WO2021099414A1 - Frequenzumrichter - Google Patents

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Andreas Burgermeister
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Schmidhauser Ag
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Definitions

  • the invention relates to a frequency converter.
  • the invention is based on the object of providing a frequency converter which enables reliable and inexpensive earth fault detection.
  • the frequency converter conventionally has a DC voltage intermediate circuit, the DC voltage intermediate circuit having a first connection pole at which a positive intermediate circuit potential is present or applied when the frequency converter is in operation, and a second connection pole at which a negative intermediate circuit potential is present or applied during operation of the frequency converter. is created.
  • a first connection pole at which a positive intermediate circuit potential is present or applied when the frequency converter is in operation
  • a second connection pole at which a negative intermediate circuit potential is present or applied during operation of the frequency converter.
  • the frequency converter also has a conventional inverter, the inverter having a first connection pole at which a positive inverter potential is present when the frequency converter is in operation, and a second connection pole at which a negative inverter potential is present during operation of the frequency converter.
  • the frequency converter also has a shunt resistor which is looped in between the first connection pole of the DC voltage intermediate circuit and the first connection pole of the inverter.
  • the positive intermediate circuit potential can correspond to the positive inverter potential minus the voltage drop across the shunt resistor.
  • the negative intermediate circuit potential can correspond to the negative inverter potential, provided that there are no components in the current path between negative intermediate circuit potential and negative inverter potential at which a voltage drops.
  • the frequency converter also has a differential amplifier which is designed to generate a test voltage from a potential difference dropping across the shunt resistor.
  • the frequency converter also has an evaluation unit which is designed to detect a ground fault based on the test voltage.
  • the evaluation unit can detect a ground fault as soon as the test voltage has reached a specified level exceeds or falls below, and / or as soon as the test voltage shows a pulse-shaped curve, etc.
  • the differential amplifier is designed to generate the test voltage with the negative intermediate circuit potential as the reference potential.
  • the test voltage can have a level between 0 V and 3.3 V or 5 V, for example.
  • the shunt resistor is dimensioned or has a resistance value such that, in the event of a ground fault, the potential difference at the shunt resistor is in a range between 50 mV and 500 mV.
  • the resistance value of the shunt resistor can be in a range between 1 mOhm and 20 mOhm.
  • the evaluation unit has a digital input to which the test voltage is applied, the differential amplifier being designed to generate the test voltage when there is no ground fault at a level that corresponds to a first logic level of the digital input, for example the logic one Level zero, and wherein the differential amplifier is designed to generate the test voltage in the event of a ground fault with a level that corresponds to a second logic level of the digital input, for example the logic level one.
  • the differential amplifier has: a first transistor, in particular a bipolar transistor, or a diode and a second transistor, in particular a bipolar transistor, the first transistor or the diode biasing the second transistor with regard to its switching behavior in such a way that that in the event of a ground fault, the second transistor changes its switching state even if the potential difference across the shunt resistor is less than 500 mV.
  • the second transistor is connected in such a way that its AC voltage gain is at least a factor of 10 to 20 greater than its DC voltage gain.
  • the first transistor and the second transistor are each bipolar transistors, in particular each pnp bipolar transistors
  • the differential amplifier has: a first resistor and a first capacitor connected in series between a first connection of the shunt resistor and an emitter connection of the second transistor are looped in, a second resistor connected between the first connection of the shunt Resistor and the emitter connection of the second transistor is looped in, a third resistor and a fourth resistor which are looped in series between a collector connection of the second transistor and the negative intermediate circuit potential, a second capacitor which is connected in parallel to the third resistor, and a fifth resistor which is connected in parallel to the base-collector path of the second transistor.
  • the base connection of the first transistor and the base connection of the second transistor are electrically connected to one another
  • the emitter connection and the collector connection of the first transistor are electrically connected to one another
  • a sixth resistor is in series between a second one Connection of the shunt resistor and the emitter connection of the first transistor looped in.
  • the cathode of the diode and the base connection of the second transistor are electrically connected to one another and a sixth resistor is looped in series between a second connection of the shunt resistor and the anode of the diode .
