DE102005050842A1

DE102005050842A1 - Verfahren zum Betrieb eines Umrichters sowie Schaltungsanordnung

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Publication number: DE102005050842A1
Application number: DE200510050842
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Heining; Hubert Dr. Schierling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: DE102005050842B4

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betrieb eines mittels Taktung schaltbarer Leistungshalbleiter arbeitenden Umrichters (5, 6) sowie eine entsprechende Schaltungsanordnung (1, 33) angegeben. Die getakteten Leistungshalbleiter werden zur Dämpfung einer Systemschwingung der Klemmenpotenziale gegenüber einem Grundpotenzial (8) in Abhängigkeit von der Frequenz und/oder Phasenlage der Systemschwingung gesteuert und/oder geregelt. Durch eine derartige Dämpfung der Systemschwingung wird eine Gefährdung eines an den Umrichter (5, 6) angeschlossenen Endgerätes (z. B. 2) infolge überhöhter Spannungen gegenüber dem Grundpotenzial vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mittels Taktung schaltbarer Leistungshalbleiter arbeitenden Umrichters sowie eine entsprechende Schaltungsanordnung. Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem von auftretenden Schwingungen des Umrichtersystems gegenüber einem Grundpotenzial.
Bei einem realen Umrichter, d.h. einem realen Wechselrichter oder einem realen Gleichrichter, kommt es zu Verschiebungen des Mittelpunktpotenzials oder Common-Mode-Potenzials gegenüber dem Grundpotenzial wie insbesondere Erde. Aufgrund von in Netzzuleitungen angeordneten Drosseln und parasitären Kapazitäten gegenüber dem Grundpotenzial kommt es dabei zu Schwingungen um das neue Mittelpunktpotenzial. Dadurch werden die Potenzialverschiebungen erhöht. Wird ein Umrichter zur Ansteuerung einer Drehfeldmaschine eingesetzt, so kommt es aufgrund dieser periodischen Potenzialverschiebungen gegenüber dem Grundpotenzial, im Folgenden auch kurz Systemschwingungen genannt, zu einer erhöhten Spannungsbelastung der Isolation der Wicklungen gegenüber dem Grundpotenzial. In ungünstigen Fällen treten durch die Zuleitung sowie durch das System der Drehfeldmaschine bedingt zusätzliche Resonanzeffekte auf.
Durch die überhöhten Spannungen werden insbesondere die Wicklungen in einer angeschlossenen Drehfeldmaschine so stark belastet, dass es zu Ausfällen kommen kann. Diese Problematik tritt verstärkt dann auf, wenn ein Zwischenkreis-gespeister Wechselrichter zur Ansteuerung einer Drehfeldmaschine vorgesehen ist, dessen Zwischenkreis von einem selbst geführten, an ein externes Netz angeschlossenen Gleichrichter gespeist wird. Durch Resonanz-, Rückkopplungs- und Reflexionseffekte kann es bei einem solchen System mit getakteter Einspeisung zu Schwingungen des Mittelpunktpotenzials im Kilovolt-Bereich kommen, wobei das Mittelpunktpotenzial selbst gegenüber dem Grundpotenzial in der Regel bei 200 bis 400 Volt liegt.
Zur Lösung des angesprochenen Problems ist es bekannt, die Isolation der Wicklungen einer Drehfeldmaschine zu verstärken. Dies ist nachteiligerweise teuer und reduziert die Ausnutzungsmöglichkeiten der Drehfeldmaschine, da sich bei gleichen Abmessungen durch das stärkere Isolationsmaterial das aktive Material verringert.

Weiter wird in der DE 102 04 040 A1 vorgeschlagen, eine stromkompensierte Drossel auf der Netzseite einzufügen, die eine zusätzliche Wicklung enthält, die durch einen externen Widerstand gedämpft wird. Hierdurch wird eine transformatorische Dämpfung der Systemschwingung erzielt. Diese Maßnahme eignet sich zur Nachrüstung bestehender Systeme. Nachteiligerweise erfordert diese Maßnahme jedoch einen relativ großen Bauraum und ist teuer. Weiter verursacht die Drossel Verluste und damit zusätzliche Wärme in Wicklungen oder Widerständen, die aufwändig abgeführt werden muss.

