DE102010030083A1

DE102010030083A1 - Circuit arrangement for determining a voltage fluctuation of conductor potentials in an ungrounded electrical network

Info

Publication number: DE102010030083A1
Application number: DE102010030083A
Authority: DE
Inventors: Andreas Trautmann; Vicente Garcia Alvarez; Dragan Mikulec
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2011-12-15
Also published as: WO2011157470A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer Spannungsschwankung von Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz, wobei das Netz einen Gleichspannungszwischenkreis (6), ein n-Phasen-Netz (1) mit einem n-phasigen elektrischen Verbraucher (2) und mindestens einen an den Gleichspannungszwischenkreis (6) angeschlossenen Wechselrichter (3) zur Steuerung des elektrischen Verbrauchers (2), umfasst. Erfindungsgemäß ist ein Spannungsteiler (30), insbesondere ein symmetrischer Spannungsteiler, vorgesehen, welcher zwischen Versorgungsspannungspotentialen (T+, T–) des Gleichspannungszwischenkreises (6) angeschlossen ist und einen Mittelabgriff (M) aufweist. Außerdem ist eine Messeinrichtung (31) zum Messen einer Messspannung (UM) am Mittelabgriff (M) des Spannungsteilers (30) vorgesehen, wobei die Messspannung (UM) die Spannungsschwankung der Versorgungsspannungspotentiale (T+, T–) des Gleichspannungszwischenkreises (6) gegen ein Bezugspotenzial repräsentiert.The invention relates to a circuit arrangement for determining a voltage fluctuation in conductor potentials in an unearthed electrical network, the network comprising a DC intermediate circuit (6), an n-phase network (1) with an n-phase electrical consumer (2) and at least one to the DC voltage intermediate circuit (6) connected inverter (3) for controlling the electrical consumer (2). According to the invention, a voltage divider (30), in particular a symmetrical voltage divider, is provided, which is connected between supply voltage potentials (T +, T−) of the DC voltage intermediate circuit (6) and has a center tap (M). In addition, a measuring device (31) is provided for measuring a measuring voltage (UM) at the center tap (M) of the voltage divider (30), the measuring voltage (UM) being the voltage fluctuation of the supply voltage potentials (T +, T−) of the DC voltage intermediate circuit (6) against a reference potential represents.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer Spannungsschwankung von Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz.The invention relates to a circuit arrangement for determining a voltage fluctuation of conductor potentials in an ungrounded electrical network.

Stand der TechnikState of the art

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 (Isolé 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.For the drive in hybrid or electric vehicles electrical machines in the form of induction machines are usually used, which in conjunction with inverters - often referred to as inverter - are operated. The electrical energy for the operation of the electric machine is from a separate from the electrical system of the vehicle, not grounded power supply, eg. B. in the form of a powerful high-voltage battery supplied. The unearthed electrical network created in this way - often referred to as the IT network (Isolé Terre) - reduces the risk, for B. of service personnel, as in a single error, such. B. an insulation fault, no closed circuit is built. In addition, the operation must not be adjusted when a single fault occurs, so that an insulation fault can be reported without it already has a system failure. For this, however, it is necessary that the insulation resistance of the electrical network is continuously or at least periodically monitored during operation of the vehicle, which is possible, for example, based on a voltage fluctuation of the conductor potentials of the IT network.

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.From the DE 10 2006 031 663 B3 a method for measuring the insulation resistance in an IT network with a DC voltage intermediate circuit and at least one self-commutated converter and a measuring arrangement for measuring the intermediate circuit voltage against ground potential is known in which an offline and an online measurement are provided. During the offline measurement, during which all power switches of the power converter are closed, the potentials Up and Um as well as the intermediate circuit voltage are measured and from this the insulation resistance is determined. During the online measurement, the potentials Up and Um are measured and the time course of the measurements is evaluated. For this purpose, in particular the two potentials are summed, the sum Fourier-transformed and evaluated the change of the frequency spectrum in its time course.

