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Die Erfindung bezieht sich gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 auf ein verfahren zur Korrektur eines Spannungsfehlers eines lastseitigen Pulsstromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters eines Antriebs.
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Ein im Handel erhältlicher Antrieb weist einen Spannungszwischenkreis-Umrichter und einen elektrischen Motor auf. Dieser handelsübliche Motor wird entsprechend vorgeschriebener Anschlussleitungen an den Ausgängen des lastseitigen Pulstromrichters, der auch als Pulswechselrichter bezeichnet wird, angeschlossen, wobei diese Leitungen eine Stromerfassung aufweisen, die mit Signaleingängen des Umrichters verbunden ist. Gesteuert wird der lastseitige Pulsstromrichter mittels einer Signalelektronik, die eine Steuer- und Regeleinrichtung und einen Modulator aufweist. Mittels des Modulators wird eine in Abhängigkeit wenigstens eines Sollwertes von der Steuer- und Regeleinrichtung berechnete Stellgröße in Ansteuersignale für die Stromrichterventile des Pulswechselrichters umgewandelt, wobei Todzeiteffekte und Durchlassspannungsabfälle mit berücksichtigt werden.
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Gemäß der
DE 198 08 104 A1 dürfen Stromrichterventile eines Brückenzweig-Moduls eines Pulsstromrichters nicht gleichzeitig eingeschaltet sein, da dadurch eine Gleichspannungsversorgung des Pulsstromrichters kurzgeschlossen wird. Dadurch können die Stromrichterventile infolge eines übermäßig hohen Stromes zerstört werden. Um diesen Zustand zu vermeiden, wird eine Totzeit eingeführt, die dafür sorgt, dass ein stromübernehmendes Stromrichterventil erst dann einschalten kann, wenn ein stromführendes Stromrichterventil ausgeschaltet ist. Aufgrund dieser Totzeit wird die Ausgangsspannung des Pulsstromrichters hinsichtlich eines eingegebenen Ausgangsspannungs-Sollwertes nichtlinear. Um diese Nichtlinearität zu korrigieren, muss ein Korrekturwert bestimmt werden, der einem Spannungs-Sollwert aufaddiert wird. In Abhängigkeit ermittelter Ausgangsstrom-Istwerte und berechneter Spannungsabweichungen wird ein Korrekturwert, der auch als Totzeit-Kompensationswert bezeichnet wird, berechnet.
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Aus der
EP 0 711 471 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation einer Fehlerspannung eines eine Induktionsmaschine speisenden Pulswechselrichters bekannt, wobei diese Fehlerspannung auf eine Verriegelungszeit (Totzeit) und auf Durchlassspannungen von Stromrichterventilen dieses Pulswechselrichters zurückzuführen ist. Um Auswirkungen der Fehlerspannung zu kompensieren, muss zu einem Sollwert eines berechneten Raumzeigers einer Ständerspannung, der eine Stellspannung für den Modulator ist, der Zeiger einer berechneten Fehlerspannung addiert werden.
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Trotz Kompensation der Totzeiteffekte und der Durchlassspannungsabfälle verbleibt ein Spannungsfehler, der beispielsweise von den Faktoren Spannungssteilheit der Schaltflanken, Sperrschichttemperatur, Laststrom und/oder Kabelkapazität abhängt.
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Dieser verbleibende Spannungsfehler wird gemäß der
GB 2440559 A aus Sollspannung abzüglich einer ermittelten Istspannung bestimmt. Eine Korrektur der Sollspannung wird dadurch erreicht, dass eine steigende oder fallende Flanke von Pulsen eines berechneten Pulsmusters verzögert werden, wodurch Schaltzeiten verkürzt oder verlängert werden. Dieser verbleibende Spannungsfehler wird während des Betriebs eines Antriebs ermittelt.
