DE102005041936A1 - Kompensationsverfahren für einen Wechselrichter und zugehöriger Wechselrichter für ein Fahrzeug - Google Patents

Kompensationsverfahren für einen Wechselrichter und zugehöriger Wechselrichter für ein Fahrzeug Download PDF

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Jens Dr. Ing. Ranneberg
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kompensieren von Rückwirkungen eines Wechselspannungsbereichs (30) auf einen Gleichspannungsbereich (10) in einem Wechselrichter, bei welchem ein Kompensationsstrom (I¶c¶) erzeugt wird, welcher störenden Komponenten im Strom (I¶GS¶) des Gleichspannungsbereichs (10) entgegengesetzt wird, und einen zugehörigen Wechselrichter für ein Fahrzeug mit einem zwischen einem Gleichspannungsbereich (10) und einem Wechselspannungsbereich (30) angeordneten Zwischenschaltkreis (40), welcher einen Zwischenkreiskondensator (C¶ZK¶), eine Umrichterschaltung (20) und eine Kompensationseinheit (60) mit einer aktiven Filtereinheit (90) umfasst, welche einen Kompensationsstrom (I¶c¶) erzeugt, welcher störenden Komponenten im Strom (I¶GS¶) des Gleichspannungsbereichs (10) entgegengesetzt ist. Erfindungsgemäß wird zur Regelung des Kompensationsstroms (I¶c¶) aus einem im Zwischenschaltkreis (40) über eine Messvorrichtung (50) ermittelten Strom (I¶d¶) eine Sollgröße (I¶h¶) für eine Stromregeleinheit (82) erzeugt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kompensationsverfahren für einen Wechselrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen zugehörigen Wechselrichter für ein Fahrzeug.
  • Bei der Speisung von oder aus einphasigen Wechselspannungslasten oder Wechselspannungsnetzen mit leistungselektronischen Umrichtern bzw. Stellgliedern können Leistungsschwankungen mit der doppelten Wechselspannungsfrequenz auftreten, welche den zugehörigen Gleichspannungskreis stören können. Zur Kompensation dieser Störungen ist es bekannt, auf der Gleichspannungsseite passive LC-Saugkreise so genannte Second Harmonic Filter zu benutzen, welche auf die doppelte Wechselspannungsfrequenz abgestimmt sind. Die Abstimmung der Resonanzfrequenz der LC-Saugkreise auf die doppelte Wechselspannungsfrequenz erfordert einen erheblichen Aufwand an Bauraum, Masse und Kosten. Insbesondere bei kleineren Frequenzen wird der Aufwand für den passiven Filter sehr groß. Zudem können passive Second Harmonic Filter auf der Gleichspannungsseite nicht die von der Wechselspannungsseite herrührenden Oberschwingungen kompensieren, wie z.B. eine dritte Oberschwingung des Wechselstroms. Außerdem können die passiven Second Harmonic Filter nur über Anzapfungen der Induktivität oder mit verschiedenen Teilkondensatoren und durch eine aufwendige Umschaltung mit verschiedenen Wechselspannungsfrequenzen betrieben werden, wie z.B. mit Frequenzen von 50Hz und 60Hz für AC-Power-Panel in Brennstoffzellenfahrzeugen oder mit Frequenzen von 16 2/3Hz und 50Hz für Anwendungen auf Schienenfahrzeugen. Ein Betrieb mit kontinuierlich veränderlicher Wechselspannungsfrequenz ist ebenfalls nicht möglich.