Des Weiteren wird in der DE 103 30 283 A1 vorgeschlagen, in den Zwischenkreis eines Wechselrichters, der netzseitig von einem selbst geführten Gleichrichter gespeist wird, eine passive Dioden-Klemmschaltung einzubringen. Die Dioden-Klemmschaltung wird beim Überschreiten von bestimmten Schwellen wirksam und begrenzt damit gegenüber dem Grundpotenzial die Überspannungen auf bestimmte Werte nahe der Zwischenkreisspannung. Nachteiligerweise begrenzt eine derartige Dioden-Klemmschaltung die Systemschwingung lediglich auf bestimmte Maximalwerte, wogegen die Schwingung an sich bezüglich Steilheit oder Frequenz unbeeinflusst bleibt. In Zusammenwirkung mit einer angeschlossenen Drehfeldmaschine bilden sich jedoch stets parasitäre Resonanzkreise aus dem Zusammenwirken von Reaktanzen der Drehfeldmaschine und Leitungskapazitäten aus, die üblicherweise nur schwach gedämpft sind. Bei entsprechender Anregung mit einer ungünstigen Frequenzkomponente können die Systemschwingungen damit trotz Begrenzungsschaltung in bestimmten Fällen wiederum einen Schaden in der Drehfeldmaschine verursachen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Umrichters sowie eine entsprechende Schaltungsanordnung anzugeben, wodurch die auf Grund von Systemschwingungen gegebene Gefährdung eines angeschlossenen Endgerätes, wie insbesondere einer Drehfeldmaschine, möglichst gering gehalten wird.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb eines mittels Taktung schaltbarer Leistungshalbleiter arbeitenden Umrichters gelöst, wobei die getakteten Leistungshalbleiter zur Dämpfung einer Systemschwingung der Klemmenpotenziale gegenüber einem Grundpotenzial in Abhängigkeit von der Frequenz und/oder Phasenlage der Systemschwingung gesteuert und/oder geregelt werden.

Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, dass eine lokale Begrenzung der Amplituden der auftretenden Systemschwingung im Gesamtsystem und insbesondere an einer dem Umrichter angeschlossenen Drehfeldmaschine aufgrund von Resonanzeffekten nicht zu einem zufrieden stellenden Ergebnis führt.

In einem zweiten Schritt geht die Erfindung dann von der Überlegung aus, dass sich eine Schwingung durch Dämpfung wirkungsvoll verringern lässt.

In einem dritten Schritt erkennt die Erfindung, dass im Falle eines mit getakteten schaltbaren Leistungshalbleitern arbeitenden Umrichters die Ansteuerung der Leistungshalbleiter gezielt zur Dämpfung der Systemschwingung eingesetzt werden kann. Dies ist durch eine Steuerung und/oder eine Regelung der getakteten Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von der Frequenz und/oder der Phasenlage der Systemschwingung möglich.

Durch die Schaltung der Leistungshalbleiter entstehen nämlich Spannungsflanken, die gezielt der Systemschwingung entgegenwirkend eingesetzt werden können. Andererseits verhält es sich so, dass durch die getaktete Schaltung der Leistungshalbleiter ein Resonanzeffekt mit der Systemschwingung auftreten kann. Bei entsprechenden Frequenzverhältnissen zwischen der Taktfrequenz der Leistungshalbleiter und der Frequenz der Systemschwingung kann der resonante Anschubeffekt für die Systemschwingung jedoch vermieden werden. Durch eine Ansteuerung und/oder Regelung der Leistungshalbleiter in Abhängigkeit von der Frequenz und/oder der Phasenlage der Systemschwingung kann die Systemschwingung also sowohl durch direkt entgegenwirkende Maßnahmen wie Schaltflanken als auch durch Vermeidung von Resonanzzuständen verringert werden.

Als Leistungshalbleiter in modernen Umrichtern werden neben Feldeffekttransistoren, MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor-Feldeffekt-Transistoren) und Bipolartransistoren insbesondere so genannte IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistors) eingesetzt. Letztere vereinen dabei die Vorzüge von Feldeffekt- und Bipolartransistoren.

