DE102018200282A1

DE102018200282A1 - Überspannungsschutzvorrichtung und Verfahren zum Schützen einer elektrischen Vorrichtung mit einem Drehfeld

Info

Publication number: DE102018200282A1
Application number: DE102018200282.7A
Authority: DE
Inventors: Mathias Müller; Dennis Hoffmeister
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2019-07-11
Also published as: CN110021915B; CN110021915A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung (1) zum Schützen einer elektrischen Vorrichtung (2) mit einem Drehfeld, umfassend eine Zustandserkennungseinheit (10), eine Überspannungsdetektionseinheit (11), und eine Abschalteinheit (12), wobei die Zustandserkennungseinheit (10) derart ausgebildet ist, mindestens einen optimalen Detektionszeitpunkt (13) zu bestimmen, und wobei die Überspannungsdetektionseinheit (11) derart ausgebildet ist, auf Grundlage mindestens einer am mindestens einen Detektionszeitpunkt (13) erfassten Messgröße (14) eine Überspannung zu detektieren, und wobei die Abschalteinheit (12) derart ausgebildet ist, bei einer erkannten Überspannung ein Abschalten der elektrischen Vorrichtung (2) zu veranlassen. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung und ein Verfahren zum Schützen einer elektrischen Vorrichtung mit einem Drehfeld.
In elektrischen Vorrichtungen mit einem Drehfeld, das heißt in solchen, die spannungsgenerierende oder spannungstransformierende Elemente wie Motoren/Generatoren oder gepulste Umrichter und Wechselrichter umfassen, kann es beim plötzlichen Abschalten bzw. Abwurf („load dump“) des Verbrauchers von der Spannungsquelle durch die in rotierenden Massen gespeicherte Energie bzw. durch persistente Erregung dazu kommen, dass eine die elektrische Vorrichtung gefährdende Spannung im Wege der Selbstinduktion generiert wird, bevor die elektrische Vorrichtung in einen sicheren Zustand gebracht worden ist. Hierdurch kann die elektrische Vorrichtung Schaden nehmen.
Verfahren zum Ansteuern von elektrischen Maschinen mit Drehfeld sind aus den Druckschriften T. H. Nguyen et al., „Control Mode Switching of Induction Machine Drives between Vector Control and V/f Control in Overmodulation Range", Journal of Power Electronics, Vol. 11, No. 6, November 2011; J. Lepka, P. Stekl, „3-Phase AC Induction Motor Vector Control Using a 56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device", Application Note, Freescale Semiconductor Inc., 2004; J. Holtz, „Sensorless Control of Induction Motor Drives", Proceedings of the IEEE, Vol. 90, No. 8, Aug. 2002, pp. 1359-1394, bekannt.
In den aktuell üblichen mikroprozessorbasierten Maschinensteuerungen ist das Problem einer Überspannungserkennung mit anschließender Abschaltung derzeit nur unbefriedigend gelöst.
Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, eine Überspannungsschutzvorrichtung und ein Verfahren zum Schützen einer elektrischen Vorrichtung zu schaffen, bei denen ein Schutz vor einer Überspannung verbessert ist.
Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Überspannungsschutzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Schützen einer elektrischen Vorrichtung mit einem Drehfeld mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird eine Überspannungsschutzvorrichtung zum Schützen einer elektrischen Vorrichtung mit einem Drehfeld geschaffen, umfassend eine Zustandserkennungseinheit, eine Überspannungsdetektionseinheit und eine Abschalteinheit, wobei die Zustandserkennungseinheit derart ausgebildet ist, mindestens einen optimalen Detektionszeitpunkt zu bestimmen, und wobei die Überspannungsdetektionseinheit derart ausgebildet ist, auf Grundlage mindestens einer am mindestens einen Detektionszeitpunkt erfassten Messgröße eine Überspannung zu detektieren, und wobei die Abschalteinheit derart ausgebildet ist, bei einer erkannten Überspannung ein Abschalten der elektrischen Vorrichtung zu veranlassen.
