WO2013178654A1 - Isolationswiderstandsmessung für wechselrichter - Google Patents

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Burkard Müller
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the insulation resistance for an inverter with the features of the preamble of independent claim 1 and to an inverter having at least one half-bridge having two active switching elements and having an apparatus for measuring an insulation resistance according to the preamble of independent claim 8 ,
  • the inverter may be a PV inverter, i. H. feed electrical energy from a photovoltaic generator into an AC grid.
  • the inverter may have an output side transformer.
  • it may also be a transformerless inverter.
  • the measured insulation resistance includes that of the inverter itself, but in particular it is the insulation resistance of a current source connected to the inverter on the input side, d. H. for example, a PV generator.
  • the power source may have a ground contact.
  • one of its poles may be grounded during operation of the inverter.
  • a grounding of an otherwise ungrounded power source is made via the voltage applied to the outputs of the inverter mains voltage.
  • the insulation resistance however, such earth connections should be canceled, since the insulation resistance to earth is measured.
  • a measuring arrangement with a grounding point for determining the insulation resistance of a live electrical device or a system with a supply voltage having a positive pole and a negative pole is known.
  • two switches or a corresponding switch are provided, each of which produce a current path between one of the two poles and a grounding point to determine the occurrence of one or more insulation fault with any potential reference the total resulting insulation resistance.
  • two consecutive measurements are taken, in the first of these measurements the first switch being closed while the second switch is open, and in the second of these measurements the first switch being open while the second switch is closed.
  • the current flowing through the connection made in each case to the grounding point is measured. From the two measured currents, the insulation resistance is calculated, to which give the cited documents a detailed guide.
  • the known measuring arrangement can be concretely provided to monitor a photovoltaic system for an insulation fault, which feeds electrical energy from a photovoltaic generator into an AC network.
  • the components to be provided for forming the known measuring arrangement on an inverter are numerous and considerably increase the total cost of the inverter.
  • a method for measuring the insulation resistance in an IT network is known.
  • This IT network has a DC intermediate circuit and a self-commutated converter with a first and a second circuit breaker.
  • a measuring arrangement for measuring the DC link voltage to earth consisting of a voltage divider and two associated potential measuring devices is part of the IT network.
  • the method comprises an offline measurement, for example, at the start of operation, in which all first or all second circuit breakers of the power converter are closed. In this switching state, the two potentials of the intermediate circuit and the intermediate circuit voltage are measured, and the insulation resistance is determined therefrom.
  • a method for locating an insulation fault in a system which has a DC section with a high side and a low side and an AC section including an inverter with a series circuit of two circuit breakers, which are connected between the high side and the low side has.
  • the DC section is supplied with a DC voltage of a DC voltage source.
  • the invention has for its object to provide a method for measuring an insulation resistance for an inverter and an inverter with an apparatus for measuring an insulation resistance, which apply an active measurement of the insulation resistance, without incurring high costs.
  • the object of the invention is achieved by a method having the features of independent claim 1 and an inverter having the features of independent patent claim 1. pending claim 8 solved.
  • Preferred embodiments of the method according to the invention are described in the dependent claims 2 to 7.
  • the dependent claims 9 to 18 relate to preferred embodiments of the inverter according to the invention.
  • a midpoint lying between the two active switching elements of a half-bridge of the inverter is connected to a grounding point by closing an earth switch.
  • the center point connected to the ground point is then successively connected to the two ungrounded poles of an intermediate circuit voltage of the inverter applied to the half bridge by means of the switching elements of the half bridge which are used during normal operation of the inverter for driving an output current.
  • the current flowing through the connection thus made to the ground point is measured.
  • the evaluation of the measured values then takes place in a basically known manner.
  • the DC link voltage applied to the inverter half-bridge and having its poles alternately connected to the ground point is equal to the input voltage of the inverter provided by the connected power source.
  • the direction of current flow depends on the polarity of the voltage to ground that drives this current. Since the two poles of the intermediate circuit voltage of the inverter usually have different polarities from earth, the current flow direction changes at least when the center of the half-bridge is first connected to one and then longer with the other pole of the intermediate circuit voltage.
  • the inventive method makes for the preparation of the connection of the two ungrounded poles of the DC link voltage of the inverter to the ground point of the active switching elements of a half-bridge of the inverter use. That is, as a switch for connecting the two poles of the DC link voltage anyway existing and voltages with appropriate clamping loads are used in the inverter switching elements. This alone can significantly reduce the cost of measuring the insulation resistance of an inverter compared with a separate measuring arrangement known from EP 1 857 825 A1 and the parallel US Pat. No. 7,576,547 B2. In contrast, the connection to be made between the center of the half-bridge and the earthing point for measuring the insulation resistance does not require a switch which is more resilient, especially if a higher-resistance protective resistor is provided in this connection.
  • the current flowing through the connection to the grounding point is preferably measured as a voltage drop across a measuring resistor connected between the midpoint of the half-bridge and the grounding point. This implies that the connection of both poles of the intermediate circuit voltage to the grounding point leads via the same measuring resistor and that accordingly only one measuring device is required.
  • this measuring device may be such a measuring device of the inverter, which measures in normal operation of the inverter, a voltage drop across a against the measuring resistor between the Mittelpun kt the half bridge and the grounding point lower resistance measuring resistor to a current from the half-bridge in the connected AC mains to measure. That is, with respect to the measuring device for the current flowing to the grounding point in the method according to the invention can be used in the inverter anyway existing facilities, which further reduces the additional costs for the implementation of the measuring method according to the invention.
  • the switching elements can be closed successively and in each case only once during the measurement in order to allow two direct currents to successively flow from the two poles of the intermediate circuit voltage via the connection to the grounding point.
  • This corresponds to a conversion of the measuring principle known from EP 1 857 825 A1 and US Pat. No. 7,576,547 B2.
  • this implementation requires that the switching elements of the half-bridge can be closed for a considerably, that is to say many times longer, time than is required in normal inverter operation.
  • an embodiment of the method according to the invention is applicable, in which the switching elements a nson to flow a periodic alternating current through the connection through a line reactor of the inverter to the ground point or by at least one driving voltage for the current to set the grounding point at the midpoint of the half-bridge, which is between the voltages of the two poles of the intermediate circuit voltage to ground. That is, the switching elements can be driven, for example, according to the principle of pulse width modulation so that a AC current is driven into the grounding point via a filter of line reactor and possibly other elements such as filter capacitor and protective resistor.
  • This alternating current can be not only sinusoidal, but for example also rectangular and has, in order to enable a meaningful measurement of the insulation resistance even with larger Ableitkapazticianen a current source connected to the inverter, a very low frequency.
  • the period of the AC current measured to measure the insulation resistance may be at least a factor of 2, preferably at least a factor of 5, more preferably at least a factor of 10, even more preferably at least a factor of 50, and most preferably at least a factor of 100 Have a longer period than an output in normal operation of the inverter through the mains choke AC.
  • the period of the AC current for measuring the insulation resistance may well be one or more and even several tens of seconds.
  • the ideal period length for a sufficiently accurate measurement of the insulation resistance depends on the time constant from the existing Ableitkapazticianen and the insulation resistance itself, the latter, for example, at a photovoltaic generator connected to the inverter can vary greatly by climatic conditions.
  • the required insulation resistance can be calculated from the low-frequency alternating current if at the same time the AC voltage driving it is detected. This can be done with a measuring device that measures the AC voltage when it drops, for example, across a filter capacitor.
  • a voltage can also be measured to measure the current flowing via the connection to the grounding point which drops between a point which lies between the already mentioned protective resistor for the earthing and the ear and the one of the poles of the intermediate circuit voltage. This applies regardless of whether the driving voltage is an alternating voltage or an at least temporarily constant voltage, such as, for example, a voltage lying between the voltages of the two poles of the intermediate circuit voltage with respect to ground.
  • the sum of the voltage between this point and the one of the poles of the intermediate circuit voltage on the one hand and the driving voltage relative to this one of the poles on the other hand equal to the voltage drop across the protective resistor. From the voltage dropping across the protective resistor, the current flowing to the earthing point can be calculated.
  • the voltages which are detected for detecting the currents flowing to the grounding point can be detected. H . without explicit conversion into amperages, as a measure of the currents used to calculate the insulation resistance of interest.