  • the frequency converter has a test voltage generation circuit which is designed to generate the test voltage from a voltage drop across the fourth resistor.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a frequency converter according to the invention
  • Fig. 2 is a detailed circuit diagram of a differential amplifier, a test voltage generation circuit and an evaluation unit of the frequency converter shown in Fig. 1.
  • a potential difference between the positive intermediate circuit potential ZK + and the negative intermediate circuit potential ZK- or an intermediate circuit voltage can be in the range of 800 V, for example.
  • the frequency converter 100 also has a conventional inverter 4, which has three half bridges with associated semiconductor switches T1 to T6, for example in the form of IGBTs, and three shunt resistors RU, RV and RW for current measurement.
  • the half bridges conventionally generate phase voltages U, V and W for a three-phase motor.
  • the inverter 4 has a first connection pole 5 at which a positive inverter potential WR + is present when the frequency converter 100 is in operation, and a second connection pole 6 at which a negative inverter potential WR- is present when the frequency converter 100 is in operation.
  • the potentials ZK- and WR- are identical.
  • the frequency converter 100 also has a shunt resistor 7 with a resistance value of 10 mOhm, which is looped in between the first connection pole 2 of the DC voltage intermediate circuit 1 and the first connection pole 5 of the inverter 4.
  • the frequency converter 100 also has a differential amplifier 8, which is designed to generate a test voltage UP from a potential difference US dropping across the shunt resistor 7, which test voltage, for example, has a pulse-shaped profile in the event of a ground fault.
  • the frequency converter 100 furthermore has an evaluation unit 9 which is designed to detect a ground fault based on the test voltage UP or its time profile.
  • the differential amplifier 8 is designed to generate the test voltage UP with the negative inter mediate circuit potential ZK-, referred to in Fig. 2 as GND, as a reference potential.
  • the shunt resistor 7 is dimensioned such that, in the event of a ground fault, the potential difference US at the shunt resistor 7 is in a range between 50 mV and 500 mV.
  • the evaluation unit 9 has a digital input 10 to which the test voltage UP is applied.
  • the differential amplifier 8 generates the test voltage UP in the case of no earth fault with a level that corresponds to a first logic level of the digital input 10, and generates the test voltage UP in the case of earth fault with a level that corresponds to a second logic level of the digital input 10.
  • the differential amplifier 8 has a first pnp bipolar transistor
  • the first transistor 11 biasing the second transistor 12 in such a way that, in the event of a ground fault, the second transistor 12 changes its switching state even if the potential difference US at the shunt resistor 7 is smaller than 500 mV.
  • the second transistor 12 is connected in such a way that its AC voltage gain is at least 100 times greater than its DC voltage gain.
  • the differential amplifier 8 has a first resistor 13 and a first capacitor 14, which are looped in series between a first connection 22 of the shunt resistor 7 and an emitter connection of the second transistor 12.
  • the differential amplifier 8 further has a second resistor 15 which is connected between the first terminal 22 of the shunt resistor 7 and the emitter terminal of the second transistor
  • the differential amplifier 8 also has a third resistor 16 and a fourth resistor 18, which are looped in in series between a collector connection of the second transistor 12 and the negative intermediate circuit potential ZK- or GND.
  • the differential amplifier 8 also has a second capacitor 17 which is connected in parallel to the third resistor 16.
  • the differential amplifier 8 also has a fifth resistor 19 which is connected in parallel to the base-collector path of the second transistor 12.
  • the base connection of the first transistor 11 and the base connection of the second transistor 12 are electrically connected to one another.
  • the emitter connection and the collector connection of the first transistor 11 are electrically connected to one another.
  • the differential amplifier 8 also has a sixth resistor 20, which is looped in series between a second connection 23 of the shunt resistor 7 and the emitter connection of the first transistor 11.
  • a test voltage generation circuit 21 is designed to generate the test voltage UP from a voltage drop across the fourth resistor 18.