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Den Patentzusammenfassungen der beiden japanischen Offenlegungsschriften
JP 01081665 A und
JP 2001352762 A sind jeweils ein weiteres Verfahren zur Kompensation einer Fehlerspannung eines Pulsstromrichters entnehmbar. Bei beiden Verfahren wird ein Spannungs-Sollwert um einen Spannungsfehler vorgesteuert. Der Fehler wird entweder aus einer Differenz zwischen Spannungs-Sollwert und -Istwert ermittelt (
JP 01081665 A ) oder aus den Durchlassspannungsabfällen an den Stromrichterventilen des Pulsstromrichters abhängig von der Strompolarität (
JP 2001352762 A ) bestimmt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Korrektur eines Spannungsfehlers eines Pulsstromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters eines Antriebs anzugeben, wobei mit einfachen Mitteln im Stillstand Korrekturwerte bestimmt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Verfahrensschritten a) bis e) gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch, dass jeder Ausgang des Pulsstromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters des Antriebs mittels eines Tiefpassfilters wenigstens 1. Ordnung mit einer Stromschiene eines Spannungszwischenkreises dieses Umrichters verbunden ist, dessen Ausgängen jeweils eine Spannungserfassung zugeordnet ist, die ausgangsseitig mit der Signalelektronik des Pulsstromrichters verknüpft ist, kann jeweils ein Mittelwert einer gepulsten Ausgangsspannung des Pulsstromrichters mit einfachen Mitteln erfasst werden. Dieser ermittelte Spannungs-Istwert zeigt an, wie der Pulsstromrichter einen bereitgestellten Spannungs-Sollwert bei einem vorbestimmten Ausgangsstrom umgesetzt hat. Die Differenz zwischen Spannungs-Soll- und Istwert ist der verbleibende Spannungsfehler des Pulsstromrichters bei einem vorbestimmten Ausgangsstrom.
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Bei einem vorteilhaften Verfahren wird eine Vielzahl von Spannungs-Istwerten bei unterschiedlichen Werten des Ausgangsstroms des Pulsstromrichters ermittelt, die in eine Matrix abgespeichert werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, während eines laufenden Betriebes des Antriebs einen anstehenden Spannungs-Sollwert online um den Spannungsfehler vorzusteuern, damit ein Fehler am Ausgang des lastseitigen Pulsstromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters nicht mehr in Erscheinung tritt.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren sind während des Betriebs des Antriebs die Tiefpassfilter von Ausgängen des Pulsstromrichters getrennt. Dadurch fließt während des Betriebs des Antriebs kein Strom mehr über diese Tiefpassfilter, so dass keine ohmschen Verluste mehr auftreten. Diese Trennungen werden von der Signalelektronik des Pulsstromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters des Antriebs gesteuert.
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Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren werden die Filterausgangsspannungen nacheinander erfasst. Wird dabei als Bezugspotential die negative Spannungszwischenkreis-Stromschiene verwendet, dann wird für die Spannungserfassung keine Potentialtrennung mehr benötigt, so dass diese Spannungserfassung besonders einfach ausfällt.
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Die erfinderische Idee besteht darin, dass während des Stillstands eines Antriebs ein Pulsstromrichter eines diesen Antrieb speisenden Spannungszwischenkreis-Umrichters derart gesteuert wird, dass dieser an einen angeschlossenen elektrischen Motor eine vorbestimmte Gleichspannung abgibt. Diese Gleichspannung wird mittels einer Pulsspannung mit einem zum Gleichspannungswert korrespondierenden Tastverhältnis generiert. Durch Abändern des Tastverhältnisses erhält man Spannungs-Istwerte bei unterschiedlichen Ausgangsströmen. Während des Betriebs des Antriebs werden die Tiefpassfilter nicht benötigt. Um die ohmschen Verluste in den Tiefpassfiltern während des Betriebes einsparen zu können, sind diese Tiefpassfilter auftrennbar.
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Anhand der dargestellten Figur, die schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des Antriebs nach der Erfindung darstellt, soll das Verfahren zur Korrektur eines Spannungsfehlers eines lastseitigen Pulsstromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters eines Antriebs nach der Erfindung beschrieben werden.
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In dieser Figur sind mit 2 ein Antrieb, mit 4 ein Spannungszwischenkreis-Umrichter, mit 6 ein elektrischer Motor, mit 8 ein lastseitiger Pulsstromrichter des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 und mit 10 eine Signalelektronik bezeichnet. An den Ausgängen R, S und T des lastseitigen Pulsstromrichters 8 ist der elektrische Motor 6 mittels Anschlussleitungen 12, 14 und 16 angeschlossen. Diese Anschlussleitungen 12, 14, 16 sind mit einer Stromerfassung 18 versehen, die wenigstens zwei Strommesseinrichtungen aufweist. Diese Stromerfassung 18 ist ausgangsseitig mit einem Signaleingang 20 der Signalelektronik 10 des lastseitigen Pulsstromrichters 8 verknüpft.
