DE102006052467A1

DE102006052467A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Strommessung in einem insbesondere mehrphasigen Stromnetz

Info

Publication number: DE102006052467A1
Application number: DE102006052467A
Authority: DE
Inventors: Gilles Schmitt; Sven Finke; Jochen Kurfiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-05-08
Also published as: JP2010508536A; JP5586230B2; JP2013068639A; CN101573862A; CN101573862B; EP2100370A1; WO2008055741A1; KR20090083917A; KR101368707B1; US20100072980A1; US8421394B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strommessung in einem insbesondere mehrphasigen Stromnetz, bei dem durch mindestens ein steurbares Schaltelement eine gewünschte Bestromung eines elektrischen Verbrauchers (5) erfolgt und eine Steuereinheit auf das mindestens eine steuerbare Schaltelement (4) wirkende Ansteuersignale erzeugt, um die gewünschte Bestromung des Verbrauchers (5) zu erreichen, wobei Taktmustern der Ansteuersignale Messfenster zur Strommessung, insbesondere zur Messung von Phasenströmen, zugeordnet sind und Taktmuster zeitlich verschoben werden, um Messfenster ausreichender zeitlicher Größen zu erhalten, wobei sich eine minir minimalen Totzeit des Schaltelements (4), einer minimalen Einschwingzeit der Messverstärkerschaltung (12) und einer minimalen Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers (11) zusammensetzt. Ferner ist vorgesehen, dass die Taktmuster unter Brücksichtigung einer Phasenauswahl für die Strommessung gewählt werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Taktmuster unter Brücksichtigung der momentanen Drehwinkelposition des Phasenvektors gewählt werden. Ferner wird eine entsprechende Vorrichtung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strommessung in einem insbesondere mehrphasigen Stromnetz.
Stand der Technik
Bei Elektromotoren mit mehrphasiger Ansteuerung besteht oft der Wunsch, die Phasenströme zu erfassen. Handelt es sich um eine Bestromung eines Elektromotors mittels einer steuerbaren Brücke, die in ihren einzelnen Brückenzweigen steuerbare Schaltelemente aufweist, so lässt sich der Elektromotor in gewünschter Weise bestromen. Um die Phasenströme zu erfassen, wird in jeder Phasenleitung ein niederohmiger Widerstand (Shunt) angeordnet. Der Aufwand dieser mehrphasigen Messanordnung ist entsprechend groß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sehr einfache und kostengünstige Strommessung zu ermöglichen, wobei insbesondere durch den Messeingriff keine oder nur geringe Geräusche auftreten und auch keine oder nur eine geringe Momentenwelligkeit anfallen sollen. Ferner sollen gegebenenfalls beteiligte Bauelemente, wie beispielsweise Zwischenkreiskondensatoren, nur wenig belastet werden.
Beim Gegenstand der Erfindung ist grundsätzlich vorgesehen, dass die Strommessung nur mit einem einzigen Shunt erfolgt, wobei in sequenzieller Folge die Phasenströme ermittelt werden. Dabei ist es ausreichend, bei beispielsweise einer Dreiphasenanordnung nur zwei Phasen zu messen und den Strom der dritten Phase mit Hilfe der Kirchhoffschen Gesetze zu berechnen. Es wird eine mit steuerbaren Schaltelementen versehene Brückenschaltung eingesetzt, beispielsweise eine B6-Brücke, die einen Gleichstromzwischenkreis aufweist, wobei der Strom durch den gemeinsamen Shunt in der Zubeziehungsweise Rückleitung vom/zum Zwischenkreis fließt und dem zu messenden Phasenstrom entspricht. Die Ansteuerung der Schaltelemente erfolgt mit Taktmustern von Ansteuersignalen in besonderer, erfindungsgemäßer Art.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strommessung mit Messverstärkerschaltung und Analog-Digital-Wandler in einem insbesondere mehrphasigen Stromnetz ist vorgesehen, dass durch mindestens ein steuerbares Schaltelement eine gewünschte Bestromung des elektrischen Verbrauchers erfolgt und eine Steuereinheit auf das mindestens eine steuerbare Schaltelement wirkende Ansteuersignale erzeugt, um die gewünschte Bestromung des Verbrauchers zu erreichen, wobei Taktmustern der Ansteuersignale Messfenster zur Strommessung, insbesondere zur Messung von Phasenströmen, zugeordnet sind und Taktmuster zeitlich verschoben werden, um Messfenster ausreichender zeitlicher Größe zu erhalten, wobei sich eine minimale zeitliche Verschiebung aus der Summe von einer minimalen Totzeit des Schaltelements, einer minimalen Einschwingzeit der Messverstärkerschaltung und einer