Ferner wird ein Verfahren zum Schützen einer elektrischen Vorrichtung mit einem Drehfeld zur Verfügung gestellt, umfassend die folgenden Schritte: Bestimmen mindestens eines optimalen Detektionszeitpunkts mittels einer Zustandserkennungseinheit, Detektieren einer Überspannung auf Grundlage mindestens einer am mindestens einen Detektionszeitpunkt erfassten Messgröße mittels einer Überspannungsdetektionseinheit, Veranlassen eines Abschaltens der elektrischen Vorrichtung bei Detektieren einer Überspannung mittels einer Abschalteinheit.
Die Grundidee der Erfindung ist, ein Detektieren einer Überspannung mittels einer Überspannungsdetektionseinheit zu mindestens einem optimalen Detektionszeitpunkt durchzuführen. Hierzu bestimmt eine Zustandserkennungseinheit einen solchen optimalen Detektionszeitpunkt. Ein optimaler Detektionszeitpunkt ist hierbei ein Zeitpunkt, bei dem sämtliche regelungstechnische oder Schaltvorgänge hinreichend abgeklungen oder zu dem keine anderen Störungen im Sinne einer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu erwarten sind, man also sicher gehen kann, dass eine hierzu erfasste Messgröße die tatsächlichen Verhältnisse in der elektrischen Vorrichtung ohne Artefakte zuverlässig abbildet und eine Überspannung mittels dieser Messgröße zuverlässig detektiert werden kann. Der Vorteil ist, dass durch das Bestimmen des mindestens einen Detektionszeitpunkts eine Dauer beim Erfassen der mindestens einen Messgröße verkürzt werden kann. Hierdurch kann eine Abschalteinheit ein Abschalten der elektrischen Vorrichtung sehr viel schneller veranlassen. Die elektrische Vorrichtung ist hierdurch besser gegen eine Beschädigung durch Überspannungen geschützt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zustandserkennungseinheit ferner derart ausgebildet ist, den mindestens einen Detektionszeitpunkt auf Grundlage von Schaltzeitpunkten eines Umrichters oder Wechselrichters zu bestimmen. Hierzu werden die Schaltzeitpunkte bzw. Steuerpulsspannungen des Umrichters oder Wechselrichters der Zustandserkennungseinheit zugeführt.
Handelt es sich beispielsweise um eine Wechselrichtung von einer Gleichspannungsquelle zu einem dreiphasigen Verbraucher, beispielsweise einem Motor, so werden der Zustandserkennungseinheit die Steuerpulsspannungen, welche zum Steuern der Gates der Leistungstransistoren verwendet werden, zugeführt. Auf Grundlage dieser Steuerpulsspannungen bestimmt die Zustandserkennungseinheit die optimalen Detektionszeitpunkte für das Detektieren einer Überspannung. So können beispielsweise steigende und oder fallende Flanken der Pulse der Steuerpulsspannungen verwendet werden, um die optimalen Detektionszeitpunkte zu bestimmen. In Abhängigkeit von den Flanken können beispielsweise bestimmte Totzeiten berücksichtigt werden, welche abgewartet werden müssen, bis sich die zu steuernde Spannung/Ausgangsspannung des jeweiligen Leistungstransistors nach Schalten des Leistungstransistors stabilisiert hat und ein Erfassen der Messgröße zuverlässig erfolgen kann.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zustandserkennungseinheit ferner derart ausgebildet ist, beim Bestimmen des mindestens einen Detektionszeitpunkts eine beim Schalten des Umrichters oder Wechselrichters auftretende Einschwingzeit (Transiente) zu berücksichtigen. Auf Grundlage dieser Einschwingzeit, welche beispielsweise empirisch ermittelt werden kann, wird dann eine Totzeit festgelegt, welche vor Erfassen der mindestens einen Messgröße abgewartet werden muss. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das Einschwingen der zu steuernden Spannung/Ausgangsspannung des jeweiligen Leistungstransistors ein Erfassen der Messgröße nicht verfälscht. Ist die Einschwingzeit abgelaufen und wird dann ein unplausibel hoher Spannungspegel oder Gradient der gemessenen Spannung oder ein falscher innerer Zusammenhang zwischen den dreiphasigen Messspannungen (Abweichen von der Trajektorie) erkannt, kann davon ausgegangen werden, dass eine detektierte Überspannung auch tatsächlich auf eine Überspannung in der elektrischen Vorrichtung zurückzuführen ist und nicht auf einen Artefakt des Wechselrichters.
