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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum programmgesteuerten Betrieb
eines Frequenzumrichters sowie eine entsprechende Vorrichtung, einen entsprechenden
Frequenzumrichter und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Frequenzumrichter
dienen dazu, eine Eingangswechselspannung mit einer festen oder
variablen Eingangsfrequenz in eine oder mehreren Ausgangsspannungen
mit fester Sollfrequenz umzuformen. Hierzu wird die Eingangswechselspannung durch
Gleichrichter in eine oder mehrere Gleichspannungen umgewandelt,
welche schließlich mit entsprechend ansteuerbaren Schaltelementen
in eine Sollwechselspannung umgeformt werden.
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Frequenzumrichter
arbeiten beispielsweise im Mittelspannungsbereich von 1 bis 20 kV
und werden insbesondere zum Betrieb von großen elektrischen
Verbrauchern für Schiffs- und Bahnantriebe, Pumpen und
Verdichter für Bergbau und Bohrinseln sowie zur Stromerzeugung
(z. B. Umrichter für Windkraftanlagen) verwendet.
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Aus
dem Stand der Technik sind viele verschiedene Vorrichtungen zur
Frequenzumrichtung bekannt. Häufig werden zur Frequenzumrichtung sog.
kaskadierte Vierquadranten-Steller eingesetzt, bei denen eine Mehrzahl
von Vierquadranten-Stellern, welche jeweils mit einer Gleichspannung
gespeist werden, in Reihe geschaltet wird.
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Die
kaskadierten Vierquadranten-Steller umfassen ansteuerbare Schaltelemente,
insbesondere Halbleiterschaltelemente, welche derart angesteuert werden,
dass eine erwünschte Wechselspannung aus den Gleichspannungen
generiert wird. Zur Ansteuerung von Vierquadranten-Stellern ist
es aus dem Stand der Technik bekannt, eine Pulsweiten-Modulation
zu verwenden, bei der mit fester Frequenz die einzelnen Steller
geschaltet werden und zur Generierung des erwünschten Spannungsverlaufs
die Länge der Ein- bzw. Ausschaltzeiten der Schaltelemente
variiert wird.
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In
der Druckschrift
US 6,005,788 ist
ein Verfahren zum Betrieb eines Frequenzumrichters mit kaskadierten
Vierquadranten-Stellern beschrieben, wobei die Zwischenkreisspannungen
der einzelnen Steller unterschiedlich sind (sog. asymmetrische Kaskade).
In diesem Verfahren wird nur der Steller mit der kleinsten Spannung
mit einer Pulsweiten-Modulation betrieben, und die weiteren Steller
werden über Komparatoren angesteuert. Dieses Verfahren ist
für symmetrische Kaskaden von Vierquadranten-Stellern mit
identischen Zwischenkreisspannungen nicht geeignet anwendbar.
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Die
Druckschrift
US 3,867,643 beschreibt
ein Schaltsystem zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom
mit einer Vielzahl von kaskadierten Stellern, wobei der Betrieb
der Steller über eine logische Steuerung erfolgt. Die Schaltkombinationen
der einzelnen Schaltelemente sind hierbei für jeden Zeitschritt
fest vorgegeben.
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Aus
der Druckschrift
US 5,625,545 ist
ein elektrischer Antrieb für einen Mittelspannungsmotor beschrieben,
wobei Pulsweiten-Modulation zur Erzeugung einer Sollwechselspannung
verwendet wird.
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In
den Druckschriften
US 5,642,255 und
US 5,933,339 sind weitere
Ausgestaltungen von Frequenzumrichtern mit kaskadierten Stellern
beschrieben.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Frequenzumrichter weisen den
Nachteil auf, dass in den Schaltanordnungen der Frequenzumrichter
die bei der Umrichtung vorgenommenen Schaltvorgänge fest
vorgegeben sind, ohne dass berücksichtigt wird, ob die
jeweiligen eingestellten Schaltkombinationen für den Betrieb
des Frequenzumrichters optimal sind. Darüber hinaus bieten
die bekannten Verfahren zum Betrieb von Frequenzumrichtern keine
geeignete Möglichkeit, die Schaltfrequenzen der einzelnen Schaltelemente
möglichst gering zu halten, um hierdurch Schaltverluste
zu vermeiden und einen hohen Wirkungsgrad des Frequenzumrichters
zu erreichen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum programmgesteuerten Betrieb eines Frequenzumrichters zu schaffen,
bei denen eine verbesserte Ansteuerung der Schaltelemente zur Erreichung
einer guten Ausgangssignalqualität und eines hohen Wirkungsgrads gewährleistet
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen definiert.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Frequenzumrichter
betrieben, der wenigstens eine durch eine oder mehrere Gleichspannungen
gespeiste Schaltanordnung umfasst, welche zur Erzeugung einer durch
einen Steuersignalverlauf vorgegebenen Ausgangsspannung dient und
welche eine Vielzahl von ansteuerbaren Schaltelementen beinhaltet.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Mehrzahl
von Schaltkombinationen ermittelt und/oder aus einem Speicher ausgelesen,
wobei diese Schaltkombinationen in der wenigstens einen Schaltanordnung
einstellbar sind. Im Falle, dass die Mehrzahl von einstellbaren
Schaltkombinationen aus einem Speicher ausgelesen wird, ist die
Hinterlegung der einstellbaren Schaltkombinationen in dem Speicher
ein vor der eigentlichen Durchführung des Verfahrens vorgenommener
Vorschritt. Entscheidend ist somit, dass in dem erfindungsgemäßen
Verfahren auf eine Mehrzahl von einstellbaren Schaltkombinationen
zugegriffen werden kann.
