ROBERT BOSCH GMBH, 70442 STUTTGART

R. 313198

Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Strommessung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strommessung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Strommessung mit den im Anspruch 6 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Verfahren zur Strommessung sind insbesondere bei getakteten Anwendungen im Kfz-Bereich erforderlich, bei denen insbesondere mit- tels eines Wechselrichters eine Sinusbestromung eines Verbrauchers wie einer elektrische Maschine, z.B. einer Asynchrondrehstrommaschine erzeugt wird. Die ermittelten Messwerte dienen dabei zur überwachung, zur Regelung oder zum Schutz durch Abschaltung bei überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts.

üblicherweise werden zur Strommessung niederohmige Strommesswiderstände, sogenannte Strommessshunts bzw. Shuntwi- derstände mit einem nachgeschalteten Differenzverstärker zur Signalaufbereitung verwendet.

Bei einer konventionellen Stromregelung in einem Drehstromnetz mit drei Phasen ist es erforderlich, mindestens zwei Phasenströme der drei Phasenströme zu messen. Um die benötigen Messungen und

einen überstromschutz zu realisieren werden drei Shuntwiderstände benötigt. Es ist dabei eine zeitgleiche Messung des Wechselrichters möglich. Dabei erzeugt die Taktung der Schaltzustände kein hörbares Geräusch, wenn keine periodischen änderungen im Taktmuster vorgenommen werden um den Strom zu messen.

Bei einer Messung mit nur einem Shuntwiderstand werden die Transistoren eines Wechselrichters durch vorgegebene Schaltzeiten angesteuert. Dies erlaubt eine zeitnahe, aufeinanderfolgende Messung aller drei Ströme.

Jedoch ist hierbei eine minimale Messfenstergröße erforderlich. So werden periodisch, z.B. im ms-Bereich, alle zur Strommessung der drei Phasenströme benötigten Schaltzustände der Transistoren durchlaufen, um so eine zeitnahe Messung der drei Phasenströme zu ermöglichen. Diese periodische Abweichung vom Bestromungs- Taktmuster, das zur Erzeugung einer sinusförmigen Bestromung verwendet wird, erzeugt aber ein hörbares Geräusch, wenn normalerweise mit 20 kHz getaktet wird, da die änderungen dann Frequen- zen im hörbaren Bereich erzeugen. Die Taktfrequenz kann nicht mehr erhöht werden, weil noch mehr Taktverluste entstehen und Totzeiteffekte nicht vernachlässigbar sind.

Es sind weitere Verfahren bekannt, die unter Verwendung eines Shuntwiderstandes die Messung der drei Phasenströme erlauben, siehe z.B. Application note von Texas Instruments, Three Phase Cur- rent Measurement Using a Single Line Resitor on the TMS320F240, Literature number: BPRA077, May 1998). Dies Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Messung asynchron zu der Taktperiode er- folgt. Daher muss der Messzeitpunkt bei diesem Verfahren für jede Taktperiode neu berechnet werden und die Tastverhältnisse müssen entsprechend angepasst werden. Dies bedeutet für einen μ- Controller einer Steuereinheit einen hohen Rechenaufwand allein aufgrund der Strommessung. Dieses Verfahren und andere, ver-

gleichbare Verfahren, bei denen das Taktmuster zyklisch geändert wird, verursachen auch ein erhebliches akustisches Geräusch bei Taktfrequenzen von 20 kHz.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass dadurch, dass die Taktmuster zeitlich verschoben oder geändert werden, wenn ein Messfenster eine vorgegebene Größe unterschreitet, derart, das ein Messfenster ausreichender Größe gebildet wird, im Wesentlichen keine vom Menschen wahrnehmbaren Geräusche erzeugt werden und zugleich unter Verwendung eines Strommesswiderstands alle Phasenströme gemessen werden können.

In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels steuerbarer Schaltelemente ein 3-phasiger Drehstrom, erzeugt wird. Hierzu sind insgesamt sechs steuerbare Schaltelemente vorgesehen, die einen Wechselrichter bilden und aus einem Gleichstrom 3-phasigen Drehstrom erzeugen, wobei die Steuereinheit entsprechend ausgebildet ist.

