CH714100A2 - Method for controlling a polyphase inverter. - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemässe Verfahren dient zur Ansteuerung eines n-phasigen Wechselrichters mit n Brückenzweigen zur Speisung einer n-phasigen elektrischen Maschine, wobei zwischen Wechselrichter und Maschine ein n-phasiger Tiefpassausgangsfilter angeordnet ist. Die Brückenzweige haben jeweils die Funktion eines Umschalters, und Steuerbefehle für die Umschalter jedes Brückenzweiges und damit jeder Phase werden mittels Sinusunterschwingungsmodulation, d.h. durch Verschneidung eines für alle Phasen gleichen schaltfrequenten Dreieckträgersignals mit einer sinusförmigen, mit einer gewünschten Ausgangsphasenspannungsgrundschwingung der jeweiligen Phase in Phase liegenden Gesamtphasenmodulationsfunktion gebildet. Dabei wird jede der n Gesamtphasenmodulationsfunktionen durch Addition einer jeweiligen offsetfreien Grund-Phasenmodulationsfunktion und eines Offsets gebildet, wobei der Offset für alle n-Phasen denselben Wert aufweist.The inventive method is used to drive an n-phase inverter with n bridge arms for feeding an n-phase electric machine, wherein between the inverter and machine an n-phase low-pass output filter is arranged. The bridge branches each have the function of a changeover switch, and control commands for the switches of each bridge branch, and thus each phase, are effected by means of sine undershoot modulation, i. is formed by intersecting a switching frequency triangular carrier signal which is the same for all phases and having a sinusoidal phase modulation function which is in phase with a desired output phase voltage fundamental of the respective phase. In this case, each of the n total phase modulation functions is formed by adding a respective offset-free basic phase modulation function and an offset, the offset having the same value for all n phases.
Description
Beschreibung [0001] Dreiphasige DC/AC Konverter, i.A. als Dreiphasenwechselrichter bezeichnet, werden industriell zur, von einer Eingangsgleichspannung ausgehenden, Speisung der Statorwicklungen dreiphasiger elektrischer Maschinen eingesetzt, wobei der Sternpunkt der Wicklungen isoliert ausgeführt ist, da aufgrund der Dreiphasigkeit ein Rückleiter vom Sternpunkt an die DC Eingangsseite des Wechselrichters entfallen kann, womit eine Verringerung des Realisierungsaufwandes resultiert. Dieser Vorteil bleibt auch aufrecht, wenn zwischen Wechselrichter und Maschine ein dreiphasiges Tiefpassausgangsfilter angeordnet wird, um einerseits steile Spannungsflanken, welche die Lebensdauer der Maschinenisolation beeinträchtigen können und andererseits schaltfrequente Oberschwingungen des Statorstromes bzw. Hochfrequenzverluste in den Statorwicklungen zu vermeiden. Es wird dann in jeder Phase abzweigend von der Ausgangsklemme des zugehörigen Wechselrichterbrückenzweiges eine Filterinduktivität gegen die zugehörige Maschinenklemme, d.h. die zugehörige Phasenklemme der Statorwicklung gelegt; weiters werden von den Maschinenphasenklemmen abzweigend Filterkondensatoren in Sternschaltung angeordnet, wobei der Filterkondensatorsternpunkt mit der negativen Schiene der Wechselrichtereingangsgleichspannung (im weiteren als negative Gleichspannungsschiene bezeichnet) verbunden wird. Neben dieser unteren Filterkondensatorsternschaltung kann zusätzlich noch eine weitere, obere Sternschaltung von Filterkondensatoren, deren Sternpunkt mit der positiven Gleichspannungsschiene verbunden ist, vorgesehen werden, wobei dann in jeder Phase die Parallelschaltung der zugehörigen Kondensatoren der unteren und oberen Sternschaltung wirksam ist.Description [0001] Three-phase DC / AC converters, i.A. termed three-phase inverters, are industrially used for feeding three-phase electrical machines from the input DC windings, the star point of the windings being insulated, since due to the three-phase nature, a return conductor from the star point to the DC input side of the inverter can be dispensed with, with a reduction the realization costs result. This advantage also remains upright if a three-phase low-pass output filter is arranged between the inverter and the machine in order to avoid steep voltage edges which can impair the service life of the machine insulation and secondly to avoid switching-frequency harmonics of the stator current or high-frequency losses in the stator windings. Then, at each phase, branching from the output terminal of the associated inverter bridge branch, a filter inductance against the associated machine terminal, i. put the associated phase terminal of the stator winding; Furthermore, filter capacitors are arranged in a star connection branching off from the machine phase terminals, the filter capacitor star point being connected to the negative rail of the DC input DC voltage (referred to below as a negative DC rail). In addition to this lower filter capacitor star circuit can be additionally provided another, upper star circuit of filter capacitors whose star point is connected to the positive DC rail, then in each phase, the parallel connection of the associated capacitors of the lower and upper star connection is effective.