  • In der DE 44 06 402 C1 wird ein Aktivfilter zur Filterung von Oberwellen in einem Gleichspannungszwischenkreis einer Umrichterschaltung beschrieben. Der beschriebene Aktivfilter umfasst eine Hilfsspannungsquelle, einen Umschalter und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit wird durch ein dem Oberwellenanteil entsprechendes Signal angesteuert. Dazu wird der Strom durch einen Hilfskondensator gemessen, welcher parallel zu einem Zwischenkreiskondensator liegt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kompensationsverfahren für einen Wechselrichter und einen zugehörigen Wechselrichter für ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, welche eine einfache und kostengünstige Kompensation von Rückwirkungen eines Wechselspannungsbereichs auf einen Gleichspannungsbereich ermöglichen und wenig Bauraum erfordern.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Kompensationsverfahrens für einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Wechselrichter für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird zum Kompensieren von Rückwirkungen eines Wechselspannungsbereichs auf einen Gleichspannungsbereich in einem Wechselrichter zur Regelung eines Kompensationsstroms aus einem in einem Zwischenschaltkreis zwischen dem Gleichspannungsbereich und dem Wechselspannungsbereich ermittelten Strom eine Sollgröße erzeugt. Durch die Erzeugung des Sollwertes aus dem aktuellen im Zwischenschaltkreis fließenden Strom ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Kompensationsstrom genau auf den erforderlichen Wert zur Beseitigung der störenden Komponenten im Strom des Gleichspannungsbereichs einzustellen. Das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren überwindet in vorteilhafter Weise die Nachteile bezüglich Masse, Volumen und Kosten eines passiven Second Harmonic Filters und ermöglicht gleichzeitig eine Kompensation von Oberschwingungen im Wechselspannungsbereich, welche beispielsweise durch induktive Lasten hervorgerufen werden und auf den Gleichspannungsbereich zurückwirken. Zudem ist es durch die Regelung in vorteilhafter Weise möglich, ganz gezielt bestimmte Frequenzanteile im Strom auf der Gleichspannungsseite zu erzeugen bzw. zu vermeiden. Der zu ermittelnde Strom zur Erzeugung der Sollgröße kann beispielsweise über einen Koppelwiderstand als Spannung ausgekoppelt werden.
  • In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch eine Hochpassfilterung ein Gleichanteil und durch eine Tiefpassfilterung ein pulsfrequenter Anteil im ermittelten Stromsignal gesperrt. Das verbleibende gefilterte Signal entspricht dem niederfrequenten Wechselanteil im Strom auf der Gleichspannungsseite, d.h. einer zweiten oder dritten harmonischen Oberwelle bzw. den Rückwirkungen von Nichtlinearitäten einer Last auf der Wechselspannungsseite. Zur Erzeugung der Sollgröße für die Regelung des Kompensationsstroms werden Amplitude und Vorzeichen des gefilterten Signals entsprechend verstärkt, um die Sollgröße für den Kompensationsstrom zu gewinnen.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Regelung einer in einem Speicherelement einer aktiven Filtereinheit gespeicherten Größe auf einen vorgegebenen Sollwert durchgeführt, wobei eine Stellgröße für die gespeicherte Größe zur Stellgröße für die Regelung des Kompensationsstroms addiert wird. Durch die gleichzeitige Regelung des Kompensationsstroms und der Speichergröße im aktiven Filter ist in vorteilhafter Weise keine zusätzliche Spannungsquelle zur Erzeugung des Kompensationsstroms erforderlich. Die gespeicherte Größe ist beispielsweise eine in einem Speicherkondensator gespeicherte Spannung, welche von einer Spannungsregelung auf den vorgegebenen Schwellwert eingestellt wird. Bei einer alternativen Ausführungsform ist die gespeicherte Größe beispielsweise ein in einer Induktivität gespeicherter Strom, welcher von einer Stromregelung auf den vorgegebenen Schwellwert eingestellt wird.
  • Der zugehörige Wechselrichter für ein Fahrzeug zur Ausführung des erfindungsgemäßen Kompensationsverfahrens, umfasst einen zwischen einem Gleichspannungsbereich und einem Wechselspannungsbereich angeordneten Zwischenschaltkreis, welcher einen Zwischenkreiskondensator, eine Umrichterschaltung und eine Kompensationseinheit mit einer aktiven Filtereinheit umfasst. Die Kompensationseinheit erzeugt den Kompensationsstrom, welcher die störenden Komponenten im Strom des Gleichspannungsbereichs entgegengesetzt ist. Die aktive Filtereinheit ist zur Ausgabe des Kompensationsstroms von einer Stromregeleinheit ansteuerbar, wobei die Kompensationseinheit den Strom im Zwischenschaltkreis über eine Messvorrichtung ermittelt und aus dem ermittelten Strom eine Sollgröße für die Stromregeleinheit erzeugt. Die störenden Komponenten im Strom auf der Gleichspannungsseite werden mit einem als aktives Filter betriebenen Stromrichter kompensiert. Als Speicher dienen beispielsweise eine Drosselspule und/oder ein Speicherkondensator, deren Baugröße deutlich unter der eines passiven LC-Saugkreises liegen. Der erfindungsgemäßen Wechselrichter speist über die Kompensationseinheit den geregelten zusätzlichen Kompensationswechselstrom in die Gleichspannungsseite ein, welcher nach Form und Betrag der störenden Komponente des Stromes auf der Gleichspannungsseite entspricht, jedoch ein entgegen gesetztes Vorzeichen aufweist, wodurch die störenden Komponenten im Strom auf der Gleichspannungsseite entfernt, d.h. kompensiert werden.