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Eine
Schaltkombination ergibt sich dabei aus jeweiligen Schaltzuständen
der Schaltelemente in der wenigstens einen Schaltanordnung, und
jeder Schaltkombination ist eine Ausgangsspannung zugeordnet, welche
die durch die Schaltkombination in der wenigstens einen Schaltanordnung
erzeugte Ausgangsspannung ist. Während des Betriebs des
Frequenzumrichters wird in zeitlichen Abständen jeweils aus
dem aktuellen Steuersignal des Steuersignalverlaufs ein Sollwert
der in der wenigstens einen Schaltanordnung zur erzeugenden Ausgangsspannung
ermittelt, wobei aus der Mehrzahl von einstellbaren Schaltkombinationen
unter Berücksichtigung der den Schaltkombinationen zugeordneten
Ausgangsspannungen eine Schaltkombination in Abhängigkeit
von dem Sollwert ausgewählt wird. Diese ausgewählte Schaltkombination
wird schließlich in der wenigstens einen Schaltanordnung
durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente eingestellt.
Der Schritt des Einstellens der ausgewählten Schaltkombination ist
dahingehend zu verstehen, dass nur im Falle, dass die neu ausgewählte
Schaltkombination von der zuletzt ausgewählten Schaltkombination
abweicht, ein Schaltvorgang vorgenommen wird. Ansonsten wird kein
Schaltvorgang durchgeführt und die Schaltkombination beibehalten.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf,
dass während des Betriebs des Frequenzumrichters aus den
zur Verfügung stehenden Schaltkombinationen die gemäß einem
Sollsignal am besten geeignete Schaltkombination ausgewählt wird.
Die Erfinder konnten nachweisen, dass durch eine derartige Auswahl
der Schaltkombinationen in Abhängigkeit von einem aktuellen
Sollwert Ausgangsspannungen mit niedriger Verzerrung erreicht werden
können. Insbesondere sind die Schaltfrequenzen der einzelnen
Schaltelemente bei gleicher Frequenz des erzeugten Ausgangssignals
wesentlich niedriger als bei bekannten Verfahren.
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In
einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfassen die Mehrzahl von einstellbaren Schaltkombinationen alle
möglichen Kombinationen von jeweiligen Schaltzuständen
der Schaltelemente. In einer bevorzugten Variante werden jedoch
nur diejenigen Schaltkombinationen ermittelt bzw. aus dem Speicher
ausgelesen, deren zugeordnete Ausgangsspannung nicht auf Gleichspannungen
unterschiedlicher Polarität basiert. Schaltkombinationen,
bei denen die Ausgangsspannung durch Gleichspannungen unterschiedlicher
Polarität erzeugt wird, sind sog. subtraktive Schaltzustände,
welche unerwünscht sind, da sie zu einer wirkungsgradmindernden
Leistungszirkulation zwischen den Schaltelementen führen.
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In
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens entspricht der Sollwert der in der wenigstens einen Schaltanordnung
zu erzeugenden Ausgangsspannung dem aktuellen Steuersignal oder
der Sollwert wird derart ermittelt, dass das aktuelle Steuersignal
um einen Fehler korrigiert wird, der sich aus der Differenz zwischen
dem zu einem vorhergehenden Zeitpunkt vorliegenden Sollwert und
der Ausgangsspannung der zu dem vorhergehenden Zeitpunkt ausgewählten
Schaltkombination ergibt. Der vorhergehende Zeitpunkt ist dabei
vorzugsweise der unmittelbar vor dem aktuellen Zeitpunkt liegende
Zeitpunkt, zu dem eine Schaltkombination ausgewählt wurde.
Auf diese Weise wird eine effiziente Fehlerausregelung gewährleistet,
mit der größere Abweichungen zwischen Steuersignal
und Istsignal der Ausgangsspannung kompensiert werden können.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird bei
der Auswahl. der Schaltkombination aus der Mehrzahl von Schaltkombinationen
diejenige Schaltkombination ausgewählt, deren zugeordnete
Ausgangsspannung die kleinste Abweichung von dem Sollwert aufweist.