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Da der elektrische Motor 6 dreiphasig ausgebildet ist, weist der lastseitige Pulsstromrichter 8 drei Brückenzweig-Module auf, die jeweils zwei elektrisch in Reihe geschaltete Stromrichterventile T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 aufweisen. Jeweils ein Verbindungspunkt zweier Stromrichterventile T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 bilden einen Ausgang R bzw. S bzw. T des lastseitigen Pulsstromrichters 8. Die Signalelektronik 10 des lastseitigen Pulsstromrichters 8 weist einerseits eine Steuer- und Regeleinrichtung und andererseits einen Modulator auf. Mittels dieser Steuer- und Regeleinrichtung wird in Abhängigkeit wenigstens eines Sollwertes und in Abhängigkeit von Parametern eine Sollspannung (Amplitude, Frequenz) berechnet. Diese auch als Stellgröße bezeichnete Sollspannung wird mittels des Modulators durch drei pulsweitenmodulierte Rechtecksignale approximiert, aus denen sechs Ansteuersignale Sν für die Stromrichterventile T1 bis T6 des lastseitigen Pulsstromrichters 8 generiert werden.
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Jeder Ausgang R, S und T des lastseitigen Pulsstromrichters 8 ist mittels eines Tiefpassfilters 22, 24 und 26 mit einer negativen Stromschiene DCN eines Spannungszwischenkreises 28 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 elektrisch leitend verbunden. Dadurch ist jeweils ein Anschluss eines Kondensators C der Tiefpassfilter 22, 24, und 26 mit der negativen Stromschiene DCN verknüpft. Der zweite Anschluss eines jeden Kondensators C der Tiefpassfilter 22, 24 und 26 ist mittels eines Schalters 30 mit einem ohmschen Widerstand R elektrisch leitend verbindbar. Der zweite Anschluss dieser Widerstände R ist jeweils mit einem Ausgang R, S und T elektrisch leitend verbunden. Eine Spannungserfassung 32 ist eingangsseitig einerseits mit der negativen Stromschiene DCN des Spannungszwischenkreises 28 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 und andererseits mit einem Ausgang eines Auswahlschalters 34 verbunden. Eingangsseitig ist dieser Auswahlschalter 34 jeweils mit einem Verbindungspunkt 36 eines jeden Tiefpassfilters 22, 24 und 26 verknüpft. Diese Verbindungspunkte 36 werden jeweils von einem Anschluss eines Schalters 30 und eines Kondensators C eines jeden Tiefpassfilters 22, 24 und 26 gebildet. Die Spannungserfassung 32 ist ausgangsseitig wie die Stromerfassung 18 mit einem Signaleingang 38 der Signalelektronik 10 des lastseitigen Pulsstromrichters 8 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 verknüpft.
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Im Folgenden soll nun das Verfahren zur Korrektur eines Spannungsfehlers des lastseitigen Pulsstromrichters 8 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 des Antriebs nach der Erfindung anhand dieser Figur näher beschrieben werden:
Gemäß diesem Verfahren wird im Stillstand des Antriebs eine Gleichspannung mit einer vorbestimmten Amplitude mittels des lastseitigen Pulsstromrichters 8 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 an den angeschlossenen elektrischen Motor 6 ausgegeben. Diese Gleichspannung mit der vorbestimmten Amplitude stellt einen Spannungs-Sollwert dar. Dieser wird mittels eines Pulsmusters von den Stromrichterventilen T1 bis T6 ausgegeben. Dadurch steht an den Ausgängen R, S und T des lastseitigen Pulsstromrichters 8 jeweils ein Rechtecksignal mit einem vorbestimmten Tastverhältnis an. Die Tiefpassfilter 22, 24, 26 sind so zu dimensionieren, dass deren Eckfrequenzen weit genug unter der gewählten Pulsfrequenz des lastseitigen Pulsstromrichters liegen. An den Ausgangsklemmen 36 und der negativen Stromschiene DCM des Spannungszwischenkreises 28 eines jeden Tiefpassfilters 22, 24 und 26 steht ein Mittelwert einer gepulsten Ausgangsphasenspannung UR, US oder UT an. Diese an den Kondensatoren C der Tiefpassfilter 22, 24 und 26 abfallende Filterausgangsspannung UFR, UFS und UFT werden mittels des Auswahlschalters 34, der von der Signalelektronik 10 des lastseitigen Pulsstromrichters 8 gesteuert wird, nacheinander von der Spannungserfassung 32 erfasst. In diesen Filterausgangsspannungen UFR, URS und UFT sind die pulsfrequenten Anteile der Ausgangsphasenspannung UR, US und UT des Pulsstromrichters 8 nicht mehr sichtbar. Jedes Tiefpassfilter 22, 24 und 26 stellt einen Mittelwert einer gepulsten Ausgangsphasenspannung UR, US und UT inklusiv sämtlicher Fehler des Pulsstromrichters 8 als Gleichspannung der Spannungserfassung 32 direkt zur Verfügung, die der Signalelektronik 10 zugeführt werden. Aus diesen ermittelten Filterausgangsspannungen UFR, UFS und UFT errechnet die Steuer- und Regeleinrichtung der Signalelektronik 10 einen Spannungs-Istwert. Ein Vergleich des ermittelten Spannungs-Istwerts mit dem vorbestimmten Spannungs-Sollwert ergibt einen Spannungswert, der als Korrekturwert im laufenden Betrieb des Antriebs zur Korrektur eines Spannungs-Sollwerts verwendet wird.