  • the voltage measurement at this point may also be during normal operation of the circuit Inverter, d. H. with the earth switch open, performed and used, for example, to detect the voltage at the output of the filter.
  • the Grounding point flowing current must change its current flow direction and its driving voltage to earth according to their polarity.
  • the control of the switching elements of the half-bridge can for example also be such that the instantaneous value of the driving AC voltage varies by less than half the DC link voltage and the AC voltage has a DC offset in the direction of a pole of the DC link voltage, so that the current driven by it a fixed current flow direction having.
  • the device for measuring an insulation resistance of an inverter has no additional switches, but makes use of the switching elements of a half-bridge of the inverter.
  • the device has a ground switch to connect the center of the half-bridge to the ground point.
  • This switch is connected in series between the midpoint of the half-bridge and the earthing point with a measuring resistor to measure the current flowing to ground.
  • This sense resistor is typically connected in series with an additional protection resistor which limits the current flowing to the grounding point.
  • the measuring resistor may alternatively be designed as a protective resistor itself.
  • the voltage drop across the measuring resistor and thus the current flowing therethrough is preferably measured by the device for measuring the insulation resistance with a measuring device which measures a voltage drop across a lower-impedance measuring resistor during normal operation of the inverter, by a current driven by the half-bridge into the connected AC mains to eat . Since there may be no branching at or after the mid-point of the half-bridge which leads on the one hand to the measuring resistor for the measurement of the insulation resistance and on the other hand to the lower-resistance measuring resistor and moreover to the mains choke and ultimately to the mains switch or relay or contactor.
  • the device for measuring the insulation resistance may comprise a changeover switch which selectively supplies the current from the midpoint of the half bridge through the measuring resistor for measuring the insulation resistance or the lower resistance measuring resistor, the measuring device being connected to a junction with the measuring resistors and to the latter turned off connection of the changeover switch is connected. On which side of the resistors of the changeover switch and on which side of the fixed branching to the measuring resistors is provided, is irrelevant. In any case, the measuring device detects the voltage drop across the measuring resistor selected in each case with the changeover switch.
  • Both of the above-described connectivities of the measuring device are applicable both when the device sequentially closes the switching elements to successively flow two direct currents through the connection to the grounding point as well as when the device drives the switching elements to supply an alternating current across the connection to flow through a mains choke of the inverter to the grounding point or to set other driving voltages for the current to the grounding point at the midpoint of the half-bridge between the voltages of the poles of the intermediate circuit voltage to ground. It is understood that in the second and latter case, the branching to the earthing point of the first connection variant of the measuring device is to be provided only after the mains choke.
  • the measuring resistor for measuring the insulation resistance is connected in parallel with a filter capacitor which filters out a switching tripple caused by the high-frequency-controlled switching elements of the half-bridge with respect to the actually interesting low-frequency alternating current to earth.
  • the device for measuring the insulation resistance may have an additional measuring device which measures the AC voltage drop across a filter capacitor.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of relevant details of an inverter according to the invention with an apparatus for measuring an insulation resistance.
  • FIG. 2 illustrates the essential components of a second embodiment of an inverter according to the invention with a device for measuring a
  • Fig. 3 illustrates the essential components of a third embodiment of an inverter according to the invention with an apparatus for measuring an insulation resistance
  • FIG. 4 illustrates the essential components of a further embodiment of an inverter according to the invention with a device for measuring a
  • an inverter 1 is shown in the form of its essential parts here, including a half-bridge 2 with switching elements 3 and 4 on both sides of a center 5, a DC intermediate circuit 6 with a DC link capacitor 7, a measuring resistor 8 with an associated measuring device 9 for the falling voltage, a mains choke 10 and a power switch 1 1 count.
  • the DC intermediate circuit 6 is directly connected to a current source 16; it would also be possible to connect the current source 16 to the DC link 6 via a non-galvanically isolated DC / DC converter, such as, for example, FIG. a boost converter.
  • the inverter In addition to the current path from the center 5, which leads through the measuring resistor 8 and through the mains choke 10 to the power switch 1 1, via which the inverter can be connected to an AC power supply to feed into this AC power, branches from the center 5, a further current path from.
  • This current path leads through a measuring resistor 1 2, which has a higher resistance than the measuring resistor 8, to a protective resistor 13 and to a grounding switch 15.
  • the measuring resistor 12 is connected in series with the measuring resistor 8 between the terminals of the measuring device 9 , Both mains and earth switch can be designed as a relay or contactor to operate them automatically.
  • the center 5 is connected via the resistors 12 and 1 3 to the grounding point 15. Then, by closing the switching element 3, the positive pole 20 of an intermediate circuit voltage of DC intermediate circuit 6 are connected to the center point 5 and thus to the grounding point 15 in order to measure a current flowing in sequence to the grounding point 15 with the measuring device 9.
  • the measuring device 9 measures only a drop across the measuring resistor 12 voltage as a measure of the current of interest, because due to the open power switch 1 1 through the measuring resistor 8 no current flows and thus no voltage drops across the measuring resistor 8.
  • the switching element 3 can be opened again and then the switching element 4 can be closed in order to measure a current flowing from the negative pole 21 of the intermediate circuit voltage of the DC intermediate circuit 7 to the grounding point 15 in the same way.
  • the insulation resistance of the arrangement shown can be determined in a known manner. For this purpose, only the measuring resistor 12, the protective resistor 13 and the earth switch 14 are required as additional components compared to the basic structure of the inverter 1.
  • the measured insulation resistance is in particular determined by insulation resistances in the region of a current source 16, in this case a photovoltaic generator, connected to the DC voltage intermediate circuit 6, but also includes its own insulation resistance of the inverter 1.
  • inverter 1 has an additional changeover switch 22, which carries the current to the line choke 10 either by the lower resistance measuring resistor 8 or by the higher resistance measuring resistor 12.
  • the current path branches through the protective resistor 13 and the ground switch 14 to the grounding point 15 only behind the line choke 10 of the current path through the power switch 1 1 as he hi he again not shown power system, in which the inverter 1 feeds, from.
  • the switching elements 3 and 4 can be controlled so that they provide a very low-frequency AC voltage component at a filter output 25 of the mains choke 10 and a filter capacitor 19 comprehensive filter 28, in turn, a very low-frequency current in the grounding point 15th is driven. It is understood that while the power switch 1 1 is opened and the ground switch 14 is closed. Furthermore, a filter capacitor 17 is connected in parallel to the measuring resistor 12 in order to filter out the high-frequency component of the current through the reactor 10. The driving voltage of this alternating current is measured by an additional measuring device 18 via the filter capacitor 19. From the ratio of the alternating current and its driving alternating voltage, the insulation resistance of the inverter 1 can be determined.
  • the filter capacitor 19 were omitted, the current in the mains choke 10 could only change minimally, and the protective resistor 13 would be exposed to the full high-frequency AC voltage at the center 5, so that its load would be very high. Since the filter capacitor 19 is present anyway in a line filter of an inverter 1, it can take over the filter function required here. The determination of the insulation resistance from the ratio of the alternating current and its alternating voltage does not require that the switching elements 3 and 4 can be permanently closed. For this purpose, the changeover switch 22 is not mandatory.
  • the current paths to the power switch 1 1 and the ground switch 14 could branch only after the line choke 1 0 to the measuring resistors 8 and 12, the filter capacitor 17 could then be connected in parallel to the measuring resistor 12, although filter in this case already the filter capacitor 19 would.
  • the line choke 10 and the filter capacitor 19 will be directly connected to each other, especially if they are encapsulated as a filter unit with each other and possibly with other components, so that an arrangement according to the drawings is enforced.
  • the usual location of the measuring resistor 8 for the current driven by the half-bridge 2 in an inverter 1 therefore lies between the center 5 and the mains choke 10.
  • measuring devices 9 and 1 8 On the operating principle of the measuring devices 9 and 1 8, it is not essential for the present invention. However, it may be advantageous to use as measuring devices 9 and 18 delta-sigma converters, which are analog / digital converters with very high resolution. In the illustrated with reference to FIG. 2 embodiment of the invention can also be dispensed with the protective resistor 13, because only by the driving of the switching elements 3 and 4 for generating the alternating current to the grounding point 15, the amplitude of the current can be limited.
  • the power switch 1 1 is not shown, although it is actually present.
  • this embodiment of the inverter 1 there is no measuring resistor 8 for the current flowing from the center 5 of the half-bridge 2 with the earth switch 14 closed and the switching elements 3 and 4 driven to the earth point 15.