Es ist jedoch auch möglich, dass bei der Auswahl der Schaltkombination
aus der Mehrzahl von Schaltkombinationen ferner ein Toleranzwert
berücksichtigt wird, wobei die zuletzt ausgewählte
Schaltkombination als neue Schaltkombination ausgewählt
wird, wenn die Abweichung der Ausgangsspannung der zuletzt ausgewählten
Schaltkombination von dem Sollwert kleiner als der Toleranzwert
ist, und ansonsten diejenige Schaltkombination ausgewählt
wird, deren zugeordnete Ausgangsspannung die kleinste Abweichung von
dem Sollwert aufweist. Mit Hilfe des Toleranzwerts wird ein Wechsel
zwischen quasiredundanten Zuständen durch geeignete Wahl
des Toleranzwertes verhindert, wodurch die Schaltfrequenz weiter
erniedrigt wird. Bei quasiredundanten Zuständen handelt
es sich um Zustände in der wenigstens einen Schaltanordnung,
die aus unterschiedlichen Schalt kombinationen resultieren, jedoch
im Wesentlichen die gleiche Ausgangsspannung erzeugen. Je nach Anwendungsfall
kann der Toleranzwert beliebig gewählt werden, beispielsweise
kann er zwischen 5% und 15%, vorzugsweise bei im Wesentlichen 10%, der
maximal in der wenigstens einen Schaltanordnung erreichbaren Ausgangsspannung
liegen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann die Schaltfrequenz der Schaltelemente dadurch begrenzt
werden, dass bei der Auswahl der Schaltkombination aus der Mehrzahl
von Schaltkombinationen nur solche Schaltkombinationen berücksichtigt
werden, zu deren Einstellung Schaltelemente geschaltet werden, welche
seit mehr als einer vorgegebenen Anzahl von vorhergehenden Zeitpunkten
nicht mehr geschaltet wurden. Dies kann beispielsweise durch die
Verwendung eines entsprechenden Sperrzählers erreicht werden,
wie in der speziellen Beschreibung der Erfindung erläutert
ist. Die vorgegebene Anzahl von vorhergehenden Zeitpunkten ist hierbei
vorzugsweise derart gewählt, dass die Schaltfrequenzen
der Schaltelemente unterhalb einer Maximalfrequenz bleiben, welche
zu einer Zerstörung der Schaltelemente führen
würde, insbesondere zu einer unmittelbaren Zerstörung
der Schaltelemente. Eine solche Frequenz ist beispielsweise die
hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannte Burstfrequenz,
welche teilweise bei den Charakteristika von Halbleiterschaltern
angegeben wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die zeitlichen Abstände, zu denen eine
Schaltkombination ausgewählt und eingestellt wird, durch
eine Modulationsfrequenz vorgegeben. Diese Modulationsfrequenz ist hierbei
entkoppelt von der Schaltfrequenz der Schaltelemente und wird üblicherweise
wesentlich höher als diese Schaltfrequenz gewählt.
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In
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird nach dem Einstellen der ausgewählten Schaltkombination
in der wenigstens einen Schaltanordnung die Schaltfrequenz zumindest
eines Teils der Schaltelemente ermittelt, insbesondere von denjenigen
Schaltelementen, welche ihren Schaltzustand beim letz ten Einstellen
der ausgewählten Schaltkombination verändert haben.
Vorzugsweise wird dabei überprüft, ob die ermittelte Schaltfrequenz
des zumindest einen Teils der Schaltelemente eine Frequenzobergrenze überschreitet, wobei
beim Überschreiten der Frequenzobergrenze die beim letzten
Einstellen der ausgewählten Schaltkombination geschalteten
Schaltelemente für eine vorbestimmte Anzahl an zukünftigen
Zeitpunkten nicht mehr geschaltet werden. Auf diese Weise wird ein
weiterer Mechanismus geschaffen, um die Schaltfrequenz der Schaltelemente
geeignet zu begrenzen. Die Frequenzobergrenze ist hierbei vorzugsweise
niedriger als die im Vorangegangenen erwähnte Burstfrequenz.
Es handelt sich vorzugsweise um eine Frequenz, welche bei längerfristigem
Betrieb zu einer Beschädigung der Schaltelemente führt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
umfasst die wenigstens eine Schaltanordnung des Frequenzumrichters
einen Vierquadranten-Steller, dessen Aufbau hinlänglich aus
dem Stand der Technik bekannt ist. Vorzugsweise wird die wenigstens
eine Schaltanordnung aus kaskadierten Vierquadranten-Stellern gebildet,
bei denen mehrere Vierquadranten-Steller zur Erzeugung einer Vielzahl
von Stufen von Ausgangsspannungen in Reihe geschaltet sind. Diese
kaskadierte Anordnung der Vierquadranten-Steller kann eine hybride
oder eine nicht-hybride Anordnung sein. Bei der hybriden Anordnung
werden unterschiedliche Schaltelemente in den einzelnen Vierquadranten-Stellern verwendet,
wohingegen in der nicht-hybriden Anordnung in allen Stellern die
gleichen Schaltelemente eingesetzt werden. Die kaskadierte Anordnung
kann ferner eine symmetrische oder asymmetrische Anordnung sein.