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.From the EP 1 909 369 A2 a method for insulation monitoring for in-service converter arrangements is known, wherein the converter arrangement with a voltage intermediate circuit having at least one positive branch and a negative branch, at least one electrical device having at least two phase terminals, and at least one inverter with switching elements for electrically connecting the phase terminals the positive branch or the negative branch of the voltage intermediate circuit. It is provided that an operating state of the inverter during which the inverter is in operation and the electrical device, which is also in a normal mode, feeds, is determined by detecting parameters of a converter control. In addition, at least one of the voltages of the positive branch or the negative branch is measured. Finally, insulation defects at the voltage intermediate circuit and / or at the phase connections and / or at the electrical device are determined in accordance with the measured voltage or voltages and the operating state of the converter.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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 elektrischen Verbraucher, mit n > 1, und mindestens einen an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter zur Steuerung des elektrischen Verbrauchers umfasst. Erfindungsgemäß ist ein Spannungsteiler, insbesondere ein symmetrischer Spannungsteiler, vorgesehen, welcher zwischen Versorgungsspannungspotentialen des Gleichspannungszwischenkreises 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.The present invention provides a circuit arrangement for determining a voltage fluctuation of conductor potentials in an ungrounded electrical network, wherein the network is a DC voltage intermediate circuit, an n-phase network with an n-phase electrical load, with n> 1, and at least one connected to the DC link Inverter for controlling the electrical load includes. According to the invention, a voltage divider, in particular a symmetrical voltage divider, is provided, which is connected between supply voltage potentials of the DC intermediate circuit. In this case, the voltage divider has a center tap on which a variable characterizing a measuring voltage is measured with the aid of a measuring device, the measuring voltage representing the voltage fluctuation of the supply voltage potentials of the DC intermediate circuit relative to a reference potential.

Während des Betriebs des elektrischen Verbrauchers und damit während des Betriebs des Wechselrichters 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 die beiden Versorgungsspannungsschienen des Gleichspannungszwischenkreises 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. Alternativ zur unmittelbaren Messung der Messspannung kann auch eine andere von der Messspannung abgeleitete Größe, welche damit die Messspannung charakterisiert, gemessen werden.During operation of the electrical load and thus during operation of the inverter the DC potentials of the supply voltage rails of the DC intermediate circuit are superimposed alternating voltage components, which to a voltage fluctuation of the supply voltage potentials of the DC intermediate circuit against a reference potential, which z. B. is formed by a vehicle body lead. The invention is based on the idea that the center tap of a voltage divider, which is connected between the two supply voltage rails of the DC intermediate circuit, does not change its potential with respect to the conductor potentials, ie the potentials of the supply voltage rails, so that the potential of the center tap the reference potential fluctuates to the same extent as the line potentials. Thus, a voltage can be measured directly at the center tap by means of a single measurement, which directly represents a voltage fluctuation of the supply voltage potentials of the DC voltage intermediate circuit relative to the reference potential. Potential errors due to further measurements or subsequent calculations are thus reliably avoided. As an alternative to the direct measurement of the measuring voltage, another variable derived from the measuring voltage, which thus characterizes the measuring voltage, can also be measured.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Messbereich der Messeinrichtung an eine maximale Amplitude der Spannungsschwankung angepasst, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird.According to one embodiment of the invention, the measuring range of the measuring device is adapted to a maximum amplitude of the voltage fluctuation, whereby the measuring accuracy is increased.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figures.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines ungeerdeten Netzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, einem daran angeschlossenen Wechselrichter, einer 3-phasigen elektrischen Maschine und einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, 1 2 shows a schematic block diagram of an ungrounded network with a DC intermediate circuit, an inverter connected thereto, a 3-phase electrical machine and a circuit arrangement according to the invention,

2 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Messspannung im Normalbetrieb ohne Isolationsfehler, 2 a graphical representation of the time course of the measuring voltage in normal operation without insulation fault,

3 eine grafische Darstellung des Frequenzspektrums der Messspannung gemäß 2, 3 a graphical representation of the frequency spectrum of the measuring voltage according to 2 .

4 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Messspannung bei Auftreten eines einphasigen unsymmetrischen Isolationsfehlers im 3-Phasen-Netz, 4 a graphical representation of the time course of the measuring voltage when a single-phase asymmetrical insulation fault occurs in the 3-phase network,

5 eine grafische Darstellung des Frequenzspektrums der Messspannung gemäß 4, 5 a graphical representation of the frequency spectrum of the measuring voltage according to 4 .