[0002] Der Dreiphasenwechselrichter wird durch drei Brückenzweige gebildet, wobei jeder Brückenzweig zwei in Serie von der positiven gegen die negative Gleichspannungsschiene gelegte Schalter, beispielsweise Transistoren mit antiparallelen Freilaufdioden, aufweist und der Verbindungspunkt beider Transistoren die Ausgangsklemme des Brückenzweiges bildet, und sich immer nur einer der beiden Transistoren im durchgeschalteten Zustand befindet, oder beide Transistoren gesperrt sind. Im Einschaltintervall des oberen Transistors wird dann die Ausgangsklemme mit der positiven Gleichspannungsschiene und im Einschaltintervall des unteren Transistors mit der negativen Gleichspannungsschiene verbunden, womit jeder Brückenzweig ausgehend von der Ausgangsklemme gesehen die Funktion eines Umschalters zwischen positiver und negativer Gleichspannungsschiene aufweist. Gemäss dem Stand der Technik werden nun die Umschalter der einzelnen Phasen mit konstanter Taktfrequenz so betrieben, dass an einer Phasenausgangsklemme gemessen gegen den virtuellen Mittelpunkt der den Wechselrichter speisenden Gleichspannung (nachfolgend als virtueller Gleichspannungsmittelpunkt bezeichnet) eine pulsbreitenmodulierte Wechselspannung gebildet wird, deren Grundschwingung (nachfolgend als Ausgangsphasenspannungsgrundschwingung bezeichnet) die gewünschte Ausgangsfrequenz und deren Amplitude die geforderte Ausgangsphasenspannungsamplitude aufweist. Die Steuerbefehle des Umschalters jeder Phase werden dabei im einfachsten Fall mittels Sinusunterschwingungsmodulation, d.h. durch Verschneidung eines für alle Phasen gleichen schaltfrequenten Dreieckträgersignals mit einer sinusförmigen, mit der gewünschten Ausgangsphasenspannungsgrundschwingung in Phase liegenden Phasenmodulationsfunktion (Sinusphasenmodulationsfunktion) gebildet, welche die gewünschte Ausgangsfrequenz und die gewünschte relative Amplitude aufweist, wobei die Grenze des linearen Aussteuerbereiches (nachfolgend als Aussteuergrenze der Sinusmodulation bezeichnet) dann erreicht, bzw. die maximale Ausgangsphasenspannungsgrundschwingung in Höhe der halben Eingangsgleichspannung dann erzeugt wird, wenn die Phasenmodulationsfunktionsamplitude gleich der Amplitude des Dreieckträgersignals gewählt wird. Der lineare Aussteuerbereich ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der gebildeten Ausgangsphasenspannungsgrundschwingung direkt aus der Multiplikation des Verhältnisses der Amplitude der Phasenmodulationsfunktion und der Amplitude des Dreieckträgersignals mit der halben Eingangsgleichspannung folgt.The three-phase inverter is formed by three bridge arms, each bridge branch has two in series of the positive against the negative DC rail switch, for example, transistors with antiparallel freewheeling diodes, and the connection point of both transistors forms the output terminal of the bridge branch, and always only one the two transistors is in the through state, or both transistors are locked. In the turn-on of the upper transistor, the output terminal is then connected to the positive DC bus and in the turn-on of the lower transistor to the negative DC rail, which seen each branch bridge starting from the output terminal has the function of a switch between positive and negative DC rail. According to the state of the art, the switches of the individual phases are now operated at a constant clock frequency such that a pulse width modulated alternating voltage is formed at a phase output terminal measured against the virtual center of the DC voltage supplying the inverter (hereafter referred to as virtual DC voltage center) whose basic oscillation (hereafter referred to as Output phase voltage fundamental) denotes the desired output frequency and whose amplitude has the required output phase voltage amplitude. The control commands of the switch of each phase are thereby in the simplest case by means of sine undershoot modulation, i. is formed by intersecting a switching frequency triangular carrier signal which is the same for all phases with a sinusoidal phase modulation function (sinusoidal phase modulation function) in phase with the desired output phase voltage fundamental having the desired output frequency and the desired relative amplitude, the limit of the linear modulation range (hereinafter referred to as the sine modulation output limit ) is reached, or the maximum output phase voltage fundamental oscillation in the amount of half the DC input voltage is generated when the phase modulation function amplitude is selected equal to the amplitude of the triangular carrier signal. The linear modulation range is characterized in that the amplitude of the fundamental output phase voltage oscillation formed directly from the multiplication of the ratio of the amplitude of the phase modulation function and the amplitude of the triangular carrier signal with half the DC input voltage.