minimalen Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers zusammensetzt. Demgemäß kann eine minimale Phasenverschiebung unter Berücksichtigung der verwendeten Hardware ermittelt/berechnet werden. Durch die Minimierung dieser Phasenverschiebung werden durch die Phasenverschiebung erzeugte Blindströme ebenfalls minimiert, wobei die Blindströme zur Erwärmung der Brückenschaltung beitragen. Durch Minimierung der Blindströme erfolgt demgemäß auch eine Minimierung der Erwärmung der Brückenschaltung. Die erwähnte Totzeit des Schaltelements ist erforderlich, um ein sicheres Schalten zu gewährleisten. Wurde das Schaltelement mittels eines Ansteuersignals in den leitenden Zustand versetzt und anschließend wieder ausgeschaltet, so ist nach der Ausschaltung die Totzeit abzuwarten, um einen sicheren Stromnulldurchgang zu garantieren. Die Einschwingzeit der Messverstärkerschaltung ist wegen entsprechend steiler Flanken des Messsignals abzuwarten, um eine möglichst genaue Strommessung zu garantieren. Die Abtastzeit (Samplezeit) des Analog-Digital-Wandlers muss abgewartet werden, um eine möglichst fehlerfreie Konvertierung zu ermöglichen. Vorzugsweise wird am Ende der Abtastzeit die Strommessung durchgeführt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Strommessung, insbesondere wie vorstehend beschrieben, in einem mehrphasigen Stromnetz, bei dem/der durch steuerbare Schaltelemente eine gewünschte Bestromung eines elektrischen Verbrauchers erfolgt und eine Steuereinheit auf die steuerbaren Schaltelemente wirkende Ansteuersignale erzeugt, um die gewünschte Bestromung des Verbrauchers zu erreichen, wobei Taktmustern der Ansteuersignale Messfenster zur Strommessung von Phasenströmen zugeordnet sind und Taktmuster zeitlich verschoben werden, um Messfenster ausreichender zeitlicher Größe zu erhalten, und wobei die Taktmuster unter Berücksichtigung einer Phasenauswahl für die Strommessung gewählt werden. Demgemäß erfolgt eine Auswahl der Phasenlage für einen durch die Strommessung auftretenden Strommessvektor. Aufgrund des Messeingriffs kann in der jeweiligen Ansteuerperiode ein Vektorfehler auftreten. Durch die Auswahl der Phasenlage wird der Vektorfehler minimiert, möglicherweise zu Null. Hierdurch treten weniger Geräusche auf und es ist eine geringere Momentenwelligkeit vorhanden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Strommessung, insbesondere wie vorstehend beschrieben, in einem mehrphasigen, einen Phasenvektor aufweisenden Stromnetz, bei dem/der durch steuerbare Schaltelemente eine gewünschte Bestromung eines elektrischen Verbrauchers erfolgt und eine Steuereinheit auf die steuerbaren Schaltelemente wirkende Ansteuersignale erzeugt, um die gewünschte Bestromung des Verbrauchers zu erreichen, wobei Taktmustern der Ansteuersignale Messfenster zur Strommessung von Phasenströmen zugeordnet sind und Taktmuster zeitlich verschoben werden, um Messfenster ausreichender zeitlicher Größe zu erhalten, und wobei die Taktmuster unter Berücksichtigung der momentanen Drehwinkelposition des Phasenvektors gewählt werden. Hierdurch verringert sich ein Kompensieren des Strommessvektors mit dem Ergebnis, dass eine Reduzierung von Blindstrom und Momentenwelligkeit eintritt.
Die vorstehend erwähnte Berechnung/Ermittlung der minimalen Phasenverschiebung bei einer asymmetrischen Pulsweitenmodulation berücksichtigt den Fall, dass der Phasenstrom in der betrachteten PWM-Periode lediglich einmal gemessen werden soll. Für die minimale Phasenverschiebung ergibt sich ein anderer Wert, für den Fall, dass der jeweilige Phasenstrom zweimal bis n mal in der betrachteten Pulsweitenmodulations-Periode (PWM-Periode) gemessen werden soll. In einem solchen Falle kommt zu der zuvor erwähnten Summe das Glied: (n – 1)·minimale Wandlungszeit des Analog-Digital-Wandlers additiv hinzu. Hierbei bedeutet n die Anzahl der Messungen eines Phasenstroms pro PWM-Periode. Berücksichtigt wird demzufolge die Wandlungszeit des Analog-Digital-Wandlers, deren Anzahl von der Anzahl der Messungen pro PWM-Periode abhängig ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Ansteuersignale Pulsweitenmodulationssignale eingesetzt werden. Die Ansteuerung der steuerbaren Schaltelemente erfolgt demgemäß vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation (PWM), wobei aufgrund des erfindungsgemäßen Vorgehens keine symmetrische, sondern eine asymmetrische PWM vorliegt.