Die Überspannungsdetektionseinheit hat die Aufgabe, eine Überspannung zweifelsfrei festzustellen. Damit ein Detektieren schnell genug durchgeführt werden kann, ist die Überspannungsdetektionseinheit vorzugsweise als Hardware ausgebildet. Hierbei kommt insbesondere Hardware in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), eines Field Programmable Gate Array (FPGA), einer Generic Array Logic (GAL) und/oder einer Programmable Array Logic (PAL) in Betracht. Hierdurch kann ein sehr schnelles Detektieren und Verarbeiten realisiert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die erfasste Messgröße eine aktuell abgetastete Spannung ist. Die Überspannungsdetektionseinheit umfasst hierzu beispielsweise eine Komparatorschaltung, welche eine Spannungsdifferenz von zwei Gleichspannungen oder Phasenspannungen vergleicht. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass eine solche Spannung über die Zeit integriert wird und mit einem Schwellwert verglichen wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine erfasste Messgröße ein Gradient einer Spannung in einem Zwischenkreis ist. Der Zwischenkreis ist hierbei zwischen einer Spannungsquelle und einem Umrichter oder einem Wechselrichter angeordnet und umfasst in der Regel einen Kondensator. Auf Grundlage des Gradienten der Spannung in dem Zwischenkreis kann dann festgestellt werden, ob eine Überspannung vorliegt oder nicht. Mittels des Gradienten kann eine auftretende Überspannung besonders schnell detektiert werden, da schnelle Spannungsänderungen detektiert werden können, ohne dass ein Spannungsschwellwert bereits überschritten sein muss.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine erfasste Messgröße ein Integral einer Spannung in einem Zwischenkreises ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine erfasste Messgröße ein Absolutwert eines Statorspannungsraumzeigers ist. Hierbei wird von einer Vektorregelung (kreisförmige Trajektorie der Statorspannung im dq-Achsensystem) bzw. einem Blockbetrieb (sechseckförmige Trajektorie der Statorspannung im dq-Achsensystem) ausgegangen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine erfasste Messgröße ein Gradient eines Statorspannungsraumzeigers ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine erfasste Messgröße ein Absolutwert eines Statorstromraumzeigers ist.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine erfasste Messgröße ein Gradient eines Statorstromraumzeigers ist.
Insbesondere kann bei den beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass eine Trajektorie des jeweiligen Raumzeigers im Hinblick auf eine „Maximaltrajektorie“ überprüft wird. Überschreitet der betrachtete Raumzeiger diese Maximaltrajektorie, liegt eine Überspannung vor.
Es kann selbstverständlich vorgesehen sein, dass mehr als nur eine Messgröße erfasst und von der Überspannungsdetektionseinheit ausgewertet wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abschalteinheit derart ausgebildet ist, das Abschalten mittels eines Kurzschließens einzelner Phasen des Drehfeldes zu veranlassen. Bei einem Umrichter oder Wechselrichter werden die Gates der Leistungstransistoren hierzu beispielsweise derart angesteuert, dass die Phasen kurzgeschlossen werden. Bei einem Motor/Generator auf der Verbraucherseite bewirkt ein solcher Kurzschluss dann, dass keine oder nur geringe Spannungen induziert werden bzw. keine oder nur geringe Momente erzeugt werden, sodass ein sicherer Zustand vorliegt. Die Ursache für die Überspannung kann auf diese Weise schnell und sicher beseitigt werden.
Die beschriebene Überspannungsschutzvorrichtung und das beschriebene Verfahren können insbesondere in Schaltnetzteilen, Umrichtern und Wechselrichtern eingesetzt werden.