[0003] Eine Erhöhung der Aussteuergrenze um ca. 15% kann durch Addition einer gleichen 3. Harmonischen zu allen Phasenmodulationsfunktionen - die 3. Harmonische ist dabei als Gleichtaktsignal mit dreifacher Ausgangsfrequenz zu sehen - erreicht werden, wobei die Phasenbeziehung so gewählt wird, dass die resultierenden Summenphasenmodulationsfunktionen in der Umgebung der Maxima im Wert verringert und vor und nach den Nulldurchgängen im Wert angehoben werden und somit einen trapezähnlichen Verlauf aufweisen. Die Amplitude der 3. Harmonischen ist dabei optimal gleich einem Viertel der Amplitude der Sinusphasenmodulationsfunktion zu wählen.An increase of the drive limit by about 15% can be achieved by adding a third harmonic equal to all the phase modulation functions - the third harmonic is to see as a common-mode signal with triple output frequency, the phase relationship is chosen so that the resulting sum phase modulation functions in the vicinity of the maxima are reduced in value and raised in value before and after the zero crossings and thus have a trapezoidal course. The amplitude of the third harmonic is optimally to be selected equal to one fourth of the amplitude of the sinusoidal phase modulation function.
[0004] Wie oben erwähnt, wird durch das Tiefpassausgangsfilter für die gespeiste Wechselstrommaschine eine glatte Phasenklemmenspannung gebildet. An der Filterinduktivität tritt dabei demgemäss in jeder Phase die Differenz der Wechselrichterausgangsphasenspannung und der Maschinenphasenklemmenspannung auf. Der schaltfrequente Anteil dieser Spannung resultiert in einem schaltfrequenten Rippei des Filterinduktivitätsstromes bzw. in Hochfrequenzverlusten der Filterinduktivität bzw. ist zur Begrenzung des Rippeis ein Mindestwert der Filterinduktivität vorzusehen. Der für die Wahl des Filterinduktivitätswertes massgebliche, kritische Fall ist dann gegeben, wenn die Wechselrichterausgangsphasen-Spannungsgrundschwingungen bzw. die Brückenzweigausgangsphasenspannungen bzw. die Maschinenphasenklemmenspannungen eine sehr kleine Amplitude aufweisen bzw. ein tiefer Aussteuergrad vorliegt. Der Ausgang jedes Wechselrichterbrückenzweiges weist dann näherungsweise ein Tastverhältnis von 50% auf, d.h. die Brückenzweigausgänge sind dann nahezu während der gesamten ersten Hälfte einer Taktperiode mit der positiven und nahezu während der gesamten zweiten Hälfte einer Taktperiode mit der negativen Gleichspannungsschiene verbunden. Demgemäss treten an den Filterinduktivitäten schaltfrequent wechselnd hohe positive und negative Spannungszeitflächen und damit hohe schaltfrequente Stromschwankungen auf. Für die Beherrschung dieses Betriebspunktes sind demgemäss relativ hohe Induktivitätswerte vorzusehen, welche in einem relativ hohen Bauvolumen der Filterinduktivitäten resultieren, oder es tritt in den Filterinduktivitäten ein relativ hoher Stromrippei auf, welcher aufgrund von Hochfrequenzverlusten zu einer Verringerung der Effizienz der Energieumformung führt.As mentioned above, a smooth phase terminal voltage is formed by the low pass output filter for the powered alternator. At the filter inductance, the difference of the inverter output phase voltage and the machine phase terminal voltage accordingly occurs in each phase. The switching-frequency component of this voltage results in a switching-frequency ripple of the filter inductance current or in high-frequency losses of the filter inductance, or a minimum value of the filter inductance is to be provided for limiting the ripple. The critical case relevant for the selection of the filter inductance value is given when the inverter output phase fundamental voltages or the bridge branch output phase voltages or the machine phase terminal voltages have a very small amplitude or a low degree of modulation. The output of each inverter bridge branch then has approximately a 50% duty cycle, i. the bridge leg outputs are then connected to the negative DC rail nearly during the entire first half of a clock period with the positive and almost throughout the entire second half of a clock period. Accordingly, at the filter inductances switching frequency, there are alternatingly high positive and negative voltage time areas and thus high switching-frequency current fluctuations. Accordingly, for controlling this operating point, relatively high inductance values are to be provided, which result in a relatively high constructional volume of the filter inductances, or a relatively high current fibrillation occurs in the filter inductances, which leads to a reduction of the energy conversion efficiency due to high-frequency losses.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Steuerverfahren für die Wechselrichterbrückenzweige derart zu schaffen, dass die über den Filterinduktivitäten auftretenden Spannungszeitflächen bzw. der schaltfrequente Stromrippei in den Filterinduktivitäten minimiert wird, womit der Induktivitätswert und damit auch das Bauvolumen der Filterinduktivitäten verringert werden kann bzw. bei gegebener Filterinduktivität gegenüber konventioneller Steuerung geringere Hochfrequenzverluste der Filterinduktivitäten auftreten.The object of the invention is therefore to provide a control method for the inverter bridge arms such that the occurring across the filter inductance voltage time surfaces or the switching frequency Stromrippei is minimized in the filter inductances, whereby the inductance and thus the construction volume of the filter inductances can be reduced or for a given filter inductance over conventional control lower high frequency losses of the filter inductances occur.