  • Der erfindungsgemäße Wechselrichter überwindet die Nachteile bezüglich Masse, Volumen und Kosten des passiven Second Harmonic Filters und stellte gleichzeitig funktionale Vorteile zur Verfügung, welches sich ergeben, wenn die Wechselspannungsfrequenz veränderlich ist oder der Wechselstrom Oberschwingungen aufweist, wie z.B. eine durch induktive Lasten hervorgerufene dritte harmonische Oberwelle. Zudem können durch die erfindungsgemäße Regelung ganz gezielt bestimmte Frequenzanteile im Strom auf der Gleichspannungsseite erzeugt bzw. vermieden werden. Weiterhin findet in vorteilhafter Weise eine Dämpfung von Lastsprüngen auf der Wechselspannungsseite statt, da ein Lastsprung auf der Wechselspannungsseite mitgefiltert wird. Zudem kann die Kompensationseinheit auch für dreiphasige Wechselrichter benutzt werden und eine Schieflast kompensieren, welche auftritt, wenn die drei Phasen nicht gleichmäßig belastet werden. Mit der erfindungsgemäßen Kompensationseinheit kann in vorteilhafter Weise eine gute Filterwirkung erzielt werden, obwohl der Aufwand für den aktiven Filter deutlich kleiner als bei einem passiven Filter ist.
  • Die aktive Filtereinheit umfasst beispielsweise eine steuerbare Stelleinheit zur Ausgabe des Kompensationsstroms, ein Speicherelement und eine Treiberschaltung, welche zur Steuerung der Stelleinheit von der Stromregeleinheit angesteuert wird. Durch die steuerbare Stelleinheit kann der erfindungsgemäße Wechselrichter mit verschiedenen Wechselspannungsfrequenzen betrieben werden, wie z.B. mit Frequenzen von 50Hz und 60Hz für AC-Power-Panel in Brennstoffzellenfahrzeugen oder mit Frequenzen von 16 2/3Hz und 50Hz für Anwendungen auf Schienenfahrzeugen. Zudem ist ein Betrieb mit kontinuierlich veränderlichen Wechselspannungsfrequenzen möglich.
  • Die Messvorrichtung umfasst beispielsweise einen Koppelwiderstand, über welchen der zu ermittelnde Strom als Spannung ausgekoppelt wird. In weiterer Ausgestaltung umfasst die Kompensationseinheit eine Aufbreitungsschaltung mit einem Bandpassfilter und einem Verstärker, welche aus dem ermittelten Strom die Sollgröße für die Stromregeleinheit erzeugt. Der Bandpassfilter sperrt durch einen Hochpassfilter den Gleichanteil und durch einen nachfolgenden Tiefpassteilfilter den pulsfrequenten Anteil. Der verbleibende niederfrequente Wechselanteil im erfassten Strom entspricht der zweiten und/oder dritten harmonischen Oberwelle bzw. den Rückwirkungen von Nichtlinearitäten der Last im Wechselspannungsteil. Durch den Verstärker werden die Amplitude und das Vorzeichen angepasst und die Sollgröße zur Regelung des Kompensationsstroms erzeugt und ausgegeben.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselrichters umfasst die Kompensationseinheit eine weitere Regeleinheit, welche die gespeicherte Größe des Speicherelements der aktiven Filtereinheit auf einen vorgebbaren Sollwert regelt, wobei eine Stellgröße zur Regelung der gespeicherten Größe zur Stellgröße der Stromregeleinheit addiert wird. Das Speicherelement ist beispielsweise als Kondensator ausgeführt und die gespeicherte Spannung wird von der Spannungsregeleinheit auf den vorgegebenen Schwellwert eingestellt. Durch diese zusätzliche Spannungsregelung kann die Spannung des als Speicherelement benutzen Kondensators in zulässigen Grenzen gehalten werden. Die gespeicherte Spannung wird von einer Messvorrichtung gemessen und wird z.B. mit einem konstanten Sollwert verglichen, wodurch eine Komponente zur Regelung der gespeicherten Spannung erzeugt wird, welche dem Kompensationsstrom überlagert wird.