  • a voltage is applied between a point 24 on the connection between the connection point 5 and the output voltage 1 5 and one of the terminals of the intermediate circuit voltage, here the negative pole. measured.
  • the point 24 between the protective resistor 13 and the grounding point 15 more precisely between the protective resistor 13 and the ground switch 14, which is arranged here between the protective resistor 13 and the grounding point 15.
  • the measuring device 23 for measuring the voltage at the output of the inverter 1 behind a line filter of the inverter 1, consisting of the line choke 10 and the filter capacitor 19 may be used.
  • the components of the actual circuit of the inverter 1 are enclosed by a dotted line 26. Therein also the filter capacitor 19 is arranged. Whether the filter capacitor 19 actually exists and is contacted as shown, however, depends on the topology of the respective inverter 1.
  • FIG. 4 shows in a representation corresponding to FIG. 3 yet another embodiment of an inverter according to the invention.
  • the ground switch 14 is disposed between the line reactor 10 and the protective resistor 13, more precisely between a depending on the existing inverter topology in the field of the inverter 1 with the negative pole of the DC link voltage connected filter capacitor 19, wherein its optional connection is indicated by a dashed line, and an additional filter capacitor 27 which is connected to the filter output 25.
  • this additional filter capacitor 27 is disconnected from the inverter and does not affect its behavior.
  • the filter capacitor 27 eliminates in the sense of a smoothing capacity higher-frequency fluctuations of the driving voltage at the center 5, which occur at the switching frequency of the switching elements 3.

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Description

ISOLATIONSWIDERSTANDSMESSUNG FÜR WECHSELRICHTER
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Isolationswiderstands für einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie auf einen Wechselrichter mit mindestens einer zwei aktive Schaltelemente aufweisenden Halbbrücke und mit einer Vorrichtung zum Messen eines Isolationswiderstands nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 8.
Der Wechselrichter kann insbesondere ein PV-Wechselrichter sein, d. h. elektrische Energie von einem Photovoltaikgenerator in ein Wechselstromnetz einspeisen.
Der Wechselrichter kann einen ausgangsseitigen Transformator aufweisen. Es kann sich aber insbesondere auch um einen transformatorlosen Wechselrichter handeln.
Der gemessene Isolationswiderstand schließt zwar denjenigen des Wechselrichters selbst ein, insbesondere handelt es sich aber um den Isolationswiderstand einer an den Wechselrichter eingangsseitig angeschlossenen Stromquelle, d. h. beispielsweise eines PV-Generators.
Im Betrieb des Wechselrichters kann die Stromquelle einen Erdbezug aufweisen. So kann beispielsweise einer ihrer Pole im Betrieb des Wechselrichters geerdet sein. Auch im Betrieb eines transformatorlosen Wechselrichters an einem geerdeten Netz wird über die an den Ausgängen des Wechselrichters anliegende Netzspannung ein Erdbezug einer ansonsten ungeerdeten Stromquelle hergestellt. Für die Messung des Isolationswiderstands sind derartige Erdverbindungen jedoch aufzuheben, da der Isolationswiderstand gegen Erde gemessen wird. STAND DER TECHNIK
Aus der EP 1 857 825 A1 und der dazu parallelen US 7,576,547 B2 ist eine Messanordnung mit einem Erdungspunkt zur Ermittlung des Isolationswiderstands einer unter Spannung stehenden elektrischen Vorrichtung oder einer Anlage mit einer Versorgungsspannung mit einem Pluspol und einem Minuspol bekannt. Dabei sind zwei Schalter oder ein entsprechender Umschalter vorgesehen , die jeweils einen Strompfad zwischen einem der beiden Pole und einem Erdungspunkt herstellen, um bei Auftreten einer oder mehrerer Isolationsfehler mit beliebigem Potentialbezug den sich insgesamt ergebenden Isolationswiderstand zu ermitteln . Zur Ermittlung des Isolationswiderstands werden zwei aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt, wobei bei der ersten dieser Messungen der erste Schalter geschlossen ist, während der zweite Schalter geöffnet ist, und wobei bei der zweiten dieser Messungen der erste Schalter geöffnet ist, während der zweite Schalter geschlossen ist. Bei den Messungen wird der über die jeweils hergestellte Verbindung zu dem Erdungspunkt fließende Strom gemessen. Aus den beiden gemessenen Strömen wird der Isolationswiderstand berechnet, wozu die genannten Druckschriften eine detaillierte Anleitung geben.
Die bekannte Messanordnung kann konkret dazu vorgesehen sein, eine Photovoltaikanlage auf einen Isolationsfehler zu überwachen, die elektrische Energie von einem Photovoltaikgenerator in ein Wechselstromnetz einspeist. Die zur Ausbildung der bekannten Messanordnung an einem Wechselrichter vorzusehenden Bauteile sind zahlreich und erhöhen die Gesamtkosten des Wechselrichters erheblich.
Aus der DE 10 2006 031 663 B3 ist ein Verfahren zur Messung des Isolationswiderstands in einem IT-Netz bekannt. Dieses IT-Netz weist einen Gleichspannungszwischenkreis und einen selbstgeführten Stromrichter mit einem ersten und einem zweiten Leistungsschalter auf. Weiterhin ist eine Messanordnung zur Messung der Zwischenkreisspannung gegen Erde bestehend aus einem Spannungsteiler und zwei zugeordneten Potentialmesseinrichtungen Teil des IT-Netzes. Das Verfahren umfasst eine Offline-Messung beispielsweise zu Betriebsbeginn, bei der alle ersten oder alle zweiten Leistungsschalter des Stromrichters geschlossen sind. In diesem Schaltzustand werden d ie beiden Potentiale d es Zwischen kreises sowie d ie Zwischenkreisspannung gemessen und daraus der Isolationswiderstand bestimmt.
Aus der DE 10 2010 054 413 A1 ist ein Verfahren zum Lokalisieren eines Isolationsfehlers in einem System bekannt, das einen DC-Abschnitt mit einer High Side und einer Low Side und einen AC-Abschnitt einschließlich eines Wechselrichters mit einer Reihenschaltung aus zwei Leistungsschaltern, die zwischen die High Side und die Low Side geschaltet sind, aufweist. Der DC-Abschnitt wird mit einer Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle versorgt. Es erfolgen ein Durchschalten des unmittelbar an der High Side anliegenden Leistungsschalters, ein Durchschalten des unmittelbar an der Low Side anliegenden Leistungsschalters, ein Messen jeweils einer High Side-Isolationsspannung zwischen der High Side und einer Masse sowie einer Low Side-Isolationsspannung zwischen der Low Side und der Masse in jedem der beiden Durchschaltzustände und schließlich auf Basis der Messergebnisse ein Ermitteln, ob ein Isolationsfehler in dem DC- oder AC-Abschnitt vorliegt.
Aus der erst nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlichten DE 10 201 1 007 222 A1 geht eine Wechselrichterschaltung hervor, bei der zur Isolationsüberwachung ein Spannungsteilerverhältnis eines zur Isolationsüberwachung verwendeten Spannungsteilers mittels AC-Spannungsmesswiderständen des Wechselrichters verändert wird, indem diese mittels IGBTs einer Brückenschaltung mit Zwischenkreispotentialen gekoppelt werden. Im normalen Betrieb des Wechselrichters stellt die a n d e n AC-Spannungsmesswiderständen anstehende Spannung den momentanen Wert der Ausgangsspannung dar und wird zu deren Regelung verwendet. Die Isolationsüberwachung erfolgt durch Spannungsmessung einer Ist- Spannung in Form einer Potentialdifferenz zwischen einem Zwischenkreispotential und Erde. Die Ist-Spannung wird mit einer von der Schaltstellung der IGBTs abhängigen, vorgegebenen Soll-Spannung verglichen. Ein Isolationsfehler wird angezeigt, wenn eine Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Spannung ein vorgegebenes Maß überschreitet.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung eines Isolationswiderstands für einen Wechselrichter und einen Wechselrichter mit einer Vorrichtung zum Messen eines Isolationswiderstands bereitzustellen, die eine aktive Messung des Isolationswiderstands anwenden, ohne dass hierfür hohe Kosten anfallen.