Bei der asymmetrischen Konfiguration unterscheiden sich die Gleichspannungen
der einzelnen Stufen der Kaskade, wohingegen bei der symmetrischen
Anordnung für jede Stufe die identische Gleichspannung
verwendet wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise
in Frequenzumrichtern für ein- und mehrphasige, insbesondere
dreiphasige, Antriebs- oder Generatorsysteme verwendet, wobei jeder
Phase des Antriebs- bzw. Generatorsystems eine Schaltanord nung zugeordnet
ist. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße
Verfahren zur Steuerung von Frequenzumrichtern im Mittelspannungsbereich
von 1 bis ca. 20 kV.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in
einem Frequenzumrichter eingesetzt, der Leistungs-Halbleiterbauelemente
als Schaltelemente umfasst, insbesondere IGBTs (IGBT = Insulated
Gate Bipolar Transistor), IGCTs (IGCT = Integrated Gate Commutated
Thyristor), MOSFETs (MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor), GTOs (GTO = Gate Turn-Off Thyristor) und dergleichen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden ferner die eine oder mehreren Gleichspannungen,
mit denen die wenigstens eine Schaltanordnung gespeist wird, gemessen
und auf der Basis der gemessenen Gleichspannungen wird die Mehrzahl
von einstellbaren Schaltkombinationen mit den zugeordneten Ausgangsspannungen
ermittelt. Hierdurch werden oftmals vorkommende Schwankungen in
den Gleichspannungen bei der Ermittlung der Ausgangsspannungen der
Schaltkombinationen mit berücksichtigt. Vorzugsweise erfolgt
die Messung der einen oder mehreren Gleichspannungen in vorgegebenen
zeitlichen Abständen, wobei nach jeder Messung die Mehrzahl
von einstellbaren Schaltkombinationen mit den zugeordneten Ausgangsspannungen
auf der Basis der gemessenen Gleichspannungen neu ermittelt wird.
Ggf. kann die Mehrzahl von einstellbaren Schaltkombinationen jedoch
auch auf der Basis von Vorgabewerten für die eine oder
die mehreren Gleichspannungen ermittelt werden, wobei die Vorgabewerte
insbesondere die im Idealbetrieb erwarteten Gleichspannungen sind.
In diesem Fall können die Schaltkombinationen mit den zugeordneten
Ausgangsspannungen ggf. auch nur einmal zu Beginn des Verfahrens
bestimmt werden.
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Insbesondere
in der Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Schaltkombinationen
auf der Basis von gemessenen Gleichspannungen bestimmt werden, wird
die Mehrzahl von einstellbaren Schaltkombinationen in den gleichen
zeitlichen Abständen ermittelt, zu denen Schaltkombinationen
in der wenigstens einen Schaltanord nung ausgewählt werden, wobei
in diesen zeitlichen Abständen vorzugsweise auch die Gleichspannungen
gemessen werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens können in dem Verfahren auftretende Überströme
bzw. Überspannungen durch geeignete Mittel detektiert werden.
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Neben
dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine
Vorrichtung zum programmgesteuerten Betrieb eines Frequenzumrichters,
umfassend wenigstens eine durch eine oder mehrere Gleichspannungen
gespeiste Schaltanordnung zur Erzeugung einer durch einen Steuersignalverlauf
vorgegebenen Ausgangsspannung, wobei die wenigstens eine Schaltanordnung
eine Vielzahl von ansteuerbaren Schaltelementen umfasst, wobei die
Vorrichtung durch folgende Einrichtungen charakterisiert ist:
- – eine Schaltkombinations-Ermittlungs-
und/oder Schaltkombinations-Speicher-Einrichtung zum Ermitteln und/oder
Speichern einer Mehrzahl von einstellbaren Schaltkombinationen,
wobei sich eine Schaltkombination aus jeweiligen Schaltzuständen
der Schaltelemente in der wenigstens einen Schaltanordnung ergibt
und wobei einer Schaltkombination eine Ausgangsspannung zugeordnet
ist, welche die durch die Schaltkombination in der wenigstens einen
Schaltanordnung erzeugte Ausgangsspannung ist;
- – eine Schaltkombinations-Auswahl-Einrichtung, mit
der in zeitlichen Abständen jeweils aus dem aktuellen Steuersignal
des Steuersignalverlaufs ein Sollwert der in der wenigstens einen
Schaltanordnung zu erzeugenden Ausgangsspannung ermittelbar ist,
wobei aus der Mehrzahl von einstellbaren Schaltkombinationen unter
Berücksichtigung der den Schaltkombinationen zugeordneten
Ausgangsspannungen eine Schaltkombination in Abhängigkeit
von dem Sollwert auswählbar ist;
- – eine Schaltelement-Einstell-Einrichtung, mit der die
ausgewählte Schaltkombination in der wenigstens einen Schaltanordnung
durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente einstellbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist hierbei vorzugsweise
derart ausgestaltet, dass ein Verfahren nach jeder der oben beschriebenen
Varianten der Erfindung durchführbar ist. Insbesondere
kann die Vorrichtung analog zum Verfahren für beliebige Arten
von Frequenzumrichtern, vorzugsweise für Frequenzumrichter
mit kaskadierten Vierquadranten-Stellern, eingesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf beliebige
Art und Weise realisiert werden, beispielsweise durch eine oder
mehrere programmierte Logiken und/oder durch einen oder mehrere
Mikrorechner. Neben der soeben beschriebenen Vorrichtung umfasst
die Erfindung ferner auch einen Frequenzumrichter, in dem diese
Vorrichtung enthalten ist.
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Die
Erfindung betrifft darüber hinaus ein Computerprogrammprodukt
mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten
Programmcode zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten
Figuren detailliert beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Multi-Level-Frequenzumrichters mit
kaskadierten Vierquadranten-Stellern, zu dessen Steuerung das erfindungsgemäße
Verfahren verwendet wird;
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2 ein
schematisches Ablaufdiagramm, welches die in einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführten
Schritte verdeutlicht; und
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3 und 4 schematische
Schaltdiagramme, welche das Auftreten von quasiredundanten und subtraktiven
Schaltkombinationen in kaskadierten Vierquadranten-Stellern verdeutlicht.