  • Die Spannungsregelung darf nicht zu scharf eingestellt sein, da sich die Spannung des Speicherkondensators über eine Grundschwingung zweimal ändert. Diese Änderung würde durch eine zu scharfe Spannungsregelung verhindert werden. Deshalb wird die gespeicherte Spannung in vorteilhafter Weise nur auf einen Mittelwert geregelt.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselrichters wird der von der Messschaltung erfasste Istwert der gespeicherten Spannung über einen Tiefpassfilter gefiltert. Dadurch werden in vorteilhafter Weise kleinere Störungen der Spannung nicht an die zusätzliche Spannungsregelung weitergegeben.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselrichters wird die Messschaltung zur Ermittlung des Istwertes der gespeicherten Spannung auf die Frequenz einer Spannung im Wechselspannungsbereich synchronisiert.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform des Wechselrichters ist das Speicherelement als Spule ausgeführt und der gespeicherte Strom wird von einer Stromregeleinheit auf den vorgegebenen Schwellwert eingestellt. Der Kompensationsstrom kann abschnittsweise aus dem gespeicherten Strom zusammengesetzt werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Sperrspannung der Halbleiter in der Stelleinheit nicht größer als die Gleichspannung ist.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselrichters ist die Stelleinheit als Mehrpegelbrückenzweig ausgeführt, wobei die Stelleinheit einen Pegel mehr als die Umrichterschaltung aufweist.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Wechselrichters,
  • 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Messvorrichtung und einer Kompensationseinheit aus 1,
  • 3 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Regelschaltung aus 2,
  • 4 ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Regelschaltung aus 2,
  • 5 eine schematische Darstellung von Signalverläufen in einem Wechselrichter, und
  • 6 eine schematische Darstellung von Signalverläufen der Regelschaltung aus 3.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der erfindungsgemäße Wechselrichter für ein Fahrzeug, einen zwischen einem Gleichspannungsbereich 10 und einem Wechselspannungsbereich 30 angeordneten Zwischenschaltkreis 40, welcher einen Zwischenkreiskondensator CZK, eine Umrichterschaltung 20, deren Schaltelemente schematisch als Schaltkontakte dargestellt sind, eine Messvorrichtung 50 und eine Kompensationseinheit 60 umfasst. Die Messvorrichtung 50 umfasst einen Koppelwiderstand RK, über welchen ein zu messender Strom Id als Spannung UW ausgekoppelt wird. Die Kompensationseinheit 60 erzeugt aus dem ermittelten Strom Id eine Sollgröße Ih zur Regelung eines Kompensationsstroms Ic, welcher störenden Komponenten im Strom IGS des Gleichspannungsbereichs 10 entgegengesetzt ist.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Kompensationseinheit 60 eine Aufbreitungsschaltung 70 mit einem Bandpassfilter 72, welche einen Hochpassfilter 71 und einen Tiefpassfilter 73 umfasst, und einem Verstärker 74. Die Aufbreitungsschaltung 70 erzeugt aus dem über die Messvorrichtung 50 als Spannung UW erfassten Strom Id die Sollgröße Ih für eine Regelungsschaltung 80. Durch den Hochpassfilter 71 wird der Gleichanteil und durch den Tiefpassfilter 73 wird ein pulsfrequenter Anteil des ermittelten Stroms Id gesperrt. Der Verstärker 74 verstärkt Amplitude und Vorzeichen des gefilterten Stroms Id zur Erzeugung der Sollgröße Ih. Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Regelungsschaltung 80 eine Stromregeleinheit 82, eine weitere Regeleinheit 84 und eine aktive Filtereinheit 90. Die aktive Filtereinheit 90 wird von der Stromregeleinheit 82 und der Regeleinheit 84 zur Ausgabe des Kompensationsstroms Ic angesteuert.