Vorteilhafterweise wird die Taktfrequenz der Leistungshalbleiter derart eingestellt, dass die Frequenz der Systemschwingung ungleich einem ungeraden Vielfachen der Taktfrequenz ist. Dabei ist die Frequenz der Systemschwingung durch das gegebene System definiert. Beträgt die Frequenz der Systemschwingung ein ungerades Vielfaches der Taktfrequenz der Leistungshalbleiter, so regt die Taktfrequenz die Systemschwingung resonant an, da die entstehenden Schaltflanken periodisch gleichgerichtet mit den Flanken der Systemschwingung verlaufen. Die Anregung tritt auf, wenn die Taktfrequenz der Leistungshalbleiter so eingestellt ist, dass die Frequenz der Systemschwingung im Bereich des n +/– 0,5-fachen der Taktfrequenz liegt, wobei n eine ganze ungerade Zahl ist.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Taktfrequenz derart eingestellt wird, dass die Frequenz der Systemschwingung ein geradzahliges Vielfaches der Taktfrequenz ist.

Die beschriebenen Maßnahmen zur Taktfrequenz der Leistungshalbleiter können auf einfache Art und Weise insbesondere durch einen steuernden Eingriff erzielt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Variante werden die Steuerpulse der Leistungshalbleiter der Systemschwingung entgegenwirkend verschoben und/oder in ihrer zeitlichen Dauer verändert. Dazu ist es erforderlich, im richtigen Zeitpunkt eine geeignete Schalthandlung auszuführen, d.h. bezüglich einer Systemschwingung phasenrichtig und in die passende Richtung einzuwirken. Dazu kann es je nach Frequenz und aktueller Phasenlage der Systemschwingung erforderlich sein, eine Schalthandlung etwas früher auszuführen als ursprünglich vorgesehen, um damit einem Aufklingen der Systemschwingung entgegenzuwirken. Dies kann zu einer leichten Erhöhung der momentanen Taktfrequenz des Umrichters führen. Ebenfalls kann es auch sinnvoll sein, zusätzliche Schalthandlungen auszuführen, die auch zu einer leichten Erhöhung der momentanen Schaltfrequenz des Umrichters führen können. Weiter ist es auch möglich, individuelle Schalthandlungen etwas zu verzögern, um damit eine Systemschwingung nicht erst anzuregen, sondern zu bedämpfen. Je nach Frequenz der Systemschwingung kann sich durch die beschriebene Beeinflussung der Steuerpulse zwar eine Veränderung der mittleren Schaltfrequenz des Umrichters ergeben; eine Auswirkung auf die Qualität der Ausgangsgrößen des Umrichters ist jedoch nicht zwangsläufig gegeben.

Zweckmäßigerweise werden die Steuerpulse derart verschoben und/oder in ihrer zeitlichen Dauer derart verändert, dass in einem Takt mindestens eine aus der Schalthandlung resultie rende Spannungsflanke zeitgleich mit einem Extremum der Systemschwingung mit entgegengesetzter Wirkung auftritt. In diesem Fall wirkt die Schalthandlung direkt der aufkommenden Systemschwingung entgegen. Während sich nach einem Extremum die Spannung der Systemschwingung aufbaut bzw. abbaut, führt die aus der Schalthandlung resultierende Spannungsflanke zu einem Spannungsab- bzw. -aufbau. Diese Art des Eingriffs hat eine maximale Wirkung, da damit jede Flanke des Umrichters als aktive Dämpfung wirkt. Werden alle Steuerpulse beispielsweise in Richtung einer früheren Schalthandlung verschoben, so würde daraus eine höhere Schaltfrequenz als ursprünglich vorgesehen resultieren. Falls eine solche Änderung der Schaltfrequenz unerwünscht ist, kann zum Ausgleich eine langsame Regelung überlagert werden, die eine eingestellte mittlere Schaltfrequenz dadurch gewährleistet, dass die aktive Dämpfung die Steuerpulse nicht nur in die eine Richtung verschiebt, sondern teilweise auch in eine andere Richtung. Dies lässt sich insbesondere auch dadurch erreichen, dass jeweils der Steuerpuls in die Richtung verschoben wird, die näher an dem gewünschten Ziel-Schaltzeitpunkt liegt. Insbesondere erfolgt die Verschiebung oder Beeinflussung der zeitlichen Dauer der Steuerpulse derart, dass hierdurch kein Fehler bei der Spannungsbildung des Umrichters entsteht, der sich im Falle eines Wechselrichters beispielsweise auf die gewünschte Grundschwingung an der Ausgangsklemme auswirkt.