[0006] Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäss den Patentansprüchen gelöst.The object is achieved by a method according to the claims.
[0007] Das Verfahren dient also zur Ansteuerung eines n-phasigen Wechselrichters mit n Brückenzweigen zur Speisung einer n-phasigen elektrischen Maschine (deren Wicklungssternpunkt isoliert ausgeführt ist), wobei zwischen Wechselrichter und Maschine ein n-phasiges Tiefpassausgangsfilter angeordnet ist, wobei die Brückenzweige jeweils die Funktion eines Umschalters haben, und Steuerbefehle für die Umschalter jedes Brückenzweiges und damit jeder Phase mittels Sinusunterschwingungsmodulation, d.h. durch Verschneidung eines für alle Phasen gleichen schaltfrequenten Dreieckträgersignals mit einer sinusförmigen, mit einer gewünschten Ausgangsphasenspannungsgrundschwingung der jeweiligen Phase in Phase liegenden Gesamtphasenmodulationsfunktion (Sinusphasenmodulationsfunktion) gebildet werden. Dabei wird jede der n Gesamtphasenmodulationsfunktionen durch Addition einer jeweiligen offsetfreien Grund-Phasenmodula-tionsfunktion und eines Offsets gebildet, und weist der Offset für alle n-Phasen denselben Wert auf.Thus, the method is used to drive an n-phase inverter with n bridge arms for feeding an n-phase electric machine (the winding star point is carried out in isolation), wherein between inverter and machine an n-phase low-pass output filter is arranged, the bridge branches respectively have the function of a switch, and control commands for the switches of each bridge branch and thus each phase by means of sine undershoot modulation, ie are formed by intersecting a switching frequency triangular carrier signal which is the same for all phases and having a sinusoidal phase modulation function (sinusoidal phase modulation function) which is in phase with a desired output phase voltage fundamental of the respective phase. In this case, each of the n total phase modulation functions is formed by adding a respective offset-free basic phase modulation function and an offset, and the offset has the same value for all n phases.
[0008] Die Grund-Phasenmodulationsfunktion ist also eine Phasenmodulationsfunktion ohne Gleichanteil, die Gesamtphasenmodulationsfunktion ist jene, die zur Ansteuerung der Schalter verwendet wird.The basic phase modulation function is thus a phase modulation function without DC component, the total phase modulation function is that which is used to drive the switch.
[0009] In dem Verfahren werden also die Phasenmodulationsfunktionen derart modifiziert, dass niederfrequente Gleichtaktanteile der Brückenzweigausgangsphasenspannungen maximiert werden, wobei die Modifikation so vorgenommen wird, dass die durch den Wechselrichter maximal erzeugbare Amplitude der Grundschwingung der Brückenzweigausgangsphasenspannungen unverändert bleibt.In the method, therefore, the phase modulation functions are modified such that low-frequency common-mode components of the bridge branch output phase voltages are maximized, wherein the modification is made so that the maximum generated by the inverter amplitude of the fundamental of the bridge branch output phase voltages remains unchanged.