Es ist vorteilhaft, wenn als Verbraucher ein insbesondere mehrphasiger Asynchronmotor oder ein insbesondere mehrphasiger Permanentmagnet-Synchronmotor bestromt wird. Der Verbraucher, insbesondere die genannten Motoren, sind bevorzugt in Stern geschaltet.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn in je einem Messfenster die Messung eines Phasenstromes des Verbrauchers erfolgt. Die Messung der einzelnen Phasenströme erfolgt demgemäß zeitlich nacheinander.
Von Vorteil ist es ferner, wenn als Schaltelemente elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren, vorzugsweise Feldeffekttransistoren (Fet) und/oder Thyristoren, eingesetzt werden. Diese Schaltelemente weisen Steuereingänge auf, an die die Ansteuersignale angelegt werden, wodurch die Schaltzustände der Schaltelemente verändert werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bestromung des Verbrauchers mit einer steuerbaren Brückenschaltung erfolgt. Die Schaltelemente befinden sich in den einzelnen Zweigen der Brückenschaltung, wobei insbesondere eine B6-Brücke zum Einsatz gelangt und der Verbraucher ein dreiphasiger Verbraucher in Sternschaltung ist, insbesondere ein dementsprechender Asynchronmotor oder ein dementsprechender Permanentmagnet-Synchronmotor.
Die Brückenschaltung wird bevorzugt von einem Gleichstromkreis, insbesondere einem Gleichstromzwischenkreis, gespeist.
Die Strommessung wird mittels nur eines Shunts durchgeführt, der sich bevorzugt im Gleichstromkreis, insbesondere Gleichstromzwischenkreis, befindet. Die Ansteuerung der einzelnen Schaltelemente ist zur Messung des jeweiligen Phasenstromes derart zu wählen, dass der Phasenstrom durch den Shunt im entsprechenden Messfenster fließt. Das Signal an dem Shunt wird dann mittels des Messverstärkers verstärkt und mittels des Analog-Digital-Wandler umgesetzt und steht für verschiedene Zwecke zur Verfügung.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Phasenauswahl derart erfolgt, dass eine durch die Strommessung erzeugte Abweichung von einem vorgegebenen Sollvektor zu Null oder möglichst klein gehalten wird. Hierdurch lassen sich Verluste minimieren.
Es ist vorteilhaft, wenn ein durch die Strommessung bewirkter Strommessvektor in seiner Phasenlage zur Minimierung der vorstehend genannten Abweichungen ausgewählt wird. Es stehen unterschiedliche Möglichkeiten in Bezug auf die Phasenlage zur Verfügung, wobei vorzugsweise derart vorgegangen wird, dass die Phasenlage gewählt wird, die zu den geringsten Verlusten führt.
Ferner ist von Vorteil, wenn ein durch die Strommessung bewirkter Strommessvektor mit dem Phasenvektor rotiert. In Abhängigkeit der momentanen Drehwinkelposition des Phasenvektors wird demgemäß die Strommessung durchgeführt, sodass nicht nur der Phasenvektor rotiert, sondern auch der Strommessvektor.
Der Phasenvektor besteht vorzugsweise aus der Kombination eines momentstellenden und feldbildenden Vektors.