Teile der Überspannungsschutzvorrichtung können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Vorrichtung mit einem Drehfeld;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Überspannungsschutzvorrichtung zum Schützen der elektrischen Vorrichtung aus 1;
3 eine schematische Darstellung einer Verschaltung eines Wechselrichters zur Erläuterung der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung von Basisraumzeigern und der Spannungszeigerprojektion zur Erläuterung der Erfindung;
5a eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von beim Schalten eines Wechselrichters verwendeten Steuerspannungen bei einem Spannungszeigerwinkel von 0° (im ortsfesten Statorkoordinatensystem) zur Erläuterung der Erfindung;
5b eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von beim Schalten eines Wechselrichters verwendeten Steuerspannungen bei einem Spannungszeigerwinkel von 15° zur Erläuterung der Erfindung;
5c eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von beim Schalten eines Wechselrichters verwendeten Steuerspannungen bei einem Spannungszeigerwinkel von 60° zur Erläuterung der Erfindung;
5d eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von beim Schalten eines Wechselrichters verwendeten Steuerspannungen bei einem Spannungszeigerwinkel von 120° zur Erläuterung der Erfindung;
6a eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der summierten Steuerspannungen und der Steuersignale der Zustandserkennungseinheit zum Festlegen der Detektionszeitpunkte;
6b eine schematische Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts aus 6a;
7 eine schematische Darstellung einer kreisförmigen Trajektorie der Statorspannung im ortsfesten Statorkoordinatensystem bei Ansteuerung durch Raumzeigermodulation;
8 eine schematische Darstellung einer sechseckförmigen Trajektorie der Statorspannung im ortsfesten Statorkoordinatensystem bei Ansteuerung im Blockbetrieb.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer einfachen elektrischen Vorrichtung 2 mit einem Drehfeld gezeigt. Die elektrische Vorrichtung 2 umfasst eine Spannungsquelle 3, beispielsweise eine Gleichstrombatterie, einen Gleichspannungspfad 4a, 4b, einen Wechselrichter 5, Phasenleitungen 6a, 6b, 6c und einen Elektromotor 7. Die Spannungsquelle 3 ist über den Gleichspannungspfad 4a, 4b mit dem Wechselrichter 5 verbunden. Zum Trennen der Spannungsquelle 3 von dem Gleichspannungspfad 4a, 4b umfasst die elektrische Vorrichtung 2 zwei Schütze 8a, 8b. Der Wechselrichter 5 wandelt die Gleichspannung der Spannungsquelle 3 in einen dreiphasigen Wechselstrom um, welcher über die Phasenleitungen 6a, 6b, 6c zum Elektromotor 7 geführt wird und diesen antreibt.
Wird die Spannungsquelle 3 nun von dem Gleichspannungspfad 4a, 4b durch Öffnen der Schütze 8a, 8b getrennt, bevor der Elektromotor 7 in einen sicheren Zustand gebracht wurde, beispielsweise in einen vollständigen Stillstand, so können in der elektrischen Vorrichtung 2 durch Selbstinduktion im Elektromotor 7 Überspannungen hervorgerufen werden, welche zu einer Schädigung der elektrischen Vorrichtung 2 führen können.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Überspannungsschutzvorrichtung 1 zum Schützen der elektrischen Vorrichtung 2 aus 1 gezeigt. Die Überspannungsschutzvorrichtung 1 umfasst eine Zustandserkennungseinheit 10, eine Überspannungsdetektionseinheit 11 und eine Abschalteinheit 12.
Die Zustandserkennungseinheit 10 bestimmt mindestens einen optimalen Detektionszeitpunkt 13, an dem eine Messgröße zum Detektieren einer Überspannung erfasst werden soll. Hierzu tastet die Zustandserkennungseinheit 10 beispielsweise die Spannungen an den drei Phasenleitungen 6a, 6b, 6c ab. Anhand der Spannungs- und/oder Stromverläufe bestimmt die Zustandserkennungseinheit 10 dann mindestens einen optimalen Detektionszeitpunkt 13.