  • the test voltage generating circuit 21 has a capacitor 24, resistors 25, 26 and 27 and a transistor 28 in the circuit shown.
  • a capacitor 29 is connected in parallel with the shunt resistor 7.
  • a ground fault on the motor phases can only be detected to a limited extent during operation. If the earth fault occurs during the conducting phase of an upper IGBT T1, T3, T5, the power section will be destroyed. According to the invention, a sensor system is therefore provided for reliable earth fault detection in the ZK + current path.
  • the evaluation unit 9 Since the evaluation unit 9 is at the ZK or GND potential, the voltage US dropping across the shunt resistor 7 must be generated for evaluation against ZK or GND.
  • a high current flowing in the ZK + path due to an earth fault is converted into the voltage US by means of the shunt resistor 7. Since the ohm value of the shunt resistor 7 must be selected as low as possible due to the low power loss, there is only a small voltage drop of approx. 100 to 200 mV at the shunt resistor 7 in the event of a ground fault. This voltage drop is not sufficient to to control an optocoupler or bipolar transistor directly.
  • the base voltage of the transistor 12 by means of the transistor 11 is tensioned before. Since the resistance value of the resistor 20 is chosen to be much lower than the resistance value of the resistor 15, a quiescent current mainly flows through the transistor 12. Thus, a high voltage drops across the resistor 19, for example approx. 200 V.
  • the transistor 11 blocks immediately, whereupon the transistor 12 becomes strongly conductive. Due to the capacitor 17, the resulting voltage pulse is transmitted to the lower voltage potential ZK- or GND and the transistor 28 then reports the short-circuit signal to the evaluation unit 9. Theoretically, the resulting voltage pulse could also be transmitted without the capacitor 17, but a transistor (pnp or P-channel MOS-FET) with a high blocking voltage and high voltage intervals would have to be used for this.
  • the resistance values of the resistors used are selected such that a maximum of 210V drop across transistor 12 at an intermediate circuit voltage of 800 V and then 590 V to 800 V correspondingly across capacitor 17. But since this only has to have a capacity of 470 pF, for example, it is very inexpensive and small. A small, inexpensive transistor can be used as transistor 12.

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Abstract

Frequenzumrichter, aufweisend: - einen Gleichspannungszwischenkreis, wobei der Gleichspannungszwischenkreis einen ersten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Zwischenkreispotential ansteht, und einen zweiten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Zwischenkreispotential ansteht, - einen Wechselrichter, wobei der Wechselrichter einen ersten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Wechselrichterpotential ansteht, und einen zweiten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Wechselrichterpotential ansteht, - einen Shunt-Widerstand (7), der zwischen den ersten Anschlusspol des Gleichspannungszwischenkreises und den ersten Anschlusspol des Wechselrichters eingeschleift ist, - einen Differenzverstärker (8), der dazu ausgebildet ist, aus einer an dem Shunt-Widerstand (7) abfallenden Potentialdifferenz eine Prüfspannung (UP) zu erzeugen, und - eine Auswerteeinheit (9), die dazu ausgebildet ist, basierend auf der Prüfspannung (UP) einen Erdschluss zu erkennen.

Description

Frequenzumrichter
Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, der eine zuverlässige und kostengünstige Erdschlusserkennung ermöglicht.
Der Frequenzumrichter weist herkömmlich einen Gleichspannungszwischenkreis auf, wobei der Gleichspannungszwischenkreis einen ersten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Zwischenkreispotential ansteht bzw. angelegt ist, und einen zweiten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Zwi schenkreispotential ansteht bzw. angelegt ist. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachlitera tur verwiesen.
Der Frequenzumrichter weist weiter einen herkömmlichen Wechselrichter auf, wobei der Wech selrichter einen ersten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein positives Wechselrichterpotential ansteht, und einen zweiten Anschlusspol aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters ein negatives Wechselrichterpotential ansteht.
Der Frequenzumrichter weist weiter einen Shunt-Widerstand auf, der zwischen den ersten An schlusspol des Gleichspannungszwischenkreises und den ersten Anschlusspol des Wechsel richters eingeschleift ist.