Eine derartige, so genannte Nullsystem-Manipulation kann beispielsweise dadurch vorgenommen werden, dass in allen Phasen die Steuerpulse in gleicher Weise zur gleichen Zeit beeinflusst werden. Hierdurch ändern sich die Spannungsdifferenzen zwischen den Ausgangsphasen eines Wechselrichters nicht. Dabei gibt es die Möglichkeit, eine Verschiebung in der Steuerung statisch oder quasi statisch durchzuführen, wobei sich der Verschiebungswert nicht bzw. nur sehr langsam ändert. Der Verschiebungswert kann aber auch ständig angepasst, periodisch mit der Ausgangsfrequenz oder mit einem Vielfachen der Taktfrequenz verändert werden, ohne dabei den Mittelwert der Ausgangs-Grundschwingung zu verändern.

Nahezu gleichwertig zu dieser Art einer Nullsystem-Manipulation ist eine über mehrere Pulsperioden verteilte Beeinflussung der Steuerpulse, die zwar innerhalb eines Taktes zu einer kleinen Spannungsverzerrung führt, sich bezüglich der Grundschwingungsbildung über mehrere Takte oder Pulsperioden jedoch neutral verhält. Beispielsweise sind im Falle eines Wechselrichters, der zu einem gegebenen Zeitpunkt eine Ausgangsspannung von 0 Volt erzeugt, das Intervall, in welchem die Ausgangsphase auf positives Zwischenkreispotenzial schaltet, und das Intervall, in welchem die Ausgangsphase auf negatives Zwischenkreispotenzial schaltet, üblicherweise gleichlang. Diese Aufteilung in gleiche Intervalle während eines Taktes kann durch Beeinflussung der Pulsdauer verändert werden, ohne dass es zu einer Änderung der Ausgangsgrundschwingung kommt.

Die beschriebene Beeinflussung der Steuerpulse kann grundsätzlich sowohl durch eine Regelung als auch durch eine Steuerung vorgenommen werden. Für den einfacheren Fall einer Steuerung ist es vorteilhaft, wenn die Dauer der Steuerpulse durch eine statische Steuervorgabe, die sich an der Frequenz der Systemschwingung orientiert, eingestellt wird. Auf diese Weise lässt sich die obige Verschiebung der beschriebenen Teilintervalle während eines Taktes erzielen, wobei erreicht wird, dass mindestens alle fallenden oder alle ansteigenden Schaltflanken mit den gewünschten Ziel-Schaltpunkten zusammenfallen. Die geeignete Verschiebung richtet sich nur nach dem Verhältnis der Taktfrequenz zur Frequenz der Systemschwingung und lässt sich vorab berechnen. Ein Nachführen ist bei konstanten Anlagenverhältnissen nicht notwendig. Ist beispielsweise die Frequenz der Systemschwingung ein ungeradzahliges Vielfaches der Taktfrequenz, so würde dies ungedämpft – wie beschrieben – zu einer resonanten Anregung der Systemschwingung durch die Taktung führen. In diesem Fall würde bei einer Ausgangsspannung von 0 Volt jedes der beiden beschriebenen Teilintervalle eine (x+0,5)-fache Dauer der Periode eines Systemschwingung haben. Durch die Korrektur ist die Pulsperiode in zwei ungleich lange Teilintervalle aufzuteilen, wobei eines eine Dauer mit einem x-fachen Verhältnis gegenüber der Periode der Systemschwingung und das andere eine Dauer mit einem x+1-fachen Verhältnis aufweist.

