DE102011079995A1 - Method for operating drive system of e.g. engine, involves varying modulation depth of network-side or machine-side converters by average modulation depth of intermediate circuit, to supply alternating current power - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for operating a drive unit according to the preamble of claim 1.
Im Zwischenkreis einer Antriebseinheit treten neben der Gleichspannung (Zwischenkreisspannung) und dem Gleichstrom (Zwischenkreisstrom) auch Strom- und Spannungsoberschwingungen mit einem Vielfachen der Netzfrequenz oder der maschinenseitigen Frequenz auf. Solche Oberschwingungen treten üblicherweise im Bereich der sechsfachen Netz- oder Maschinenfrequenz und mit jeweils abnehmenden Amplituden im Bereich weiterer Vielfacher von sechs und der Netz- oder Maschinenfrequenz, also der zwölffachen, achtzehnfachen, usw. Netz- oder Maschinenfrequenz, auf. Dies ist durch die Ausführung der jeweiligen Stromrichter bedingt und ein sechspulsiger Stromrichter verursacht zum Beispiel Oberschwingungen im Bereich der sechsfachen, zwölffachen, usw. Netz- oder Maschinenfrequenz. Solche Oberschwingungen werden als Harmonische bezeichnet.In the intermediate circuit of a drive unit, in addition to the DC voltage (DC link voltage) and the DC current (DC link current), current and voltage harmonics occur at a multiple of the mains frequency or the machine-side frequency. Such harmonics usually occur in the range of six times the network or machine frequency and with decreasing amplitudes in the range of further multiples of six and the network or machine frequency, ie twelve times, eighteen times, etc. net or machine frequency on. This is due to the design of the respective power converter and a six-pulse power converter causes, for example, harmonics in the range of six times, twelve times, etc. network or machine frequency. Such harmonics are called harmonics.
Die Frequenzen der die jeweilige elektrische Leistung im Zwischenkreis (Zwischenkreisleistung) überlagernden Harmonischen ergeben sich durch Addition und Subtraktion aller auftretenden Kombinationen des Gleichanteils und der Oberschwingungsfrequenzen in der Zwischenkreisspannung und dem Zwischenkreisstrom
Als besonders kritisch haben sich niederfrequente Interharmonische herausgestellt, weil diese zu Drehmomentanregungen (elektrisches Moment) in der jeweiligen Maschine, zum Beispiel Motor, Generator, führen und die mechanischen Eigenfrequenzen des mechanischen Teils des Antriebssystems oder nachfolgender Komponenten, etwa einer Welle, anregen können. Solche mechanischen Eigenfrequenzen liegen häufig im Bereich von zehn bis dreißig Hertz. Üblicherweise sind so genannte interharmonische Drehmomentanregungen (elektrisches Moment) relativ klein, nämlich häufig kleiner als ca. zwei Prozent. Dennoch können auch solche geringen Drehmomentanregungen aufgrund der vergleichsweise schwachen Dämpfung des jeweiligen mechanischen Systems, zum Beispiel einer Welle, zu relativ hohen Anregungen des mechanischen Systems, nämlich zum Beispiel zu relativ hohen Wellentorsionsmomenten, führen. Besonders kritisch sind bei 6/6-pulisgen und 12/12-pulsigen Anordnungen dabei Maschinenfrequenzen im Bereich der Netzfrequenz, wenn also (zumindest näherungsweise) f_M = f_N gilt, wenn die Frequenzen der auftretenden Drehmomentanregungen (elektrisches Moment) genau die Eigenfrequenz des mechanischen Teils des Antriebssystems anregen.Low-frequency interharmonics have proven particularly critical because they can lead to torque excitations (electrical torque) in the respective machine, for example motor, generator, and can excite the natural mechanical frequencies of the mechanical part of the drive system or subsequent components, such as a shaft. Such mechanical natural frequencies are often in the range of ten to thirty hertz. Typically, so-called interharmonic torque excitations (electrical torque) are relatively small, often less than about two percent. Nevertheless, even such small torque excitations due to the comparatively weak damping of the respective mechanical system, for example a shaft, can lead to relatively high excitations of the mechanical system, namely, for example, to relatively high shaft torsion torques. In the case of 6/6-pulse arrays and 12/12-pulse arrays, machine frequencies in the range of the line frequency are particularly critical, ie if (at least approximately) f_M = f_N, then the frequencies of the occurring torque excitations (electrical torque) are exactly the natural frequency of the mechanical part of the drive system.