Das positive Zwischenkreispotential kann dem positiven Wechselrichterpotential abzüglich der am Shunt-Widerstand abfallenden Spannung entsprechen. Das negative Zwischenkreispotenti al kann dem negativen Wechselrichterpotential entsprechen, vorausgesetzt es befinden sich im Strompfad zwischen negativem Zwischenkreispotential und negativen Wechselrichterpotential keine Komponenten, an denen eine Spannung abfällt.
Der Frequenzumrichter weist weiter einen Differenzverstärker auf, der dazu ausgebildet ist, aus einer an dem Shunt-Widerstand abfallenden Potentialdifferenz eine Prüfspannung zu erzeugen.
Der Frequenzumrichter weist weiter eine Auswerteeinheit auf, die dazu ausgebildet ist, basie rend auf der Prüfspannung einen Erdschluss zu erkennen. Beispielsweise kann die Auswer teeinheit einen Erdschluss erkennen, sobald die Prüfspannung einen vorgegebenen Pegel über- bzw. unterschreitet, und/oder sobald die Prüfspannung einen impulsförmigen Verlauf auf weist, usw.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Differenzverstärker dazu ausgebildet, die Prüfspannung mit dem negativen Zwischenkreispotential als Bezugspotential zu erzeugen. Die Prüfspannung kann beispielsweise einen Pegel zwischen 0 V und 3,3 V oder 5 V aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Shunt-Widerstand derart dimensioniert bzw. weist einen derartigen Widerstandswert auf, dass in einem Erdschlussfall die Potentialdifferenz an dem Shunt-Widerstand in einem Bereich zwischen 50 mV und 500 mV liegt. Beispielsweise kann der Widerstandswert des Shunt-Widerstands in einem Bereich zwischen 1 mOhm und 20 mOhm liegen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Auswerteeinheit einen digitalen Eingang auf, der mit der Prüfspannung beaufschlagt ist, wobei der Differenzverstärker dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung im erdschlussfreien Fall mit einem Pegel zu erzeugen, der einem ersten logi schen Pegel des digitalen Eingangs entspricht, beispielsweise dem logischen Pegel Null, und wobei der Differenzverstärker dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung im Erdschlussfall mit ei nem Pegel zu erzeugen, der einem zweiten logischen Pegel des digitalen Eingangs entspricht, beispielsweise dem logischen Pegel Eins.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Differenzverstärker auf: einen ersten Transistor, ins besondere einen Bipolar-Transistor, oder eine Diode und einen zweiten Transistor, insbesonde re einen Bipolar-Transistor, wobei der erste Transistor oder die Diode den zweiten Transistor hinsichtlich seines Schaltverhaltens derart vorspannt, dass im Falle eines Erdschlusses der zweite Transistor seinen Schaltzustand selbst dann verändert, wenn die Potentialdifferenz an dem Shunt-Widerstand kleiner als 500 mV ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Transistor derart verschaltet, dass seine Wechsel spannungsverstärkung um mindestens den Faktor 10 bis 20 größer ist als seine Gleichspan nungsverstärkung.
Gemäß einer Ausführungsform sind der erste Transistor und der zweite Transistor jeweils Bipo lartransistoren, insbesondere jeweils pnp Bipolartransistoren, und der Differenzverstärker weist auf: einen ersten Widerstand und einen ersten Kondensator, die in Reihe zwischen einen ersten Anschluss des Shunt-Widerstands und einen Emitter-Anschluss des zweiten Transistors einge schleift sind, einen zweiten Widerstand, der zwischen den ersten Anschluss des Shunt- Widerstands und den Emitter-Anschluss des zweiten Transistors eingeschleift ist, einen dritten Widerstand und einen vierten Widerstand, die in Reihe zwischen einen Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors und das negative Zwischenkreispotential eingeschleift sind, einen zweiten Kondensator, der dem dritten Widerstand parallel geschaltet ist, und einen fünften Widerstand, der der Basis-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors parallel geschaltet ist.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Basis-Anschluss des ersten Transistors und der Basis- Anschluss des zweiten Transistors elektrisch miteinander verbunden, der Emitter-Anschluss und der Kollektor-Anschluss des ersten Transistors sind elektrisch miteinander verbunden, und ein sechster Widerstand ist in Reihe zwischen einen zweiten Anschluss des Shunt-Widerstands und den Emitter-Anschluss des ersten Transistors eingeschleift.