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1 zeigt
einen Frequenzumrichter mit kaskadierten Vierquadranten-Stellern,
der zur Speisung eines dreiphasigen Motors eingesetzt wird. Die drei
Phasen des Motors sind hierbei durch entsprechende Spulen L1, L2
und L3 angedeutet. Jede dieser Phasen wird mit einer dreistufigen
Kaskade von Vierquadranten-Stellern 4Q gespeist, wobei
der genaue Aufbau von jedem Steller im unteren Teil der 1 innerhalb
eines gestrichelten Rechtecks wiedergegeben ist. Jeder Vierquadranten-Steller 4Q wird
durch eine Gleichspannung UDC gespeist,
wobei diese Spannungen auch als Zwischenkreisspannungen bezeichnet
werden und von einem (nicht gezeigten) Gleichrichter stammen, der
die Netzwechselspannung in die Gleichspannungen Um umwandelt. Jeder
Vierquadranten-Steller verfügt über vier miteinander
verschaltete Transistoren T1, T2, T3 und T4, wobei die Transistoren
beispielsweise IGBTs oder beliebige andere Halbleiterschaltelemente,
wie z. B. GTOs oder MOSFETs sind. Die Ansteuerung der einzelnen
Transistoren erfolgt über die entsprechenden Gates G1,
G2, G3 und G4 durch entsprechende Vier-Bit-Leitungen B, wobei in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen
nur die Vier-Bit-Leitungen der linken dreistufigen Kaskade des Frequenzumrichters
mit diesen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Jeder
Vierquadranten-Steller kann durch entsprechende Ansteuerung der
Gates G1 bis G4 so geschaltet werden, dass seine Spannung UDC mit positiver oder negativer Polarität
zur Speisung der Phase des Motors beiträgt. In Schaltzuständen,
in denen UDC dem Motor zugeführt
wird, sind die beiden Paare von diagonal gegenüberliegenden
Transistoren T1 und T4 bzw. T2 und T3 in unterschiedlichen Schaltzuständen,
wobei die Transistoren des Paars selbst die gleichen Schaltzustände
(Ein oder Aus) aufweisen. Ebenso kann der Vierquadranten-Steller
so geschaltet werden, dass die Spannung UDC nicht
zur Speisung des Motors beiträgt. In diesem Fall sind die Paare
von gegenüberliegenden Transistoren T1 und T3 bzw. T2 und
T4 jeweils in unterschiedlichen Schaltzuständen, wobei
die Transistoren des Paars selbst wiederum die gleichen Schaltzustände
aufweisen. In dem Frequenzumrichter der 1 können
somit für jede Phase des Motors Spannungen mit den Werten
-3UDC, -2UDC, -UDC, 0, UDC, 2UDC und 3UDC erzeugt
werden.
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Der
bis hierhin beschriebene Aufbau des Frequenzumrichters der 1 entspricht
dem gängigen Aufbau eines Frequenzumrichters nach dem Stand
der Technik. Zur Ansteuerung der Phasen des Motors werden nach dem
Stand der Technik die einzelnen Steller 4Q mit einer Pulsweiten-Modulation mit
fester Frequenz betrieben. Bei dieser Modulation ist die Schaltfrequenz
jedes Vierquadranten-Stellers fest vorgegeben und der zu erzeugende
Spannungsverlauf wird durch Variation der Länge der Ein-
und Abschaltzeiten der Transistoren generiert. Aufgrund der festen
Abtastzeitpunkte bei der Pulsweiten-Modulation wird die Dynamik
des Frequenzumrichters bei der Verwendung von niederfrequent schaltenden Bauelementen,
bei denen Schaltvorgänge nur in großen zeitlichen
Abständen durchgeführt werden können,
stark begrenzt. Ein weiterer Nachteil der Ansteuerung durch Pulsweiten-Modulation
besteht darin, dass quasiredundante bzw. subtraktive Schaltkombinationen
in dem Frequenzumrichter auftreten können. Quasiredundante
Zustande sind für eine dreistufige Kaskade von Vierquadranten-Stellern
in 3 gezeigt, wohingegen das Auftreten von subtraktiven
Zuständen in 4 verdeutlicht ist. Die in diesen
Figuren gezeigten Vierquadranten-Steller werden mit Spannungen U_DC1,
U_DC2 und U_DC3 betrieben, wobei diese drei Spannungen jeweils den
gleichen Spannungswert UDC aufweisen. In dem
Schaltzustand im linken Teil der 3 tragen zur
Lastspannung U_Load nur die Zwischenkreisspannungen U_DC1 und U_DC2
bei, welche gleiche Polarität aufweisen. Es ergibt sich
somit die Gesamtspannung 2 UDC für
diesen Schaltzustand. Die im Wesentlichen gleiche Spannung wird
auch in dem Schaltzustand im rechten Teil der 3 erzeugt,
wobei nunmehr zur Lastspannung U_Load jedoch die Spannungen U_DC2
und U_DC3 beitragen. Die beiden Schaltzustände in 3 sind
somit quasiredundante Zustände, bei denen die Steller zwar
unterschiedlich geschaltet sind, jedoch die gleiche Spannung erzeugen.