Das erfindungsgemäße Vorgehen wird insbesondere bei einer Elektrolenkung für ein Kraftfahrzeug eingesetzt, wobei der Verbraucher ein entsprechend angesteuerter Motor ist, der die Lenkung betätigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, und zwar zeigt:
1 ein Schaltbild und
2 bis 23 Diagramme.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt eine Brückenschaltung 1, die an einen Gleichstromkreis 2 angeschlossen ist. Die Brückenschaltung 1 ist als B6-Brücke mit drei Brückenzweigen 3 ausgebildet. Jeder Brückenzweig 3 weist zwei steuerbare Schaltelemente 4 auf. Ein Verbraucher 5, der als dreiphasiger Asynchronmotor 6 ausgebildet ist, wird von der Brückenschaltung 1 angesteuert. Eine nicht dargestellte Steuereinheit erzeugt Ansteuersignale nach bestimmten Taktmustern, wobei die Ansteuersignale Steuereingängen 7 der Schaltelemente 4 zugeführt werden, wodurch diese in den leitenden oder sperrenden Zustand schaltbar sind. Im Gleichstromkreis 2, der als Gleichstromzwischenkreis 8 ausgebildet ist, liegt ein Zwischenkreiskondensator 9. Der Gleichstromkreis 2 ist über einen Shunt 10 mit der Brückenschaltung 1 verbunden.
Bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen ist nur ein einziger Shunt 10 vorhanden, mit dem in sequenzieller Folge die Phasenströme des Asynchronmotors 6 ermittelt werden können. Vorzugsweise werden zwei Phasenströme der insgesamt drei Phasenströme gemessen und der dritte Phasenstrom mittels der Kirchhoffschen Gesetze berechnet. Es ist ein bestimmtes Schaltmuster, also eine bestimmte Ansteuerung der steuerbaren Schaltelemente 4 erforderlich, damit der Strom durch den gemeinsamen Shunt 10 in der Zu- beziehungsweise Rückleitung vom/zum Gleichstromzwischenkreis 2 dem zu messenden Phasenstrom entspricht. An den Shunt 10 ist eine Messverstärkerschaltung 12 und ein Analog-Digital-Wandler 11 angeschlossen, der das analoge Signal des Shunts 10 in ein digitales Signal umwandelt. Die Messverstärkerschaltung 12 weist im Betrieb eine Einschwingzeit E auf. Der Analog-Digital-Wandler 11 besitzt eine Abtastzeit A und die vorzugsweise als Feldeffekttransistoren (Fet) ausgebildeten Schaltelemente 4 besitzen eine Totzeit T.
Die Ansteuerung der Schaltelemente 4 mittels der nicht dargestellten Steuereinheit erfolgt nicht gemäß 2, da in dieser Figur eine bekannte mittenzentrierte Pulsweitenmodulation dargestellt ist, das heißt, die dort dargestellten Ansteuersignale bilden ein mittenzentriertes Taktmuster für die einzelnen Phasen U, V und W, innerhalb der in der 2 dargestellten Pulsweitenmodulations-Periode (PWM-Periode). Würde man diese Ansteuerung vornehmen, so ließen sich die Phasenströme des Verbrauchers 5 nicht mit Hilfe eines einzigen Shunts 10 aufgrund der Gleichzeitigkeit ermitteln. Demzufolge wird gemäß 3 dazu übergegangen, dass ein anderes Taktmuster gewählt wird, das heißt, die Schaltzeiten der Schaltelemente 4 werden gemäß 3 zeitlich verschoben, sodass die Messung von mindestens zwei Phasenströmen innerhalb einer Pulsweitenmodulations-Periode möglich ist. Die beiden Messungen sind mit Messung 1 und Messung 2 gekennzeichnet (1. Messung und 2. Messung). Zum Zeitpunkt der 1. Messung entspricht der Strom durch den Shunt 10 dem Strom in der Phase U; zum Zeitpunkt der 2. Messung entspricht der Strom durch den Shunt 10 dem inversen Strom in der Phase W (dies entspricht der Addition der Phasenströme U und V). Die Messungen werden in der Teilperiode B der Pulsweitenmodulations-Periode durchgeführt. An die Teilperiode B schließt sich die Teilperiode A an, wobei die Summe von Teilperiode B und Teilperiode A die Pulsweitenmodulations-Periode ergeben. Ein Vergleich der 2 und 3 verdeutlicht die Verschiebung der Schaltzeitpunkte der Schaltelemente 4.
In der 4 ist die Teilperiode B im Detail verdeutlicht. Die Zustände der als Feldeffekttransistoren ausgebildeten Schaltelemente 4 sind mit „Hi-FET" und mit „Low-FET" für die einzelnen Phasen U, V, W gekennzeichnet. Um nun die erste Messung durchführen zu können, sind hardwaremäßige Belange zu berücksichtigen. Hierunter sind die Totzeit T der Schaltelemente 4, die Einschwingzeit E der Messverstärkerschaltung 12 und die Abtastzeit A des Digital-Analog-Wandlers 11 zu verstehen. Werden diese drei Zeiten minimiert, also möglichst klein gemacht, wobei dennoch die jeweilige Funktion gewährleistet ist, so ergibt sich gemäß 4 in der Summe dieser drei Zeiten die mögliche minimale Phasenverschiebung (Min. Phasenverschiebung) für die erste Messung. Am Ende der Abtastzeit A kann dann die erste Messung erfolgen. Entsprechendes gilt für die Durchführung der zweiten Messung, da auch dort zunächst die minimale Totzeit, die minimale Einschwingzeit und die minimale Abtastzeit abgewartet werden müssen, wobei die Summe dieser drei Zeiten die minimale Phasenverschiebung für die zweite Messung ergibt.