Falls anstelle des ersten Transistors zur Temperaturkompensation eine Diode verwendet wird, sind die Kathode der Diode und der Basis-Anschluss des zweiten Transistors elektrisch mitei nander verbunden und ein sechster Widerstand ist in Reihe zwischen einen zweiten Anschluss des Shunt-Widerstands und die Anode der Diode eingeschleift.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter eine Prüfspannungserzeugungs schaltung auf, die dazu ausgebildet ist, aus einer an dem vierten Widerstand abfallenden Span nung die Prüfspannung zu erzeugen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Frequenzumrichters und
Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild eines Differenzverstärkers, einer Prüfspannungserzeu gungsschaltung und einer Auswerteeinheit des in Fig. 1 gezeigten Frequenzum richters.
Fig. 1 zeigt einen Frequenzumrichter 100, der herkömmlich einen Gleichspannungszwischen- kreis 1 mit einem Zwischenkreiskondensator 30 aufweist, wobei der Gleichspannungszwi- schenkreis 1 einen ersten Anschlusspol 2 aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters 100 ein positives Zwischenkreispotential ZK+ ansteht, und einen zweiten Anschlusspol 3 auf weist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters 100 ein negatives Zwischenkreispotential ZK- ansteht. Eine Potentialdifferenz zwischen dem positiven Zwischenkreispotential ZK+ und dem negativen Zwischenkreispotential ZK- bzw. eine Zwischenkreisspannung kann beispielsweise im Bereich von 800 V liegen.
Der Frequenzumrichter 100 weist weiter einen herkömmlichen Wechselrichter 4 auf, der drei Halbbrücken mit zugehörigen Halbleiterschaltern T1 bis T6, beispielsweise in Form von IGBTs, und drei Shunt-Widerstände RU, RV und RW zur Strommessung aufweist. Die Halbbrücken erzeugen herkömmlich Phasenspannungen U, V und W für einen Drehstrommotor.
Der Wechselrichter 4 weist einen ersten Anschlusspol 5 auf, an dem im Betrieb des Frequen zumrichters 100 ein positives Wechselrichterpotential WR+ ansteht, und einen zweiten An schlusspol 6 auf, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters 100 ein negatives Wechselrichter potential WR- ansteht. Im dargestellten Fall sind die Potentiale ZK- und WR- identisch.
Der Frequenzumrichter 100 weist weiter einen Shunt-Widerstand 7 mit einem Widerstandswert von 10 mOhm auf, der zwischen den ersten Anschlusspol 2 des Gleichspannungszwischenkrei- ses 1 und den ersten Anschlusspol 5 des Wechselrichters 4 eingeschleift ist.
Der Frequenzumrichter 100 weist weiter einen Differenzverstärker 8 auf, der dazu ausgebildet ist, aus einer an dem Shunt-Widerstand 7 abfallenden Potentialdifferenz US eine Prüfspannung UP zu erzeugen, die beispielsweise einen impulsförmigen Verlauf im Falle eines Erdschlusses aufweist.
Der Frequenzumrichter 100 weist weiter eine Auswerteeinheit 9 auf, die dazu ausgebildet ist, basierend auf der Prüfspannung UP bzw. deren zeitlichem Verlauf einen Erdschluss zu erken nen.
Der Differenzverstärker 8 ist dazu ausgebildet, die Prüfspannung UP mit dem negativen Zwi schenkreispotential ZK-, in Fig. 2 als GND bezeichnet, als Bezugspotential zu erzeugen.