Die ursprüngliche Aufteilung in zwei gleiche Teilintervalle bei einer Ausgangsspannung von 0 Volt wird so geändert, dass zwei ungleich lange Teilintervalle während eines Taktes entstehen. Vorzugsweise erfolgt dies so, dass jedes Teilintervall so verstellt wird, dass jeweils eine ganze aber unterschiedliche Anzahl von Systemschwingungen in jedes Teilintervall passt.

Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, indem eine zweite derartige Verschiebung in jeder zweiten Pulsperiode derart wirkt, dass auch die zweite Flanke der Systemschwingung aktiv gedämpft wird.

Für eine Regelung wiederum ist es vorteilhaft, wenn die Beeinflussung der Steuerpulse in Abhängigkeit von einer Klemmenspannung, einer Common-Mode-Spannung oder einem Common-Mode-Strom gegenüber dem Grundpotenzial geregelt wird. Sowohl einer Klemmenspannung, einem Common-Mode-Strom als auch einer Common-Mode-Spannung, die beispielsweise zwischen einem Sternpunkt und dem Grundpotenzial gemessen wird, kann die Systemschwingung gegenüber dem Grundpotenzial entnommen werden. Im Falle des Common-Mode-Stroms, der auch als Nullstrom bezeichnet wird, ist es hierbei erforderlich, die beabsichtigten Schaltflanken bezüglich der Strom-Schwingung um 90° zu verschieben, da der Common-Mode-Strom der Spannungs-Systemschwingung um 90° elektrisch vorauseilt.

Für die Regelung selbst kann weiter vorteilhaft eine Fuzzy-Logik eingesetzt werden. Diese verwendet zur Beschreibung des Systems Regeln, hinter welchen eine Art Expertensystem stehen kann, das abhängig von einer Reihe von Eingangsgrößen, wie z.B. Systemschwingung, Aussteuerungsgrad und/oder der Belastung einzelner Stellglieder anhand eines mehrdimensionalen Kennlinienfeldes den geeigneten Stellbefehl ableitet. Dazu kann dieses Expertensystem aus einer Vielzahl der beschriebenen Möglichkeiten auswählen und jeweils die am besten geeignete Maßnahme einleiten. Wird zudem die Reaktion der Regelstrecke auf den Stellbefehl, wie insbesondere die Reaktion der Systemschwingung, in den Regelkreis zurückgeführt, so lässt sich das Verhalten der Regelstrecke zusätzlich auch noch dadurch verbessern, dass diese Information wieder in das Regelwerk einfließt und die Auswahl geeigneter Maßnahmen weiter verbessert. In diesem Fall handelt es sich um ein so genanntes lernendes Verfahren.

Die Frequenz der Systemschwingung kann grundsätzlich gemessen werden. Diese Möglichkeit ist jedoch aufwändig und teuer. Vorteilhafterweise wird daher die Frequenz der Systemschwingung aus resonanten Amplituden des Klemmenpotenzials bei Variation der Taktfrequenz der Leistungshalbleiter abgeleitet. Hierbei wird die Taktfrequenz über einen gegebenen Bereich variiert und die jeweils entstehenden Amplituden der Systemschwingung bestimmt. Ohne eine aufwändige Frequenzanalyse ist hieraus bei Auftreten von zwei größeren Amplituden die auf zwei Resonanzstellen schließen lassen, ein Rückrechnen auf die Frequenz der Systemschwingung möglich. Bei bekannten Taktfrequenzen f_takt des Umrichters ist hierzu lediglich die Lösung für ein System mit zwei Gleichungen zu finden: ftakt1 × N1 = fsys ftakt2 × N2 = fsys,wobei f_sys die Frequenz der Systemschwingung bezeichnet. Da bekannt ist, dass jeweils ganzzahlige aber ungerade Faktoren zwischen der Taktfrequenz des Umrichters und der Systemschwingung maximale Amplituden verursachen, gilt für benach barte Schaltfrequenzen f_takt1 und f_takt2, bei denen Resonanz auftritt, zusätzlich: N1 = N2 + 2.