[0010] Die Anwendbarkeit des vorgehend skizzierten Konzeptes erklärt sich dadurch, dass aufgrund des freien Sternpunktes der Statorwicklungen der gespeisten Drehstrommaschine letztlich nur die Differenzen der gegen den virtuellen Mittelpunkt der Eingangsgleichspannung gemessenen Filterkondensatorspannungen, d.h. die verketteten Tiefpassfilterausgangsspannungen oder wieder bezogen auf Phasengrössen, die Gegentaktkomponenten der Filterkondensatorspannungen wirksam werden. Gleichtaktkomponenten (jede Filterkondensatorspannung kann im Sinne eines Dreiphasensystems als Summe einer Gegentakt- und einer Gleichtaktkomponente gesehen werden) nehmen auf die Stromaufnahme der Wechselstrommaschine bzw. deren Leistungsaufnahme keinen Einfluss. Wird eine Gleichtaktspannung zu einer Phasenmodulationsfunktion addiert, weist die die resultierende pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung des zugehörigen Brückenzweiges einen niederfrequenten und einen schaltfrequenten (hochfrequenten) Gegentaktanteil und einen niederfrequenten und einen schaltfrequenten (hochfrequenten) Gleichtaktanteil auf, wobei die niederfrequente Gegentaktkomponente gleich der für die Speisung der Maschine interessierenden, eingangs erwähnten Brückenzweigausgangsphasengrundschwingung ist welche abhängig vom Betrieb der Maschine einen definierten Wert aufweisen muss. Wird nun berücksichtigt, dass die pulsbreitenmodulierte aufgrund der im Betrag stets der halben Zwischenkreisspannung gleichen Amplitude unabhängig von den Pulsbreitenverhältnissen stets dieselbe spektrale Leistung aufweist, oder mit anderen Worten die Summe aller Spannungsanteile jedenfalls die pulsbreitenmodulierte Wechselrichterausgangs-phasenspannung ergibt, wird deutlich, dass die Vergrösserung eines niederfrequenten Spannungsanteiles jedenfalls zu einer Verringerung der schaltfrequenten Spannungsanteile führen muss. Da der niederfrequente Gegentaktanteil wie vorstehend erwähnt durch den Betrieb definiert ist, verbleibt für die Minimierung der Summe aus schaltfrequentem Gleich- und Gegentaktanteilspannungsanteil, welcher letztlich die schaltfrequente Spannung über der Filterinduktivität darstellt und damit für den schaltfrequenten Stromrippei in der Filterinduktivität verantwortlich ist, der niederfrequente Gleichtaktspannungsanteil, wobei dessen Wert dadurch beschränkt ist, dass innerhalb jeder Pulsperiode eine Verschneidung jeder Phasenmodulationsfunktion im dem Dreieckträgersignal stattfinden muss, d.h. die Phasenmodulationsfunktion maximal den positiven oder negativen Wert der (positiven) Amplitude des Dreieckträgersignals aufweisen darf.The applicability of the above outlined concept is explained by the fact that due to the free neutral point of the stator windings of the three-phase machine fed ultimately only the differences of the measured against the virtual center of the DC input voltage filter capacitor voltages, i. the chained low-pass filter output voltages or, again relative to phase magnitudes, the differential mode components of the filter capacitor voltages take effect. Common mode components (each filter capacitor voltage can be seen in the sense of a three-phase system as the sum of a push-pull and a common mode component) have no influence on the current consumption of the alternator or their power consumption. If a common-mode voltage is added to a phase modulation function, the resulting pulse width modulated output voltage of the associated bridge branch has a low frequency and a switching frequency (high frequency) differential mode and a low frequency and a switching frequency (high frequency) common mode component, wherein the low frequency balanced component equal to the interest for feeding the machine , Bridge branch output phase fundamental oscillation mentioned in the beginning which must have a defined value depending on the operation of the machine. If now taken into account that the pulse width modulated always has the same spectral power due to the amplitude always equal to half the intermediate circuit voltage regardless of the pulse width ratios, or in other words the sum of all voltage components results in any case the pulse width modulated inverter output phase voltage, it is clear that the magnification of a In any case, the low-frequency voltage component must lead to a reduction in the switching-frequency voltage components. Since the low-frequency push-pull component is defined by the operation as mentioned above, the low-frequency common-mode voltage component remains for minimizing the sum of the switching-frequency DC and negative-mode voltage component, which ultimately represents the switching-frequency voltage across the filter inductance and is thus responsible for the switching-frequency current ripple in the filter inductance , whose value is limited by the fact that within each pulse period, an intersection of each phase modulation function must take place in the triangular carrier signal, ie the phase modulation function may have at most the positive or negative value of the (positive) amplitude of the triangular carrier signal.