Zur Behandlung dieses Problems sind unterschiedliche Ansätze bekannt geworden. Zum Einen sind in einem Drehzahlsollwertkanal sogenannte Ausblendfrequenzbänder vorgesehen. Stationär kann die Maschine dann nur ober- oder unterhalb eines Ausblendfrequenzbands betrieben werden. Dynamisch wird der Antrieb durch die von einem Ausblendfrequenzband umfassten Frequenzen hindurch gefahren. Aufgrund der dann nur vergleichsweise kurzen Anregung kann sich die mechanische Eigenschwingung nicht ausbilden. Die Ausblendung einzelner Frequenzbänder beeinflusst jedoch die Dynamik des Antriebs und wirkt sich in vielen Anwendungsfällen als störend für den jeweiligen Prozess aus. Zum Anderen wird in der
Eine Aufgabe der Erfindung besteht entsprechend darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems und ein nach dem Verfahren arbeitendes Antriebssystem anzugeben, das die oben skizzierten Nachteile vermeidet oder zumindest deren Auswirkungen reduziert und gleichzeitig einfach und effizient ist.Accordingly, it is an object of the invention to provide a method of operating a drive system and a drive system operating according to the method which avoids the disadvantages outlined above or at least reduces their effects while being simple and efficient.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit mit einem eingangs- oder netzseitigen Stromrichter und einem ausgangs- oder maschinenseitigen Stromrichter und einem elektrisch dazwischen befindlichen Zwischenkreis, wobei eine mittlere Wirkleistung im Zwischenkreis von einem Aussteuergrad des netz- oder maschinenseitigen Stromrichters abhängig ist, vorgesehen, dass der Aussteuergrad um einen vorgegebenen oder vorgebbaren mittleren Aussteuergrad variiert wird und dass durch die Variation des Aussteuergrads dem Zwischenkreis eine Wechselleistung eingeprägt wird. Die Variation des Aussteuergrades erfolgt dabei im Rahmen einer Steuerung und nicht auf Basis einer Regelung, d. h. die wesentlichen Größen auf deren Grundlage die Variation des Aussteuergrades erfolgt, sind bekannt und müssen nicht zur Laufzeit ermittelt werden, während eine evtl. Regelung eines Aussteuergrades die in dieser Hinsicht relevanten Größen zur Laufzeit aus dem Prozess ermittelt.This object is achieved by a method having the features of claim 1. For this purpose, in a method for operating a drive unit with an input or network-side converter and an output or machine-side converter and an intermediate circuit located therebetween electrically, wherein an average active power in the intermediate circuit of a Aussteuergrad of supply or machine-side power converter, provided that the Aussteuergrad is varied by a predetermined or predeterminable average Aussteuergrad and that the DC bus an alternating power is impressed by the variation of the Aussteuergrad. The variation of Aussteuergrades takes place in the context of a control and not based on a scheme, ie the essential variables on the basis of the variation of Aussteuergrades done are known and need not be determined at run time, while a possible control of a Aussteuergrades in this Regards relevant variables at runtime from the process.
Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des korrespondierenden Vorrichtungsanspruchs (Anspruchs 7) gelöst.With regard to the device, the object is achieved according to the invention with the features of the corresponding device claim (claim 7).
Eine mittlere Wirkleistung im Zwischenkreis lässt sich mit
Der Wert cos(α) wird im allgemeinen als Aussteuergrad (ast) bezeichnet. Durch eine Modulation des Aussteuergrades kann eine Wechselleistung im Zwischenkreis eingeprägt werden:
Dabei bezeichnen ast_0 einen mittleren Aussteuergrad, ast_k eine Modulationsamplitude des Aussteuergrads, f_k eine Modulationsfrequenz und φ_k einen Modulationsphasenwinkel.In this case, ast_0 denotes a mean modulation level, ast_k a modulation amplitude of the modulation rate, f_k a modulation frequency, and φ_k a modulation phase angle.