LÖSUNG
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unab- hängigen Patentanspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 7 beschrieben. Die abhängigen Patentansprüche 9 bis 18 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer erfindungsgemäßen Umsetzung des Prinzips der aktiven Messung des Isolationswiderstands für einen Wechselrichter wird ein zwischen den beiden aktiven Schaltelementen einer Halbbrücke des Wechselrichters liegender Mittelpunkt durch Schließen eines Erdschalters mit einem Erdungspunkt verbunden. Der mit dem Erdungspunkt verbundene Mittelpunkt wird dann mittels der Schaltelemente der Halbbrücke, die im normalen Betrieb des Wechselrichters zum Treiben eines Ausgangsstroms verwendet werden , nacheinander mit den beiden ungeerdeten Polen einer an der Halbbrücke anliegenden Zwischenkreisspannung des Wechselrichters verbunden. Der über die derart mit dem Erdungspunkt hergestellte Verbindung fließende Strom wird gemessen. Die Auswertung der Messwerte erfolgt dann in grundsätzlich bekannter Weise.
Wenn keine eingangsseitigen DC/DC-Steller verwendet werden , ist die Zwischenkreisspannung, die an der Halbbrücke des Wechselrichters anliegt und deren Pole wechselweise mit dem Erdungspunkt verbunden werden, gleich einer Eingangsspannung des Wechselrichters, die von der angeschlossenen Stromquelle bereitgestellt wird.
Wenn bei der Definition der vorliegenden Erfindung auf einen zu dem Erdungspunkt fließenden Strom verwiesen wird, so wird damit nicht auf eine bestimmte Stromflussrichtung Bezug genommen. Die Stromflussrichtung hängt vielmehr von der Polarität der Spannung gegenüber Erde ab, die diesen Strom treibt. Da die beiden Pole der Zwischen kreisspann ung des Wechselrichters normalerweise unterschiedliche Polaritäten gegenüber Erde aufweisen, ändert sich die Stromflussrichtung zumindest dann, wenn der Mittelpunkt der Halbbrücke zunächst länger mit dem einen und dann länger mit dem anderen Pol der Zwischenkreisspannung verbunden wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht für die Herstellung der Verbindung der beiden ungeerdeten Pole der Zwischenkreisspannung des Wechselrichters mit dem Erdungspunkt von den aktiven Schaltelementen einer Halbbrücke des Wechselrichters Gebrauch. Das heißt, als Schalter zum Zuschalten der beiden Pole der Zwischenkreisspannung werden in dem Wechselrichter sowieso vorhandene und mit entsprechenden Span nungen belastbare Schaltelemente verwendet. Allein hierdurch können die Kosten der Messung des Isolationswiderstands an einem Wechselrichter gegenüber einer aus der EP 1 857 825 A1 und der parallelen US 7,576,547 B2 bekannten separaten Messanordnung deutlich reduziert werden. Die für das Messen des Isolationswiderstands herzustellende Verbindung zwischen dem Mittelpunkt der Halbbrücke und dem Erdungspunkt erfordert demgegenüber keinen stärker belastbaren Schalter, insbesondere wenn in dieser Verbindung ein höherohmiger Schutzwiderstand vorgesehen wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung des Isolationswiderstands werden nicht nur die Schaltelemente der Halbbrücke des Wechselrichters in einer im Vergleich mit dem normalen Betrieb des Wechselrichters beim Einspeisen in ein angeschlossenes Wechselstromnetz ungewöhnlichen Weise angesteuert, sondern der Wechselrichter ist zum Zeitpunkt der Messung noch nicht mit dem Wechselstromnetz verbunden, oder er wird für die Messung des Isolationswiderstands wieder von dem in seinem normalen Betrieb angeschlossenen Wechselstromnetz getrennt.
Der über d ie Verbindung zu dem Erdungspunkt fließende Strom wird bevorzugt als Spannungsabfall über einem Messwiderstand gemessen, der zwischen den Mittelpunkt der Halbbrücke und den Erdungspunkt geschaltet ist. Dies schließt ein, dass die Verbindung beider Pole der Zwischenkreisspannung mit dem Erdungspunkt über denselben Messwiderstand führt und dass entsprechend auch nur eine Messeinrichtung benötigt wird.
Bei dieser Messeinrichtung kann es sich um eine solche Messeinrichtung des Wechselrichters handeln, die im normalen Betrieb des Wechselrichters einen Spannungsabfall über einem gegen über dem Messwiderstand zwischen dem Mittelpun kt der Halbbrücke u nd dem Erdungspunkt niederohmigeren Messwiderstand misst, um einen Strom von der Halbbrücke in das angeschlossene Wechselstrom netz zu messen . Das heißt, auch in Bezug auf d ie Messeinrichtung für den zu dem Erdungspunkt fließenden Strom kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf in dem Wechselrichter sowieso vorhandene Einrichtungen zurückgegriffen werden, was die Zusatzkosten für die Implementierung des erfindungsgemäßen Messverfahrens weiter reduziert. Konkret können die Schaltelemente bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren nacheinander und jeweils nur einmal während der Messung geschlossen werden, um nacheinander zwei Gleichströme von den beiden Polen der Zwischenkreisspannung über die Verbindung zu dem Erdungspunkt fließen zu lassen. Dies entspricht einer Umsetzung des aus der EP 1 857 825 A1 und der US 7,576,547 B2 bekannten Messprinzips. Diese Umsetzung setzt jedoch voraus, dass die Schaltelemente der Halbbrücke für eine erheblich, d. h. um ein Vielfaches längere Zeit geschlossen werden können, als dies im normalen Wechselrichterbetrieb erforderlich ist. Auch wenn die dabei auftretenden Belastungen der Schaltelemente, insbesondere wenn in der Verbindung mit dem Erdungspunkt ein Schutzwiderstand angeordnet wird, nur gering sind, kann ein anhaltendes Schließen trotzdem unmöglich sein, weil zum Beispiel die Treiber der Schaltelemente mithilfe einer Bootstrap-Schaltung mit Spannung versorgt werden.
Auch in diesem Fall ist jedoch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anwendbar, bei der d ie Scha ltelemente a ngesteuert werden, um einen periodischen Wechselstrom über die Verbindung durch eine Netzdrossel des Wechselrichters zu dem Erdungspunkt fließen zu lassen oder um mindestens eine treibende Spannung für den Strom zu dem Erdungspunkt an dem Mittelpunkt der Halbbrücke einzustellen, die zwischen den Spannungen der beiden Pole der Zwischenkreisspannung gegenüber Erde liegt. Das heißt, die Schaltelemente können beispielsweise nach dem Prinzip einer Pulsweitenmodulation so angesteuert werden, dass über ein Filter aus Netzdrossel und evtl. weiteren Elementen wie Filterkondensator und Schutzwiderstand ein Wechselstrom in den Erdungspunkt getrieben wird. Dieser Wechselstrom kann nicht nur sinusförmig, sondern beispielsweise auch rechteckförmig sein und weist, damit er eine sinnvolle Messung des Isolationswiderstands auch bei größeren Ableitkapazitäten einer an den Wechselrichter angeschlossenen Stromquelle erlaubt, eine sehr niedrige Frequenz auf. Konkret kann die Periodendauer des zum Messen des Isolationswiderstands geformten Wechselstroms um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 5, noch mehr bevorzugt um mindestens einen Faktor 10, noch mehr bevorzugt um mindestens einen Faktor 50 und am meisten bevorzugt um mindestens einen Faktor 100 längere Periodendauer aufweisen als ein im Normalbetrieb des Wechselrichters durch die Netzdrossel ausgegebener Wechselstrom. Anders gesagt kann die Periodendauer des Wechselstroms zur Messung des Isolationswiderstands durchaus ein oder mehrere und sogar einige zehn Sekunden betragen. Die ideale Periodenlänge für eine ausreichend exakte Messung des Isolationswiderstands hängt dabei von der Zeitkonstante aus den vorhandenen Ableitkapazitäten und dem Isolationswiderstand selbst ab, wobei letzterer beispielsweise bei einem an den Wechselrichter angeschlossenen Photovoltaikgenerator durch klimatische Bedingungen stark variieren kann. Aus dem niederfrequenten Wechselstrom lässt sich der gesuchte Isolationswiderstand berechnen, wenn zugleich die ihn treibende Wechselspannung erfasst wird. Dies kann mit einer Messeinrichtung geschehen, die die Wechselspannung misst, wenn sie zum Beispiel über einem Filterkondensator abfällt.