[0011] Im einfachsten Fall kann für den niederfrequenten Gleichtaktanteil auch ein konstanter (Frequenz Null) Spannungswert (Offset) gewählt werden. Dabei werden die Sinusmodulationsfunktion der Phasen eines dem Stand der Technik entsprechenden Systems durch einen positiven Offset, d.h. für alle Phasen gleich jeweils derart verschoben, dass die Maximalwerte der resultierenden Gesamtphasenmodulationsfunktionen gleich der Amplitude des Dreieckträgersignals werden. Für eine Aussteuerung, d.h. eine relative Sinus(gegentakt)ausgangsspannungamplitude (bezogen auf die halbe Eingangsgleichspannung) von 10% wird also eine Gleichtaktverschiebung von 90% addiert. Dadurch wird der Tastverhältnisbereich der pulsbreitenmodulierten Brückenzweigausgangsspannungen von 0.4 bis 0.6 auf 0.8 bis 1.0 verschoben, was in wesentliche kleineren schaltfrequenten Spannungszeitflächen über den Filterinduktvitäten und damit in einer massiven Verringerung des Filterinduktivitätsstromrippei resultiert bzw. für einen gegenüber dem Stand der Technik gleichen Strom-rippel der Induktivitätswert wesentlich verringert oder die Schaltfrequenz abgesenkt werden kann, womit eine Verringerung der Schaltverluste des Wechselrichters bzw. Verbesserung der Effizienz der Energieumformung erreichbar ist.In the simplest case, a constant (frequency zero) voltage value (offset) can be selected for the low-frequency common mode component. The sine modulation function of the phases of a prior art system is characterized by a positive offset, i. for all phases equal in each case shifted such that the maximum values of the resulting total phase modulation functions become equal to the amplitude of the triangular carrier signal. For a modulation, i. a relative sine (negative) output voltage amplitude (based on half the input DC voltage) of 10% is thus added a common mode shift of 90%. Thereby, the duty cycle of the pulse width modulated bridge branch output voltages of 0.4 to 0.6 is shifted to 0.8 to 1.0, which results in significant smaller switching frequency voltage time across the Filterinduktvitäten and thus in a massive reduction of the Filterinduktivitätsstromrippei or for a comparison with the prior art ripple the inductance value significantly reduced or the switching frequency can be lowered, whereby a reduction of the switching losses of the inverter or improving the efficiency of energy conversion is achievable.
[0012] Steigt die Aussteuerung, wir der Offset soweit zurückgenommen, dass die Gesamtphasenmodulationsfunktionen wieder nur in diskreten Punkten die Dreieckträgersignalamplitude erreichen und sonst unterhalb dieses Pegels liegen. AI- lerdings werden dann auch entsprechend höhere Ausgangsphasengrundschwingungen gebildet, welche auch in Richtung einer Verringerung der schaltfrequenten Filterinduktivitätsspannungen wirken.Increases the modulation, we offset the offset back so far that the total phase modulation functions again reach the triangular carrier signal amplitude only in discrete points and are otherwise below this level. However, correspondingly higher output phase fundamental oscillations are then formed, which also act in the direction of a reduction of the switching-frequency filter inductance voltages.
[0013] In Summe ist so durch Einsatz es erfindungsgemässen Verfahrens ein signifikanter Vorteil hinsichtlich Auslegung des Ausgangsfilters (Bauvolumen) oder der Effizienz des Gesamtsystems (Wechselrichter und Ausgangsfilter) erreichbar.In sum, by using the inventive method a significant advantage in terms of design of the output filter (volume) or the efficiency of the overall system (inverter and output filter) can be achieved.
[0014] Neben einem positiven Offset kann in sinngemäss gleicher Weise kann auch ein negativer Offset Anwendung finden, wobei dann der Wert des Offsets jeweils so gewählt wird, dass die Gesamphasenmodulationsfunktionen nur in diskreten Punkten den negativen Wert der Amplitudes des Dreieckträgersignals erreichen und sonst betragsmässig kleinere Werte aufweisen.In addition to a positive offset can be used in a mutually analogous manner, a negative offset application, in which case the value of the offset is chosen in each case so that the Gesamphasenmodulationsfunktionen reach only in discrete points the negative value of the amplitude of the triangular carrier signal and otherwise smaller in magnitude Have values.
[0015] Die vorgehend für Sinusphasenmodulationsfunktionen beschriebene Verschiebung (Addition eines Offsets) kann vorteilhaft auch für Summenphasenmodulationsfunktionen Einsatz finden, wobei dann ein betragsmässig geringfügig höherer Offsetwert gewählt werden kann und somit eine geringfügige weitere Verbesserung der Performance möglich ist.The displacement (addition of an offset) previously described for sinusoidal phase modulation functions can advantageously also be used for sum phase modulation functions, in which case a magnitude slightly higher offset value can be selected and thus a slight further improvement of the performance is possible.
