DE102012204963A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen - Google Patents

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz (f0), welche von einem an ein Mehrphasensystem (1) schaltbaren AC/DC-Konverter (2) hervorgerufen werden, mit den Schritten: Erfassen (S1) eines Spannungswinkels (θ) und von Phasenströmen (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems (1); Berechnen (S2) eines Grund-Raumzeigers (RZ0) für die Grundfrequenz (f0) der gemessenen Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand des erfassten Spannungswinkels (θ); Berechnen (S3) von weiteren Raumzeigern (RZi) für harmonische Frequenzen (fi) der gemessenen Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand von harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels (h·θ); Addieren (S4) der berechneten Raumzeiger (RZ0, RZi) der Grundfrequenz (f0) und der harmonischen Frequenzen (fi) zur Berechnung eines Summen-Raumzeigers (SRZ); Generieren (S5) von PWM-Steuersignalen in Abhängigkeit des berechneten Summen-Raumzeigers (SRZ) und Ansteuern (S6) des AC/DC-Konverters (2) des Mehrphasensystems (1) mit den generierten PWM-Steuersignalen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz, welche von einem an einem Mehrphasensystem schaltbaren AC/DC-Konverter hervorgerufen werden.
  • In vielen Mehrphasensystemen sind schaltbare AC/DC-Konverter vorgesehen, welche ein mehrphasiges analoges Stromsignal in eine Gleichspannung umwandeln, welche beispielsweise zum Laden einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, verwendet werden kann. Diese AC/DC-Konverter bzw. Wandler werden teilweise auch als Inverter bezeichnet. Die AC/DC-Konverter weisen herkömmlicherweise Halbleiterschaltelemente auf, insbesondere IGBTs und MOSFET-Schalter, die mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal angesteuert werden. Durch Nichtlinearitäten der Schaltelemente innerhalb des AC/DC-Konverters entstehen bei der Umwandlung des analogen bzw. Spannungssignals in eine Gleichspannung Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen der Grundfrequenz. Der Umfang der Strom-Oberschwingungen kann als Gesamtverzerrungsfaktor THD (Total Harmonic Distortion) ausgedrückt werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von derartigen Strom-Oberschwingungen zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz, welche insbesondere von einem an einem Mehrphasensystem schaltbaren AC/DC-Konverter hervorgerufen werden, mit den Schritten:
    Erfassen eines Spannungswinkels und von Phasenströmen des Mehrphasensystems,
    Berechnen eines Grund-Raumzeigers für die Grundfrequenz der gemessenen Phasenströme anhand des erfassten Spannungswinkels,
    Berechnen von weiteren Raumzeigern für harmonische Frequenzen der gemessenen Phasenströme anhand von harmonischen Vielfachen des erfassten Raumwinkels,
    Addieren der berechneten Raumzeiger der Grundfrequenz und der harmonischen Frequenzen zur Berechnung eines Summen-Raumzeigers,
    Generieren von PWM-Steuersignalen in Abhängigkeit des berechneten Summen-Raumzeigers und
    Ansteuern des AC/DC-Konverters des Mehrphasensystems mit den generierten PWM-Steuersignalen.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Berechnung eines Raumzeigers für eine harmonische Frequenz der Phasenströme des Mehrphasensystems die Phasenströme mittels einer d/q-Transformation anhand des harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels in einen zweidimensionalen Stromvektor Idq überführt.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieser zweidimensionale Stromvektor Idq durch ein Tiefpassfilter zur Dämpfung der übrigen harmonischen Frequenzen gefiltert.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der durch das Tiefpassfilter gefilterte zweidimensionale Stromvektor Idq einem Stromregler zugeführt, der den gefilterten zweidimensionalen Stromvektor zur Erzeugung eines Modulationsgrades Mdq regelt.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Modulationsgrad Mdq mittels einer inversen d/q-Transformation anhand des harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels in den Raumzeiger der jeweiligen harmonischen Frequenz transformiert.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Summen-Raumzeiger einer inversen Clarke-Transformation unterzogen.
  • Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 4 angegebenen Merkmalen.
  • Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz, die von einem an einem Mehrphasensystem schaltbaren AC/DC-Konverter hervorgerufen werden, mit:
    • (a) einer Erfassungseinheit zur Erfassung eines Spannungswinkels (θ) und von Phasenströmen (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems;
    • (b) einer ersten Berechnungseinheit zur Berechnung eines Grund-Raumzeigers (RZ0) für eine Grundfrequenz (f0) der erfassten Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand des erfassten Spannungswinkels (θ);
    • (c) mehreren zweiten Berechnungseinheiten (HCi), die jeweils einen weiteren Raumzeiger (RZi) für eine harmonische Frequenz (fi) der erfassten Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand von harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels (h·θ) berechnen;
    • (d) einer Addiereinheit zum Addieren der berechneten Raumzeiger der Grundfrequenz (f0) und der harmonischen Frequenzen (fi) zur Berechnung eines Summen-Raumzeigers (SRZ);
    • (e) einem PWM-Generator (PWM-GEN) zum Generieren von PWM-Steuersignalen in Abhängigkeit des berechneten Summen-Raumzeigers (SRZ), wobei die generierten PWM-Steuersignale den AC/DC-Konverter des Mehrphasensystems ansteuern.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die zweite Berechnungseinheit auf:
    • – einen Multiplikator zur Multiplikation des erfassten Spannungswinkels (θ) mit einem harmonischen Multiplikationsfaktor der jeweiligen harmonischen Frequenz (fi);
    • – eine d/q-Transformationseinheit zur Transformation der Phasenströme (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems anhand des erfassten harmonischen Vielfachen (h·θ) des erfassten Spannungswinkels (θ) in einen zweidimensionalen Stromvektor (Idq);
    • – ein Tiefpassfilter (TPF), das den zweidimensionalen Stromvektor (Idq) zur Dämpfung der übrigen harmonischen Frequenzanteile filtert;
    • – einen Stromregler (SR), der den gefilterten zweidimensionalen Stromvektor (Idq) zur Erzeugung eines Modulationsgrades (Mdq) regelt und
    • – eine inverse d/q-Transformationseinheit, welche den erzeugten Modulationsgrad (Mdq) mittels einer inversen d/q-Transformation anhand des harmonischen Vielfachen (h·θ) des erfassten Spannungswinkels (θ) in den Raumzeiger (RZi) der jeweiligen harmonischen Frequenz (fi) transformiert.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Tiefpassfilter einer für eine bestimmte harmonische Frequenz vorgesehenen zweiten Berechnungseinheit eine Übertragungscharakteristik auf, die an den übrigen harmonischen Frequenzen Nullstellen besitzt.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei dem Tiefpassfilter um ein FIR(Finite Impulse Response)-Filter.
  • Die Erfindung schafft ferner ein Mehrphasensystem mit einer Vorrichtung zur Reduzierung von Stromschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz, die von einem an dem Mehrphasensystem schaltbaren AC/DC-Konverter hervorgerufen werden,
    wobei die Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen aufweist:
    • (a) eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines Spannungswinkels (θ) und von Phasenströmen (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems;
    • (b) eine erste Berechnungseinheit zur Berechnung eines Grund-Raumzeigers (RZ0) für eine Grundfrequenz (f0) der erfassten Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand des erfassten Spannungswinkels (θ);
    • (c) mehrere zweite Berechnungseinheiten (HCi), die jeweils einen weiteren Raumzeiger (RZi) für eine harmonische Frequenz (fi) der erfassten Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand von harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels (h·θ) berechnen;
    • (d) eine Addiereinheit zum Addieren der berechneten Raumzeiger der Grundfrequenz (f0) und der harmonischen Frequenzen (fi) zur Berechnung eines Summen-Raumzeigers (SRZ);
    • (e) einen PWM-Generator (PWM-GEN) zum Generieren von PWM-Steuersignalen in Abhängigkeit des berechneten Summen-Raumzeigers (SRZ), wobei die generierten PWM-Steuersignale den AC-/DC-Konverter des Mehrphasensystems ansteuern.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrphasensystems wandelt der AC/DC-Konverter die Phasenströme des Mehrphasensystems in eine Gleichspannung für eine Last um.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform handelt es sich bei dieser Last um eine Fahrzeugbatterie eines Fahrzeuges.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrphasensystems ist der AC/DC-Konverter zwischen dem Mehrphasensystem und einer Drehfeldmaschine, insbesondere einem Drehfeldmotor, umschaltbar.