6 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Messspannung bei Auftreten eines symmetrischen Isolationsfehlers im 3-Phasen-Netz und 6 a graphical representation of the time course of the measuring voltage when a symmetrical insulation fault in the 3-phase network and

7 eine grafische Darstellung des Frequenzspektrums der Messspannung gem. 6. 7 a graphical representation of the frequency spectrum of the measuring voltage acc. 6 ,

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures, identical or functionally identical components are each marked with the same reference character.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines 3-Phasen-Netzes 1 mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2, welche beispielsweise als Synchron-, Asynchron- oder Reluktanz-Maschine ausgeführt sein kann, mit einem daran angeschlossenen Pulswechselrichter 3. Der 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 Pulswechselrichter 3 umfasst ferner mehrere Freilaufdioden 8a–8f, welche jeweils parallel zu einem der Schaltelemente 4a–4f angeordnet sind. 1 shows a schematic representation of a 3-phase network 1 with a three-phase electric machine 2 which can be designed, for example, as a synchronous, asynchronous or reluctance machine with a pulse inverter connected thereto 3 , The pulse inverter 3 includes switching elements 4a - 4f in the form of circuit breakers, which with individual phases U, V, W of the electric machine 2 are connected and the phases U, V, W either against a on a positive supply voltage rail 5 a DC voltage intermediate circuit 6 applied positive supply voltage potential T + or on a negative supply voltage rail 7 of the DC intermediate circuit 6 Apply negative supply voltage potential T-. The with the positive supply voltage rail 5 connected switching elements 4a - 4c are also called "high-side switch" and the negative supply voltage rail 7 connected switch 4d - 4f referred to as "low-side switch" and can be embodied for example as Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) or as Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET). The pulse inverter 3 further includes a plurality of free-wheeling diodes 8a - 8f , which in each case parallel to one of the switching elements 4a - 4f are arranged.

Der Pulswechselrichter 3 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 2 und wird von einem Steuergerät 9, z. B. in Form eines Mikrocontrollers, entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 2 kann dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden.The pulse inverter 3 determines power and operating mode of the electric machine 2 and is from a controller 9 , z. B. in the form of a microcontroller, driven accordingly. The electric machine 2 can be operated either in motor or generator mode.

Der Pulswechselrichter 3 umfasst außerdem einen sogenannten Zwischenkreiskondensator 10, welcher im Wesentlichen zur Stabilisierung einer Spannung eines Hochvolt-Energiespeichers in Form einer Hochvolt-Batterie 11 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.The pulse inverter 3 also includes a so-called DC link capacitor 10 which essentially serves to stabilize a voltage of a high-voltage energy store in the form of a high-voltage battery 11 in the DC voltage intermediate circuit 6 serves. An electrical system 12 the vehicle with a low-voltage energy storage in the form of a low-voltage battery 13 is via a DC-DC converter 14 parallel to the DC link capacitor 6 connected.

Die elektrische Maschine 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgeführt, kann aber auch nur zwei oder mehr als drei Phasen aufweisen. Vorzugsweise ist die Anzahl der Phasen aber gleich drei oder zumindest durch der teilbar.The electric machine 2 is designed in the illustrated embodiment, three-phase, but may also have only two or more than three phases. Preferably, however, the number of phases is equal to three or at least divisible.

Beispielsweise für Servicezwecke ist es erforderlich, die Hochvolt-Batterie 11 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.For service purposes, for example, it is necessary to use the high-voltage battery 11 at rest from the DC intermediate circuit 6 - often referred to as a traction network or high-voltage circuit - to separate. There are two main shooters 15 and 16 as well as a pre-charging contactor 17 intended. The pre-charging contactor allows a current-limited charge of the DC link capacitor via a pre-charge resistor 18 ,

Des Weiteren ist in dem Gleichspannungszwischenkreis 6 parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 10 ein Spannungsteiler 30 vorgesehen, welcher bevorzugt symmetrisch ausgelegt ist. An einem Mittelabgriff M wird mit Hilfe einer Messeinrichtung 31 gegenüber dem Bezugspotential eine Messspannung U_M gemessen werden, welche unmittelbar eine Spannungsschwankung der Versorgungsspannungspotentiale T+ und T– des Gleichspannungszwischenkreises 6 gegen das Bezugspotenzial repräsentiert. Dabei ist der Messbereich der Spannungsmesseinrichtung 31 vorteilhaft an eine maximale Amplitude der Spannungsschwankung angepasst. Der Spannungsteiler 30 kann, wie dargestellt, aus ohmschen Widerständen 32 und 33 oder auch mit Hilfe von Kapazitäten und/oder Induktivitäten gebildet werden. Entscheidend für die Verwendbarkeit ist lediglich die spannungsteilende Funktion. Selbstverständlich kann der Spannungsteiler 30 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.Furthermore, in the DC voltage intermediate circuit 6 parallel to the DC link capacitor 10 a voltage divider 30 provided, which is preferably designed symmetrically. At a center tap M is using a measuring device 31 relative to the reference potential, a measuring voltage U _{M are} measured, which directly a voltage fluctuation of the supply voltage potentials T + and T- of the DC intermediate circuit 6 represented against the reference potential. Here is the measuring range of the voltage measuring device 31 advantageously adapted to a maximum amplitude of the voltage fluctuation. The voltage divider 30 can, as shown, from ohmic resistors 32 and 33 or by means of capacitors and / or inductors. Decisive for the usability is only the voltage dividing function. Of course, the voltage divider 30 also be formed from more than two components. As an alternative to the direct measurement of the measuring voltage U _M , another variable derived from the measuring voltage U _M , which thus characterizes the measuring voltage U _M , can also be measured.

