用于负载电阻的保护装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于在变流器处运行电机的保护装置，其中，该保护装置保护负载电阻，该负载电阻在发电机制动器的情况下可以借助于半导体开关作为制动电阻运行，并且该负载电阻可以作为预充电电阻用于对直流中间电路处的中间电路电容器进行预充电。


背景技术：

2.尤其在工业环境中的安全相关的驱动系统中也使用的电气变流器必须在故障情况中处于安全的运行状态，并且只有在故障排除后才能重新投入运行。
3.并非每个变流器都能够通过电气供应网络的网络规格设计相关地或有条件地，将由变流器运行的电机在例如制动运行期间产生的电能反馈到电网中。
4.为了在不损坏变流器的情况下中和作为发电机产生的多余的电能，通常在变流器的直流电压中间电路上使用制动电阻。该制动电阻将电能转化为热能，由制动电阻释放到环境中。
5.如果在制动操作期间全部的反馈功率由制动电阻吸收并且转化为热能，则可以根据所需的性能数据对制动电阻进行相应的设计。然而，就制动电阻而言，这是一种非常昂贵且占用空间的解决方案。
6.另一种已知的解决方案是，制动电阻借助于时钟驱动的半导体开关以计量的方式吸收多余的电能，并将该电能温和地转换成用于制动电阻的热能。因此，为了不使制动电阻过载并防止其损坏，使用将电能转换为热能的计量。该解决方案也称为具有制动斩波器(此处为半导体开关)的制动电阻。
7.在以时钟驱动的方式驱控的半导体开关的操作中，为了对制动电阻进行计量控制，该半导体开关用于吸收作为发电机产生的电能并将其转换为热能，该半导体开关在故障情况下会失效。这意味着尽管有打开指令，半导体开关的漏极-源极路径或集电极-发射极路径，即电源路径，仍保持持续闭合。因此，在半导体开关处会存在意外出现的短路。
8.由于随着在半导体开关处存在或预期存在意外出现的短路，制动电阻不再能够以计量的方式吸收电能，因此该错误通常会导致制动电阻处大量的破坏性的热量积聚。这与机器和人员的相应危险有关。在这样的热量积聚之后，制动电阻通常会被破坏并且需要新的制动电阻，该制动电阻即使在采用这种解决方案的情况下仍然非常昂贵。
9.变流器中的制动电阻通常作为预充电电阻还具有对直流电压中间电路处的中间电路电容器以计量的方式预充电的目的，以便在预充电过程期间不损坏中间电路电容器。因此，制动电阻的保护也用于保护其作为预充电电阻的功能。
10.由于制动电阻在其电制动的功能和其作为预充电电阻的功能方面都是电气负载，所以这里引入负载电阻的术语，该负载电阻也用于制动电阻和预充电电阻的功能的结合。


技术实现要素：

11.因此，本发明的目的在于，提出一种保护装置、一种用于保护装置的方法和具有该保护装置的变流器，借助于该保护装置，在运行中用作制动和预充电电阻的负载电阻比已知的解决方案更好地防止损坏或破坏。
12.该目的通过具有权利要求1所述的特征的保护装置，通过根据权利要求9所述的特征的用于运行所述保护装置的方法以及通过具有根据权利要求15所述的特征的具有保护装置和用于其运行的方法的变流器来实现。
13.为了实现上述目的提出一种用于在变流器处运行电机的保护装置，该保护装置包括直流电压中间电路的第一和第二导体、具有第一和第二开关的开关装置、中间电路电容器、作为预充电和制动电阻的负载电阻、半导体开关和用于保护负载电阻的电保险装置，其中，电保险装置和第一开关作为串联电路一方面与第一导体电连接，并且另一方面与负载电阻的第一电阻接口以及半导体开关的第一电源接口电连接，其中，第二开关一方面与第一导体电连接，并且另一方面与中间电路电容器的第一电容器接口以及负载电阻的第二电阻接口电连接，并且其中，半导体开关借助于第二电源接口并且中间电路电容器借助于第二电容器接口分别与第二导体电连接。
14.如果负载电阻设置用于电气制动，即借助于半导体开关(制动斩波器)将发电机驱动的产生的电能转换为热能，以及用于对直流电压中间电路处的中间电路电容器进行预充电，则使用保护装置是有利的。