Daraus folgt für die Bestimmung der Resonanzfrequenz: fsys = ftakt2 × N2 = ftakt2 × (2 × ftakt1)/(ftakt2 – ftakt1)

Bei bekannten Frequenzen, wie beispielsweise f_takt1 = 4 kHz und f_takt2 = 5,6 kHz und N2 = 5 sowie N1 = 7 ergibt sich daraus eine Frequenz f_sys der Systemschwingung von 28 kHz.

Zur Ermittlung der Phasenlage der Systemschwingung ist es vorteilhaft, wenn diese durch eine Modellierung des Systems aus gemessenen Istwerten einer Klemmenspannung, insbesondere einer Common-Mode-Spannung, gegenüber dem Grundpotenzial errechnet wird. Dabei ist es insbesondere zweckmäßig, wenn zur Modellierung des Systems ein LC-Kreis mit der Frequenz der Systemschwingung herangezogen wird. Ein derartiges Modell genügt in aller Regel zur Abbildung der im System befindlichen Drosseln sowie der parasitären Erdkapazitäten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erzeugt ein erster Umrichter als ein selbstgeführter netzgespeister Gleichrichter eine Gleichspannung für einen Zwischenkreis, und ein zweiter Umrichter wird als ein Wechselrichter aus dem Zwischenkreis gespeist und erzeugt die Phasenspannungen für eine Drehfeldmaschine. Eine derartige Anordnung stellt insgesamt einen netzgespeisten Umrichter dar, der aus den Netzspannungen die Spannungen zur Steuerung einer Drehfeldmaschine ableitet.

In einem solchen Fall ist es weiter ergänzend vorteilhaft, wenn die Phasenlage der Pulsperiode zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter zur Dämpfung der Systemschwingung gegeneinander verstellt wird.

Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit einem schaltbare Leistungshalbleiter aufweisenden Umrichter, einer Steuereinheit zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter und einer Kontrolleinheit, die zur Regelung und/oder Steuerung der Leistungshalbleiter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgelegt ist, gelöst, wobei die Kontrolleinheit mit der Steuereinheit verbunden und zur Feststellung einer Systemschwingung mit einer Ausgangsleitung oder einer Eingangsleitung des Umrichters schaltungstechnisch in Verbindung steht. Als eine Eingangs- oder Ausgangsleitung kann auch eine Zwischenkreisschiene herangezogen werden.