Im Folgenden wird beispielhaft eine Verwendung der gemessenen Messspannung U_M bei der Überwachung des Isolationswiderstandes in dem ungeerdeten elektrischen Netz näher ausgeführt.In the following, an example of a use of the measured measurement voltage U _M in monitoring the insulation resistance in the ungrounded electrical network is explained in more detail.

Durch eine Auswerteeinheit 23, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 in das Steuergerät 8 integriert ist, alternativ dazu aber 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(jω)| 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_el der elektrischen Maschine 2, welche proportional zur elektrischen Frequenz der elektrischen Maschine 2 ist.Through an evaluation unit 23 , which in the illustrated embodiment according to 1 in the control unit 8th is integrated, but alternatively can also be implemented as a separate unit, the measurement voltage U _{M is} subjected to a frequency transformation, preferably a fast Fourier transform (FFT), in order to calculate the frequency spectrum of the measurement voltage U _M in this way. By evaluation of the magnitude spectral amplitudes | U _M (jω) | at predetermined electrical frequencies or angular velocities, then an insulation fault can be detected. However, the predetermined electrical frequencies or angular velocities are not fixed values but dependent on an electrical angular velocity ω _{el of} the electrical machine 2 which is proportional to the electrical frequency of the electric machine 2 is.

Daher wird eine die elektrische Frequenz der elektrischen Maschine 2 charakterisierende Größe, wie z. B. die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_el, 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.Therefore, one becomes the electrical frequency of the electric machine 2 characterizing size, such. As the electrical angular velocity ω _el determined. This determination can be made on the basis of metrological results. Often the electrical frequency of the electric machine 2 but also given, so that this is already known.

Ein Isolationsfehler, das heißt eine Verschlechterung des Isolationswiderstandes macht sich dadurch bemerkbar, dass sich die Spektralamplitude U_M(jK·ω_el) 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_el, also bei K = 3, bzw. bei der (1-fachen) elektrische Winkelgeschwindigkeit ω_el, 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.An insulation fault, that is to say a deterioration of the insulation resistance, is noticeable in that the spectral amplitude U _M (jK · ω _el ) changes in absolute terms at certain frequencies. Depending on whether it is a symmetrical or an asymmetrical insulation fault, the change in the spectral amplitude at the 3-fold electrical angular velocity ω _el , ie at K = 3, or at the (1-fold) electrical angular velocity ω _el , ie at K = 1. However, this relationship will be explained in more detail below. The absolute change in the spectral amplitude is in each case a measure of the deterioration of the insulation resistance.

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. 2 shows the time course of the measuring voltage U _M in normal operation of the electric machine 2 and thus the pulse inverter 3 without insulation fault. The measuring voltage U _M runs in the form of an alternating voltage around a zero line, which the reference potential, ie z. B. vehicle mass corresponds. This process is due to the fact that during power inverter operation the supply voltage potentials T + and T- of the supply voltage rails 5 respectively. 7 Alternating voltage components are superimposed.

Eine Fast-Fourier-Transformation der in 2 dargestellten Messspannung ergibt eine in 3 schematisch dargestellte Spektralverteilung (Frequenzspektrum). Dabei ist zu erkennen, dass bei der (1-fachen) elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω_el kein Signalanteil vorhanden ist und bei der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 3·ω_el ein Signalanteil mit einer Spektralamplitude von A₀ vorhanden ist. A Fast Fourier Transform of in 2 shown measuring voltage results in a 3 schematically represented spectral distribution (frequency spectrum). It can be seen that at the (1-fold) electrical angular velocity ω _el no signal component is present and at the 3-fold electrical angular velocity 3 · ω _el a signal component with a spectral amplitude of A _{0 is} present.