  • 3 und 4 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel der Regelschaltung 80 aus 2. Wie aus 3 ersichtlich ist, umfasst die aktive Filtereinheit 90 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Stelleinheit 92, deren Schaltelemente schematisch als Schaltkontakte dargestellt sind, zur Ausgabe des Kompensationsstroms Ic, einen Speicherkondensator CS, eine Drosselspule LD und eine Treiberschaltung 94, welche zur Steuerung der Stelleinheit 92 von der Stromregeleinheit 82 und der als Spannungsregeleinheit 84 ausgeführten zusätzlichen Regeleinheit angesteuert wird. Die Stromregeleinheit 82 ermittelt aus der von der Aufbereitungsschaltung 70 erzeugten Sollgröße Ih und der Istgröße Ic ist des Kompensationsstroms Ic in einem Subtrahierer 81 eine Stellgröße zur Regelung des Kompensationsstroms Ic, welche über eine Ausgabeschaltung 83 an die aktive Filtereinheit 90 ausgegeben wird. Die Spannungsregeleinheit 84 ermittelt aus einem vorgegebenen Sollwert Ucomp_soll und einem über ein Messschaltung 96 zur Verfügung gestellten Istwert Ucomp_ist der im Speicherkondensator CS gespeicherten Spannung Ucomp in einem Subtrahierer 87 eine Stellgröße zur Regelung der gespeicherten Spannung Ucomp, welche über eine Ausgabeschaltung 85 an die aktive Filtereinheit 90 ausgegebenen wird. In der aktiven Filtereinheit 90 wird die Stellgröße zur Regelung der gespeicherten Spannung Ucomp der Stellgröße zur Regelung des Kompensationsstroms Ic überlagert und in die Treiberschaltung 94 eingegeben, welche die Stelleinheit 92 zur Regelung des Kompensationsstroms Ic und zur Regelung der gespeicherten Spannung Ucomp entsprechend ansteuert. Die Spannungsregeleinheit 84 regelt die gespeicherte Spannung Ucomp auf einen Mittelwert, um die Spannungsregelung nicht zu scharf einzustellen, wodurch eine zweimalige Änderung der im Speicherkondensator CS gespeicherten Spannung während einer Grundschwingung ungewollt verhindert werden könnte. Die Messschaltung 96 kann den ermittelten Istwert Ucomp_ist der gespeicherten Spannung Ucomp mit einem Tiefpassfilter filtern, wodurch kleinere Störungen nicht an die Spannungsregeleinheit weitergegeben werden. Zusätzlich kann die Messschaltung 96 die Ermittlung des Istwertes Ucomp_ist auf die Frequenz einer Spannung im Wechselspannungsbereich 30 synchronisieren.
  • Wie aus 4 ersichtlich ist, umfasst die aktive Filtereinheit 90' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Stelleinheit 92', deren Schaltelemente schematisch als Schaltkontakte dargestellt sind, zur Ausgabe des Kompensationsstroms Ic, eine Speicherspule LS und eine Treiberschaltung 94', welche zur Steuerung der Stelleinheit 92' von der Stromregeleinheit 82 und der als Stromregeleinheit 84' ausgeführten zusätzlichen Regeleinheit angesteuert wird. Die Stromregeleinheit 82 ermittelt aus der von der Aufbereitungsschaltung 70 erzeugten Sollgröße Ih und der Istgröße Ic_ist des Kompensationsstroms Ic in einem Subtrahierer 81 eine Stellgröße zur Regelung des Kompensationsstroms Ic, welche über eine Ausgabeschaltung 83 an die aktive Filtereinheit 90' ausgegeben wird. Die Stromregeleinheit 84' ermittelt aus einem vorgegebenen Sollwert Idr_soll und einem über ein Messschaltung 96' zur Verfügung gestellten Istwert Idr_ist des in der Speicherspule LS gespeicherten Stroms Idr in einem Subtrahierer 87' eine Stellgröße zur Regelung des gespeicherten Stroms Idr, welche über eine Ausgabeschaltung 85' an die aktive Filtereinheit 90' ausgegebenen wird. In der aktiven Filtereinheit 90' wird die Stellgröße zur Regelung des gespeicherten Stroms Idr der Stellgröße zur Regelung des Kompensationsstroms Ic überlagert und in die Treiberschaltung 94' eingegeben, welche die Stelleinheit 92' zur Regelung des Kompensationsstroms Ic und zur Regelung des gespeicherten Stroms Idr entsprechend ansteuert. Der Kompensationsstrom Ic wird abschnittsweise aus dem gespeicherten Strom Idr zusammengesetzt.