Die durch die Modulation verursachte Wirkpendelleistung beträgt:
Durch die Einprägung einer oder mehrerer niederfrequenter Interharmonischer in der Zwischenkreisleistung durch Modulation des Steuerwinkels oder des Aussteuergrads auf der Netz- oder Maschinenseite werden bestimmte auftretende niederfrequente interharmonische Drehmomentanregungen in der Maschine teilweise oder vollständig kompensiert. Dadurch werden die in einem Gesamtsystem aus elektrischem Antrieb und Maschine/Arbeitsmaschine (z. B. Verdichter) evtl. angeregten mechanischen Resonanzen vermieden oder gedämpft.By impressing one or more low-frequency interharmonics in the DC link power by modulating the control angle or the Aussteuergrads on the network or machine side certain occurring low-frequency interharmonic torque excitations in the machine are partially or fully compensated. As a result, any mechanical resonances that may have been excited in an overall system comprising the electric drive and the machine / work machine (eg compressor) are avoided or dampened.
Des Weiteren werden durch die Einprägung einer oder mehrerer niederfrequenter Interharmonischer in der Zwischenkreisleistung durch Modulation des Steuerwinkels oder des Aussteuergrads auf der Netz- oder Maschinenseite bestimmte vom netzseitigen Stromrichter verursachte Leistungsschwingungen im Netz teilweise oder vollständig kompensiert. Damit werden die in einem Versorgungsnetz angeregten Resonanzen vermieden oder gedämpft.Furthermore, by impressing one or more low-frequency interharmonics in the DC link power by modulating the control angle or the Aussteuergrads on the network or machine side certain certain network side converter caused power oscillations in the network partially or completely compensated. This avoids or dampens the resonances excited in a supply network.
Hierzu werden die für die zu kompensierende(n) Interharmonische(n) relevanten Zwischenkreisstromharmonischen und Zwischenkreisspannungsharmonischen aus den Steuerwinkeln des netz- und maschinenseitigen Stromrichters, den vorhandenen Impedanzen, der jeweiligen Stromrichtertopologie, den Netz- und Maschinenfrequenzen und dem Zwischenkreisstrom (Sollwert oder Istwert) berechnet und daraus die Modulationsamplitude ast_k und der Modulationsphasenwinkel φ_k des Netz- oder Maschinensteuerwinkels vorausberechnet.For this purpose, the relevant for the compensating (s) Interharmonische (s) relevant Zwischenkreisstromharmonischen and DC link voltage harmonics from the control angles of the network and machine-side converter, the existing impedances, the respective power converter topology, the network and machine frequencies and the DC link current (setpoint or actual value) is calculated and from this the modulation amplitude ast_k and the modulation phase angle φ_k of the network or machine control angle are calculated in advance.
Der wesentliche Vorteil des Ansatzes gemäß der Erfindung und der Ausführungsformen besteht darin, dass durch die Variation des Aussteuergrads vermieden wird, dass sich dauerhaft oder zumindest für längere Zeitspannen Drehmomentanregungen ergeben, und dass für die Variation des Aussteuergrades zur Laufzeit keine umfangreichen Berechnungen oder komplizierten Messwertaufnahmen erforderlich sind. Indem solche Drehmomentanregungen allenfalls während kürzester Zeitabschnitte stattfinden, wird vermieden, dass sich aufgrund der Drehmomentanregungen merkliche mechanische Eigenschwingung ausbilden.The main advantage of the approach according to the invention and the embodiments is that it is avoided by the variation of Aussteuergrads that permanently or at least for longer periods result in torque excitations, and that for the variation of the Aussteuergrades at runtime no extensive calculations or complicated measured value recordings required are. By such torque excitations take place at most during the shortest periods of time, it is avoided that form due to the torque excitations noticeable mechanical self-oscillation.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. This used backlinks point to the further development of the subject matter of the main claim by the features of the respective subclaim; they are not considered a waiver of achieving one to understand independent, objective protection for the feature combinations of the dependent claims. Furthermore, with a view to an interpretation of the claims in a closer specification of a feature in a subordinate claim, it is to be assumed that such a restriction does not exist in the respective preceding claims.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Vermeidung umfangreicher Berechnungen oder komplizierter Messwertaufnahmen zur Laufzeit die Variation des Aussteuergrads um den mittleren Aussteuergrad aufgrund einer in einer Steuerungseinrichtung der Antriebseinheit hinterlegten mathematischen Beziehung erfolgt, wobei sich ein Wert für die tatsächliche Variation zur Laufzeit der Antriebseinheit anhand der mathematischen Beziehung ergibt und wobei die mathematische Beziehung durch ein oder mehrere Koeffizienten bestimmt ist, die im Hinblick auf eine mögliche niederfrequente Drehmomentanregung einer von der Antriebseinheit angetriebenen oder antreibbaren Arbeitsmaschine bestimmt werden.In one embodiment of the method, it is provided that to avoid extensive calculations or complicated measured value recordings at runtime, the variation of Aussteuergrads to the average Aussteuergrad due to a stored in a control device of the drive unit mathematical relationship, wherein a value for the actual variation at run time of the drive unit from the mathematical relationship, and wherein the mathematical relationship is determined by one or more coefficients determined with respect to a possible low-frequency torque excitation of a drive machine driven or drivable by the drive unit.