Wenn die den Strom zum Erdungspunkt treibende Spannung relativ zu einem der Pole der Zwischenkreisspannung erfasst wird oder sie wegen einer definierten Ansteueru ng der Schaltelemente der Halbbrücke als bekannt unterstellt werden kann, kann zur Messung des über die Verbindung zu dem Erdungspunkt fließenden Stroms auch eine Spannung gemessen werden, die zwischen einem Punkt, welcher zwischen dem schon erwähnten Schutzwiderstand fü r d en E rdsch a lter u n d d em E rd u n gs pu n kt l iegt, u n d dem einen der Pole der Zwischenkreisspannung abfällt. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich bei der treibenden Spannung um eine Wechselspannung oder eine zumindest vorübergehend konstante Spannung, wie beispielsweise eine zwischen den Spannungen der beiden Pole der Zwischenkreisspannung gegenüber Erde liegende Spannung handelt. Aufgrund der Maschenregel ist die Summe der Spannung zwischen diesem Punkt und dem einen der Pole der Zwischenkreisspannung einerseits und der treibenden Spannung relativ zu diesem einen der Pole andererseits gleich der über dem Schutzwiderstand abfallenden Spannung. Aus der über dem Schutzwiderstand abfallenden Spannung lässt sich der zu dem Erdungspunkt fließende Strom berechnen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Spannungen, die zum Erfassen der zu dem Erdungspunkt fließenden Strömen erfasst werden, aber auch d irekt, d . h . ohne explizite Umrechnung in Stromstärken, als Maß für die Ströme zur Berechnung des interessierenden Isolationswiderstands verwendet werden.
Wenn der Punkt, an dem die Spannung gegenüber dem einen der Pole der Zwischenkreisspannung gemessen wird, um den über die Verbindung zu dem Erdungspunkt fließenden Strom zu messen, zwischen dem Schutzwiderstand und dem Erdschalter liegt, kann die Spannungsmessung an diesem Punkt auch im normalen Betrieb des Wechselrichters, d. h. bei geöffnetem Erdschalter, durchgeführt und verwendet werden, um zum Beispiel die Spannung am Ausgang des Filters zu erfassen.
Wenn in dieser Beschreibung von einem Wechselstrom zu dem Erdungspunkt und einer ihn treibenden Wechselspannung die Rede ist, so bedeutet dies nicht, dass der zu dem Erdungspunkt fließende Strom seine Stromflussrichtung und die ihn treibende Spannung gegenüber Erde entsprechend ihre Polarität ändern muss. Die Ansteuerung der Schaltelemente der Halbbrücke kann zum Beispiel auch so erfolgen, dass der Momentanwert der treibenden Wechselspannung um weniger als die Hälfte der Zwischenkreisspannung variiert und die Wechselspannung einen Gleichspannungsoffset in Richtung eines Pols der Zwischenkreisspannung aufweist, so dass der von ihr getriebene Strom eine feste Stromflussrichtung aufweist.
Zum wech selweisen Verbi n den der beid en Pole d er Zwischen kreisspa n n u ng des Wechselrichters mit einem Erdungspunkt weist die zur Messung eines Isolationswiderstands vorgesehene Vorrichtung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters keine zusätzlichen Schalter auf, sondern macht hierzu von den Schaltelementen einer Halbbrücke des Wechselrichters Gebrauch. Zusätzlich zur eigentlichen Wechselrichterschaltung des Wechselrichters weist die Vorrichtung jedoch einen Erdschalter auf, um den Mittelpunkt der Halbbrücke mit dem Erdungspunkt zu verbinden. Dieser Schalter ist zwischen dem Mittelpunkt der Halbbrücke und dem Erdungspunkt mit einem Messwiderstand in Reihe geschaltet, u m den nach Erde fließenden Strom zu messen. Dieser Messwiderstand ist typischerweise mit einem zusätzlichen Schutzwiderstand in Reihe geschaltet, der den zu dem Erdungspunkt fließenden Strom begrenzt. Der Messwiderstand kann alternativ auch selbst als Schutzwiderstand ausgelegt sein. Zu r Tren n u ng d es M ittelpunkts der Halbbrücke von einem ausgangsseitig an den Wechselrichter angeschlossenen Wechselstromnetz greift die Vorrichtung auf einen Netzschalter, ein Netzrelais oder -schütz des Wechselrichters zurück.
Die über dem Messwiderstand abfallende Spannung und damit der hindurchfließende Strom wird von der Vorrichtung zur Messung des Isolationswiderstands vorzugsweise mit einer Messeinrichtung gemessen, die im normalen Betrieb des Wechselrichters einen Spannungsabfall über einem niederohmigeren Messwiderstand misst, um einen von der Halbbrücke in das angeschlossene Wechselstromnetz getriebenen Strom zu m esse n . Da be i ka n n e i n e Verzweigung an oder nach dem Mittelpunkt der Halbbrücke vorgesehen sein, die einerseits zu dem Messwiderstand für die Messung des Isolationswiderstands und andererseits zu dem niederohmigeren Messwiderstand und darüber hinaus zur Netzdrossel und letztlich zum Netzschalter bzw. -relais oder -schütz führt. Eine Messeinrichtung, die an die der Verzweigung abgekehrten Ansch lüsse der beiden Messwiderstände angeschlossen ist, misst zwar grundsätzlich die Summe der über beiden Messwiderständen abfallende Spannung. Bei der Messung des Isolationswiderstands fällt aber keine Spannung an dem niederohmigeren Messwiderstand ab, da der Netzschalter geöffnet ist, während im normalen Betrieb des Wech sel richters kei ne S pan n u ng ü ber d em Messwid ersta n d fü r d ie Messu n g d es Isolationswiderstands abfällt, da dann der Erdschalter der Vorrichtung zur Messung des Isolationswiderstands geöffnet ist. So misst die derart angeschlossene Messeinrichtung immer nur den jeweils interessierenden Spannungsabfall.
Alternativ kann die Vorrichtung zur Messung des Isolationswiderstands einen Wechselschalter aufweisen, der den Strom von dem Mittelpunkt der Halbbrücke wahlweise durch den Messwiderstand für die Messung des Isolationswiderstands oder den niederohmigeren Messwiderstand führt, wobei die Messeinrichtung an eine Verzweigung zu den Messwiderständen u nd an den d ieser abgekehrten Anschluss des Wechselschalters angeschlossen ist. Auf welcher Seite der Widerstände der Wechselschalter und auf welcher Seite d ie feste Verzweigung zu den Messwiderständen vorgesehen ist, ist dabei unerheblich. Die Messeinrichtung erfasst in jedem Fall den Spannungsabfal l ü ber dem jeweils mit dem Wechselschalter angewählten Messwiderstand.
Beide voranstehend beschriebenen Anschlussmöglichkeiten der Messeinrichtung sind sowohl dann anwendbar, wenn die Vorrichtung die Schaltelemente nacheinander schließt, um nacheinander zwei Gleichströme über die Verbindung zu dem Erdungspunkt fließen zu lassen, als auch dann, wenn die Vorrichtung die Schaltelemente ansteuert, um einen Wechselstrom über die Verbindung durch eine Netzdrossel des Wechselrichters zu dem Erdungspunkt fließen zu l a s se n oder auch um andere zwischen den Spannungen der Pole der Zwischenkreisspannung gegenüber Erde liegende treibende Spannungen für den Strom zum Erdungspunkt an dem Mittelpunkt der Halbbrücke einzustellen. Es versteht sich , dass im zweiten und letzteren Fall die Verzweigung zu dem Erdungspunkt der ersten Anschlussvariante der Messeinrichtung erst nach der Netzdrossel vorzusehen ist. In diesem letzteren Fall ist es zudem bevorzugt, wenn dem Messwiderstand für die Messung des Isolationswiderstands ein Filterkondensator parallel geschaltet ist, der einen von den hochfrequent angesteuerten Schaltelementen der Halbbrücke hervorgerufenen Schaltrippel gegenüber dem eigentlich interessierenden niederfrequenten Wechselstrom nach Erde herausfiltert. Zum Messen der treibenden Wechselspannung des Wechselstroms kann die Vorrichtung zur Messung des Isolationswiderstands eine zusätzliche Messeinrichtung aufweisen , die die über einem Filterkondensator abfallende Wechselspannung misst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere der relativen Anordnung mehrerer Bauteile zueinander sowie deren Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfal ls abweichend von den gewäh lten Rückbezieh u ngen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Wenn hingegen nur die genaue Anzahl eines Merkmals angegeben werden soll, findet das Adjektiv "genau" vor dem jeweiligen Merkmal Verwendung. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
I m Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 illustriert eine erste Ausführungsform von relevanten Details eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einer Vorrichtung zur Messung eines Isolationswiderstands. Fig. 2 illustriert die wesentlichen Bestandteile einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einer Vorrichtung zur Messung eines
Isolationswiderstands.
