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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Betrieb eines lastseitigen selbstgeführten Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters mit Dioden-Front-End beim Auftreten von Transienten im speisenden Netz des Spannungszwischenkreis-Umrichters und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Bei einem an einem speisenden Netz angeschlossenen Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einer Dioden-Brückenschaltung als netzseitigen Stromrichter, der auch als Dioden-Front-End (DFE) bezeichnet wird, wird der Zwischenkreiskondensator des Spannungszwischenkreises dieses Umrichters auf einen Spannungswert aufgeladen, der von den Phasenspannungen des speisenden Netzes abhängig ist. Die Stromrichterventile des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters werden spannungsmäßig auf die Zwischenkreisspannung abgestimmt. Bei einem 380 V-Netz beträgt die Zwischenkreisspannung ungefähr 540 V. Da beim Betrieb des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters Spannungsspitzen entsprechend der doppelten Zwischenkreisspannung auftreten können, werden bei einem Spannungszwischenkreis-Umrichter an einem 380 V-Netz 1200 V-IGBTs als Stromrichterventile des lastseitigen-selbstgeführten Stromrichters verwendet.
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Die maximal zulässige Spannung bei leistungselektronischen Bauelementen, beispielsweise Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), ist durch die Durchbruchspannung des verwendeten Bauelementes begrenzt. Daher müssen diese Umrichtergeräte bei Überschreitung von Sicherheitsschwellen der Spannung am Zwischenkreiskondensator den Betrieb einstellen. Diese Sicherheitsschwellenspannung ist neben den statischen Festigkeitswert der verwendeten Bauelemente durch technische Gegebenheiten bestimmt. Die Sicherheitsschwellenspannung muss derart eingestellt werden, dass Überspannungen aufgrund von Streuinduktivitäten bei Schaltvorgängen nicht zur Zerstörung eines Spannungszwischenkreis-Umrichters führen.
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Die Abschaltung eines Spannungszwischenkreis-Umrichters ist grundsätzlich bei einer permanenten Überschreitung einer maximal zulässigen Spannung erforderlich, um Folgeschäden zu vermeiden.
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Das speisende Netz ist in vielen Ländern mehr oder weniger stabil. Selbst in einem stabilen Netz treten Transienten auf, die zu nicht vorhersehbaren Zeitpunkten unterschiedlich lange mit unterschiedlichen Spannungsamplituden auftreten. Durch das Auftreten von Transienten im speisenden Netz eines Spannungszwischenkreis-Umrichters wird der Energiespeicher (Zwischenkreiskondensator) dieses Spannungszwischenkreis-Umrichters weiter aufgeladen, so dass die an diesem Energiespeicher abfallende Spannung, auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet, ansteigt. Selbst wenn die Transienten nicht mehr im speisenden Netz auftreten, d. h., die Netzspannung ist wieder auf Nennspannung abgesunken, bleibt die Zwischenkreisspannung auf dem höheren Niveau. Treten solche Transienten regelmäßig im speisenden Netz eines Spannungszwischenkreis-Umrichters auf, kann sein Energiespeicher so hoch aufgeladen werden, dass ein weiterer Betrieb dieses Spannungszwischenkreis-Umrichters nicht mehr zulässig ist. D. h., der Umrichter wird ausgeschaltet. Darunter ist zu verstehen, dass der lastseitige selbstgeführte Stromrichter keine Ausgangsspannung mehr bereitstellt. Dies wird dadurch erreicht, dass im Störungsfall eine Impulssperre ausgegeben wird.
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Damit ein ausgeschalteter Umrichtet wieder seinen Betrieb aufnehmen kann, muss nicht nur die Zwischenkreisspannung wieder auf seinen Nennwert abgesenkt sein, sondern man muss ebenfalls den Zustand des speisenden Netzes kennen.