Demgemäß errechnet sich die für eine Strommessung nötige Verschiebung wie folgt: Verschiebung = Totzeit des Brückenzweigs + Einschwingzeit der Messverstärkerschaltung + Abtastzeit des Digital-Analog-Wandlers.
Die Teilperiode B ergibt sich somit für zwei Messungen als: Teilperiode B = 2 x Verschiebung.
Die Teilperiode A ist somit: Teilperiode A = PWM-Periode – Teilperiode B.
Die 5 verdeutlicht nochmals, dass für eine Strommessung in mindestens zwei Phasen des Asynchronmotors 6 ein Taktmuster zum Ansteuern der Schaltelemente 4 derart benötigt wird, dass der Strom durch den gemeinsamen Shunt 10, der beispielsweise in der Masseleitung liegt, dem Strom durch die zu messenden Phasen entspricht. Dies kann – wie vorstehend bereits gezeigt wurde – durch Phasenverschiebung bei einer asymmetrischen Pulsweitenmodulation erreicht werden.
Gemäß 6 wird unter Berücksichtung der vorstehenden Ausführungen deutlich, dass eine obere und eine untere Grenze des Tastverhältnisses vorliegt, das also das Taktmuster der Ansteuersignale keine Überschreitung der Grenze vornehmen kann, da dann das Taktmuster zur Messung von zwei Phasenströmen in der Halbperiode B „zerstört" wird. Während in der 5 eine asymmetrische Pulsweitenmodulation mit Phasenverschiebung dargestellt ist, bei der eine Strommessung möglich ist, ist beim Beispiel der 6 die Strommessung nicht mehr möglich. Liegt nun das Taktmuster gemäß 6 vor und will man die Erkenntnis gemäß 5 darauf anwenden, so ergibt sich für die dargestellte Pulsweitenmodulations-Periode das Taktmuster gemäß 7. Um die Auswirkungen dieses bewussten Eingriffs besser darstellen zu können, wird auf die Zeigerdiagramme für Messvektoren, Sollvektorerzeugung und Vektorfehler mit und ohne Messeingriff der nachstehenden 8 bis 11 verwiesen.
Gemäß 8 resultiert aus der ersten Messung der 7 ein 1. Strommessvektor, der die Phasenlage von U aufweist. Ein 2. Strommessvektor resultiert aus der zweiten Messung, bei der Anteile der Phasen V und W vorliegen. Werden die beiden Strommessvektoren vektoriell addiert, so ergibt sich ein resultierender Strommessvektor in der Halbperiode B. In 9 ist dieser resultierende Strommessvektor nochmals dargestellt und es ist im Zeigerdiagramm ein Sollvektor dargestellt, der von der Steuereinheit als Phasenvektor vorgegeben wird, der als momentenstellender und feldbildender Vektor anzusehen ist. Wird nun – gemäß 9 – in der Halbperiode A der dort eingezeichnete „Vektor in Halbperiode A" gebildet, so ergibt die vektorielle Addition des resultierenden Strommessvektors in Halbperiode B mit dem Vektor in Halbperiode A den Sollvektor. Mithin ist eine Sollvektorerzeugung möglich und auch die Strommessung durchführbar.
Die 10 zeigt ein Zeigerdiagramm, das dem Diagramm der 6 entspricht, bei dem eine Strommessung nicht möglich ist, da keine Information über die Phase U vorliegt.
