GARCIA ALVAREZ, Vicente (Brackenheimer Str. 12, Stuttgart, 70435, DE)
MIKULEC, Dragan (Khunngasse 7/21, Wien, A-1030, AT)
TRAUTMANN, Andreas (Locherhof 4, Horgenzell, 88263, DE)
GARCIA ALVAREZ, Vicente (Brackenheimer Str. 12, Stuttgart, 70435, DE)
MIKULEC, Dragan (Khunngasse 7/21, Wien, A-1030, AT)
| 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. |
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 U M 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 U M kann auch eine andere von der Messspannung U M abgeleitete Größe, welche damit die Messspannung U M charakterisiert, gemessen werden.
Im Folgenden wird beispielhaft eine Verwendung der gemessenen Messspannung U M 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 U M einer Frequenztransformation, vorzugsweise einer Fast-Fourier- Transformation (FFT) unterzogen, um auf diese Weise das Frequenzspektrum der Messspannung U M zu berechnen. Durch Auswertung der betragsmäßigen
Spektralamplituden | U M C W ) 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 ω β ι 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 ω β ι, 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 U M (jK · ω β ι) 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 ω β ι, also bei K=3, bzw. bei der (1 -fachen) elektrische Winkelgeschwindigkeit ω β ι, 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 U M im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 2 und damit des Pulswechselrichters 3 ohne Isolationsfehler. Die Messspannung U M 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 ω β ι kein
Signalanteil vorhanden ist und bei der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 3 · ω β ι 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 U M (vgl. Figur 4) und auch eine veränderte Spektralverteilung (vgl. Figur 5). Insbesondere tritt bei der (1 -fachen) elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω β ι 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 U M 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 · ω β ι von einem Wert A 0 auf einen Wert A 2 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 · ω β ι mit der als Referenzwert dienenden entsprechenden Spektralamplitude im fehlerfreien Fall, in diesem Fall also A 0 , 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 · ω β ι, allerdings in Form eines Absinkens des Amplitudenwertes auf einen niedrigeren Wert als im Normalbetrieb, als niedriger als A 0 . 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 ω β ι und 3 · ω β ι (n · ω β ι) eingesetzt werden und die benötigten Amplitudenwerte anschließend aus den gefilterten Messspannungen berechnet werden.