Der Shunt-Widerstand 7 ist derart dimensioniert, dass in einem Erdschlussfall die Potentialdiffe renz US an dem Shunt-Widerstand 7 in einem Bereich zwischen 50 mV und 500 mV liegt.
Bezug nehmend auf Fig. 2, weist die Auswerteeinheit 9 einen digitalen Eingang 10 auf, der mit der Prüfspannung UP beaufschlagt ist. Der Differenzverstärker 8 erzeugt die Prüfspannung UP im erdschlussfreien Fall mit einem Pegel, der einem ersten logischen Pegel des digitalen Ein gangs 10 entspricht, und erzeugt die Prüfspannung UP im Erdschlussfall mit einem Pegel, der einem zweiten logischen Pegel des digitalen Eingangs 10 entspricht. Bezug nehmend auf Fig. 2 weist der Differenzverstärker 8 einen ersten pnp Bipolar-Transistor
11 und einen zweiten pnp Bipolar-Transistor 12 auf, wobei der erste Transistor 11 den zweiten Transistor 12 derart vorspannt, dass im Falle eines Erdschlusses der zweite Transistor 12 sei nen Schaltzustand selbst dann verändert, wenn die Potentialdifferenz US an dem Shunt- Widerstand 7 kleiner als 500 mV ist.
Der zweite Transistor 12 ist derart verschaltet, dass seine Wechselspannungsverstärkung um mindestens den Faktor 100 größer ist als seine Gleichspannungsverstärkung.
Der Differenzverstärker 8 weist einen ersten Widerstand 13 und einen ersten Kondensator 14 auf, die in Reihe zwischen einen ersten Anschluss 22 des Shunt-Widerstands 7 und einen Emit ter-Anschluss des zweiten Transistors 12 eingeschleift sind.
Der Differenzverstärker 8 weist weiter einen zweiten Widerstand 15 auf, der zwischen den ers ten Anschluss 22 des Shunt-Widerstands 7 und den Emitter-Anschluss des zweiten Transistors
12 eingeschleift ist.
Der Differenzverstärker 8 weist weiter einen dritten Widerstand 16 und einen vierten Widerstand 18 auf, die in Reihe zwischen einen Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors 12 und das negative Zwischenkreispotential ZK- bzw. GND eingeschleift sind.
Der Differenzverstärker 8 weist weiter einen zweiten Kondensator 17 auf, der dem dritten Wi derstand 16 parallel geschaltet ist.
Der Differenzverstärker 8 weist weiter einen fünften Widerstand 19 auf, der der Basis-Kollektor- Strecke des zweiten Transistors 12 parallel geschaltet ist.
Der Basis-Anschluss des ersten Transistors 11 und der Basis-Anschluss des zweiten Transis tors 12 sind elektrisch miteinander verbunden.
Der Emitter-Anschluss und der Kollektor-Anschluss des ersten Transistors 11 sind elektrisch miteinander verbunden.
Der Differenzverstärker 8 weist weiter einen sechsten Widerstand 20 auf, der in Reihe zwischen einen zweiten Anschluss 23 des Shunt-Widerstands 7 und den Emitter-Anschluss des ersten Transistors 11 eingeschleift ist. Eine Prüfspannungserzeugungsschaltung 21 ist dazu ausgebildet, aus einer an dem vierten Widerstand 18 abfallenden Spannung die Prüfspannung UP zu erzeugen. Hierzu weist die Prüfspannungserzeugungsschaltung 21 einen Kondensator 24, Widerstände 25, 26 und 27 und einen Transistor 28 in der gezeigten Beschaltung auf.
Dem Shunt-Widerstand 7 parallel geschaltet ist ein Kondensator 29.
Mittels der Erfindung ist ein Schutz gegen Erdschluss der Motorausgänge bei einem Frequen zumrichter einschließlich Kurzschlussschutz eines Bremschopper-Ausgangs durch Messung des Zwischenkreisstromes im ZK+ Zweig mit Shunt-Widerstand 7 möglich.