Die 11 verdeutlicht mittels eines Zeigerdiagramms die Situation der 7, das heißt der asymmetrischen Pulsweitenmodulation mit Phasenverschiebung und mit Eingriff für die Strommessung. Erkennbar ist der Vektor in der Halbperiode B, so wie er durch den Messeingriff entsteht. Ferner ist der Vektor in der Halbperiode A dargestellt, sodass sich hieraus ein resultierender Vektor ergibt, der jedoch nicht dem Sollvektor entspricht. Zwischen dem resultierenden Vektor und dem Sollvektor klafft ein Vektorfehler, der ebenfalls in der 11 eingezeichnet ist. Durch diesen Messeingriff wird ein deutlich hörbares Geräusch erzeugt, das die Frequenz der Messung aufweist. Ferner führt dieser Messeingriff zu einem erhöhten Blindstromanteil innerhalb des Gleichstromzwischenkreises 8 (Kondensator). Insbesondere führt der Messeingriff zu einer Erhöhung des Zwischenkreisstromes. Diese Stromerhöhung führt zu einer stärkeren Belastung des Zwischenkreiskondensators 9 und der Endstufe. Weiterhin erfolgt hier gegebenenfalls eine Erhöhung der Drehmomentwelligkeit durch den auftretenden Vektorfehler. Die Auswirkung dieser genannten Effekte ist von der Amplitude des Messeingriffsvektors abhängig.
Wird nun – gemäß 13 – die Phasenlage für die beiden benötigten Strommessvektoren erfindungsgemäß ausgewählt, so lässt sich eine Reduzierung des Messeingriffs herbeiführen, sodass die Geräuschbildung nachlässt und der Kondensatorstrom und die Drehmomentwelligkeit bei der Phasenstrommessung mit nur einem Shunt 10 verringert. Dies ist in der 12 verdeutlicht, bei dem der erste Strommessvektor die Phasenlage V aufweist und der zweite Strommessvektor sich aus den beiden Phasenlagen von V und W zusammensetzt, sodass der resultierende Strommessvektor in der Halbperiode B die aus der 12 hervorgehende Lage aufweist, die von der Lage des entsprechenden Vektors der 11 abweicht. Wird nun – gemäß 13 – in das der 12 entsprechende Zeigerdiagramm der Sollvektor eingetragen und auch der Vektor in der Halbperiode A, so ist erkennbar, dass der Fehlervektor (Vektorfehler) sehr viel kleiner geworden ist. Dies zeigt der Vergleich der 13 und 11.
Das den 12 und 13 entsprechende Taktmuster geht aus der 14 hervor. Es ist zu erkennen, dass unter Anwendung einer geeigneten Phasenwahl beim Messeingriff der Fehlervektor deutlich verkleinert wird. Er würde beim gezeigten Sollvektor ganz zu Null werden, wenn zusätzlich eine Kompensation des Messeingriffs in der Halbperiode A erfolgen würde.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Vorgehens wurde ausgehend von einer Phasenverschiebung von 8 μs und einer PWM-Frequenz von 16 kHz sowie einer überlagerten feldorientierten Regelung (FOR) mit 8 kHz eine Stromreduzierung des Zwischenkreises bewirkt. Der Kondensatorstrom wurde über mehrere verschiedene Lastfälle gemittelt. Als Basisvariante (0 %) wurde eine reine mittenzentrierte Ansteuerung simuliert. Damit geben die nachstehenden Werte nur einen relativen Faktor an. Durch einen festen Messeingriff wurde der kritische Kondensatorstrom um 26,97 % erhöht. Erfolgt der Eingriff der Messung mit Phasenauswahl, so ergibt sich nur 20,8 % Erhöhung des Kondensatorstroms. Dieselbe Reduzierung ergibt sich zudem für den Summenstrom. Der Summenstrom stellt den effektiven Strom im Shunt 10 dar.
Nachstehend wird nunmehr auf die 15 bis 22 näher eingegangen. Bei der dort mittels der Schaltung der 1 erfolgenden Strommessung wird ein entsprechendes Taktmuster verwendet. Dieses Taktmuster wird aus Geräuschgründen mit jeder Pulsweitenmodulationsperiode (16 kHz) und nicht nur bei jedem Messeingriff (1 kHz) gestellt. Das Taktmuster erfolgt mit Phasenverschiebung in den einzelnen Phasen V und W, wie dies aus der 15 hervorgeht. Dabei erfolgt wiederum eine Aufteilung in eine Halbperiode A und eine Halbperiode B. Die Halbperiode B dient der Strommessung. Auch hier wird wiederum eine erste Messung und eine zweite Messung durchgeführt. Wird jedoch zur Messeingriffskompensation ein sehr großer Vektor erforderlich, so kann es vorkommen, dass das Taktmuster bei der Strommessung „zerstört" wird, da die Zeit innerhalb der Pulsweitenmodulations-Periode nicht mehr ausreicht, um diesen Vektor zu erstellen. Ein Beispiel dafür ist in 16 gezeigt.