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4 verdeutlicht
das Auftreten von subtraktiven Zuständen. Bei diesen Zuständen
weisen zumindest zwei der Zwischenkreisspannungen unterschiedliche
Polarität auf. In dem subtraktiven Zustand im linken Teil
der 4 haben U_DC1 und U_DC2 die gleiche Polarität
und U_DC3 ist mit entgegengesetzter Polarität geschaltet.
Es ergibt sich somit als Gesamtspannung U_Load = U_DC1 + U_DC2 – U_DC3
= UDC. Im rechten Teil der 4 ist
zum Vergleich ein nicht subtraktiver Zustand wiedergegeben, bei
dem alle Spannungen mit gleicher Polarität geschaltet sind,
so dass sich die Gesamtspannung wie folgt zusammensetzt: U_Load
= U_DC1 + U_DC2 + U_DC3 = 3UDC.
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Wie
bereits erwähnt wurde, können bei der Ansteuerung
der Vierquadranten-Steller durch Pulsweiten-Modulation gemäß dem
Stand der Technik quasiredundante und subtraktive Zustände
nicht vermieden werden. Jedoch sollte der Wechsel zwischen quasiredundanten
Zuständen in kaskadierten Stellern unterbunden werden,
denn es handelt sich hierbei um unnötige Schaltvorgänge,
bei denen die Gesamtspannung nicht verändert wird. Ebenso
sollte das Einnehmen subtraktiver Zustände unterbunden werden,
da diese Zustände zu einer wirkungsgradmindernden Leistungszirkulation
zwischen den Stellern untereinander führt.
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Die
nachfolgend anhand von 2 erläuterte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht
u. a. die Vermeidung der soeben beschriebenen quasiredundanten und
subtraktiven Zustände. Das Verfahren wird hierbei durch
einen entsprechenden Modulator M (siehe 1) realisiert, mit
dem die einzelnen Vier-Bit-Leitungen B angesteuert werden. Der Modulator
M empfängt hierbei ein zeitlich variierendes Steuersignal
CS, dessen Verlauf die im Motor zu erzeugende Wechselspannung wiedergibt.
Der Modulator M ist beispielsweise als Mikrorechner ausgestaltet.
Er kann gegebenenfalls auch als programmierte Logik in der Form
eines FPGA (FPGA = Field Programmable Gate Array) realisiert sein.
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Die
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens nach 2 wird anhand der Steuerung
einer Kaskade von mehreren Stellern erläutert. Das Verfahren
läuft in Modulationszyklen ab, wobei ein Modulationszyklus
durch eine Modulationsfrequenz vorgegeben ist und damit beginnt,
dass mögliche Schaltkombinationen der Steller in der Kaskade mit
den dazugehörigen Ausgangsspannungen berechnet werden.
Ggf. können diese Schaltkombinationen mit den entsprechenden
Ausgangsspannungen auch vorab in einem Speicher hinterlegt sein.
Dabei wird in einem (optionalen) ersten Schritt S1 zunächst abgefragt,
ob bei der Durchführung des Verfahrens subtraktive Zustände
berücksichtigt werden sollen oder ob diese von vornherein
nicht als mögliche Schaltkombinationen auftreten sollen.
Die Festlegung, ob subtraktive Zustände verwendet werden sollen,
erfolgt vor der Abfrage in Schritt S1 in einem vorgeschalteten Schritt,
in dem beispielsweise ein Bediener über eine entsprechende
Benutzerschnittstelle entscheidet, ob das Verfahren mit oder ohne Berücksichtigung
von subtraktiven Zuständen ablaufen soll. Sollte die Benutzung
von subtraktiven Zuständen festgelegt sein (Zweig Y = Ja),
werden in Schritt S2 die möglichen Schaltkombinationen
mit zugeordneten Ausgangsspannungen inklusive der subtraktiven Zustande
berechnet. Im Falle, dass subtraktive Zustände nicht berücksichtigt
werden sollen (Zweig N = Nein), werden in Schritt S3 die möglichen Schaltkombinationen
mit zugeordneten Ausgangsspannungen exklusive der subtraktiven Zustände
ermittelt. Zur Ermittlung der Ausgangsspannungen der Schaltkombinationen
werden die Zwischenkreisspannungen der einzelnen Steller gemessen
und aus diesen gemessenen Spannungen wird dann für jede Schaltkombination
die sich ergebende Ausgangsspannung berechnet. Hierdurch wird berücksichtigt, dass
die Zwischenkreisspannungen im Betrieb unter Umständen
stark variieren können. Die Messung der Zwischenkreisspannungen
kann dabei in jedem Modulationszyklus neu erfolgen. Ggf. können
jedoch auch Vorgabewerte für die Zwischenkreisspannungen
zur Ermittlung der Ausgangsspannungen der Schaltzustände
verwendet werden. In diesem Fall müssen die Ausgangsspannungen
der Schaltzustände nur einmal ermittelt werden, und die
Schritte S2 und S3 brauchen nicht für jeden Modulationszyklus wiederholt
werden.