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Da der Spannungsfehler des lastseitigen Pulsstromrichters 8 stromabhängig ist, werden nacheinander im Stillstand verschiedene Spannungs-Sollwerte an den Motor 6 ausgegeben, die jeweils einen anderen Ausgangsstrom treiben. Diese Ausgangsströme werden mittels der Stromerfassung 18 ermittelt und ebenfalls der Signalelektronik 10 des Pulsstromrichters 8 zugeführt. Mittels dieser Tiefpassfilter 22, 24 und 26 und der Spannungserfassung 32 kann die Signalelektronik 10 aus ermittelten Filterausgangsspannungen UFR, UFS und UFT Spannungs-Istwerte berechnen. Diese Spannungs-Soll- und Istwerte und ein zugehöriger Ausgangsstrom werden in einem Speicher dieser Signalelektronik 10 abgelegt. Vorteilhaft ist es, anstelle von Spannungs-Soll- und Istwerten berechnete Spannungsabweichungen mit den zugehörigen Ausgangsströmen im Speicher der Signalelektronik 10 abzulegen. Im laufenden Betrieb des Antriebs werden dann Spannungs-Sollwerte um einen Spannungsfehler vorgesteuert, damit der stromabhängige Fehler an den Ausgängen R, S und T des lastseitigen Pulsstromrichters 8 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 nicht mehr in Erscheinung tritt.
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Im laufenden Betrieb des Antriebs werden die Tiefpassfilter 22, 24 und 26, die auf die hohe Pulsfrequenz der Gleichspannungsausgabe des Pulsstromrichters 8 abgestimmt sind, nicht mehr benötigt. Damit die ohmschen Verluste in den Tiefpassfiltern 22, 24 und 26 eingespart werden können, sind diese Tiefpassfilter 22, 24 und 26 auftrennbar ausgeführt. Zur Auftrennung werden die Schalter 30 dieser Tiefpassfilter 22, 24 und 26 von der Signalelektronik 10 des Pulsstromrichters 8 betätigt.
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Diese in der Figur dargestellte besonders vorteilhafte Ausführungsform des Antriebs nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss (Bezugspotential) der Spannungserfassung 32 mit der negativen Stromschiene DCN des Spannungszwischenkreises 28 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 verbunden ist. Dadurch befindet sich die Spannungserfassung 32 für alle drei Ausgangsphasen auf einem gemeinsamen Potential mit der Signalelektronik 10 des Pulsstromrichters 8, wodurch keine Potentialtrennung mehr benötigt wird. Da außerdem die Spannungserfassung 32 jeweils Mittelwerte einer gepulsten Ausgangsphasenspannung UR, US und UT (Gleichspannung) zur Verfügung stellt, und dieser Mittelwert dieser Ausgangsphasenspannungen UR, US und UT sich in dieser Betriebsart nicht ändert, können für die Spannungserfassung 32 kostengünstige langsame Verfahren zur Spannungsermittlung zur Anwendung kommen.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Antriebs und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Korrektur eines Spannungsfehlers eines lastseitigen Pulsstromrichters 8 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 dieses Antriebs können ohne großen Aufwand und kostengünstig zu vorbestimmten Spannungs-Sollwerten im Stillstand dieses Antriebs korrespondierende Spannungs-Istwerte bestimmt werden, mit denen man während eines laufenden Betriebs dieses Antriebs entsprechende Spannungs-Sollwerte korrigieren kann.