Alternativ oder zusätzlich kommt auch in Betracht, die Modulation des Aussteuergrads genau so oder zumindest im Wesentlichen so vorzunehmen, dass die dadurch in den Zwischenkreis eingeprägte Wechselleistung eine etwaige interharmonische Motorpendelleistung oder Netzpendelleistung kompensiert. Für eine solche Kompensation kommt sowohl der netzseitige Stromrichter (Gleichrichter) wie auch der maschinenseitige Stromrichter (Wechselrichter) in Betracht.Alternatively or additionally, it is also possible to carry out the modulation of the modulation level exactly or at least substantially so that the alternating power impressed thereby into the intermediate circuit compensates for any interharmonic motor pendulum output or mains pendulum output. For such a compensation, both the line-side converter (rectifier) and the machine-side converter (inverter) come into consideration.
Alternativ zur Modulation des Aussteuergrads auf Basis einer hinterlegten mathematischen Beziehung kommt auch in Betracht, die Variation des Aussteuergrads um den mittleren Aussteuergrad aufgrund von in einer Steuerungseinrichtung der Antriebseinheit hinterlegten, off-line ermittelten Daten vorzunehmen, wobei sich ein Wert für die tatsächliche Variation zur Laufzeit der Antriebseinheit anhand eines Zugriffs auf zumindest ein hinterlegtes Datum ergibt.Alternatively to the modulation of the modulation rate on the basis of a stored mathematical relationship is also considered to make the variation of Aussteuergrads to the average Aussteuergrad due to stored in a control device of the drive unit, off-line determined data, with a value for the actual variation at run time the drive unit based on an access to at least one stored date results.
Dieser Ansatz geht von der Erkenntnis aus, dass normalerweise eine Kompensation der Internharmonischen in denjenigen Arbeitspunkten, in denen kritische Torsionseigenfrequenzen angeregt werden, ausreichend ist. Ausgehend davon ist eine Erkenntnis dieses Aspekts der Erfindung, dass die Modulationsamplituden und die Modulationsphasenwinkel im Voraus berechnet werden und in Tabellen oder ähnlich geeigneten Datenstrukturen zum Abruf vorgehalten werden. Abhängig von bestimmten Soll- oder Messwerten kann dann ein Zugriff auf die gespeicherten Werte und danach eine Einprägung der sich mit diesen ergebenden Interharmonischen erfolgen.This approach is based on the recognition that normally a compensation of the internharmonic in those operating points in which critical torsion natural frequencies are excited, is sufficient. Based on this, a realization of this aspect of the invention is that the modulation amplitudes and the modulation phase angles are calculated in advance and stored in tables or similar suitable data structures for retrieval. Depending on specific setpoints or measured values, access to the stored values and then an impression of the resulting interharmonics can take place.