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Nach
der Ermittlung der Schaltkombinationen in Schritt S2 bzw. S3 wird
in Schritt S4 für jeden Steller der Kaskade ein Sperrzähler
um eins dekrementiert. Der Sperr zähler dient hierbei dazu,
die Schaltfrequenz der einzelnen Steller zu begrenzen, da die Schaltelemente
in den Stellern immer nur mit einer bestimmten Maximalfrequenz betrieben
werden können. Auf diese Weise wird die Beschädigung bzw.
Zerstörung von Schaltelementen im Frequenzumrichter vermieden.
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Nach
der Dekrementierung der Sperrzähler in jedem Steller werden
daraufhin alle Schaltkombinationen markiert, welche aufgrund des
Sperrzählers gesperrt sind (Schritt S5). Dies sind diejenigen Schaltkombinationen,
welche aus der aktuellen Schaltkombination dadurch hervorgehen,
dass zumindest ein Steller geschaltet wird, dessen Sperrzähler
größer Null ist. Die markierten Schaltkombinationen
werden in dem aktuellen Modulationszyklus nicht mehr als mögliche
Schaltkombinationen berücksichtigt.
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In
Schritt S6 werden quasiredundante Zustände derart berücksichtigt,
dass ein Schalten von einer Schaltkombination zu einer anderen Schaltkombination
mit im Wesentlichen gleicher Ausgangsspannung vermieden wird. Es
wird hierzu ein positiver Toleranzwert TV vorgegeben und es wird überprüft,
ob die Differenz zwischen der Ausgangsspannung der aktuellen Schaltkombination
und einem Sollwert SV betragsmäßig kleiner als
der Toleranzwert TV ist. Ist dies der Fall, wird die aktuelle Schaltkombination
in Schritt S7 auch als die neue Schaltkombination ausgewählt,
d. h. die die aktuelle Schaltkombination wird beibehalten. Sollte
die Differenz zwischen der Ausgangsspannung der aktuellen Schaltkombination
und dem Sollwert SV betragsmäßig größer
oder gleich dem Toleranzwert TV sein, wird in Schritt S7 aus den
Schaltkombinationen diejenige Schaltkombination ausgewählt,
deren Ausgangsspannung am nächsten am Sollwert SV liegt.
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Die
mit der in Schritt S7 ausgewählten Schaltkombination erzeugte
Ausgangsspannung wird als neuer Istwert IVN abgespeichert.
Ebenso wird der Fehler zwischen dem aktuellen Sollwert SV und dem
neuen Istwert IVN, d. h. die Differenz zwischen SV
und IVN, als Fehler EN abgespeichert.
Der im vorangegangenen Modulationszyklus ermittelte alte Fehler
EO zwischen vorangegangenem Sollwert und vorangegan genem
Istwert wurde dabei in Schritt S9, der vor Schritt S6 und S7 durchgeführt
wird, zur Berechnung des Sollwerts SV verwendet. Der Sollwert SV
wird dabei als Differenz aus aktuellem Steuersignalwert CSV und
altem Fehler EO bestimmt, wodurch eine Fehlerausregelung
erreicht wird. Der in Schritt S9 bestimmte Sollwert SV ist somit
derjenige Wert, der in Schritten S6 und S7 als Vergleichsgröße
herangezogen wird.
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Nach
der Bestimmung der geeigneten Schaltkombination in Schritt S7 werden
nunmehr alle Sperrzähler derjenigen Steller, deren Schaltelemente ihren
Schaltzustand in der neuen ausgewählten Schaltkombination
gegenüber der vorangegangenen Schaltkombination verändern,
um einen ganzzahligen Wert größer eins inkrementiert
(Schritt S10). Auf diese Weise wird eine Begrenzung der Schaltfrequenz
der einzelnen Steller erreicht. Durch dieses Inkrementieren wird
die maximale Schaltfrequenz eines Stellers auf einen ganzzahligen
Bruchteil der Modulationsfrequenz eingestellt. Insbesondere wird
das Inkrement für den Sperrzähler derart gewählt,
dass nach einem erfolgten Schaltvorgang für den gerade geschalteten
Steller eine Wartezeit für den nächsten Schaltvorgang
des Stellers auftritt, die das Überschreiten einer vorgegebenen
Frequenzobergrenze für die Schaltelemente des jeweiligen
Stellers verhindert. Die Obergrenze der Schaltfrequenz entspricht hierbei
insbesondere der sog. Burstfrequenz, welche eine für Halbleiterbauelemente
festgelegte Maximalfrequenz ist, bei deren (auch nur kurzzeitigem) Überschreiten
das Bauelement zerstört wird.
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In
Schritt S11 wird nunmehr die neue, in Schritt S7 ausgewählte
Schaltkombination durch entsprechendes Ansteuern der Schaltelemente
des Frequenzumrichters geschaltet. In einer weiteren Abfrage in
Schritt S12 wird überprüft, ob die aktuelle Schaltfrequenz
der einzelnen Steller eine weitere, zweite Obergrenze überschreitet.