Alternativ oder zusätzlich können der Zustandserkennungseinheit 10 auch die Schaltzeiten bzw. Steuerspannungen 9, welche im Wechselrichter 5 zum Steuern der Gates der Leistungstransistoren verwendet werden, zugeführt werden. Auf Grundlage dieser Schaltzeiten bzw. Steuerspannungen 9 bestimmt die Zustandserkennungseinheit 10 dann mindestens einen optimalen Detektionszeitpunkt 13. Vorzugsweise bestimmt die Zustandserkennungseinheit 10 mehrere optimale Detektionszeitpunkte 13, sodass jedes Mal, wenn ein solcher optimaler Detektionszeitpunkt 13 vorliegt, eine mögliche Überspannung zuverlässig detektiert werden kann.
Der von der Zustandserkennungseinheit 10 bestimmte mindestens eine optimale Detektionszeitpunkt 13 wird in Form eines Steuersignals 23 der Überspannungsdetektionseinheit 11 zugeführt. Diese erfasst dann an dem mindestens einen optimalen Detektionszeitpunkt 13 eine Messgröße 14. In der gezeigten Ausführungsform ist dies beispielsweise eine Spannung, welche an dem Gleichspannungspfad 4a, 4b abfällt (z.B. in einem hier nicht gezeigten Zwischenkreis).
Selbstverständlich kann alternativ auch eine andere Messgröße 14 erfasst werden, beispielsweise ein Absolutwert oder ein Gradient eines Statorspannungsraumzeigers. Hierzu können zusätzliche Sensoren und/oder Steuerungen etc. zum Erfassen und Verarbeiten in der Überspannungsdetektionseinheit 11 vorgesehen sein.
Detektiert die Überspannungsdetektionseinheit 11 eine Überspannung, so wird ein Abschaltsignal 15 an die Abschalteinheit 12 übermittelt. Die Abschalteinheit 12 veranlasst dann das Verbringen des Elektromotors 7 in einen sicheren Zustand, beispielsweise indem möglichst schnell ein vollständiger Stillstand des Elektromotors 7 angestrebt wird. Hierzu kann die Abschalteinheit 7 beispielsweise direkt ein Steuersignal 16 an den Elektromotor 7 senden oder auch ein Steuersignal 17 an den Wechselrichter 5, welcher durch entsprechende Ansteuerung der Leistungstransistoren einen Kurzschluss der drei Phasenleitungen 6a, 6b, 6c veranlasst, was zu einer schnellen Abbremsung des Elektromotors 7 führt.
Zur Verdeutlichung der Erfindung ist in 3 eine schematische Darstellung einer Verschaltung eines Wechselrichters 5 gezeigt. Hierbei wird die Gleichspannung auf dem Gleichspannungspfad 4a, 4b durch Ansteuern der Schalter S_At , S_Ab , S_Bt , S_Bb , S_Ct , S_Cb , welche beispielsweise als Leistungstransistoren ausgebildet sind, in ein dreiphasiges Drehfeld umgewandelt. Zwischen den einzelnen Phasenleitungen 6a, 6b, 6c werden hierdurch die Spannungen U_AB , U_BC und U_CA hervorgerufen. In Bezug auf den Mittelpunkt O in Sternschaltung fallen an den einzelnen Phasenleitungen 6a, 6b, 6c die Spannungen u_a , u_b und u_c ab. Die Details können der Druckschrift J. Lepka, P. Stekl, „3-Phase AC Induction Motor Vector Control Using a 56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device“, Application Note, Freescale Semiconductor Inc., 2004, entnommen werden.