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. 4) und auch eine veränderte Spektralverteilung (vgl. 5). Insbesondere tritt bei der (1-fachen) elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω_el nun ein Signalanteil mit einer Spektralamplitude von A₁ auf, welche im fehlerfreien Fall nicht auftrat oder zumindest in einem Grundrauschen unterging. Vergleicht man folglich die Spektralamplitude A₁ 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 A₁ 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.Now occurs in the area of the 3-phase network 1 a single-phase unbalanced insulation fault, that is a deterioration of the insulation resistance on one of the three phases U, V or W, the result is a changed time course of the measuring voltage U _M (see. 4 ) and also an altered spectral distribution (cf. 5 ). In particular, occurs at the (1-fold) electrical angular velocity ω _el now a signal component with a spectral amplitude of A ₁ , which did not occur in error-free case or at least went under in a background noise. If one thus compares the spectral amplitude A ₁ with the corresponding spectral amplitude serving as reference value in the error-free case, in this case a spectral amplitude of 0, then in the case of a deviation an asymmetrical insulation error can be detected reliably. The magnitude amplitude change, that is, in this case, the amplitude value A ₁ itself, is a measure of the deterioration of the insulation resistance. In this case, as with the subsequent detection of insulation faults, it is of course also possible to specify a minimum value for the deviation which must be exceeded before an insulation fault is detected.

In den 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 7 erkennt man, dass sich ein derartiger Isolationsfehler dadurch bemerkbar macht, dass sich die Spektralamplitude bei der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 3·ω_el von einem Wert A₀ auf einen Wert A₂ 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_el mit der als Referenzwert dienenden entsprechenden Spektralamplitude im fehlerfreien Fall, in diesem Fall also A₀, kann somit auch ein symmetrischer Isolationsfehler sicher detektiert werden.In the 6 and 7 are the time course of the measuring voltage U _M and the resulting spectral distribution upon the occurrence of a symmetrical insulation fault in the 3-phase network 1 shown. In this case, the deterioration of the insulation resistance affects all three phases in an analogous manner. Out 7 it can be seen that such an insulation error is manifested by the fact that the spectral amplitude at the 3-times electrical angular velocity 3 · ω _{el has increased} from a value A ₀ to a value A ₂ . The increase in magnitude is again a measure of the deterioration of the insulation resistance. By comparing the spectral amplitude of 3 times the electrical angular velocity 3 · ω _el with the corresponding spectral amplitude serving as a reference value in the error-free case, in this case A ₀ , a symmetrical insulation error can thus be reliably detected.

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_el allerdings in Form eines Absinkens des Amplitudenwertes auf einen niedrigeren Wert als im Normalbetrieb, als niedriger als A₀. In diesem Fall ist der betragsmäßige Abfall ein Maß für die Verschlechterung des Isolationswiderstandes.A similar effect is also evident when a symmetrical insulation fault occurs in the DC intermediate circuit 6 , Here, too, a change in the spectral distribution in the range of 3 times the electrical angular velocity 3 · ω _el results, however, in the form of a decrease in the amplitude value to a lower value than in normal operation, than lower than A ₀ . In this case, the amount of waste is a measure of the deterioration of the insulation resistance.

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_el und 3·ω_el (n·ω_el) eingesetzt werden und die benötigten Amplitudenwerte anschließend aus den gefilterten Messspannungen berechnet werden.For the applicability of the invention, it is only crucial to determine the spectral amplitudes at 1-fold and 3-fold, or in the case of an n-phase network of n-fold electrical frequency or angular velocity. In this respect, instead of a frequency transformation, it is also possible to use bandpass filters with corresponding center frequencies at ω _el and 3 · ω _el (n · ω _el ) and then calculate the required amplitude values from the filtered measurement voltages.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006031663 B3 [0003]
EP 1909369 A2 [0004]

Claims

Circuit arrangement for determining a voltage fluctuation of conductor potentials in an ungrounded electrical network, wherein the network comprises - a DC voltage intermediate circuit ( 6 ), - an n-phase network ( 1 ) with an n-phase electrical load ( 2 ), with n> 1, and - at least one to the DC voltage intermediate circuit ( 6 ) connected inverters ( 3 ) for controlling the electrical load ( 2 ), characterized by - a voltage divider ( 30 ), in particular a symmetrical voltage divider, which between supply voltage potentials (T +, T-) of the DC intermediate circuit ( 6 ) is connected and has a center tap (M), and - a measuring device ( 31 ) for measuring one, a measuring voltage (U _M ) at the center tap (M) of the voltage divider ( 30 ) characterizing variable during operation of the electrical load ( 2 ), wherein the measuring voltage (U _M ) the voltage fluctuation of the supply voltage potentials (T +, T-) of the DC intermediate circuit ( 6 ) represents a reference potential.

Circuit arrangement according to claim 1, wherein the measuring range of the voltage measuring device ( 31 ) is adapted to a maximum amplitude of the voltage fluctuation.