Da bei der Emittershunt-Strommessung mittels der Shunt-Widerstände RU, RV und RW der Motorphasenstrom nur auf ZK- Potential erfasst wird, kann im Betrieb ein Erdschluss an den Motorphasen nur bedingt erkannt werden. Findet der Erdschluss während der Leitphase eines oberen IGBT's T1, T3, T5 statt, wird der Leistungsteil zerstört. Für eine sichere Erdschlusser kennung im ZK+ Strompfad ist daher erfindungsgemäß eine Sensorik vorgesehen.
Da die Auswerteeinheit 9 aber auf dem ZK- bzw. GND Potential liegt, muss die am Shunt- Widerstand 7 abfallende Spannung US zur Auswertung gegen ZK- bzw. GND erzeugt werden.
Ein aufgrund eines Erdschlusses fließender hoher Strom im ZK+ Pfad wird mittels des Shunt- Widerstands 7 in die Spannung US gewandelt. Da aufgrund geringer Verlustleistung der Ohm- Wert des Shunt-Widerstands 7 so gering wie möglich gewählt werden muss, ergibt sich im Erd schlussfall nur ein geringer Spannungsabfall von ca. 100 bis 200 mV am Shunt-Widerstand 7. Dieser Spannungsabfall reicht nicht aus, um einen Optokoppler oder Bipolar-Transistor direkt anzusteuern.
Aus diesem Grund wird die Basisspannung des Transistors 12 mittels des Transistors 11 vor gespannt. Da Der Widerstandswert des Widerstands 20 viel niederohmiger als der Wider standswert des Widerstands 15 gewählt ist, fließt ein Ruhestrom hauptsächlich durch den Tran sistor 12. Somit fällt am Widerstand 19 eine hohe Spannung ab, beispielsweise ca. 200 V.
Tritt nun ein Erdschluss auf, sperrt der Transistor 11 sofort, worauf der Transistor 12 stark lei tend wird. Aufgrund des Kondensators 17 wird der entstehende Spannungsimpuls auf das unte re Spannungspotential ZK- bzw. GND übertragen und der Transistor 28 meldet das Kurz schlusssignal dann zur Auswerteeinheit 9. Theoretisch könnte der entstehende Spannungspuls auch ohne den Kondensator 17 übertra gen werden, dazu müsste aber ein Transistor (pnp oder P-Kanal MOS-FET) mit hoher Sperr spannung und hohen Spannungsabständen verwendet werden.
Erfindungsgemäß werden die Widerstandswerte der verwendeten Wderstände derart gewählt, dass über dem Transistor 12 bei einer Zwischenkreisspannung von 800 V max. 210V abfallen und am Kondensator 17 entsprechend dann 590 V bis 800 V. Somit ist für die Isolationsstrecke und die Signalübertragung der Kondensator 17 maßgeblich. Da dieser aber beispielsweise nur 470 pF an Kapazität aufweisen muss, ist dieser sehr kostengünstig und klein. Als Transistor 12 kann ein kleiner, günstiger Transistor verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist keine galvanische Trennung zwischen Shunt-Widerstand 7 und Auswer teeinheit 9 erforderlich. Weiter ist kein Differenzverstärker mit einer Versorgung auf dem ZK+ Potential notwendig. Weiter ist der Differenzverstärker 8 mit kostengünstigen Standardbauteilen realisierbar, so dass keine spezifischen ICs oder Sensoren notwendig sind.

Claims

Patentansprüche
1. Frequenzumrichter (100), aufweisend: einen Gleichspannungszwischenkreis (1), wobei der Gleichspannungszwischenkreis (1) einen ersten Anschlusspol (2) aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (100) ein positives Zwischenkreispotential (ZK+) ansteht, und einen zweiten Anschlusspol (3) aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (100) ein negatives Zwischenkreis potential (ZK-) ansteht, einen Wechselrichter (4), wobei der Wechselrichter (4) einen ersten Anschlusspol (5) aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (100) ein positives Wechselrichter potential (WR+) ansteht, und einen zweiten Anschlusspol (6) aufweist, an dem im Betrieb des Frequenzumrichters (100) ein negatives Wechselrichterpotential (WR-) ansteht, einen Shunt-Widerstand (7), der zwischen den ersten Anschlusspol (2) des Gleichspan- nungszwischenkreises (1) und den ersten Anschlusspol (5) des Wechselrichters (4) ein geschleift ist, einen Differenzverstärker (8), der dazu ausgebildet ist, aus einer an dem Shunt- Widerstand (7) abfallenden Potentialdifferenz (US) eine Prüfspannung (UP) zu erzeugen, und eine Auswerteeinheit (9), die dazu ausgebildet ist, basierend auf der Prüfspannung (UP) einen Erdschluss zu erkennen.
2. Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (8) dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung (UP) mit dem negati ven Zwischenkreispotential (ZK-) als Bezugspotential zu erzeugen.
3. Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Shunt-Widerstand (7) derart dimensioniert ist, dass in einem Erdschlussfall die Poten tialdifferenz (US) an dem Shunt-Widerstand (7) in einem Bereich zwischen 50 mV und 500 mV liegt.
4. Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) einen digitalen Eingang (10) aufweist, der mit der Prüfspannung (UP) beaufschlagt ist, wobei der Differenzverstärker (8) dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung (UP) im erd schlussfreien Fall mit einem Pegel zu erzeugen, der einem ersten logischen Pegel des di gitalen Eingangs (10) entspricht, und wobei der Differenzverstärker (8) dazu ausgebildet ist, die Prüfspannung (UP) im Erd schlussfall mit einem Pegel zu erzeugen, der einem zweiten logischen Pegel des digitalen Eingangs (10) entspricht.
5. Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Differenzverstärker (8) aufweist: einen ersten T ransistor (11) oder eine Diode, und einen zweiten Transistor (12), wobei der erste Transistor (11) oder die Diode den zweiten Transistor (12) derart vorspannt, dass im Falle eines Erdschlusses der zweite Transistor (12) seinen Schaltzustand selbst dann verändert, wenn die Potentialdifferenz (US) an dem Shunt-Widerstand (7) kleiner als 500 mV ist.
6. Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor (12) derart verschaltet ist, dass seine Wechselspannungsverstär kung um mindestens den Faktor 100 größer ist als seine Gleichspannungsverstärkung.
7. Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (11) und der zweite Transistor (12) jeweils Bipolartransistoren sind, und der Differenzverstärker (8) aufweist: einen ersten Widerstand (13) und einen ersten Kondensator (14), die in Reihe zwi schen einen ersten Anschluss (22) des Shunt-Wderstands (7) und einen Emitter- Anschluss des zweiten Transistors (12) eingeschleift sind, einen zweiten Wderstand (15), der zwischen den ersten Anschluss (22) des Shunt- Widerstands (7) und den Emitter-Anschluss des zweiten Transistors (12) einge schleift ist, einen dritten Widerstand (16) und einen vierten Widerstand (18), die in Reihe zwi schen einen Kollektor-Anschluss des zweiten Transistors (12) und das negative Zwischenkreispotential (ZK-) eingeschleift sind, einen zweiten Kondensator (17), der dem dritten Widerstand (16) parallel geschaltet ist, und einen fünften Widerstand (19), der der Basis-Kollektor-Strecke des zweiten Transis tors (12) parallel geschaltet ist.
8. Frequenzumrichter (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Basis-Anschluss des ersten Transistors (11) und der Basis-Anschluss des zweiten Transistors (12) elektrisch miteinander verbunden sind, der Emitter-Anschluss und der Kollektor-Anschluss des ersten Transistors (11) elektrisch miteinander verbunden sind, und ein sechster Widerstand (20) in Reihe zwischen einen zweiten Anschluss (23) des Shunt- Widerstands (7) und den Emitter-Anschluss des ersten Transistors (11) eingeschleift ist.
9. Frequenzumrichter (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine Prüfspannungserzeugungsschaltung (21), die dazu ausgebildet ist, aus einer an dem vierten Widerstand (18) abfallenden Spannung die Prüfspannung (UP) zu erzeugen.
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