Diese Obergrenze ist eine Frequenzobergrenze, welche niedriger als die
Burstfrequenz ist, wobei jedoch bei längerfristigem Betrieb
eines Schaltelements des Stellers mit einer Frequenz über
dieser zweiten Obergrenze auch eine Zerstörung des Schaltelements
auftritt. Sollte somit in Schritt S12 festgestellt werden, dass
diese zweite Obergrenze durch eine Schaltfrequenz eines der Steller
des Frequenzumrichters ü berschritten wird (Zweig Y = Ja),
wird auch in diesem Fall in Schritt S13 der Sperrzähler
um ein vorgegebenes Inkrement größer eins hochgesetzt,
um die entsprechende Schaltfrequenz zu begrenzen. Nach Durchlaufen
der Schritte S1 bis S13 ist ein Modulationszyklus des erfindungsgemäßen
Modulators durchlaufen worden, so dass der nächste Modulationszyklus wieder
mit Schritt S1 gestartet wird.
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Das
soeben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren
weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird das Auftreten
von quasiredundanten und wirkungsgradmindernden subtraktiven Zuständen
vermieden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wird aus den zur Verfügung stehenden Schaltkombinationen
durch ein entsprechendes programmgesteuertes Mittel der am besten
geeignete Folgeschaltzustand des aktuellen Schaltzustands gewählt. Dabei
kann durch die Verwendung eines entsprechenden Sperrzählers
die Einhaltung von Schaltfrequenzobergrenzen gewährleistet
werden. Die Modulationsfrequenz des Verfahrens ist hierbei wesentlich höher
als die Schaltfrequenzen der einzelnen Steller. Dies ergibt sich
aus der Eigenschaft, dass die Wahl des Schaltzeitpunkts nicht an
eine feste Frequenz gekoppelt ist, wie es bei der Pulsweiten-Modulation gemäß dem
Stand der Technik der Fall ist. Es kann hierdurch eine maximale
Dynamik des zu erzeugenden Ausgangssignals bei minimaler Schaltfrequenz und
somit maximalem Wirkungsgrad erreicht werden.
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Durch
die Beschränkung der Schaltfrequenzen der Schaltelemente
für alle Stufen eines kaskadierten Frequenzumrichters ist
es nunmehr möglich, Halbleiterbauelemente zu verwenden,
die bis heute nicht für hochdynamische Anwendungen in Frequenzumrichtern
nutzbar sind, da sie nur für mittlere Schaltfrequenzen
von etwa 500 Hz geeignet sind. Durch die Erfindung wird es somit
möglich, Halbleiterbauelemente mit niedrigen Schaltfrequenzen
auch für hochdynamische Servo-Antriebe im Mittelspannungsbereich
nutzbar zu machen. Im Vergleich zu einer einfachen Pulsweiten-Modulation
sinkt in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Filteraufwand
für die Ausgangsspannungen, da von vornherein ein geringerer
Oberwellenanteil vorliegt. Diese Eigenschaft ist besonders für
Anwendungen wichtig, in denen hohe Anforderungen an die Qualität
von Ausgangsspannungen und Ausgangsströmen gestellt wer den, beispielsweise
in Schiffantrieben. Durch die niedrigen Schaltfrequenzen der Schaltelemente
in der erfindungsgemäßen Modulation wird die Einhaltung von
EMV-Richtlinien (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit)
vereinfacht, da weniger Schaltflanken entstehen.
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Die
in 2 beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wurde von den Erfindern durch Simulationen getestet.
In den Simulationen wurde ein dreistufiger Frequenzumrichter mit
einer Signalfrequenz von 50 Hz betrieben, und die Ergebnisse des
erfindungsgemäßen Modulationsverfahrens wurden
mit entsprechend simulierten Ergebnissen der bekannten Pulsweiten-Modulation verglichen.
Es konnte festgestellt werden, dass der mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren betriebene Frequenzumrichter einen bis zu zehnfach geringer verzerrten
Ausgangsstrom erzeugt. Dieses Ergebnis wurde bei einem Frequenzumrichter
mit asymmetrischer Zwischenkreiskonfiguration (d. h. mit unterschiedlichen
Zwischenkreisspannungen der einzelnen Steller) ermittelt. Bei symmetrischer
Konfiguration der Steller (d. h. mit gleichen Zwischenkreisspannungen
aller Steller) wurde der Strom, der in dem gemäß der
Erfindung betriebenen Frequenzumrichter gemessen wurde, nur halb
so stark verzerrt wie im pulsweiten-modulierten Betrieb des Frequenzumrichters
nach dem Stand der Technik. Dabei betrug die durchschnittliche Schaltfrequenz
für den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gesteuerten Frequenzumrichter nur zwei Drittel der Schaltfrequenz
des pulsweiten-modulierten Frequenzumrichters.
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Der
anhand von 1 erläuterte Frequenzumrichter
wurde in Bezug auf die Steuerung eines dreiphasigen Motors beschrieben.
In analoger Weise kann der Frequenzumrichter auch zum Betrieb eines Generators
eingesetzt werden, bei dem die durch den Generator erzeugte Spannung
in eine Spannung umgewandelt wird, die in das Stromnetz eingespeist wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6005788 [0006]
- - US 3867643 [0007]
- - US 5625545 [0008]
- - US 5642255 [0009]
- - US 5933339 [0009]