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Aus der
DE 10 2004 030 536 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Risikos für einen störungsfreien Betrieb eines Frequenzumrichters bekannt, wodurch der Frequenzumrichter in der Lage ist, ohne großen Aufwand die Gefahr von Gerätestörungen oder -ausfällen infolge von Netzstörungen zu erkennen, noch bevor es zu Betriebsunterbrechungen kommt. Dazu wird während des Betriebes des Frequenzumrichters eine Zwischenkreisspannung fortlaufend gemessen und ein netzseitiger Zwischenkreisstrom fortlaufend ermittelt, wobei diese Messwerte mit vorbestimmten Betriebswerten des Frequenzumrichters verglichen werden. Ermittelte Über- und Unterschreitungen werden abgespeichert, um die Häufigkeit aller Über- und Unterschreitungen zu ermitteln. Diese Häufigkeit wird in eine Kennziffer für die Qualität des speisenden Netzes umgerechnet. Mit der Abnahme dieser Kennziffer nimmt das Risiko für einen störungsfreien Betrieb des Frequenzumrichters zu.
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Um weniger dieser Problematik ausgeliefert zu sein, kann an Stelle eines Energiespeichers mit kleiner Kapazität ein Energiespeicher mit großer Kapazität verwendet werden. Dadurch bleibt die Spannungserhöhung durch Transienten geringer. Allerdings ist diese Lösung erstens teuer und zweitens versagt diese Lösung bei wiederholtem Auftreten von Transienten, die den Energiespeicher sukzessiv ”aufpumpen”. Außerdem treten sehr hohe Nachladeströme bei Wiederkehr eines speisenden Netzes auf, die durch gesonderte Maßnahmen begrenzt werden müssen.
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Eine weitere Lösung besteht darin, den Energiespeicher gezielt zu entladen. Dazu wird ein Widerstand benötigt, der elektrisch parallel zum Energiespeicher schaltbar ist. D. h., dieser Energiespeicher wird niederohmig kurzgeschlossen. Auch diese Lösung hat den Nachteil, dass sie aufwändig und teuer ist.
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Neben der Verwendung eines Energiespeichers mit einer großen Kapazität oder eines Entladewiderstandes kann auch mit Hilfe eines stromrichtergespeisten Elektromotors ein Zwischenkreiskondensator schnell entladen werden.
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Gemäß der
DE 198 25 972 A1 ist eine Sicherheitsvorrichtung für umrichtergespeiste Elektromotoren zum schnellen Entladen eines den Motoren gemeinsamen Zwischenkreises derart gekennzeichnet, dass Steuermittel zur Ansteuerung eines dem Zwischenkreis nachgeschalteten Wechselrichters vorgesehen sind, die unmittelbar nach dem Ausschalten der Netzspannungsversorgung den Wechselrichter so ansteuern, dass die Energie des Zwischenkreises schnell über die Motorwicklung eines Motors entladen wird.
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Aus der
DE 10 2007 022 515 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Spannungszwischenkreis-Umrichters bekannt, der lastseitig einen selbstgeführten Stromrichter aufweist, der gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem Zwischenkreiskondensator geschaltet ist. Wechselspannungsseitig ist dieser selbstgeführte Stromrichter mit einer elektrischen Maschine elektrisch leitend verbunden. Der Zwischenkreiskondensator wird eingangsseitig durch einen Gleichstrom und eine Gleichspannung über eine Gleichspannungsquelle (Batterie) gespeist. Eine derarige Stromrichter-Topologie wird in der Automobiltechnik, insbesondere Elektrofahrzeug, verwendet. Aus Sicherheitsgründen muss sichergestellt werden, dass bei Fehlerzuständen bzw. beim Abschalten eines Kraftfahrzeugs die Batterie vom Zwischenkreiskondensator getrennt wird und der Zwischenkreiskondensator innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer entladen sein muss. Diese Schnellentladung des Zwischenkreiskondensators wird dadurch erreicht, dass nur zwei Schaltelemente des selbstgeführten Pulsstromrichters derart eingeschaltet werden, dass die Reihenschaltung zweier Wicklungsstränge der elektrischen Maschine elektrisch parallel zum Zwischenkreiskondensator geschaltet ist. Das heißt, die elektrische Maschine wird zum Entladen des Zwischenkreiskondensators verwendet.