4 zeigt eine schematische Darstellung der Basisraumzeiger und der Spannungszeigerprojektion zur Verdeutlichung der Erfindung. Das in 4 gezeigte Sechseck verdeutlicht die 8 möglichen Schaltzustände (000, 100, ..., 111) der Schalter S_At , S_Ab , S_Bt , S_Bb , S_Ct , S_Cb des Wechselrichters 5 in 3. Die zugehörigen Spannungen ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle 1. Die Details finden sich ebenfalls in der Druckschrift J. Lepka, P. Stekl, „3-Phase AC Induction Motor Vector Control Using a 56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device“, Application Note, Freescale Semiconductor Inc., 2004. Tabelle 1: Schaltzustände und Spannungen des Wechselrichters aus Fig. 3 anhand der Spannungszeigerprojektion der Fig. 4

a	b	c	U_a	U_b	U_c	U_AB	U_BC	U_CA	Vector
0	0	0	0	0	0	0	0	0	O₀₀₀
1	0	0	2U_DCBus/3	-U_DCBus/3	-U_DCBus/3	U_DCBus	0	-U_DCBus	U₀
1	1	0	U_DCBus/3	U_DCBus/3	-2U_DCBus/3	0	U_DCBus	-U_DCBus	U₆₀
0	1	0	-U_DCBus/3	2U_DCBus/3	-U_DCBus/3	-U_DCBus	U_DCBus	0	U₁₂₀
0	1	1	-2U_DCBus/3	U_DCBus/3	U_DCBus/3	-U_DCBus	0	U_DCBus	U₂₄₀
0	0	1	-U_DCBus/3	-U_DCBus/3	2U_DCBus/3	0	-U_DCBus	U_DCBus	U₃₀₀
1	0	1	U_DCBus/3	-2U_DCBus/3	U_DCbus/3	U_DCBus	-U_DCBus	0	U₃₆₀
1	1	1	0	0	0	0	0	0	O₁₁₁

Zur Verdeutlichung der Erfindung zeigen die 5a, 5b, 5c und 5d jeweils eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der zum Schalten der Schalter S_At , S_Ab , S_Bt , S_Bb , S_Ct , S_Cb des Wechselrichters 5 (3) verwendeten Steuerspannungen bzw. Steuersignale bei einem Spannungszeigerwinkel von 0°, 15°, 60° und 120° (im ortsfesten Statorkoordinatensystem). Jede der drei oberen Kurven gehört hierbei zu einem der drei Schalterpaare (Index A, B, C). Ist einer der beiden Schalter (Index t bzw. b) eines Schalterpaares geöffnet, so ist der andere geschlossen und umgekehrt. Die untere Kurve ist ein (invertiertes) Summensignal der drei Kurven, welches jedoch lediglich zur Verdeutlichung der optimalen Detektionszeitpunkte (vgl. 6a und 6b) gezeigt ist. Deutlich zu erkennen ist, dass die einzelnen Schalter (Index A, B, C) zu unterschiedlichen Zeitpunkten geschaltet werden, um aus der Gleichspannung ein dreiphasiges Drehfeld zu erzeugen.
6a zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Summensignals Σ (5a, 5b, 5c, 5d) und der Steuersignale 23 der Zustandserkennungseinheit 10 (vgl. 2) zum Festlegen der optimalen Detektionszeitpunkte. In 6b ist der Deutlichkeit halber ein vergrößerter Ausschnitt aus der 6a gezeigt.
Die Steuersignale 23 geben der Überspannungsdetektionseinheit vor, wann diese die entsprechende Messgröße erfassen soll und wann nicht, das heißt wann ein optimaler Detektionszeitpunkt 13 vorliegt und wann nicht. Die Steuersignale 23 sind in der gezeigten Ausführungsform zeitlich derart positioniert, dass eine Einschwingzeit 22 der einzelnen Schalter des Wechselrichters 5 (vgl. 2 und 3) bereits abgelaufen ist und eine auftretende Transiente 18 in der Spannung bereits vollständig abgeklungen ist. Im einfachsten Fall kann eine solche Einschwingzeit 22 mittels einer Totzeit ttot abgewartet werden. Das Steuersignal 23 definiert dann über Steuerpulse 19 im Anschluss an die Totzeit ttot den Zeitraum, in dem die mindestens eine Messgröße zum Detektieren einer Überspannung von der Überspannungsdetektionseinheit erfasst wird. Der Vorteil ist, dass das Erfassen der mindestens einen Messgröße zum Detektieren einer Überspannung in einem Zustand erfolgt, in dem bekannt ist, dass keine Artefakte, das heißt Störungen (EMV), vorliegen, sondern eine erfasste Messgröße den realen Zustand der elektrischen Vorrichtung abbildet. Das Erfassen der mindestens einen Messgröße kann somit sehr viel schneller, das heißt mit einer kürzeren Messzeit, erfolgen. Ein Detektieren einer Überspannung kann somit deutlich schneller durchgeführt werden, da keine Mittelungen über mehrere Perioden durchgeführt werden müssen.