15.在变流器的无故障的发电机驱动的或马达驱动的运行中，保护装置是激活的。电保险装置作为用于负载电阻的保护元件被布置为并且保护装置被设计为，使得在识别到在半导体开关处的意外出现的短路时，以强制驱动的方式触发电保险装置，其中，电能在此之后不再能够流过负载电阻，并且因此可以防止损坏。
16.如已经提到的，借助于保护装置，特别是借助于保护装置的负载电阻，也可以以有利的组合的方式实现中间电路电容器的预充电，其中，保护装置也可以在该运行状态中激活并且在识别到失效的半导体开关的情况下，可以以强制驱动的方式实现电保险装置的触发。
17.保护装置的有利的设计方式在从属权利要求中给出。
18.在保护装置的第一有利的设计方式中，第一开关和第二开关形成交变电路，并且当第二开关断开时，第一开关随后闭合，或者当第二开关闭合时，第一开关随后断开。
19.在此以有利的方式确保，在驱控开关的情况下，两个开关呈现明确定义的开关状态，其中，尤其在触发电保险装置的情况下，中间电路电容器不再被供应电能并且能够放电。
20.在保护装置的另一个有利的设计方式中，包括控制装置，其中，第一开关和第二开关可以借助于可以由控制装置生成的切换指令进行切换。
21.控制装置以有利的方式借助于控制指令接管对开关的安全的驱控，其中，控制装置可以确定在半导体开关处意外出现的短路的存在或预期存在，并且可以借助于向开关输出开关指令执行保险装置的触发以保护负载电阻。
22.在保护装置的另一个有利的设计方式中，包括布置在负载电阻处的第一温度检测装置，其中，负载电阻的电阻温度可以借助于第一温度检测装置检测并且作为第一温度信
号传输到控制装置。
23.负载电阻的确定的电阻温度以有利的方式是用于负载电阻是否仍然是可运行的或者负载电阻用于安全运行的电阻温度是否过高的量度，其中，借助于第一温度信号将该信息提供给控制装置，用于检查在半导体开关处可能的存在或预期存在的意外出现的短路。
24.在保护装置的另一个有利的设计方式中，包括布置在半导体开关处的第二温度检测装置，其中，半导体开关的半导体温度可以借助于第二温度检测装置检测并作为第二温度信号传输到控制装置。
25.半导体开关的确定的半导体温度可以以有利的方式是用于半导体开关是否仍然是可运行的或者它对于负载电阻的安全运行是否构成风险的量度，其中，借助于第二温度信号将该信息提供给控制装置，用于检查在半导体开关处可能的存在或预期存在的意外出现的短路。
26.在保护装置的另一个有利的设计方式中，包括电压检测装置，该电压检测装置与半导体开关的第一电源接口电串联连接或与半导体开关的第二电源接口串联连接，其中，半导体开关的半导体输出电压可以借助于电压检测装置检测并作为电压信号传输到控制装置。
27.半导体开关的确定的半导体输出电压(经由漏极-源极接口或集电极-发射极接口)可以以有利的方式是用于半导体开关是否仍然是可运行的或者它对于负载电阻的安全运行是否构成风险的量度，其中，借助于电压信号将该信息提供给控制装置，用于检查在半导体开关处可能的存在或预期存在的意外出现的短路。
28.在保护装置的另一个有利的设计方式中，包括电流检测装置，该电流检测装置在半导体开关的第一电源接口与负载电阻的第二电阻接口之间或在半导体开关的第二电源接口与直流电压中间电路的第二导体之间电连接，其中，半导体开关的半导体输出电流可以借助于电流检测装置检测并作为电流信号传输到控制装置。
29.半导体开关的确定的半导体输出电流(在漏极-源极路径或集电极-发射极路径中)可以以有利的方式是用于半导体开关是否仍然是可运行的或者它对于负载电阻的安全运行是否构成风险的量度，其中，借助于电流信号将该信息提供给控制装置，用于检查在半导体开关处可能的存在或预期存在的意外出现的短路。
30.在保护装置的另一个有利的设计方式中，包括驱控检测装置，其中，用于半导体开关的控制接口的驱控指令可以借助于驱控检测装置检测并作为驱控信号传输到控制装置。
31.用于半导体开关的控制接口(栅极)的驱控指令，即在半导体开关处是断开指令还是接通指令的状态，可以以有利的方式，特别是与关于半导体输出电压的信息一起，和/或与关于半导体输出电流的信息一起，用于半导体开关是否仍然是可运行的或者它对于负载电阻的安全运行是否构成风险的量度，其中，借助于控制信号将该信息提供给控制装置，用于检查在半导体开关处可能的存在或预期存在的意外出现的短路。