Befindet sich der momentstellende Vektor auf der gegenüberliegenden Seite des Strommessvektors, das heißt wird Blindleistung erzeugt, so entstehen deutlich stärkere Gradienten bei der Erstellung der einzelnen Schaltzustände, da die Differenz zwischen dem momentstellenden Vektor und dem Strommessvektor (Halbperiode B) sehr groß ist.
Aus diesem Grunde erfolgt erfindungsgemäß eine Berücksichtigung der Position des momentstellenden Vektors (Winkelposition) in Bezug auf das zu stellende Taktmuster (Strommessmuster). Hier entstehen nunmehr sechs verschiedene Strommessmuster, die in Abhängigkeit der Winkelposition gestellt werden. Vorteilhaft ist dabei die Reduzierung des Blindstromanteils im Zwischenkreiskondensator 9 und im Gleichstromzwischenkreis 8. Ferner erfolgt eine bessere Ausreizung des verfügbaren Spannungsbereichs und somit eine erhöhte Effektivität. Es erfolgt eine Reduzierung der Gradienten im Phasenstrom und somit eine Reduzierung des so genannten Momentenrippels.
Ein Vergleich der 17 bis 22 zeigt, dass eine Auswahl des Strommessmusters in Abhängigkeit der Position der Kombination aus momentstellenden und feldbildenden Vektors – im Folgenden Phasenvektor genannt – getroffen werden kann. Vorzugsweise wird dieses Strommessmuster aus Geräuschgründen in jeder Pulsweitenmodulations-Periode gestellt, in dem sich der Phasenvektor innerhalb des eingerahmten Bereichs befindet. In den 18 bis 22 ist links jeweils ein Zeigerdiagramm und rechts dazu die jeweils zugehörige Pulsweitenmodulations-Periode dargestellt. Der eingerahmte Bereich stellt jeweils den Bereich des momentstellenden Vektors dar. In den 17 bis 22 wird in den zu dem Zeigerdiagramm zugehörigen Strommessmustern nur in Bezug auf die Halbperiode B ein Bezug zum Zeigerdiagramm hergestellt. In der Halbperiode A wird in Abhängigkeit der Position innerhalb des eingerahmten Bereichs im Zeigerdiagramm variiert.
Aus den 17 bis 22 wird deutlich, dass die Taktmuster unter Berücksichtung der momentanen Drehwinkelposition des Phasenvektors gewählt werden. Insbesondere rotiert der durch die Strommessung bewirkte Strommessvektor mit dem Phasenvektor. Hierdurch ergeben sich Stromreduzierungen im Zwischenkreis. Erfolgt der Eingriff komplett in Abhängigkeit des Drehfeldwinkels, so wird der Blindstrom nahezu vollständig reduziert. Diese Reduzierung ergibt sich zudem für den Summenstrom, der den effektiven Strom im Shunt 10 darstellt.
Während im Ausführungsbeispiel der 4 in der Teilperiode B in zwei Phasen jeweils eine Messung des durch den Shunt fließenden Stromes durchgeführt wird, ist gemäß 23 vorgesehen, dass die beiden Phasenströme mehrmals, beispielsweise n-mal abgetastet werden. In der 23 sind zwei Messungen der beiden Phasenströme pro PWM-Periode grafisch dargestellt. Es gilt dann die Beziehung, dass die minimale Phasenverschiebung sich nach folgender Gleichung ergibt:
Minimale Phasenverschiebung = minimale Totzeit T des Schaltelements, insbesondere minimale Totzeit T eines Brückenzweigs + minimale Einschwingzeit E der Messverstärkerschaltung + minimale Wandlungszeit W·(n – 1) + minimale Abtastzeit A des Analog-Digital-Wandlers, wobei n die Anzahl der Messungen eines Phasenstroms pro PWM-Periode darstellt. Unter der Wandlungszeit W des Analog-Digital-Wandlers ist eine komplette Wandlungszeit zu verstehen, die sich aus einer Abtastzeit eines Sample & Hold-Glieds und einer Umsetzzeit des Analog-Digital-Wandlers zusammensetzt. Aus der 23 geht hervor, dass in der Teilperiode B in Bezug auf die Strommessung einer ersten Phase die Messung 1.1 und die Messung 1.2 durchgeführt wird. Somit liegen zwei Strommessungen einer Phase in dieser Periode vor. In der sich anschließenden Zeitspanne erfolgt dann innerhalb der Teilperiode B dieser Periode die Messung 2.1 und 2.2, also zwei Strommessungen einer anderen Phase. Der jeweilige Strom in der dritten Phase wird dann nach den Kirchhofschen Gesetzen bestimmt.

