -Phasen-Netz (21 ) mit einem einphasigen zweiten elektrischen Verbraucher (20),
- einen an den Gleichspannungszwischenkreis (6) angeschlossenen ersten
Wechselrichter (3) zur Steuerung des ersten elektrischen Verbrauchers (2) und
- einen an den Gleichspannungszwischenkreis (6) angeschlossenen zweiten
Wechselrichter (19) zur Steuerung des zweiten elektrischen Verbrauchers (2) gekennzeichnet durch
- einen Spannungsteiler (22), insbesondere einen symmetrischen Spannungsteiler, welcher zwischen Versorgungsleitungen (23, 24) des 1 -Phasen-Netzes (21 )
angeschlossen ist und einen Mittelabgriff (M) aufweist, und
eine Messeinrichtung (25) zum Messen einer, eine Messspannung (UM) am Mittelabgriff (M) des Spannungsteilers (22) charakterisierenden Größe, wobei die Messspannung (UM) die Spannungsschwankung von Versorgungsspannungspotentialen (Τ+, T-) des
Gleichspannungszwischenkreises (6) gegen ein Bezugspotenzial repräsentiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Messbereich der Messeinrichtung (25) an eine maximale Amplitude der Spannungsschwankung angepasst ist.
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| DE (1) | DE102010030129A1 (de) |
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