32.为了实现上述目的，还提出一种用于运行根据本发明的保护装置的方法，其中，在变流器的无故障的发电机驱动的运行中，在借助于负载电阻和半导体开关对电机进行制动的情况下，或在变流器的无故障的马达驱动的运行中，在借助于中间电路电容器驱控电机的情况下，开关装置的第一开关断开，并且开关装置的第二开关闭合，其中，在测试运行中，
检查半导体开关是否存在或预期存在意外出现的短路，其中，在故障运行中存在或预期存在半导体开关的意外出现的短路的情况下，第一开关闭合并且第二开关断开，并且其中，在保护运行中，用于保护负载电阻的电保险装置触发。
33.从变流器的分别无故障的发电机驱动的或马达驱动的运行出发，其中第一开关断开并且第二开关闭合，测试运行以方法的有利的类型与无故障的发电机驱动的或马达驱动的运行并行执行。意外出现的短路的存在或预期存在导致错误运行。意外出现的短路的预期存在意味着如果发电机驱动的或马达驱动的运行继续进行，则该意外出现的短路即将发生。
34.在故障运行中，开关的切换作为主动动作进行，其中，在保护运行中，由于第一开关闭合并且第二开关断开，用于保护负载电阻的电保险装置触发，并且借助于保护装置为变流器建立安全的运行状态。
35.在该方法的第一个有利的设计方式中，在存在或预期存在意外出现的短路的情况下，开关的切换借助于控制装置的切换指令实现，并且生成用于触发电保险装置的触发信号。
36.在该方法的另一个有利的设计方式中，由控制装置基于负载电阻的电阻温度确定意外出现的短路的存在或预期存在。
37.负载电阻的电阻温度是用于负载电阻是否仍然是可运行的或者电阻温度对于安全运行负载电阻是否过高的量度。因此，控制装置借助于电阻温度以有利的方式确定意外出现的短路的存在或预期存在以及是否必须借助于电保险装置激活负载电阻的保护。
38.在该方法的另一个有利的设计方式中，由控制装置基于半导体开关的半导体温度确定意外出现的短路的存在或预期存在。
39.半导体开关的半导体温度是用于半导体开关是否仍然是可运行的或对于负载电阻的安全运行构成风险的量度。因此，控制装置借助于半导体温度以有利的方式确定意外出现的短路的存在或预期存在以及是否必须借助于电保险装置激活负载电阻的保护。
40.在该方法的另一个有利的设计方式中，由控制装置基于用于半导体开关的控制接口的驱控指令和半导体开关的半导体输出电压确定意外出现的短路的存在或预期存在。
41.半导体开关的半导体输出电压是用于半导体开关是否仍然是可运行的或对于负载电阻的安全运行构成风险的量度。因此，控制装置借助于半导体输出电压和用于半导体开关的控制接口的驱控指令以有利的方式确定意外出现的短路的存在或预期存在以及是否必须借助于电保险装置激活负载电阻的保护。
42.在该方法的另一个有利的设计方式中，由控制装置基于用于半导体开关的控制接口的驱控指令和半导体开关的半导体输出电流确定意外出现的短路的存在或预期存在。
43.半导体开关的半导体输出电流是用于半导体开关是否仍然是可运行的或对于负载电阻的安全运行构成风险的量度。因此，控制装置借助于半导体输出电流和用于半导体开关的控制接口的驱控指令以有利的方式确定意外出现的短路的存在或预期存在以及是否必须借助于电保险装置激活负载电阻的保护。
44.为了实现目的，还提出了一种具有根据本发明的保护装置的变流器，其中，保护装置可以利用根据本发明的方法来运行，其中，借助于变流器能够在电网处运行电机，并且其中，在保护运行中，变流器的发电机驱动的或马达驱动的运行以及变流器的中间电路电容
器的预充电在触发电保险装置之后可以借助于保护装置被阻断。
附图说明
45.本发明的上述特性、特征和优点以及实现它们的方式结合实施例的以下描述将变得更清楚和易懂，结合附图详细描述实施例。图中示出：
46.图1示出了根据本发明的保护装置的第一示意图，
47.图2示出了根据图1的具有控制装置的保护装置的第二示意图，
48.图3示出了用于运行根据图1或图2的保护装置的方法的结构图，和
49.图4示出了具有保护装置和用于保护装置的方法的变流器的示意图，其中，电机能够借助于变流器在电网处运行。