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Spannungszwischenkreis-Umrichters anzugeben, wodurch dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter auch bei Transienten im speisenden Netz weiterhin betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit den Verfahrensschritten des Verfahrens gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, den am lastseitigen selbstgeführten Stromrichter angeschlossenen Drehstrommotor zum Entladen des Energiespeichers eines Spannungszwischenkreis-Umrichters zu verwenden, wobei der Zustand des speisenden Netzes beobachtet wird.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Abhängigkeit eines ermittelten Wertes der Zwischenkreisspannung in Bezug auf eine vorbestimmte Sicherheitsschwelle der lastseitige selbstgeführte Stromrichter abgeschaltet. Mit dem Abschalten wird der Zustand des speisenden Netzes beobachtet, um feststellen zu können, wann der Spannungspegel des speisenden Netzes wieder auf seine Nennspannung bzw. auf ein für den selbstgeführten Stromrichter unkritisches Niveau abgesunken ist. Sobald dieser Zustand erreicht ist, werden wenigstens zwei Stromrichterventile des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters eingeschaltet, damit über den angeschlossenen Drehstrommotor ein Gleichstrom aus dem Energiespeicher abfließen kann. Diese eingeschalteten Stromrichterventile des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters bleiben solange eingeschaltet, bis die Spannung am Energiespeicher auf seinen Nennwert bzw. auf einen unkritischen Wert abgesunken ist. Ist dieser Energiespeicher derart entladen, kann ohne Gefahr für die eingeschalteten Stromrichterventile diese wieder ausgeschaltet werden. Die beim Ausschalten entstehende Überspannung aufgrund von Streuinduktivitäten bleibt unterhalb der Sicherheitsschwelle. Anschließend wird der Nennbetrieb des Spannungszwischenkreis-Umrichters wieder aufgenommen.
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Durch die Beobachtung des Spannungspegels des speisenden Netzes ist eine lastunabhängige Aussage über die Netzspannung des speisenden Netzes möglich, so dass ein Zeitpunkt ermittelt werden kann, an dem keine Transienten mehr im speisenden Netz auftreten. Bereits zu diesem Zeitpunkt kann der lastseitige selbstgeführte Stromrichter derart angesteuert werden, dass ein Gleichstrom vom Energiespeicher durch den angeschlossenen Drehstrommotor zum Fließen kommt. Solange dieser Gleichstrom fließt, dient der angeschlossene Drehstrommotor als Widerstand, der die Energie des Zwischenkreises in seinen Wicklungen in Wärme umsetzt.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, bei kurzen Störungen (Transienten) im speisenden Netz des Spannungszwischenkreis-Umrichtergerätes mit angeschlossenem Drehstrommotor mit nur minimalen Unterbrechungen weiter zu betreiben. Dadurch weist dieser Antrieb eine größere Robustheit gegen Störungen im Netz auf, wodurch der Drehstrommotor eine höhere Verfügbarkeit erhält und der Spannungszwischenkreis-Umrichter zuverlässiger wird.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt ist.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die
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2 zeigt in einem Diagramm über der Zeit Spannungsverläufe des speisenden Netzes, der Zwischenkreisspannung und eines Bauelementes des lastseitigen Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters und in der
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3 sind die Spannungsverläufe der 2 in einem Diagramm über der Zeit veranschaulicht, wobei das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird.
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In der 1 ist ein Blockschaltbild eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 an einem speisenden Netz 6 dargestellt, der netzseitig einen Diodengleichrichter 8 als Einspeisung und lastseitig einen selbstgeführten Stromrichter 10 aufweist. Die netzseitige Einspeisung, die als Diodengleichrichter ausgeführt ist, wird auch als Dioden-Front-End (DFE) bezeichnet, wobei der lastseitige selbstgeführte Stromrichter 10 auch als Pulsstromrichter bezeichnet wird. Der netzseitige Diodengleichrichter 8 und der lastseitige selbstgeführte Stromrichter 10 sind gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem Zwischenkreiskondensator 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters geschaltet, der als Energiespeicher dient. Zur Verschaltung dieser beiden Stromrichter und des Zwischenkreiskondensators 12 werden zwei Stromschienen 14 und 16 verwendet. An den Ausgängen des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 10 ist ein Drehstrommotor 18 angeschlossen.