Die hinsichtlich des Verfahrens dargestellten Vorteile gelten sinngemäß übertragen auch für diese Schaltungsanordnung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine erste Schaltungsanordnung zur Steuerung einer Drehfeldmaschine mit einer Regelung eines Gleichrichters und
2 eine zweite Schaltungsanordnung zur Steuerung einer Drehfeldmaschine mit einer Regelung eines Gleichrichters und einer Steuerung eines Wechselrichters.
1 zeigt schematisch eine erste Schaltungsanordnung 1 zur Steuerung einer Drehfeldmaschine 2. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst hierzu einen an ein Netz 4 angeschlossenen selbstgeführten Gleichrichter 5, der eine Gleichspannung für einen Wechselrichter 6 erzeugt, der die Phasen zur Steuerung der Drehfeldmaschine 2 liefert.
Das Netz 4 ist mit dem Grundpotenzial 8 verbunden, insbesondere also geerdet. Über die Netzzuleitungen 9, in denen jeweils Drosseln 11 angeordnet sind, sind die Phasen des Net zes 4 dem selbstgeführten Gleichrichter 5 zugeleitet. Der Gleichrichter 5 erzeugt durch entsprechende Taktung von schaltbaren IGBT's aus den Netzphasen eine Gleichspannung für den Zwischenkreis 13. Dabei weist der Zwischenkreis 13 eine positive Zwischenkreisschiene 14 und eine negative Zwischenkreisschiene 15 auf. Die negative und die positive Zwischenkreisschiene 15 bzw. 14 sind über Kapazitäten 16 miteinander verbunden. Hierbei ist das Mittelpunktpotenzial 18 angedeutet.
Der Wechselrichter 6 erzeugt durch intelligentes Zerhacken der Zwischenkreisspannung mittels schaltbarer IGBT's die zur Steuerung der Drehfeldmaschine 2 notwendigen Spannungen für die Phasen 19, die über eine Verbindungsleitung 20 zugeleitet werden. Mittels der Phasen 19 wird über die Wicklungen 21 der Drehfeldmaschine 2 ein Drehfeld erzeugt, wodurch die Drehfeldmaschine in Bewegung gerät. Die Phasen 19 sind über die Wicklungen 21 dabei an einem Sternpunkt 23 zusammengeführt.
Die reale Schaltungsanordnung 1 zeigt ungedämpft eine Schwingung des Mittelpunktpotenzials 18 gegenüber dem Grundpotenzial 8. Diese Schwingungen, die durch die Drosseln 11 sowie parasitäre Erdkapazitäten bedingt sind, werden durch Resonanzeffekte infolge der getakteten Einspeisung, unangepasster Taktfrequenzen des Gleichrichters 5 und des Wechselrichters 6, sowie durch Rückkopplungs- und/oder Reflektionseffekte durch die Drehfeldmaschine 2 bzw. durch die Zuleitung 20 weiter verstärkt. Die hieraus resultierenden hohen Spannungen führen zu einer Schädigung der Isolierung an den Wicklungen 21 der Drehfeldmaschine 2 gegenüber dem Grundpotenzial 8.
Um Resonanzeffekte zwischen den Taktfrequenzen des Gleichrichters 5 und des Wechselrichters 6 hinsichtlich der Systemschwingungen zu vermeiden, werden Gleichrichter 5 und Wechselrichter 6 zeitlich leicht versetzt getaktet. Weiter ist dem Gleichrichter 5 eine Kontrolleinheit 25 zugeordnet, die über die Verbindungsleitung 27 Eingriff auf die Steuerung der IGBT-Leistungshalbleiter nimmt. Die Steuereinheit zur Ansteuerung der IGBT's ist vorliegend nicht eingezeichnet. Sie kann insbesondere Teil der Kontrolleinheit 25 selbst sein.
Die Kontrolleinheit 25 ist weiter über die Verbindungsleitung 29 an die negative Zwischenkreisschiene 15 des Zwischenkreises 13 schaltungstechnisch angeschlossen. Über den Messpunkt 30 wird die Spannung zwischen der negativen Zwischenkreisschiene 15 und dem Grundpotenzial 8 gemessen und somit für die Kontrolleinheit 25 verfügbar. Die am Messpunkt 30 ermittelte Spannung gegenüber dem Grundpotenzial dient der Kontrolleinheit 25 als Istwert, bezüglich dem die Steuerpulse der im Gleichrichter 5 angeordneten IGBT's der Systemschwingung entgegenwirkend beeinflusst werden. Dabei wird aus der am Messpunkt 30 ermittelten Spannung die Phasenlage der Systemschwingung gewonnen. Entsprechend der Phasenlage werden die Steuerpulse die Systemschwingung dämpfend zeitlich verschoben bzw. ihre Dauer entsprechend verändert.
Durch diese aktive Regelung kann die Systemschwingung der Schaltungsordnung 1 wirkungsvoll gedämpft werden, so dass eine aus der Systemschwingung resultierende Gefährdung der Drehfeldmaschine 2 abgewendet werden kann.
In 2 ist eine zweite Schaltungsanordnung 33 dargestellt, die sich von der ersten Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass in den Netzzuleitungen 9 eine stromkompensierte Drossel 34 eingeschaltet ist, die eine Zusatzwicklung 36 aufweist. Über einen Widerstand 38 wird mittels eines Hochpass- oder Bandpass-Filters 40 der Nullstrom gemessen, aus welchem die Phasenlage der Systemschwingung gegenüber dem Grundpotenzial 8 abgeleitet werden kann. Diese Phasenlage des Nullstroms verwendet die Kontrolleinheit 42 zur aktiven Regelung der Steuerpulse für die in dem Gleichrichter 5 angeordneten IGBT's.