Es ist bevorzugt vorgesehen, dass als Verbraucher ein Drehstrom- Asynchronmotor bestromt wird. Dabei ist die Steuereinheit und der Wechselrichter zur Erzeugung von Drehstrom variabler Frequenz ausgebildet, um z.B. ein Anlaufen des Drehstrom-Asynchronmotors ohne weitere Hilfsmittel zu ermöglichen.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass in je einem Messfenster die Messung eines Phasenstromes möglich ist. Hierzu erfolgt die Strommessung aller Phasenströme an einem Strommesswiderstand, durch den ein Summenstrom, gebildet aus der Summe aller Phasenströme, fließt. Dabei erlauben die Messfenster die Messung jedes

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einzelnen Phasenstromes oder alternativ die Messung einer ausgewählten Anzahl der Phasenströme.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei jedem Periodenbeginn 2 Mess- fenster gebildet werden, um so zwei Phasenströme zu bestimmen und den dritten Phasenstrom aus den bereits bestimmten Phasenströmen zu berechnen.

Zur Erfindung gehört ferner eine Vorrichtung zur Strommessung, ins- besondere ausgebildet zur Strommessung in einem mehrphasigen

Stromnetz, mit wenigstens einem steuerbaren Schaltelement zur im

Wesentlichen sinusförmigen Bestromung eines Verbrauchers, wobei eine Steuereinheit zur Erzeugung von auf das wenigstens eine

Schaltelement wirkenden Ansteuersignalen ausgebildet ist, um eine im Wesentlichen sinusförmige Bestromung Bestromung des

Verbrauchers zu erreichen, wobei Taktmuster der Ansteuersignale

Messfenster zur Messung von elektrischen Strömen, insbesondere von Phasenströmen, bilden. Dadurch, dass die Steuereinheit ferner derart ausgebildet ist, dass die Taktmuster zeitlich verschoben wer- den, wenn ein Messfenster eine vorgegebene Größe unterschreitet, derart, das ein Messfenster ausreichender Größe zur Verfügung steht, wird eine erhebliche Geräuschreduzierung erreicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei als Wechselrichter ausgebildet sein, mit der 3-phasiger Drehstrom erzeugt werden kann. Hierzu kann die Vorrichtung eine Kapazität, gebildet durch einen E- lektrolytkondensator, aufweisen, der als Glättungskondensator dient, wobei durch die Vorrichtung bzw. das Verfahren eine Elektrolytkondensatorstromerhöhung minimiert werden kann. Die steuerbaren Schaltelemente können durch Halbleiterbauelement wie Transistoren gebildet sein. Ferner kann ein Strommesswiderstand vorgesehen sein, durch den im ein Summenstrom, gebildet aus allen Phasenströmen des 3-phasigen Drehstromes geleitet wird.

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Verbraucher ein Drehstrom-Asynchronmotor ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in je ei- nem Messfenster die Messung eines Phasenstromes möglich ist, sodass die Messung aller Phasenströme möglich ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit zur Erzeugung von Steuersignalen ausgebildet ist, die die steuerbaren Schaltelemente derart ansteuern, dass beijedem Periodenbeginn zwei Messfenster, erzeugt sind. Dies erlaubt, da die Summe der Phasenströme von 3-phasigen Drehstrom gleich Null ist, die Bestimmung aller drei Phasenströme, wobei die Strommessung an einem Strommesswiderstand erfolgt, durch den der Summen- ström, gebildet aus den drei Phasenströmen, geleitet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltung, und

Figur 2 eine schematische Darstellung von erfindungsgemäßen

Ansteuersignalen.

In Figur 1 ist eine Schaltung mit Wechselrichterfunktion zur Ansteuerung eines Verbrauchers, wie z.B. eines sterngeschalteten 3-Phasen Asynchronmotors (PSM oder ASM) dargestellt.

Die Schaltung weist zwei Eingangsanschlüsse 1 , 2 auf, mit denen die Schaltung an eine Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen werden kann.