Sowohl bei Verwendung einer hinterlegten mathematischen Beziehung wie auch bei der Verwendung hinterlegter Daten ergibt sich eine Variation des Aussteuergrads um einen vorgegebenen oder vorgebbaren mittleren Aussteuergrad und aufgrund der Variation des Aussteuergrads die Einprägung einer Wechselleistung in den Zwischenkreis in Form einer oder mehrerer Interharmonischer. Beide Ansätze basieren auf Eigenschaften des Antriebssystems (Geräteeigenschaften) und erfordern Kenntnisse über das Antriebssystem. Kenntnisse über die (mechanischen) Eigenschaften des Antriebsstrangs sind dagegen nicht erforderlich.Both when using a stored mathematical relationship as well as the use of stored data results in a variation of Aussteuergrads by a predetermined or predeterminable average Aussteuergrad and due to the variation of the Aussteuergrads the impression of a change in performance in the intermediate circuit in the form of one or more Interharmonischer. Both approaches are based on properties of the drive system (device characteristics) and require knowledge of the drive system. On the other hand, knowledge of the (mechanical) properties of the powertrain is not required.
Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einer Steuerungseinrichtung in einer oder für eine Antriebseinheit gelöst, die nach dem Verfahren wie hier und im Folgenden beschrieben arbeitet und dazu Mittel zur Durchführung des Verfahrens umfasst. Die Erfindung ist dabei bevorzugt in Software implementiert. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm sowie schließlich auch eine Steuerungseinrichtung oder eine Antriebseinheit, in dessen Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist.The above-mentioned object is also achieved with a control device in or for a drive unit which operates according to the method as described here and below and comprises means for carrying out the method. The invention is preferably implemented in software. The invention is therefore on the one hand also a computer program with program code instructions executable by a computer and on the other hand a storage medium with such a computer program and finally also a control device or a drive unit in whose memory such a computer program is loaded or loadable as means for carrying out the method and its embodiments ,
Durch die Verhinderung einer Anregung kritischer mechanischer Eigenfrequenzen kann auf Ausblendbänder für einen Drehzahlsollwert verzichtet werden. Die Nachteile der Ausblendbänder werden somit vermieden. Auf der anderen Seite hat auch die Eingangs erwähnte Ausregelung der Interharmonischen in der Maschinenwirkleistung den Nachteil einer Abhängigkeit der Messung der Interharmonischen von nicht zu vernachlässigen Aliasingeffekten, Messwertauflösungseffekten und auch Sollwertänderungen. Auch diese Effekte können durch den hier vorgestellten Ansatz und dessen Ausführungsformen vermieden werden, weil sich erst gar nicht die Notwendigkeit für die Messung der dem Ansatz aus dem Stand der Technik zugrunde liegenden Werte ergibt.By preventing excitation of critical mechanical natural frequencies, it is possible to dispense with blanking bands for a speed setpoint. The disadvantages of Ausblendbänder are thus avoided. On the other hand, the above-mentioned adjustment of the interharmonics in machine performance has the disadvantage of a dependence of the measurement of the interharmonics of not negligible aliasing effects, Meßwertauflösungseffekten and setpoint changes. These effects can also be avoided by the approach presented here and its embodiments, since there is no need at all for the measurement of the values underlying the approach of the prior art.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Corresponding objects or elements are provided in all figures with the same reference numerals.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen.The or each embodiment is not to be understood as limiting the invention. Rather, numerous modifications and variations are possible within the scope of the present disclosure, for example, by combination or modification of individual in connection with the described in the general or specific description part and in the claims and / or drawings features or elements or method steps for the Skilled in terms of solving the problem are removable and lead by combinable features to a new subject or to new process steps or process steps.
Es zeigenShow it
Zur Steuerung und oder Regelung des Antriebssystems
Zur Erläuterung der Online-Berechnung der Kompensation werden die Vorgänge in einer B6-Thyristor-Brücke als möglicher Ausführungsform eines Stromrichters betrachtet.To explain the on-line calculation of the compensation, the operations in a B6 thyristor bridge are considered as a possible embodiment of a power converter.
Der Eingangsstromraumzeiger der B6-Brücke kann nur sechs diskrete Zustände annehmen (
In einem 60°-Intervall ist stets ein definierter Strompfad wirksam. Daraus kann ein in
Während der Kommutierung sind jeweils zwei Phasen kurzgeschlossen. Dadurch ändert sich die Quellenspannung und die wirksame Impedanz des Ersatzschaltbildes.