  • Der erfindungsgemäße Wechselrichter verwendet eine aktive Filtereinheit 90, welche in die Gleichspannungsseite 10 einen zusätzlichen Wechselstrom Ic einspeist, welcher nach Form und Betrag der störenden Komponente des Stromes IGS auf der Gleichspannungsseite 10 entspricht, jedoch ein entgegen gesetztes Vorzeichen aufweist. Die Aufbereitungsschaltung erzeugt für die Stromregeleinheit 82 der aktiven Filtereinheit 90 die erforderliche Sollgröße Ih. Die Sollgröße Ih entspricht einem niederfrequenten Wechselanteil des durch die Messvorrichtung 50 erfassten Stroms Id im Zwischenschaltkreis 40. Der Wechselanteil umfasst beispielsweise eine zweite oder dritte harmonische Oberwelle bzw. Rückwirkungen von Nichtlinearitäten der Lasten auf der Wechselspannungsseite 30. Durch die zusätzliche Spannungsregeleinheit 84 kann die Spannung Ucomp des als Speicherelement benutzen Kondensators CS in zulässigen Grenzen gehalten werden.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung von Signalverläufen von Strömen in einem Wechselrichter. IWS bezeichnet den Strom auf der Wechselspannungsseite 30, welcher einen hohen Anteil einer dritten harmonischen Oberwelle aufweist. Mit IGS_ohne ist ein gepunkteter Signalverlauf des Stroms auf der Gleichspannungsseite 10 als Ergebnis einer Simulation eines einphasigen Umrichters 20 ohne Kompensationseinheit 60 bezeichnet. Mit IGS_mit ist ein Signalverlauf des Stroms auf der Gleichspannungsseite 10 als Ergebnis einer Simulation eines einphasigen Umrichters 20 mit aktivierter Kompensationseinheit 60 beim gleichen Wechselstrom IWS bezeichnet. Wie aus 5 ersichtlich ist, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Kompensationseinheit 60 eine drastische Reduzierung der Rückwirkung der Wechselspannungsseite 30 auf die Gleichspannungsseite.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung der Kondensatorspannung Ucomp und des Kompensationsstroms Ic der Regelschaltung 80 aus 3. Wie aus 6 ersichtlich ist, schwankt die geregelte Kondensatorspannung Ucomp um einen Mittelwert. Der Mittelwert als solcher ist jedoch stabil und die Kondensatorspannung Ucomp läuft nicht weg.
  • Das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren für einen Wechselrichter und der erfindungsgemäße Wechselrichter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens überwinden die Nachteile bezüglich Masse, Volumen und Kosten eines passiven Second Harmonic Filters und bieten gleichzeitig funktionale Vorteile, wenn die Wechselspannungsfrequenz veränderlich ist oder der Wechselstrom Oberschwingungen aufweist, welche beispielsweise durch induktive Lasten hervorgerufen werden.
  • Das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren für einen Wechselrichter und der erfindungsgemäße Wechselrichter können für Brennstoffzellenfahrzeug, Hybridfahrzeuge, Batterieladegeräte für solche Fahrzeuge oder für Batteriefahrzeuge angewendet werden. Außerdem können das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren für einen Wechselrichter und der erfindungsgemäße Wechselrichter für wechselspannungsgespeiste Lokomotiven verwendet werden.

Claims (18)

  1. Verfahren zum Kompensieren von Rückwirkungen eines Wechselspannungsbereichs (30) auf einen Gleichspannungsbereich (10) in einem Wechselrichter, bei welchem ein Kompensationsstrom (Ic) erzeugt wird, welcher störenden Komponenten im Strom (IGS) des Gleichspannungsbereichs (10) entgegengesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Kompensationsstroms (Ic) aus einem in einem Zwischenschaltkreis (40) ermittelten Strom (Id), welcher zwischen dem Gleichspannungsbereich (10) und dem Wechselspannungsbereich (30) angeordnet ist, eine Sollgröße (Ih) erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu ermittelnde Strom (Id) über einen Koppelwiderstand (RK) als Spannung (UW) ausgekoppelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Hochpassfilterung der Gleichanteil und durch eine Tiefpassfilterung ein pulsfrequenter Anteil im ermittelten Strom (Id) gesperrt wird, wobei Amplitude und Vorzeichen des gefilterten Stroms (Id) zur Erzeugung der Sollgröße (Ih) entsprechend verstärkt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Regelung einer in einem Speicherelement (CS, LS) einer aktiven Filtereinheit (90) gespeicherten Größe (Ucomp, Idr) auf einen vorgegebenen Sollwert (Ucomp_soll, Idr_soll), wobei die Stellgröße für die gespeicherte Größe (Ucomp, Idr) zur Stellgröße für die Regelung des Kompensationsstroms (Ic) addiert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Größe eine Spannung (Ucomp) ist, welche von einer Spannungsregelung auf den vorgegebenen Schwellwert (Ucomp_soll) eingestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Größe ein Strom (Idr) ist, welcher von einer Stromregelung auf den vorgegebenen Schwellwert (Idr_soll) eingestellt wird.