Fig. 3 illustriert die wesentlichen Bestandteile einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einer Vorrichtung zur Messung eines Isolationswiderstands; und
Fig. 4 illustriert die wesentlichen Bestandteile einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einer Vorrichtung zur Messung eines
Isolationswiderstands.
FIGURENBESCHREIBUNG
In Fig. 1 ist ein Wechselrichter 1 in Form seiner hier wesentlichen Teile dargestellt, zu denen eine Halbbrücke 2 mit Schaltelementen 3 und 4 auf beiden Seiten eines Mittelpunkts 5, ein Gleichspannungszwischenkreis 6 mit einem Zwischenkreiskondensator 7, ein Messwiderstand 8 mit einer zugeordneten Messeinrichtung 9 für die darüber abfallende Spannung, eine Netzdrossel 10 und ein Netzschalter 1 1 zählen. Der Gleichspannungszwischenkreis 6 ist hier beispielhaft direkt an eine Stromquelle 16 angeschlossen, möglich wäre auch ein Anschluss der Stromquelle 1 6 an den Zwischenkreis 6 über einen nicht galvanisch trennenden DC/DC- Wandler wie z.B. einen Hochsetzsteller. Neben dem Strompfad von dem Mittelpunkt 5, der durch den Messwiderstand 8 und durch die Netzdrossel 10 zu dem Netzschalter 1 1 führt, über den der Wechselrichter an ein Wechselstromnetz angeschlossen werden kann, um in dieses Wechselstromnetz einzuspeisen, zweigt von dem Mittelpunkt 5 ein weiterer Strompfad ab. Dieser Strompfad führt durch einen im Vergleich zu dem Messwiderstand 8 höherohmigeren Messwiderstand 1 2 , ei nen Sch utzwiderstand 1 3 u nd einen Erdschalter 1 4 zu dem Erdungspunkt 15. Der Messwiderstand 12 ist mit dem Messwiderstand 8 zwischen den Anschlüssen der Messeinrichtung 9 in Reihe geschaltet. Sowohl Netz- als auch Erdschalter können als Relais bzw. Schütz ausgeführt sein, um sie automatisiert betätigen zu können.
Wenn bei geöffnetem Netzschalter 1 1 der Erdschalter 14 geschlossen wird, ist der Mittelpunkt 5 über die Widerstände 12 und 1 3 mit dem Erdungspunkt 15 verbunden. Dann kann durch Schließen des Schaltelements 3 der positive Pol 20 einer Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises 6 mit dem Mittelpunkt 5 und damit mit dem Erdungspunkt 15 verbunden werden, um einen in der Folge zu dem Erdungspunkt 15 fließenden Strom mit der Messeinrichtung 9 zu messen. Dabei misst die Messeinrichtung 9 ausschließlich eine über den Messwiderstand 12 abfallende Spannung als Maß für den interessierenden Strom, weil aufgrund des geöffneten Netzschalters 1 1 durch den Messwiderstand 8 kein Strom fließt und somit über dem Messwiderstand 8 keine Spannung abfällt.
Wenn der Strom zu dem Erdungspunkt 15 gemessen ist, kann das Schaltelement 3 wieder geöffnet und anschließend das Schaltelement 4 geschlossen werden, um einen vom negativen Pol 21 der Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises 7 zu dem Erdungspunkt 15 fließenden Strom in gleicher Weise zu messen. Aus den Messwerten der beiden Ströme zu dem Erdungspunkt 15 ist in bekannter Weise der Isolationswiderstand der gezeigten Anordnung bestimmbar. Hierfür werden gegenüber dem Grundaufbau des Wechselrichters 1 nur der Messwiderstand 12, der Schutzwiderstand 13 und der Erdschalter 14 als zusätzliche Bauteile benötigt. Der gemessene Isolationswiderstand wird insbesondere von Isolationswiderständen im Bereich einer an den Gleichspannungszwischenkreis 6 angeschlossenen Stromquelle 16, hier eines Photovoltaikgenerators, bestimmt, umfasst aber auch den eigenen Isolationswiderstand des Wechselrichters 1.
Der in Fig. 2 anhand seiner für die Erfindung wesentlichen Bestandteile dargestellte Wechselrichter 1 weist einen zusätzlichen Wechselschalter 22 auf, der den Strom zu der Netzdrossel 10 entweder durch den niederohmigeren Messwiderstand 8 oder durch den höherohmigeren Messwiderstand 12 führt. Dabei zweigt der Strompfad durch den Schutzwiderstand 13 und den Erdschalter 14 zu dem Erdungspunkt 15 erst hinter der Netzdrossel 10 von dem Strompfad durch den Netzschalter 1 1 i n d as h i er wieder nicht dargestellte Stromnetz, in das der Wechselrichter 1 einspeist, ab. Bei dieser Topologie des Wechselrichters 1 können die Schaltelemente 3 und 4 so angesteuert werden, dass sie an einem Filterausgang 25 eines die Netzdrossel 10 und einen Filterkondensator 19 umfassenden Filters 28 einen sehr niederfrequenten Wechselspannungsanteil stellen, durch den wiederum ein sehr niederfrequenter Strom in den Erdungspunkt 15 getrieben wird. Es versteht sich, dass dabei der Netzschalter 1 1 geöffnet und der Erdschalter 14 geschlossen ist. Weiterhin ist ein Filterkondensator 17 dem Messwiderstand 12 parallel geschaltet, um den hochfrequenten Anteil des Stroms durch die Drossel 10 wegzufiltern. Die treibende Spannung dieses Wechselstroms wird durch eine zusätzliche Messeinrichtung 18 über dem Filterkondensator 19 gemessen. Aus dem Verhältnis des Wechselstroms und seiner treibenden Wechselspannung ist der Isolationswiderstand des Wechselrichters 1 bestimmbar. Dazu müssen sowohl von der Spannung an dem Filterkondensator 19 als auch von dem Strom durch den Messwiderstand 12 nur die niederfrequenten Wechselanteile UAc und c ausgewertet werden. Der Isolationswiderstand Riso ergibt sich dann gemäß Riso = UAC IAC -RI3, wobei R-I3 der Wert des Schutzwiderstands 13 ist. Der Filterkondensator 19 hat dabei keine Bedeutung für die Messung von UAc, nimmt aber sinnvoller Weise den hochfrequenten Rippeistrom der Netzdrossel 10 a uf. Di eser entspricht d em Rippel im normalen Einspeisebetrieb des Wechselrichters 1 und ist damit um ein Vielfaches größer als der Messstrom. Würde der Filterkondensator 19 weggelassen, könnte sich der Strom in der Netzdrossel 10 nur minimal ändern, und der Schutzwiderstand 13 würde der vollen hochfrequenten Wechselspannung an dem Mittelpunkt 5 ausgesetzt, so dass seine Belastung sehr hoch wäre. Da der Filterkondensator 19 in einem Netzfilter eines Wechselrichters 1 aber ohnehin vorhanden ist, kann er die hier nötige Filterfunktion übernehmen. Die Bestimmung des Isolationswiderstands aus dem Verhältn is des Wechselstroms u nd sei ner trei benden Wechselspannung setzt nicht voraus, dass die Schaltelemente 3 und 4 dauerhaft geschlossen werden können. Für diese Bestimmung ist auch der Wechselschalter 22 nicht zwingend erforderlich. Vielmehr könnten die Strompfade zu dem Netzschalter 1 1 und dem Erdschalter 14 erst nach der Netzdrossel 1 0 zu den Messwiderständen 8 und 12 verzweigen, wobei der Filterkondensator 17 auch dann dem Messwiderstand 12 parallel geschaltet sein könnte, obwohl in diesem Fall bereits der Filterkondensator 19 filtern würde. Häufig werden jedoch die Netzdrossel 10 und der Filterkondensator 19 direkt mit einander verbunden sein, insbesondere wenn sie als Filtereinheit miteinander und evtl. mit weiteren Bauelementen vergossen sind, so dass eine Anordnung gemäß den Zeichnungen erzwungen wird. Der übliche Ort des Messwiderstands 8 für den von der Halbbrücke 2 getriebenen Strom in einem Wechselrichter 1 liegt daher zwischen dem Mittelpunkt 5 und der Netzdrossel 10.