[0016] Wie vorstehend erwähnt, findet bei gemäss dem Stand der Technik realisierten Systemen eine 3. Harmonische (typischerweise ebenfalls einer Sinusfunktion) mit einer Amplitude gleich % der Amplitude der Sinusphasenmodulationsfunktion zu Erweiterung des Aussteuerbereiches um 15% gegenüber Sinusmodulation Anwendung. Es kann nun die Amplitude der 3. Harmonischen im Sinne einer Maximierung des niederfrequenten Anteiles der pulsbreitenmodulierten Brückenzweigausgangsspannungen (bzw. max. Verringerung schaltfrequenter Anteile) maximal, d.h. so gross gewählt werden, dass die aus Addition der Sinusphasenmodulationsfunktionen und der maximalen 3. Harmonischen resultierenden Gesamtphasenmodulationsfunktionen in diskreten Punkten den positiven oder negativen Spitzenwert (Amplitude) des Dreieckträgersignals der Pulsbreitenmodulation erreichen und sonst auf kleinere Werte beschränkt bleiben. Demgemäss ist mit zunehmendem Aussteuergrad die Amplitude der 3. Harmonischen zurückzunehmen und wird an der Aussteuergrenze gleich der Amplitude einer dem Stand der Technik entsprechenden 3. Harmonischen.As mentioned above, in systems implemented according to the prior art, a third harmonic (typically also a sine function) with an amplitude equal to% of the amplitude of the sinusoidal phase modulation function is used to extend the modulation range by 15% with respect to sine modulation. It is now possible to maximize the amplitude of the third harmonic in the sense of maximizing the low-frequency component of the pulse width-modulated bridge branch output voltages (or maximum reduction of switching-frequency components). be so large that the resulting from addition of the sinusoidal phase modulation functions and the maximum 3rd harmonic total phase modulation functions in discrete points reach the positive or negative peak (amplitude) of the triangular carrier signal of the pulse width modulation and remain limited to smaller values. Accordingly, the amplitude of the 3rd harmonic is to decrease with increasing modulation level and becomes equal to the amplitude of a third harmonic according to the prior art at the modulation limit.
[0017] Wie eine nähere Analyse zeigt, ist dieses grundsätzlich im gesamten Aussteuerbereich anwendbare Verfahren bei hohen Aussteuergraden (ca. ab 50% Maximalaussteuerung) einer Offset-Verschiebung der Modulationsfunktionen vorzuziehen.As a closer analysis shows, this principle in the entire modulation range applicable method at high Aussteuergraden (about 50% maximum modulation) is preferable to an offset shift of the modulation functions.
[0018] Die vorgehend beschriebene Offset-Verschiebung der Phasenmodulationsfunktionen oder Erweiterung der Sinusphasenmodulationsfunktionen mit einer maximalen 3. Harmonischen kann vorteilhaft mit einer Verringerung der Schaltfrequenz (Verringerung der Frequenz des Dreieckträgersignals) gekoppelt werden, welche auf eine entsprechende Verringerung der Schaltverluste des Wechselrichters bzw. Verbesserung der Effizienz der Energieumformung führt, wobei die Frequenzverringerung mit Blick auf einem gegenüber Steuerung nach dem Stand der Technik gleichen Effektivwert des Rippeis des Stromes in den Filterinduktivitäten gewählt werden kann, und dann abhängig von Aussteuergrad eingestellt wird.The previously described offset shift of the phase modulation functions or extension of the sinusoidal phase modulation functions with a maximum 3rd harmonic can be advantageously coupled with a reduction of the switching frequency (reducing the frequency of the triangular carrier signal), which is a corresponding reduction in the switching losses of the inverter or improvement the efficiency of the energy conversion leads, wherein the frequency reduction can be selected with regard to a ripple of the current in the filter inductances which is equal to the prior art control, and is then set as a function of the modulation level.
[0019] Anzumerken ist, dass die Offset-Verschiebung von Modulationssignalen vorteilhaft auch für Wechselrichter einer Last mit zwei Phasenanschlüssen Anwendung finden kann. Der Wechselrichter weist in diesem Fall also zwei Brückenzweige auf. Analog kann die Offset-Verschiebung auch mehr als drei Phasen angewandt werden.It should be noted that the offset shift of modulation signals can also be used advantageously for inverters of a load with two phase terminals. The inverter therefore has two bridge branches in this case. Analogously, the offset shift can also be applied more than three phases.
[0020] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt jeweils schematisch:In the following, the subject invention based on preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained in more detail. It shows schematically in each case:
Fig. 1: Schaltbild des Leistungsteiles eines Dreiphaseninverters mit Dreiphasenlast mit isoliertem Sternpunkt (Ersatzschaltbild des Statorwicklungssystems einer Dreiphasen Wechselstrommaschine, induzierte Spannungen nicht gezeigt).Fig. 1: Circuit diagram of the power part of a three-phase inverter with three-phase load with isolated neutral point (equivalent circuit diagram of the stator winding system of a three-phase alternator, induced voltages not shown).