Im vorliegenden Zeigerbild (
Zur Berechnung der Spannungsharmonischen wird ein Überlappungswinkel u (vgl. auch
- α:
- Steuerwinkel
- id:
- Zwischenkreisstrom [pu]
- ukTr:
- Kurzschlussspannung des Transformators [pu]
- α:
- control angle
- id:
- DC link current [pu]
- ukTr:
- Short-circuit voltage of the transformer [pu]
Der Gleichanteil der Zwischenkreisspannung ergibt sich als:
Weiter ergeben sich z. B. die sechsten Harmonischen der Zwischenkreisspannung auf der Netzseite (normiert auf Udi) als und in komplexer Schreibweise als
Im Folgenden werden komplexe Größen stets mit Unterstrich dargestellt, die konjugiert komplexen Größen werden zusätzlich mit einem Stern am Ende gekennzeichnet.In the following, complex quantities are always shown with an underscore, and the conjugate complex quantities are additionally marked with a star at the end.
Die hier berechneten Oberschwingungsspannungen werden in den Ersatzschaltbildern nach
Die Berechnung der Zwischenkreisstromharmonischen erfolgt generell nach
Die wirksame Zwischenkreisimpedanz Zd, ν setzt sich bei einem Stromzwischenkreisumrichter wie folgt zusammen:
- LkN:
- Kommutierungsindktivität des Netzes
- Ld:
- Zwischenkreisinduktivität
- LkM:
- Kommutierungsindktivität des Motors
- LKN:
- Commutation of the network
- ld:
- intermediate-
- LKM:
- Commutation inductance of the motor
mit Lw, ν = –0.5·Lk·12/π·sin(ν·u/2)
with Lw, ν = -0.5 · Lk · 12 / π · sin (ν · u / 2)
Die auftretenden Frequenzen dieses Spannungsabfalls sind fμ und fν+/–fμ. Damit treten beispielsweise über der wirksamen Kommutierungsinduktivität des Netzstromrichters auch interharmonischen Spannungsabfälle auf, die von den Oberschwingungsströmen Id, μ des Maschinenstromrichters verursacht sind. Das Gleiche gilt für die Spannungsabfälle über der wirksamen Kommutierungsinduktivität des Maschinenstromrichters, die von den Oberschwingungsströmen des Netzstromrichters verursacht sind. Diese Spannungsabfälle erzeugen wiederum interharmonische Zwischenkreisströme mit fν+/–fμ.The occurring frequencies of this voltage drop are fμ and fν +/- fμ. Thus interharmonic voltage drops occur, for example, via the effective commutation inductance of the mains converter, which are caused by the harmonic currents Id, μ of the machine converter. The same applies to the voltage drops across the effective commutation inductance of the machine converter, the caused by the harmonic currents of the mains converter. These voltage drops in turn generate interharmonic DC link currents with fν +/- fμ.
Die Berechnung der interharmonischen Zwischenkreisströme und der daraus resultierenden Drehstromleistung erfolgt generell nach (dabei sind die interharmonischen Spannungsabfälle im Netz- und Maschinenstromrichter zu berücksichtigen)
Die wirksame Zwischenkreisimpedanz Zd, νμ setzt sich dabei bei einem Stromzwischenkreisumrichter wie folgt zusammen
Die Harmonischen in der Netzleistung bei ideal geglättetem Zwischenkreisstrom berechnen sich aus der Leistung in den Ersatzquellen. Dies gilt streng genommen nur außerhalb der Kommutierung, da die Ersatzschaltung gegenüber der realen Schaltung während der Kommutierung nicht Leistungsinvariant ist. Unter Vernachlässigung dieses Kommutierungseinflusses gilt:
Diese Harmonischen in der Drehstromleistung resultieren aus den Spannungsoberschwingungen des eigenen Stromrichters. Enthält der Zwischenkreisstrom jedoch Oberschwingungen Idν, die vom Maschinenstromrichter verursacht sind, mit:
berechnen sich die Interharmonischen der Netzleistung aus:
calculate the interharmonics of the network performance:
Ein weiterer Anteil interharmonischer Netzpendelleistung resultiert aus dem Interharmonischen Zwischenkreisstrom Id, νμ und der Zwischenkreisgleichspannung Ud0:
Diese beiden Anteile müssen phasenrichtig addiert werden.These two components must be added in the correct phase.