  7. Wechselrichter für ein Fahrzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem zwischen einem Gleichspannungsbereich (10) und einem Wechselspannungsbereich (30) angeordneten Zwischenschaltkreis (40), welcher einen Zwischenkreiskondensator (CZK), eine Umrichterschaltung (20) und eine Kompensationseinheit (60) mit einer aktiven Filtereinheit (90) umfasst, welche einen Kompensationsstrom (Ic) erzeugt, welcher störende Komponenten im Strom (IGS) des Gleichspannungsbereichs (10) entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Filtereinheit (90) zur Ausgabe des Kompensationsstroms (Ic) von einer Stromregeleinheit (82) ansteuerbar ist, wobei die Kompensationseinheit (60) den Strom (Id) im Zwischenschaltkreis (40) über eine Messvorrichtung (50) ermittelt und aus dem ermittelten Strom (Id) eine Sollgröße (Ih) für die Stromregeleinheit (82) erzeugt.
  8. Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Filtereinheit (90) eine steuerbare Stelleinheit (92, 92') zur Ausgabe des Kompensationsstroms (Ic), ein Speicherelement (CS, LS) und eine Treiberschaltung (94, 94') umfasst, welche zur Steuerung der Stelleinheit (92, 92') von der Stromregeleinheit (82) ansteuerbar ist.
  9. Wechselrichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (50) einen Koppelwiderstand (RK) umfasst, über welchen der zu ermittelnde Strom (Id) als Spannung (UW) auskoppelbar ist.
  10. Wechselrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinheit (60) eine Aufbreitungsschaltung (70) mit einem Bandpassfilter (72) und einem Verstärker umfasst, welche aus dem ermittelten Strom (Id) die Sollgröße (Ih) für die Stromregeleinheit (82) erzeugt.
  11. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinheit (60) eine weitere Regeleinheit (84, 84') umfasst, welche die gespeicherte Größe (Ucomp, Idr) des Speicherelements (CS, LS) der aktiven Filtereinheit (90) auf einen vorgebbaren Sollwert (Ucomp_soll, Idr_soll) regelt, wobei die Stellgröße für die gespeicherte Größe (Ucomp, Idr) zur Stellgröße der Stromregeleinheit (82) addierbar ist.
  12. Wechselrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement als Kondensator (CS) ausgeführt ist und die gespeicherte Spannung (Ucomp) von der Regeleinheit (84) auf den vorgegebenen Schwellwert (Ucomp_soll) einstellbar ist.
  13. Wechselrichter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass, die gespeicherte Spannung (Ucomp) auf einen Mittelwert regelbar ist.
  14. Wechselrichter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messschaltung (96) einen Istwert (Ucomp_ist) der gespeicherten Spannung (Ucomp) über einen Tiefpassfilter ermittelt und ausgibt.
  15. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (96) die Ermittlung des Istwertes (Ucomp_ist) der gespeicherten Spannung (Ucomp) auf die Frequenz einer Spannung im Wechselspannungsbereich synchronisiert.
  16. Wechselrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement als Spule (LS) ausgeführt ist und der gespeicherte Strom (Idr) von der Regeleinheit (84') auf den vorgegebenen Schwellwert (Idr_soll) einstellbar ist.
  17. Wechselrichter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom (Ic) abschnittsweise aus dem gespeicherten Strom (Idr) zusammensetzbar ist.
  18. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (92, 92') als Mehrpegelbrückenzweig ausgeführt ist, wobei die Stelleinheit einen Pegel mehr als die Umrichterschaltung (20) aufweist.
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