Claims

Verfahren zur Strommessung mit einer Messverstärkerschaltung (12) und einem Analog-Digital-Wandler (11) in einem insbesondere mehrphasigen Stromnetz, bei dem durch mindestens ein steuerbares Schaltelement (4) eine gewünschte Bestromung eines elektrischen Verbrauchers (5) erfolgt und eine Steuereinheit auf das mindestens eine steuerbare Schaltelement (4) wirkende Ansteuersignale erzeugt, um die gewünschte Bestromung des Verbrauchers (5) zu erreichen, wobei Taktmustern der Ansteuersignale Messfenster zur Strommessung, insbesondere zur Messung von Phasenströmen, zugeordnet sind und Taktmuster zeitlich verschoben werden, um Messfenster ausreichender zeitlicher Größe zu erhalten, wobei sich eine minimale zeitliche Verschiebung aus der Summe von einer minimalen Totzeit des Schaltelements (4), insbesondere einer minimalen Totzeit eines Brückenzweigs (3), einer minimalen Einschwingzeit der Messverstärkerschaltung (13) und einer minimalen Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers (11) zusammensetzt.
Verfahren zur Strommessung, insbesondere nach Anspruch 1, in einem mehrphasigen Stromnetz, bei dem durch steuerbare Schaltelemente (4) eine gewünschte Bestromung eines elektrischen Verbrauchers (5) erfolgt und eine Steuereinheit auf die steuerbaren Schaltelemente (4) wirkende Ansteuersignale erzeugt, um die gewünschte Bestromung des Verbrauchers (5) zu erreichen, wobei Taktmustern der Ansteuersignale Messfenster zur Strommessung von Phasenströmen zugeordnet sind und Taktmuster zeitlich verschoben werden, um Messfenster ausreichender zeitlicher Größe zu erhalten, und wobei die Taktmuster unter Berücksichtigung einer Phasenauswahl für die Strommessung gewählt werden.
Verfahren zur Strommessung, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, in einem mehrphasigen, einen Phasenvektor aufweisenden Stromnetz, bei dem durch steuerbare Schaltelemente (4) eine gewünschte Bestromung eines elektrischen Verbrauchers (5) erfolgt und eine Steuereinheit auf die steuerbaren Schaltelemente wirkende Ansteuersignale erzeugt, um die gewünschte Bestromung des Verbrauchers (5) zu erreichen, wobei Taktmustern der Ansteuersignale Messfenster zur Strommessung von Phasenströmen zugeordnet sind und Taktmuster zeitlich verschoben werden, um Messfenster ausreichender zeitlicher Größe zu erhalten, und wobei die Taktmuster unter Berücksichtigung der momentanen Drehwinkelposition des Phasenvektors gewählt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Summe das Glied: (n – 1) minimale Wandlungszeit W des Analog-Digital-Wandlers additiv hinzukommt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ansteuersignale Pulsweitenmodulationssignale eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbraucher (5) ein insbesondere mehrphasiger Asynchronmotor (6) oder ein insbesondere mehrphasiger Permanentmagnet-Synchronmotor bestromt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in je einem Messfenster die Messung eines Phasenstromes des Verbrauchers (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltelemente (4) elektronische Bauteile, insbesondere Transistoren und/oder Thyristoren, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung des Verbrauchers (5) mit einer steuerbaren Brückenschaltung (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (1) eine B6-Brücke ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (1) von einem Gleichstromkreis, insbesondere einem Gleichstromzwischenkreis (8), gespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessung mittels Shunt (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenströme des Verbrauchers (5) gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenströme mit nur einem Shunt (10) gemessen werden, der in dem Gleichstromkreis angeordnet ist.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessung am Ende der Abtastzeit erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenauswahl derart erfolgt, dass eine durch die Strommessung erzeugte Abweichung von einem vorgegebenen Sollvektor zu Null oder möglichst klein wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Strommessung bewirkter Strommessvektor in seiner Phasenlage zur Minimierung der Abweichung ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Strommessung bewirkter Strommessvektor mit dem Phasenvektor rotiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3 oder Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenvektor aus der Kombination eines momentstellenden und feldbildenden Vektors resultiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (5) eine Sternschaltung aufweist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.