Fig. 2: Schaltfrequentes Dreieckträgersignal der Pulsbreitenmodulation und Sinusphasenmodulationsfunktionen (links) und resultierender Strom in einer Induktivität des Ausgangstiefpassfilters gezeigt für kleine Aussteuerung über einer Ausgangsspannungsperiode; (a) Verhältnisse bei Realisierung gemäss dem Stand der Technik; (b) Verhältnisse für positive Offest-Verschiebung und (c) Verhältnisse für negative Offset-Verschiebung der Sinusphasenmodulationsfunktionen. Die bei Einsatz des Verfahrens erreichbare Reduktion des schaltfrequenten Rippeis des Filterinduktivitätsstromes wird unmittelbar deutlich.Fig. 2: Switching frequency triangular carrier signal of the pulse width modulation and sinusoidal phase modulation functions (left) and resulting current in an inductance of the output low-pass filter shown for small modulation over an output voltage period; (a) Conditions in realization according to the prior art; (b) ratios for positive off-set displacement and (c) ratios for negative offset shift of sinusoidal phase modulation functions. The achievable with the use of the method reduction of the switching frequency Rippeis the Filterinduktivitätsstromes immediately becomes clear.
Fig. 3: Schaltfrequentes Dreieckträgersignal der Pulsbreitenmodulation und Summenphasenmodulationsfunktionen (links) und resultierender Strom in einer Induktivität des Ausgangstiefpassfilters gezeigt für kleine Aussteuerung über einer Ausgangsspannungsperiode; (a) Verhältnisse bei Realisierung gemäss dem Stand der Technik; (b) Verhältnisse für Addition einer 3. Harmonischen mit maximaler Amplitude. Die bei Einsatz des Verfahrens erreichbare Reduktion des schaltfrequenten Rippeis des Filterinduktivitätsstromes wird unmittelbar deutlich.Fig. 3: Switching frequency triangular carrier signal of the pulse width modulation and sum phase modulation functions (left) and resulting current in an inductance of the output low pass filter shown for small modulation over an output voltage period; (a) Conditions in realization according to the prior art; (b) ratios for addition of a 3rd harmonic of maximum amplitude. The achievable with the use of the method reduction of the switching frequency Rippeis the Filterinduktivitätsstromes immediately becomes clear.
Fig. 4: Effektivwert des Rippeis des Stromes in den Induktivitäten des Ausgangstiefpassfilters dargestellt über dem Aussteuergrad für Steuerung des Wechselrichters gemäss dem Stand der Technik (a); bei positive Offset-Verschiebung (b) und (c) für Addition einer 3. Harmonischen mit maximaler Amplitude. Es wird deutlich, dass etwa ab einem Modulationsgrad von 50% die Maximierung der Amplitude der 3. Harmonischen einer Offset-FIG. 4 shows the rms value of the current in the inductances of the output low-pass filter, above the modulation level for control of the inverter according to the prior art (a); FIG. with positive offset shift (b) and (c) for addition of a third harmonic with maximum amplitude. It becomes clear that, starting at a modulation level of 50%, the maximization of the amplitude of the third harmonic of an offset
Verschiebung auf eine stärkere Verringerung des Stromrippeieffektivwertes führt. Für kleine Aussteuergrade weist die Offsetverschiebung klar eine höhere Performance auf.Displacement leads to a greater reduction in Ripple RMS. For small modulation levels, the offset shift clearly has a higher performance.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CH01071/17A CH714100B1 (en) | 2017-08-29 | 2017-08-29 | Method for controlling a multi-phase inverter. |
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| CH01071/17A CH714100B1 (en) | 2017-08-29 | 2017-08-29 | Method for controlling a multi-phase inverter. |
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| CH714100A2 true CH714100A2 (en) | 2019-03-15 |
| CH714100B1 CH714100B1 (en) | 2021-10-29 |
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| CH (1) | CH714100B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114070110A (en) * | 2021-11-19 | 2022-02-18 | 株洲中车时代电气股份有限公司 | Three-phase inverter, modulation method and device thereof, storage medium and electronic equipment |
-
2017
- 2017-08-29 CH CH01071/17A patent/CH714100B1/en not_active IP Right Cessation
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|---|---|---|---|---|
| CN114070110A (en) * | 2021-11-19 | 2022-02-18 | 株洲中车时代电气股份有限公司 | Three-phase inverter, modulation method and device thereof, storage medium and electronic equipment |
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| CH714100B1 (en) | 2021-10-29 |
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