Es ist hierbei jedoch zu beachten, dass ein Schaltmuster zum Steuern der Leistungstransistoren des Wechselrichters derart zu wählen ist, dass ein einzelner der oben beschriebenen 8 Schaltzustände ausreichend lange vorliegt, sodass sowohl die Totzeit ttot als auch eine zum Erfassen der Messgröße notwendige Messzeit durchlaufen werden können, bevor in den nächsten Schaltzustand geschaltet wird. Die Totzeit bestimmt sich unter anderem auch aus den vorliegenden Schaltfrequenzen. Bei typischen Schaltfrequenzen von einigen kHz liegen die Totzeiten im Bereich einiger 10 µs.
Die 7 zeigt eine schematische Darstellung einer kreisförmigen Trajektorie 20 der Statorspannung im ortsfesten Statorkoordinatensystem bei Ansteuerung durch Raumzeigermodulation, die 8 eine sechseckförmige Trajektorie 21 der Statorspannung im ortsfesten Koordinatensystem bei Ansteuerung im Blockbetrieb. Die Raumzeiger selbst können durch bekannte 3/2-Koordinatentransformationen (Blaschke, Novotny, Clark, Park etc.) berechnet werden. Eine solche Berechnung kann beispielsweise hardwaremäßig durchgeführt werden. Erhöht sich die am Elektromotor generierte oder angelegte Spannung, erhöht sich auch der Radius der Trajektorie bei Raumzeigermodulation (7) bzw. der Radius des Umkreises des Sechseckes im Blockbetrieb. Details zur Raumzeigermodulation bzw. zum Blockbetrieb finden sich in der Druckschrift T. H. Nguyen et al., „Control Mode Switching of Induction Machine Drives between Vector Control and V/f Control in Overmodulation Range“, Journal of Power Electronics, Vol. 11, No. 6, November 2011.
Zum Detektieren einer Überspannung werden auf Grundlage der Trajektorien jeweils Maximaltrajektorien 24 definiert (in den 7 und 8 jeweils nur schematisch angedeutet). Der Statorspannungsraumzeiger wird dann als Messgröße ausgewertet. Überschreitet der Statorspannungsraumzeiger die definierte Maximaltrajektorie 24, das heißt einen Maximalradius, so liegt eine Überspannung vor und die Überspannungsdetektionseinheit 11 übermittelt ein Abschaltsignal 15 an die Abschalteinheit 12 (vgl. 2).
Alternativ zu einem Absolutwert des Statorspannungsraumzeigers können auch ein Gradient des Statorspannungsraumzeigers, ein Absolutwert eines Statorstromraumzeigers und/oder ein Gradient des Statorstromraumzeigers als Messgröße erfasst bzw. berechnet und ausgewertet werden.