Die Interharmonischen in der Motorleistung können entsprechend berechnet werden.The interharmonics in the engine performance can be calculated accordingly.
Nach dem Ansatz gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen, dass eine oder mehrere Interharmonische der Netz- bzw. Motorpendelleistung durch entsprechende Modulation des Aussteuergrades eines der beiden Stromrichter kompensiert wird. Durch die Kompensation einer oder mehrerer Interharmonischen der Motorpendelleistung werden stets auch die entsprechenden Interharmonischen im Luftspaltmoment des Motors kompensiert.According to the approach according to the invention, it is now provided that one or more interharmonics of the network or motor pendulum power is compensated by appropriate modulation of the Aussteuergrades one of the two power converters. By compensating for one or more interharmonics of the motor pendulum power, the corresponding interharmonics in the air gap moment of the motor are always compensated.
Zur Modulation des Aussteuergrades (ast) gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, nämlich eine Kompensation durch den netz- oder maschinenseitigen Stromrichter. Im Einzelnen:
- 1.) Die interharmonische Motorpendelleistung wird mit dem netzseitigen Stromrichter kompensiert.
- 2.) Die interharmonische Motorpendelleistung wird mit dem maschinenseitigen Stromrichter kompensiert.
- 3.) Die interharmonische Netzpendelleistung wird mit dem netzseitigen Stromrichter kompensiert.
- 4.) Die interharmonische Netzpendelleistung wird mit dem maschinenseitigen Stromrichter kompensiert.
- 1.) The interharmonic motor pendulum power is compensated with the line-side power converter.
- 2.) The interharmonic motor pendulum power is compensated with the machine-side power converter.
- 3.) The interharmonic mains commutation power is compensated with the power converter on the power supply.
- 4.) The interharmonic mains commutation power is compensated with the machine-side power converter.
Im Fall 1 wird ein Zwischenkreisstrom eingeprägt, der die interharmonischen Motorleistungspendellungen (PM3Ph, νμ, 1 + PM3Ph, νμ, 2) kompensiert.
Die dazu notwendige einzuprägende Zwischenkreisspannung im Netzstromrichter ist
Im Fall 4 wird ein Zwischenkreisstrom eingeprägt, der die interharmonischen Netzleistungspendellungen (PN3Ph, νμ, 1 + PN3Ph, νμ, 2) kompensiert.
Im Fall 2 wird zusätzlich durch die Modulation im Motorstromrichter eine Schwingung der treibenden Zwischenkreisspannung erzeugt
Desgleichen gilt für Fall 3 entsprechend:
Aus UN k, νμ bzw. UM k, νμ wird dann der zusätzliche Modulationsgrad und Zusatzsteuerwinkel berechnet. Die Zwischenkreisspannung z. B. auf der Netzseite, berechnet sich aus:
Die Amplitude des Anteils aufgrund der Aussteuergradmodulation berechnet sich:
Aus obiger Gleichung wird dann die Amplitude AST_k der Aussteuergradmodulation berechnet.From the above equation, the amplitude AST_k of Aussteuergradmodulation is then calculated.
Das Gleiche gilt für die Maschinenseite entsprechend.The same applies to the machine side accordingly.