Auf das Funktionsprinzip der Messeinrichtungen 9 und 1 8 kommt es für die vorliegende Erfindung nicht entscheidend an. Es kann jedoch vorteilhaft sein, als Messeinrichtungen 9 und 18 Delta-Sigma-Wandler einzusetzen, bei denen es sich um Analog/Digital-Wandler mit sehr hoher Auflösung handelt. Bei der anhand von Fig. 2 erläuterten Ausführungsform der Erfindung kann auch auf den Schutzwiderstand 13 verzichtet werden, weil allein durch das Ansteuern der Schaltelemente 3 und 4 zum Erzeugen des Wechselstroms zu dem Erdungspunkt 15 die Amplitude des Stroms begrenzt werden kann.
In der Darstellung von wesentlichen Teilen des Wechselrichters 1 gemäß Fig. 3 ist der Netzschalter 1 1 nicht dargestellt, obwohl er tatsächlich vorhanden ist. Tatsächlich bei dieser Ausführungsform des Wechselrichters 1 nicht vorhanden ist ein Messwiderstand 8 für den von dem Mittelpunkt 5 der Halbbrücke 2 bei geschlossenem Erdschalter 14 und angesteuerten Schaltelementen 3 und 4 zu dem Erdungspunkt 15 fließenden Strom. Stattdessen wird hier mit einer Messeinrichtung 23 eine Spannung zwischen einem Punkt 24 auf der Verbindung zwisch en d e m M itte l pu n kt 5 u n d d em E rd u n g s pu n kt 1 5 u n d ei n e m d e r P ol e d er Zwischenkreisspannung, hier dem negativen Pol, gemessen. Dabei liegt der Punkt 24 zwischen dem Schutzwiderstand 13 und dem Erdungspunkt 15, hier genauer zwischen dem Schutzwiderstand 13 und dem Erdschalter 14, welcher hier zwischen dem Schutzwiderstand 13 und dem Erdungspunkt 15 angeordnet ist. Wenn die Spannung zwischen dem Mittelpunkt 5 und demselben Pol der Zwischenkreisspannung, mit dem die Messeinrichtung 23 verbunden ist, bekannt ist, d. h. die treibende Spannung des über die Verbindung zu dem Erdungspunkt 15 fließenden Stroms gegenüber d iesem Pol der Zwischenkreisspannung, kann nach der Maschenregel der Spannungsabfall über dem Schutzwiderstand 13 bestimmt werden und hieraus der Strom, der durch den Schutzwiderstand 13 zu dem Erdungspunkt 15 fließt, berechnet werden. Ein zusätzlicher Messwiderstand 8 wird hierbei nicht benötigt.
Bei dem Wechselrichter 1 gemäß Fig. 3 kann ebenso wie bei dem Wechselrichter 1 gemäß Fig. 2 nicht nur eine einen Wechselstrom über die Verbindung zu dem Erdungspunkt 1 5 treibende Wechselspannung an dem Filterausgang 25 gestellt werden, die den gesamten Bereich der Zwischenkreisspannung überspannt, d. h. deren negatives Maximum der Spannung des negativen Pols der Zwischenkreisspannung gegenüber Erde und deren positives Maximum der Spannung des positiven Pols der Zwischenkreisspannung gegenüber Erde entspricht. Vielmehr können innerhalb dieser Grenzen auch andere treibende Spannungen gegenüber Erde an dem Filterausgang 25 gestellt werden, und zwar sowohl Wechselspannungen als auch Gleichspannungen, d. h. Spannungen, die über längere Zeiträume konstant gehalten werden. Beides ist durch Takten der Schaltelemente 3 und 4, beispielsweise nach den Grundsätzen der Pulsweitenmodulation, möglich, wobei sich durch unterschiedliche Pulsweiten unterschiedliche Spannungen zwischen den Spannungen der beiden Pole der Zwischenkreisspannu ng gegenüber Erde an dem Filterausgang 25 einstellen. Auf d i ese Wei se eingestellte Wechselspannungen an dem Filterausgang 25 können auch solche sein, die ihre Polarität gegenüber Erde nicht ändern, so dass auch der über die Verbindung zu dem Erdungspunkt 15 fließende Strom seine Stromflussrichtung nicht ändert.
Bei offenem Erdschalter 14 kann die Messeinrichtung 23 zur Messung der Spannung am Ausgang des Wechselrichters 1 hinter einem Netzfilter des Wechselrichters 1 , bestehend aus der Netzdrossel 10 und dem Filterkondensator 19, verwendet werden.
Im linken Teil von Fig. 3 sind die der eigentlichen Schaltung des Wechselrichters 1 zugehörigen Bauteile von einer gepunkteten Linie 26 umschlossen. Darin ist auch der Filterkondensator 19 angeordnet. Ob der Filterkondensator 19 tatsächlich vorhanden und wie dargestellt kontaktiert ist, hängt jedoch von der Topologie des jeweiligen Wechselrichters 1 ab.
Fig. 4 zeigt in einer Fig. 3 entsprechenden Darstellung noch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters. Diese weist folgende Unterschiede gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 3 auf: Der Erdschalter 14 ist zwischen der Netzdrossel 10 und dem Schutzwiderstand 13 angeordnet, und zwar genauer zwischen einem je nach vorliegender Wechselrichtertopologie im Bereich des Wechsel richters 1 mit dem negativen Pol der Zwischenkreisspannung verbundenen Filterkondensator 19, wobei dessen optionale Verbindung durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, und einem zusätzlichen Filterkondensator 27, der an den Filterausgang 25 angeschlossen ist. Bei geöffnetem Erdschalter 14 ist dieser zusätzliche Filterkondensator 27 von dem Wechselrichter getrennt und beeinflusst dessen Verhalten nicht. Bei geschlossenem Erdschalter eliminiert der Filterkondensator 27 im Sinne einer Glättungskapazität höherfrequente Schwankungen der treibenden Spannung an dem Mittelpunkt 5, die mit der Schaltfrequenz der Schaltelemente 3 auftreten. Das Filter 28, an dessen Filterausgang 25 die den Strom zu dem Erdungspunkt treibende Spannung anliegt, schließt hier daher auch den Filterkondensator 27 ein. Aufgrund des Filterkondensators 27 können die außerhalb der punktierten Linie 26, d. h. außerhalb der eigentlichen Wechselrichtertopologie, angeordneten Bauteile unabhängig von der tatsächlichen Topologie des Wechselrichters 1 ausgebildet werden. Allerdings kann die hier hinter dem Erdschalter 14 liegende Messeinrichtung 23 nur bei geschlossenem Erdschalter 23 und damit nicht zur Messung der Spannung am Ausgang der Brücke des Wechselrichters 1 verwendet werden. Einen darüber hinausgehenden funktionellen Unterschied zwischen den Ausführungsformen des Wechselrichters 1 gibt es zwischen den Fig. 3 und 4 nicht.