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Damit das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, weist dieser Spannungzwischenkreis-Umrichter 2 die Vorrichtung 4 auf, die eine Steuereinrichtung 20 und eine netzseitige Spannungserfassungs-Einrichtung 22 aufweist. Da es sich bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform um eine vorteilhafte Ausführungsform handelt, ist als Spannungserfassungs-Einrichtung 22 ein Hilfsgleichrichter 24 vorgesehen, der gleichspannungsseitig mittels eines Bürdenwiderstandes 26 kurzgeschlossen ist. Elektrisch parallel zum Bürdenwiderstand 26 ist eine Messwerterfassung 28 geschaltet, die ausgangsseitig mit der Steuereinrichtung 20 verknüpft ist. Wechselspannungsseitig ist der Hilfsgleichrichter 24 direkt mit dem speisenden Netz 6 elektrisch leitend verbunden. Der ohmsche Widerstand des Bürdenwiderstandes 26 ist so bemessen, dass ein sich im Leitzustand der Dioden dieses Hilfsgleichrichters 24 einstellender Bürdenstrom möglichst klein, aber nicht lückend ist. Am Bürdenwiderstand 26 fällt eine Spannung ab, die der Netzspannung UNetz proportional ist. Mittels der Messwerterfassung 28 wird der Wert der Netzspannung UNetz lastunabhängig erfasst und der Steuereinrichtung 20 zugeführt.
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Mittels dieser Spannungserfassungs-Einrichtung 22 ist eine lastunabhängige Aussage über die Netzspannung UNetz des speisenden Netzes möglich. Diese Aussage über die Netzspannung UNetz ist auch dann noch möglich, wenn die Zwischenkreisspannung UZW so hoch ist, dass der netzseitige Diodengleichrichter 8 den Zwischenkreis vom speisenden Netz 6 abkoppelt.
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Der ermittelte Wert der Zwischenkreisspannung UZW wird ebenfalls mittels einer Messwerterfassung 30, die elektrisch parallel zum Zwischenkreiskondensator 12 geschaltet ist, erfasst und ebenfalls der Steuereinrichtung 20 zugeführt. In Abhängigkeit dieser Spannungen UNetz und UZW generiert die Steuereinrichtung 20 wenigstens zwei aber höchstens drei Steuersignale Sν, die den Steuereingängen des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 10 zugeführt werden.
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Im Diagramm gemäß 2 sind Spannungsverläufe UNetz des speisenden Netzes 6 und UZW des Energiespeichers 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 über der Zeit t dargestellt. Gemäß diesem Diagramm treten zum Zeitpunkt t1 in der Netzspannung UNetz Transienten auf. In Folge dieser Transienten steigt die Zwischenkreisspannung UZW des Zwischenkreiskondensators 12 des an diesem Netz 6 angeschlossenen Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 an. Zum Zeitpunkt t2 treten keine Transienten in der Netzspannung UNetz mehr auf, wodurch die Netzspannung UNetz wieder Richtung Nennspannung Un absinkt. Diese Netzspannung UNetz sinkt jedoch nicht wieder auf seinen Nennwert ab, sondern steigt durch eine Störung im Netz 6 wieder an. Durch die Transienten in der Netzspannung UNetz und der erhöhten Netzspannung UNetz steigt die Zwischenkreisspannung UZW von einer Nennspannung Un an, da durch diese Transienten und dieser erhöhten Netzspannung UNetz der Zwischenkreiskondensator 12 (Energiespeicher) des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 weiter aufgeladen wird. Mit dem Anstieg der Zwischenkreisspannung UZW steigt ebenfalls die Spannung uBE am Leistungsbauelement des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 10 an. Zum Zeitpunkt t2 erreicht die Zwischenkreisspannung UZW einen vorbestimmten Wert einer Sicherheitsschwellenspannung USt. Mit Erreichen dieses Wertes der Sicherheitsschwellenspannung USt wird eine Impulssperre für den lastseitigen selbstgeführten Stromrichter 10 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 ausgegeben, so dass der Umrichter 2 abgeschaltet ist.