Die Schaltung weist einen parallel zu den Eingangsanschlüssen 1 , 2 angeschlossenen Elektrolytkondensator 3 auf. Ferner weist die Schaltung sechs Transistoren 4 - 9 auf, die paarweise angeordnet sind und einen Wechselrichter zur Erzeugung eines 3-phasigen Drehstromes bilden. Leitungen 10 - 12 bilden Verbindungen von Anschlusspunkten 13 - 15 von jedem Transistorpaar 4 - 9 mit Wicklungen 16 - 18 eines 3-Phasen Drehstromasynchronmotors (nicht dargestellt).

In einem Leitungsabschnitt 19, der eine Verbindung von dem Ein- gangsanschluss 2 mit den Transistoren 5, 7, 9 herstellt, ist ein Strommesswiderstand 20 angeordnet. Mit dem Strommesswiderstand 20 ist ein Messverstärker verbunden, der einen Operationsverstärker 21 aufweist. Mit dem Operationsverstärker 21 ist ein A/D- Wandler 22 verbunden. Mit dem A/D-Wandler 22 ist eine Strommesseinrichtung 23 verbunden. Mit der Strommesseinrichtung 23 ist eine Steuereinheit 24 verbunden, die durch nicht dargestellte Steuerleitungen mit den Transistoren 4 - 9 verbunden ist.

Im Betrieb erzeugt die Steuereinheit 24 bspw. pulsweitenmodulierte Ansteuersignale (siehe Fig. 2), die bewirken, das durch Ansteuerung der Transistoren 4 - 9 drei zueinander phasenverschobene elektrische Ströme mit im wesentlichen sinusförmigen Verlauf erzeugt werden, die in den Wicklungen 16 - 18 ein bekanntes magnetisches Drehfeld erzeugen.

Ferner werden durch die Ansteuersignale die Transistoren 4 - 9 derart angesteuert, dass zu Beginn jeder Periode zwei Messfenster 25, 26 zur Messung von zwei Phasenströmen zur Verfügung stehen. Mit Hilfe des Strommesswiderstands 20 kann dann im ersten Messfenster 25 ein erster Phasenstrom erfasst werden, bspw. ein durch den Transistor 4 und die Leitung 10 fließende Phasenstrom.

Anschließend wird im zweiten Messfenster 26 eine zweite Messung durchgeführt, bei der sowohl der durch den Transistor 4 und die Leitung 10 fließende Phasenstrom als auch der durch den Transistor 6 und die Leitung 11 fließende zweite Phasenstrom als Summenstrom erfasst wird.

Nachdem die Messwerte von dem Operationsverstärker 21 verstärkt wurden, werden sie vom A/D-Wandler 22 in Digitalwerte gewandelt und der Strommesseinrichtung 23 zugeführt. Nach Durchführung zweier Messungen kann aus der Differenz der beiden Messwerte, die während der Messungen in den beiden Messfenstern 25, 26 gewonnen wurden, durch Differenzbildung der durch den Transistor 6 und die Leitung 11 fließende Phasenstrom bestimmt werden. Ferner wird, da der Summenstrom aller drei Phasenströme gleich Null sein muss, aus den beiden bereits ermittelten Phasenströmen der dritte Phasenstrom berechnet.

Alternativ hierzu kann die Ansteuerung auch derart erfolgen, dass z.B. im zweiten Messfenster lediglich der durch den Transistor 6 und die Leitung 11 fließende Phasenstrom bestimmt wird. Die Differenzbildung der beiden Messwerte entfällt dann.

Wenn ein Zeitfenster zur Strommessung zu klein ist, werden die Taktmuster zeitlich verschoben oder geändert. Dabei erfolgt die Ver- Schiebung derart, das wieder Messfenster zur Messung der Phasenströme zu Verfügung stehen. Insbesondere werden die Messfenster derart verschoben oder geändert, dass wieder am Anfang einer Periode zwei Messfenster zur Messung zweier Phasenströme zur Verfügung stehen. Wenn das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal eine große Amplitude aufweist, kann in diesem Fall das Messfenster vergrößert werden.