BEZUGSZEICHENLISTE
Wechselrichter
Halbbrücke
Schaltelement
Schaltelement
Mittelpunkt
Gleichspannungszwischenkreis
Zwischenkreiskondensator
Messwiderstand
Messeinrichtung
Netzdrossel
Netzschalter
Messwiderstand
Schutzwiderstand
Erdschalter
Erdungspunkt
Stromquelle
Filterkondensator
zusätzliche Messeinrichtung
Filterkondensator
Pol
Pol
Wechselschalter
Messeinrichtung
Punkt
Filterausgang
Linie
Filterkondensator
Filter

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zur Messung eines Isolationswiderstands für einen Wechselrichter (1 ), der mindestens eine Halbbrücke (2) mit zwei aktiven Schaltelementen (3, 4) zum Treiben eines Ausgangsstroms aufweist, mit den Schritten
nacheinander Herstellen einer Verbindung der beiden ungeerdeten Pole (20, 21 ) einer Zwischenkreisspannung des Wechselrichters (1 ) mit einem Erdungspunkt (15) und
Messen eines über die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen den Schaltelementen (3, 4) liegender Mittelpunkt (5) der Halbbrücke (2) durch Schließen eines Erdschalters (14) mit dem Erdungspunkt (15) verbunden wird und dass der mit dem Erdungspunkt (15) verbundene Mittelpunkt (5) mittels der Schaltelemente (3, 4) der Halbbrücke (2) nacheinander mit den beiden Polen (20, 21 ) der an der Halbbrücke anliegenden Zwischenkreisspannung des Wechselrichters (1 ) verbunden wird, um d ie Verbi nd u ng zu m Messen des zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Stroms herzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt (5) der Halbbrücke (2) zum Messen des zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Stroms von einem im normalen Betrieb des Wechselrichters (1 ) angeschlossenen Wechselstromnetz getrennt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils zu dem Erdungspunkt (15) fließende Strom über einen Spannungsabfall an einem Messwiderstand (12) gemessen wird, der zwischen den Mittelpunkt (5) der Halbbrücke (2) und dem Erdungspunkt (15) geschaltet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall über dem Messwiderstand (12) mit einer Messeinrichtung (9) des Wechselrichters (1 ) gemessen wird, die im normalen Betrieb des Wechselrichters (1 ) einen Spannungsabfall über einem niederohmigeren Messwiderstand (8) misst, um einen Strom von der Halbbrücke (2) in das angeschlossene Wechselstromnetz zu messen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (3, 4) nacheinander geschlossen werden, um nacheinander zwei Gleichströme von den beiden Polen (20, 21 ) der Zwischenkreisspannung über die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) fließen zu lassen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (3, 4) angesteuert werden, um einen Wechselstrom durch eine Netzdrossel (10) des Wechselrichters (1 ) über die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) fließen zu lassen, der eine um mindestens einen Faktor 2, optional um mindestens einen Faktor 5, 10, 50 oder 100 längere Periodendauer aufweist als ein im normalen Betrieb des Wechselrichters (1 ) durch die Netzdrossel (10) ausgegebener Wechselstrom.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (3, 4) angesteuert werden, um an einem Filterausgang (25) eines dem Mittelpunkt (5) der Halbbrücke (2) nachgeschalteten Filters (28) mindestens eine treibende Spannung für den durch eine Netzdrossel (10) des Wechselrichters (1 ) über die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Strom einzustellen, die zwischen den Spannungen der Pole (20, 21 ) der Zwischenkreisspannung gegenüber Erde liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine den jeweiligen Strom über die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) treibende Spannung mit einer zusätzlichen Messeinrichtung (18) gemessen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen des jeweils zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Stroms eine Spannung bestimmt wird, die zwischen einem Punkt (24), der zwischen einem Schutzwiderstand (13) und dem Erdungspunkt (15) liegt, und einem der Pole (20, 21 ) der Zwischenkreisspannung anliegt.
10. Wechselrichter (1 ) mit mindestens einer zwei aktive Schaltelemente (3, 4) aufweisenden Halbbrücke (2) zum Treiben eines Ausgangsstroms und mit einer Vorrichtung zum Messen eines Isolationswiderstands, wobei die Vorrichtung
nacheinander eine Verbindung der beiden ungeerdeten Pole (20, 21 ) einer Zwischenkreisspannung des Wechselrichters (1 ) mit einem Erdungspunkt (15) herstellt und einen über die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Strom misst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Erdschalter (14) aufweist, mit dem ein zwischen den Schaltelementen (3, 4) liegender Mittelpunkt (5) der Halbbrücke (2) mit dem Erdungspunkt (15) verbindbar ist, und dass die Vorrichtung den mit dem Erdungspunkt (15) verbundenen Mittelpunkt (5) mittels der Schaltelemente (3, 4) der Halbbrücke (2) nacheinander mit den beiden Polen (20, 21 ) der an der Halbbrücke (2) anliegenden Zwischenkreisspannung des Wechselrichters (1 ) verbindet, um die Verbindung zum Messen des zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Stroms herzustellen.
1 1 . Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Netzschalter (1 1 ) des Wechselrichters (1 ) öffnet, um den Mittelpunkt (5) der Halbbrücke (2) zum Messen des zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Stroms von einem im normalen Betrieb des Wechselrichters (1 ) angeschlossenen Wechselstromnetz zu trennen.
12. Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen in der Verbindung von dem Mittelpunkt (5) der Halbbrücke (2) zu dem Erdungspunkt (15) angeordneten Messwiderstand (12) aufweist, um den zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Strom als Spannungsabfall über diesem Messwiderstand (12) zu messen.
13. Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (12) mit dem Erdschalter (14) und einem Schutzwiderstand (13) in Reihe geschaltet ist.
14. Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung den Spannungsabfall über dem Messwiderstand (12) mit einer Messeinrichtung (9) des Wechselrichters (1 ) misst, die im normalen Betrieb des Wechselrichters (1 ) einen Spannungsabfall über einem niederohmigeren Messwiderstand (8) misst, um einen Strom von der Halbbrücke (2) in das angeschlossene Wechselstromnetz zu messen.
15. Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) der Vorrichtung nach der Halbbrücke (2) von einem Strompfad abzweigt, über den das Wechselstromnetz im normalen Betrieb des Wechselrichters (1 ) angeschlossen ist, wobei die Messeinrichtung (9) über den Messwiderstand (12) und den anderen Messwiderstand (8) hinweg angeschlossen ist.
16. Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Wechselschalter (22) aufweist, der den Strom von dem Mittelpunkt (5) der Halbbrücke (2) wahlweise durch den Messwiderstand (12) oder den niederohmigeren Messwiderstand (8) führt, wobei die Messeinrichtung (9) an eine Verzweigung zu den Messwiderständen (8, 12) und an den dieser abgekehrten Anschluss des Wechselschalters (22) angeschlossen ist.
17. Wechselrichter (1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Schaltelemente (3, 4) nacheinander schließt, um nacheinander zwei Gleichströme von den beiden Polen (20, 21 ) der Zwischenkreisspannung über die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) fließen zu lassen.
18. Wechselrichter (1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Schaltelemente (3, 4) ansteuert, um einen Wechselstrom über die Verbindung durch eine Netzdrossel (10) des Wechselrichters (1 ) zu dem Erdungspunkt (15) fließen zu lassen, der eine um mindestens einen Faktor 2, optional um mindestens einen Faktor 5, 10, 50 oder 100 längere Periodendauer aufweist als ein im normalen Betrieb des Wechselrichters (1 ) durch die Netzdrossel (10) ausgegebener Wechselstrom.
19. Wechselrichter (1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Schaltelemente (3, 4) ansteuert, um an einem Filterausgang (25) eines dem Mittelpunkt (5) der Halbbrücke (2) nachgeschalteten Filters (28) mindestens eine treibende Spannung für den durch eine Netzdrossel (10) des Wechselrichters (1 ) über die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Strom einzustellen, die zwischen den Spannungen der Pole (20, 21 ) der Zwischenkreisspannung gegenüber Erde liegt.
20. Wechselrichter (1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine zusätzlichen Messeinrichtung (18) aufweist, um eine den jeweiligen Strom über die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) treibende Spannung zu messen.
21 . Wechselrichter (1 ) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messwiderstand (12) ein Filterkondensator (17) parallel geschaltet ist.
22. Wechselrichter (1 ) nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (23) zum Messen des jeweils zu dem Erdungspunkt (15) fließenden Stroms eine Spannung misst , d i e zwischen einem Punkt (24), der zwischen einem Schutzwiderstand (13) und dem Erdungspunkt (15) liegt, und einem der Pole (20, 21 ) der Zwischenkreisspannung anliegt.
23. Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Punkt (24) zwischen dem Schutzwiderstand (13) und dem Erdschalter (14) liegt.
24. Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass Schutzwiderstand (13) zwischen dem Erdschalter (14) und dem Erdungspunkt (15) liegt.
25. Wechselrichter (1 ) nach Anspruch 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Filterausgang (25) zwischen einer Netzdrossel (10) des Wechselrichters (1 ) und dem Schutzwiderstand (13) ein Filterkondensator (27) zwischen die Verbindung zu dem Erdungspunkt (15) und den einen der Pole (20, 21 ) der Zwischenkreisspannung geschaltet ist.
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