Obwohl die Erfindung hier nur anhand eines Ausführungsbeispiels mit einem Wechselrichter beschrieben wurde, sind Ausführungsformen mit Umrichtern, Schaltnetzteilen und sonstigen elektrischen Vorrichtungen mit Drehfeld analog ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Überspannungsschutzvorrichtung
2: elektrische Vorrichtung
3: Spannungsquelle
4a: Gleichspannungspfad
4b: Gleichspannungspfad
5: Wechselrichter
6a: Phasenleitung
6b: Phasenleitung
6c: Phasenleitung
7: Elektromotor
8a: Schütz
8b: Schütz
9: Steuerspannung
10: Zustandserkennungseinheit
11: Überspannungsdetektionseinheit
12: Abschalteinheit
13: Detektionszeitpunkt
14: Messgröße
15: Abschaltsignal
16: Steuersignal
17: Steuersignal
18: Transiente
19: Steuerpuls
20: kreisförmige Trajektorie
21: sechseckförmige Trajektorie
22: Einschwingzeit
23: Steuersignal
24: Maximaltrajektorie
S_At: Schalter
S_Ab: Schalter
S_Bt: Schalter
S_Bb: Schalter
S_Ct: Schalter
S_Cb: Schalter
A: Steuersignal eines Schalterpaars
B: Steuersignal eines Schalterpaars
C: Steuersignal eines Schalterpaars
Σ: summiertes Steuersignal
t_tot: Totzeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

T. H. Nguyen et al., „Control Mode Switching of Induction Machine Drives between Vector Control and V/f Control in Overmodulation Range“, Journal of Power Electronics, Vol. 11, No. 6, November 2011 [0003]
J. Lepka, P. Stekl, „3-Phase AC Induction Motor Vector Control Using a 56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device“, Application Note, Freescale Semiconductor Inc., 2004 [0003]
J. Holtz, „Sensorless Control of Induction Motor Drives“, Proceedings of the IEEE, Vol. 90, No. 8, Aug. 2002, pp. 1359-1394 [0003]

Claims

Überspannungsschutzvorrichtung (1) zum Schützen einer elektrischen Vorrichtung (2) mit einem Drehfeld, umfassend: eine Zustandserkennungseinheit (10), eine Überspannungsdetektionseinheit (11), und eine Abschalteinheit (12), wobei die Zustandserkennungseinheit (10) derart ausgebildet ist, mindestens einen optimalen Detektionszeitpunkt (13) zu bestimmen, und wobei die Überspannungsdetektionseinheit (11) derart ausgebildet ist, auf Grundlage mindestens einer am mindestens einen Detektionszeitpunkt (13) erfassten Messgröße (14) eine Überspannung zu detektieren, und wobei die Abschalteinheit (12) derart ausgebildet ist, bei einer erkannten Überspannung ein Abschalten der elektrischen Vorrichtung (2) zu veranlassen.
Überspannungsschutzvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandserkennungseinheit (10) ferner derart ausgebildet ist, den mindestens einen Detektionszeitpunkt (13) auf Grundlage von Schaltzeitpunkten eines Umrichters oder Wechselrichters (5) zu bestimmen.
Überspannungsschutzvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandserkennungseinheit (10) ferner derart ausgebildet ist, beim Bestimmen des mindestens einen Detektionszeitpunkts (13) eine beim Schalten des Umrichters oder Wechselrichters (5) auftretende Einschwingzeit (22) zu berücksichtigen.
Überspannungsschutzvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erfasste Messgröße (14) ein Gradient einer Spannung in einem Zwischenkreis ist.
Überspannungsschutzvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erfasste Messgröße (14) ein Integral einer Spannung in einem Zwischenkreises ist.
Überspannungsschutzvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erfasste Messgröße (14) ein Absolutwert eines Statorspannungsraumzeigers ist.
Überspannungsschutzvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erfasste Messgröße (14) ein Gradient eines Statorspannungsraumzeigers ist.
Überspannungsschutzvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erfasste Messgröße (14) ein Absolutwert eines Statorstromraumzeigers ist.
Überspannungsschutzvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erfasste Messgröße (14) ein Gradient eines Statorstromraumzeigers ist.
Verfahren zum Schützen einer elektrischen Vorrichtung (2) mit einem Drehfeld, umfassend die folgenden Schritte: Bestimmen mindestens eines optimalen Detektionszeitpunkts (13) mittels einer Zustandserkennungseinheit (10), Detektieren einer Überspannung auf Grundlage mindestens einer am mindestens einen Detektionszeitpunkt (13) erfassten Messgröße (14) mittels einer Überspannungsdetektionseinheit (11), Veranlassen eines Abschaltens der elektrischen Vorrichtung (2) bei Detektieren einer Überspannung mittels einer Abschalteinheit (12).