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Würde man nach Ablauf der Zeitspannung t4–t2 den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 wieder aufnehmen, so würde bereits beim ersten Abschalten eines der Stromrichterventile des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 10 aufgrund von Streuinduktivitäten eine Überspannung erzeugt werden, die eine maximal zulässige Spannung Umax übersteigen würde. Die Folge wäre eine Zerstörung dieses ausschaltenden Stromrichterventils und damit der Ausfall des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 10 wegen Überspannung.
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In der 3 sind in einem Diagramm über der Zeit t die Spannungsverläufe UNetz des speisenden Netzes 6 und UZW des Zwischenkreiskondensators 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 dargestellt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Zum Zeitpunkt t1 treten wieder Transienten im speisenden Netz 6 auf, die bereits zum Zeitpunkt t2 wieder abgeklungen sind. In Folge des Auftretens dieser Transienten im speisenden Netz 6 steigt wieder die Zwischenkreisspannung UZW ausgehend von einer Nennspannung Un an. Zum Zeitpunkt t2 hat die Zwischenkreisspannung UZW eine vorbestimmte Sicherheitsschwellenspannung USt erreicht. Die Folge ist, dass der lastseitige selbstgeführte Stromrichter 10 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 durch Ausgabe einer Impulssperre abgeschaltet ist. In der Zeitspanne t3–t2 wird der Spannungspegel des speisenden Netzes 6 beobachtet. Da in dieser Zeitspanne t3–t2 die Netzspannung im Nennbetrieb des speisenden Netzes 6 bleibt, d. h., es treten keine weiteren Transienten mehr auf, werden zum Zeitpunkt t3 wenigstens zwei Stromrichterventile des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 10 leitend geschaltet. Dadurch sind zwei Wicklungen des Drehstrommotors 18 elektrisch parallel zum Zwischenkreiskondensator 12 geschaltet. D. h., zwei Wicklungen eines am lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 10 angeschlossenen Drehstrommotors 18 schließen den Zwischenkreiskondensator 12 (Energiespeicher) niederohmig kurz. Je nach Schaltung des Drehstrommotors sind diese beiden Wicklungen elektrisch in Reihe oder elektrisch parallel geschaltet. Dadurch wird dieser Zwischenkreiskondensator 12 über die Wicklungen des Drehstrommotors 18 entladen. Mit der Abnahme des Ladezustandes des Zwischenkreiskondensators 12 sinkt ebenfalls die an diesem Zwischenkreiskondensator 12 abfallende Zwischenkreisspannung UZW ab. Zum Zeitpunkt t4 erreicht diese Zwischenkreisspannung UZW wieder ihre Nennspannung Un.
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Aus diesem Grund können zum Zeitpunkt t4 die eingeschalteten Stromrichterventile des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 10 gefahrlos wieder ausgeschaltet werden. Die beim Ausschalten entstehende Überspannung aufgrund von Streuinduktivitäten bleibt zu diesem Zeitpunkt t4 amplitudenmäßig unterhalb der Sicherheitsschwellenspannung USt. Nachdem die vom Einschalten eines Gleichstromes benötigten Stromrichterventile des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 10 wieder ausgeschaltet sind, nimmt der Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 seinen normalen Betrieb wieder auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass bei kurzen Störungen (Transienten) im speisenden Netz 6 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 dieser mit einer minimalen Unterbrechung weiter zu betreiben ist. Dadurch ist dieser Antrieb gegenüber kurzen Störungen im speisenden Netz 6 robuster, wodurch die Zuverlässigkeit des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 steigt und dadurch der angetriebene Drehstrommotor 18 eine höhere Verfügbarkeit aufweist.