Als hinterlegte mathematische Beziehung gemäß der Eingangs verwendeten Terminologie wird dabei die oben nochmals dargestellte Modulation des Aussteuergrades und im Weiteren die in
Zu bemerken ist, dass abgesehen von den Ergebnissen des fünften und sechsten Funktionsblocks
Die alternative Ausführungsform des Ansatzes gemäß der Erfindung, die auf einer Offline-Vorausberechnung der Kompensation basiert, profitiert von der Erkenntnis, dass die Kompensation nur bei kritischen Maschinenfrequenzen, die sich aus dem Campbell-Diagramm des Antriebes ergeben, erfolgen muss. Ausgehend davon wird vorgeschlagen, die notwendigen Modulationsamplituden und Phasenwinkel, also Werte für die Modulationsfrequenz fk und den Modulationsphasenwinkel φ_k für die eingangs eingeführte Beziehung zur Modulation des Aussteuergrades, in zumindest einer Tabelle oder einer sonst geeigneten Datenstruktur abzulegen. Die Werte können dabei auch mittels einer Simulation ermittelt werden, weil eine solche Simulation die analytisch aufwendig zu berechnenden Kommutierungseffekte sehr gut nachbildet. Aufgrund der Offline-Vorausberechnung ergeben sich zur Laufzeit nur eine verschwindend geringe Rechenzeitbelastung.The alternative embodiment of the approach according to the invention, which is based on off-line compensation prediction, benefits from the recognition that compensation must be made only at critical engine frequencies resulting from the Campbell diagram of the drive. On the basis of this, it is proposed to store the necessary modulation amplitudes and phase angles, ie values for the modulation frequency fk and the modulation phase angle φ_k for the initially introduced relationship for the modulation of the modulation rate, in at least one table or an otherwise suitable data structure. The values can also be determined by means of a simulation because such a simulation emulates very well the commutation effects which have to be calculated analytically. Due to the offline pre-calculation, only a negligible calculation time load results at runtime.
Die betrachteten Arbeitspunkte ergeben sich jeweils aus dem Campell-Diagramm. Dabei ergeben sich folgende zeitliche und betriebsbedingte Abhängigkeiten der Modulationsamplitude und -phase von:
- – Netzspannung
- – Netzkurzschlussleistung
- – Netzfrequenz
- – Maschinenfluss
- – Motorfrequenz
- – Maschinenstrom
- – Steuerwinkel des Maschinenstromrichters
- – Steuerwinkel des Netzstromrichters
- - mains voltage
- - Network short-circuit power
- - Mains frequency
- - Machine flow
- - Motor frequency
- - Machine power
- - Control angle of the machine converter
- - Control angle of the mains converter
Von diesen Abhängigkeiten sind einige als im jeweiligen Betriebspunkt als konstant anzunehmen. Dazu gehört die Kurzschlussleistung, die Netzfrequenz, da sie nur eine geringe Toleranz besitzt, und die Maschinenfrequenz, da die Kompensation nur in einem engen Frequenzbereich wirksam ist. Die beschrieben Größen sind nicht alle unabhängig von einander, z. B. ergibt sich die Netzspannung aus allen anderen Größen. Wegen der Unabhängigkeit der restlichen Größen voneinander muss es sich um eine n-dimensionale Tabelle handeln. Die Anzahl der Tabellenelemente hängt von der möglichen Variationsbreite der einzelnen Größen ab.Of these dependencies, some are considered to be constant at each operating point. This includes the short-circuit power, the line frequency, since it has only a small tolerance, and the machine frequency, since the compensation is effective only in a narrow frequency range. The sizes described are not all independent of each other, eg. B. results in the mains voltage from all other sizes. Because of the independence of the remaining sizes must be an n-dimensional table. The number of table elements depends on the possible range of variation of the individual sizes.
Dann wird mit allen nicht konstanten, unabhängigen Größen, also insbesondere dem Netzsteuerwinkel und dem Maschinensteuerwinkel, eine mehrdimensionale Tabelle gebildet. Im betrieb erfolgt die Variation des Aussteuergrads um den mittleren Aussteuergrad aufgrund der in dieser Tabelle hinterlegten Daten. Die Daten wurden außerhalb einer Laufszeit der Antriebseinheit
Zur Laufzeit des Antriebssystems
Beide vorgeschlagenen Ansätze beziehen sich dabei jeweils auf einen maschinen- und motorspezifischen Spannungszeiger und deren Phase, so dass die Differenz dieser Zeiger das Referenzsystem bildet, auf das sich die Modulation bezieht.Both proposed approaches each relate to a machine- and engine-specific voltage vector and their phase, so that the difference of these pointers forms the reference system to which the modulation refers.
Die oder jede Tabelle oder eine Implementierung des in
Zusammenfassend lässt sich ein zentraler Aspekt der hier vorgelegten Beschreibung kurz wie folgt zusammenfassen: Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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