具体实施方式
50.图1示出了根据本发明的保护装置1的第一示意图。
51.直流电压中间电路2具有第一导体4和第二导体5。
52.电保险装置12和开关装置6的第一开关7作为串联电路一方面与第一导体4电连接，并且另一方面与负载电阻10的第一电阻接口13和半导体开关11的第一电源接口14电连接。
53.第二开关8一方面与第一导体4电连接，并且另一方面与中间电路电容器9的第一电容器接口15和负载电阻10的第二电阻接口16电连接。
54.半导体开关11借助于第二电源接口17与第二导体5电连接，并且中间电路电容器9借助于第二电容器接口18与第二导体5电连接。
55.为了对中间电路电容器9进行预充电，如图1所示，开关装置6的第一开关7闭合并且开关装置6的第二开关8断开。中间电路电容器9经由直流电压中间电路2、第一导体4、闭合的第一开关7、电保险装置12、负载电阻10、中间电路电容器9和第二导体5被预充电。
56.在保护装置1的发电机驱动的或马达驱动的运行的情况下，开关装置6的第一开关7断开，并且开关装置6的第二开关8闭合(图1中未示出开关状态)。在发电机驱动的运行中，来自直流电压中间电路2的电能可以经由第一导体4、闭合的第二开关8(图1中未示出闭合的开关状态)、负载电阻10、半导体开关11和第二导体5借助于负载电阻10和负载电阻10处的半导体开关11被转换成热能。
57.还可以在发电机驱动的运行中将电能馈送到中间电路电容器9，只要其充电容量仍然允许，这经由第一导体4、闭合的第二开关8(图1中未示出闭合的开关状态)、待充电的中间电路电容器9和第二导体5来实现。
58.保护装置1的马达驱动的运行也经由闭合的第二开关8(图1中未示出闭合的开关状态)来实现。因此与直流电压中间电路2电连接的中间电路电容器9尤其确保直流电压的电平尽可能恒定并且被平滑。
59.图2示出了根据图1的保护装置1的第二示意图。
60.控制装置19可以产生控制指令20，借助于该控制指令可以切换开关装置6的第一开关7和第二开关8。
61.负载电阻10的电阻温度22可以借助于第一温度检测装置21检测，并且可以作为第
一温度信号传输到控制装置20。
62.半导体开关11的半导体温度24可以借助于第二温度检测装置23检测，并且可以作为第二温度信号传输到控制装置20。
63.半导体开关11的半导体输出电压26可以借助于连接到半导体开关11的第一和第二电源接口14、17的电压检测装置25检测，并且可以作为电压信号传输到控制装置20。
64.借助于电流检测装置27可以检测半导体开关11的半导体输出电压26并且可以将其作为电压信号传输到控制装置20处，电流检测装置在半导体开关11的第一电源接口14与第二导体5之间与半导体开关11的第一电源接口14电串联连接。
65.图3示出了用于运行根据图1或图2的保护装置1的方法42的结构图。
66.在变流器的无故障的发电机驱动的运行37中，在借助于负载电阻和半导体开关制动电机的情况下，或在变流器的无故障的马达驱动的运行38中，在借助于中间电路电容器驱动电机的情况下，分别断开开关装置6的第一开关7并且闭合开关装置6的第二开关8。
67.在测试运行39中，在发电机驱动的运行37中和在马达驱动的运行38中检查半导体开关11是否存在40或预期存在29意外出现的短路41。
68.在错误运行35中，在半导体开关11的存在40或预期存在29意外出现的短路41的情况下，第一开关7闭合并且第二开关8断开。
69.在保护运行36中，电保险装置12被触发以保护负载电阻。
70.在存在40或预期存在29意外出现的短路41的情况下，借助于来自控制装置19的切换指令20切换开关7、8。由控制装置19产生用于触发电保险装置7的触发信号43。
71.图4示出了具有保护装置1和用于保护装置1的方法42的变流器3的示意图。
72.电机33可以借助于变流器3在电网34处运行。变流器与电网34和电机33之间的电连接在此示例性地借助于三相导体系统示出。
73.在保护运行36中，变流器3的发电机驱动的或马达驱动的运行37、38和变流器的中间电路电容器的预充电可以在电保险装置12触发后借助于保护装置1被阻断。