Weiter ist dem Wechselrichter 6 eine zusätzliche Kontrolleinheit 43 zugeordnet, die mittels der Verbindungsleitung 45 Eingriff in die Steuerung der IGBT's des Wechselrichters 6 nimmt. Der Kontrolleinheit 43 wird – durch den Pfeil 47 angedeutet – die Frequenz der Systemschwingung zugeleitet. Zur Vermeidung von Resonanzen aus der Taktfrequenz des Wechselrichters 6 und der Frequenz der Systemschwingung wird der Wechselrichter 6 derart getaktet, dass die Frequenz der Systemschwingung ein ganzzahliges Vielfaches der Taktfrequenz ist. Die Kontrolleinheit 43 arbeitet hierbei als eine Steuereinheit, da die Frequenz der Systemschwingung durch Systemparameter festgelegt ist.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines mittels Taktung schaltbarer Leistungshalbleiter arbeitenden Umrichters (5, 6), wobei die getakteten Leistungshalbleiter zur Dämpfung einer Systemschwingung der Klemmenpotenziale gegenüber einem Grundpotenzial (8) in Abhängigkeit von der Frequenz und/oder Phasenlage der Systemschwingung gesteuert und/oder geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Taktfrequenz der Leistungshalbleiter derart eingestellt wird, dass die Frequenz der Systemschwingung ungleich einem ungeraden Vielfachen der Taktfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Taktfrequenz derart eingestellt wird, dass die Frequenz der Systemschwingung ein geradzahliges Vielfaches der Taktfrequenz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerpulse der Leistungshalbleiter der Systemschwingung entgegenwirkend verschoben und/oder in ihrer zeitlichen Dauer verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Steuerpulse derart verschoben und/oder in ihrer zeitlichen Dauer verändert werden, dass in einem Takt mindestens eine resultierende Spannungsflanke zeitgleich mit einem Extremum der Systemschwingung mit entgegengesetzter Wirkung auftritt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Beeinflussung der Steuerpulse innerhalb eines Taktes für alle Phasen zur gleichen Zeit gleichermaßen vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Umrichter (5, 6) ein die Spannung der Phasen erzeugender Wechselrichter (6) ist und die Beeinflussung der Steuerpulse über mehrere Takte derart verteilt erfolgt, dass die Sollgrundschwingung einer oder jeder Phase (19) unbeeinflusst bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Dauer der Steuerpulse durch eine statische Steuervorgabe, die sich an der Frequenz der Systemschwingung orientiert, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Beeinflussung der Steuerpulse in Abhängigkeit von einer Klemmenspannung, einer Common-Mode-Spannung oder einem Common-Mode-Strom gegenüber dem Grundpotenzial (8) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Regelung mittels Fuzzy-Logik erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz der Systemschwingung aus resonanten Amplituden des Klemmen- oder Common-Mode-Potenzials bei Variation der Taktfrequenz der Leistungshalbleiter abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenlage der Systemschwingung durch eine Modellierung des Systems aus gemessenen Istwerten der Klemmenspannung gegenüber dem Grundpotenzial (8) errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zur Modellierung des Systems ein LC-Kreis mit der Frequenz der Systemschwingung herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Umrichter als ein selbstgeführter netz gespeister Gleichrichter (5) eine Gleichspannung für einen Zwischenkreis (13) erzeugt und ein zweiter Umrichter als ein Wechselrichter (6) aus dem Zwischenkreis (13) gespeist wird und die Spannung der Phasen (19) für eine Drehfeldmaschine (2) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Phasenlage der Taktung zwischen dem Gleichrichter (5) und dem Wechselrichter (6) zur Dämpfung der Systemschwingung gegeneinander verstellt wird.
Schaltungsanordnung (1, 33) mit einem schaltbare Leistungshalbleiter aufweisenden Umrichter (5, 6), einer Steuereinheit zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter und einer Kontrolleinheit (27, 42, 43), die zur Regelung und/oder Steuerung der Leistungshalbleiter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgelegt ist, wobei die Kontrolleinheit (27, 42, 43) mit der Steuereinheit verbunden und zur Feststellung einer Systemschwingung mit einer Ausgangsleitung oder einer Eingangsleitung des Umrichters (5, 6) schaltungstechnisch in Verbindung steht.