  • Die Erfindung schafft ferner ein Elektrofahrzeug mit einer Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz, wobei das Elektrofahrzeug eine Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei den harmonischen Frequenzen der Grundfrequenz enthält, wobei die Vorrichtung aufweist:
    • (a) eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines Spannungswinkels (θ) und von Phasenströmen (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems;
    • (b) eine erste Berechnungseinheit zur Berechnung eines Grund-Raumzeigers (RZ0) für eine Grundfrequenz (f0) der erfassten Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand des erfassten Spannungswinkels (θ);
    • (c) mehrere zweite Berechnungseinheiten (HCi), die jeweils einen weiteren Raumzeiger (RZi) für eine harmonische Frequenz (fi) der erfassten Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand von harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels (h·θ) berechnen;
    • (d) eine Addiereinheit zum Addieren der berechneten Raumzeiger der Grundfrequenz (f0) und der harmonischen Frequenzen (fi) zur Berechnung eines Summen-Raumzeigers (SRZ);
    • (e) einen PWM-Generator (PWM-GEN) zum Generieren von PWM-Steuersignalen in Abhängigkeit des berechneten Summen-Raumzeigers (SRZ), wobei die generierten PWM-Steuersignale den AC/DC-Konverter des Mehrphasensystems ansteuern,
    wobei der AC/DC-Konverter zwischen dem Mehrphasensystem und einem Elektromotor schaltbar ist und wobei das Elektrofahrzeug ferner eine Fahrzeugbatterie aufweist, die als Last an den AC/DC-Konverter angeschlossen ist.
  • Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel für ein Mehrphasensystem, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen einsetzbar ist;
  • 2 ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel eines Mehrphasensystems innerhalb eines Elektrofahrzeuges, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen einsetzbar ist;
  • 3 ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen gemäß der Erfindung aufweist;
  • 4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine Berechnungseinheit, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Ausführungsvariante verwendet werden kann;
  • 5 ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel eines bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbaren Stromreglers;
  • 6a, 6b Filterkurven bei verschiedenen Ausführungsvarianten eines bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbaren Tiefpassfilters;
  • 7 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen;
  • 8 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen;
  • 9a, 9b Signaldiagramme zur Erläuterung der durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung hervorgerufenen Reduzierung von Strom-Oberschwingungen;
  • 10a, 10b Signalspektren zur Darstellung der durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch die erfindungsgemäße Vorrichtung hervorgerufenen Reduzierung von Strom-Oberschwingungen;
  • 11 ein Schaltdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines AC/DC-Konverters, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen eingesetzt werden können.
  • Wie man aus 1 erkennen kann, kann in einem Mehrphasensystem 1 ein AC/DC-Konverter 2 vorgesehen sein, der über Spulen bzw. Drosseln 3-1, 3-2, 3-3 Phasenströme Ia, Ib, Ic von drei Phasen L1, L2, L3 des Mehrphasensystems 1 erhält. Der AC/DC-Konverter 2 kann beispielsweise wie in 11 dargestellt aufgebaut sein. Der AC/DC-Konverter 2 wandelt die Phasenströme des Mehrphasensystems 1 in eine Gleichspannung DC für eine Last 4 um. Parallel zu der ohmschen Last 4 kann ein Kondensator 5 mit einer bestimmten Kapazität C geschaltet sein. An den Ausgang des AC/DC-Konverters 2 kann beispielsweise eine Fahrzeugbatterie eines Elektrofahrzeuges angeschlossen sein. Der AC/DC-Konverter 2 enthält intern Schaltelemente, beispielsweise IGBT-Schalter oder MOSFETs, die durch PWM-Steuersignale angesteuert werden. Diese PWM-Steuersignale werden durch eine Steuereinrichtung 6 generiert, welche an Sensoren 7 und/oder Stellglieder 8 angeschlossen sein kann. Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt der AC/DC-Konverter 2 für jede der drei Phasen L1, L2, L3 bzw. für jeden der drei Phasenströme Ia, Ib, Ic über zwei Schaltelemente, beispielsweise IGBT- oder MOSFET-Schalter. Die Steuerelektroden der Schaltelemente innerhalb des AC/DC-Konverters 2 erhalten von der Steuerschaltung 6 die PWM-Steuersignale. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liefert die Steuerschaltung 6 sechs PWM-Steuersignale CRTLPWM für die sechs Steuerelektroden des in 11 dargestellten AC/DC-Konverters 2.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild für ein Anwendungsbeispiel, bei dem ein AC/DC-Konverter 2 zwischen einem externen Mehrphasensystem 1 und einer Drehfeldmaschine 9 mithilfe von Schaltern 10-1, 10-2, 10-3 umschaltbar ist. Bei diesem Anwendungsbeispiel befindet sich der AC/DC-Konverter 2 innerhalb eines Elektrofahrzeuges 11, das über eine Schnittstelle 12 an ein Dreiphasensystem mit drei Phasen L1, L2, L3 anschließbar ist. Bei der Drehfeldmaschine 9 handelt es sich um einen Elektromotor, dessen Spulen U, V, W an die Schalter 10-1, 10-2, 10-3 angeschlossen sind. Der AC/DC-Konverter 2 ist mithilfe der Schalter 10-i zwischen dem Mehrphasensystem 1 und dem Elektromotor 9 umschaltbar. Ausgangsseitig ist der AC/DC-Konverter 2 mit einer Fahrzeugbatterie des Elektrofahrzeuges 11 verbunden, welche den Kondensator 5 und den Widerstand 4 aufweist. Der AC/DC-Konverter 2 wandelt die Phasenströme Ia, Ib, Ic des Mehrphasensystems 1 in eine Gleichspannung Vdc der Fahrzeugbatterie um.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung 13 zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz, die beispielsweise in einer Steuervorrichtung 6, wie sie in den 1, 2 dargestellt ist, integriert sein kann.
  • Die Vorrichtung 13 zum Reduzieren von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz f0, die von einem an das Mehrphasensystem 1 schaltbaren AC/DC-Konverter 2 hervorgerufen werden, enthält bei einer möglichen Ausführungsform mehrere Einheiten. Die Vorrichtung 13 enthält eine Erfassungseinheit ME zur Erfassung eines Spannungswinkels und von Phasenströmen des Mehrphasensystems 1.
  • 8 zeigt ein Signaldiagramm für ein Dreiphasensystem, in der mehrere Phasenspannungen Va, Vb, Vc im Zeitverlauf dargestellt sind. Eine Messeinheit bzw. eine Erfassungseinheit kann mithilfe von Sensoren S, wie in 3 dargestellt, diese Phasenspannungen Va, Vb, Vc erfassen. Aus den Phasenspannungen Va, Vb, Vc ermittelt die Erfassungseinheit ME einen Spannungswinkel θ, der bei einer möglichen Ausführungsvariante an eine d/q-Transformationseinheit angelegt wird, wie in 3 dargestellt. Die Vorrichtung 13 umfasst bei einer möglichen Ausführungsform eine erste Berechnungseinheit zur Berechnung eines Grund-Raumzeigers RZ0 für eine Grundfrequenz f0 der erfassten Phasenströme Ia, Ib, Ic anhand des erfassten Spannungswinkels θ. Die Phasenströme Ia, Ib, Ic können bei einer möglichen Ausführungsvariante, wie in 3 dargestellt, sensorisch mithilfe von Sensoren S erfasst werden. Die d/q-Transformationseinheit dient dazu, die dreiphasigen Stromgrößen in ein zweiachsiges Koordinatensystem zu überführen. Durch die d/q-Transformationseinheit, wie sie in 3 dargestellt ist, werden die Phasenströme des Mehrphasensystems 1 in einen zweidimensionalen Stromvektor Idq überführt. Dieser zweidimensionale Stromvektor Idq wird an einen AC-Stromregler AC-SR angelegt, wie in 13 dargestellt.
  • Die Vorrichtung 13 enthält ferner einen DC-Stromregler DC-SR-A, welcher einen einstellbaren Gleichstrom IDCSOLL mit einem sensorisch erfassten Gleichstrom Idc vergleicht. Der DC-Stromregler DC-SR-A vergleicht beispielsweise den an einer Fahrzeugbatterie von dem AC/DC-Konverter 2 abgegebenen Ladestrom Idc mit einem Soll-Ladestrom. Bei dem DC-Stromregler kann es sich beispielsweise um einen PID- oder PI-Stromregler handeln. Der erste Stromregler DC-SR-A liefert eine DC-Sollspannung, die durch einen zweiten DC-Spannungsregler DC-SR-B mit einer gemessenen Gleichspannung Vdc verglichen wird. Beispielsweise wird die an einer Fahrzeugbatterie anliegende Gleichspannung Vdc mithilfe eines Sensors sensorisch erfasst und mit der von dem Stromregler DC-SR-A gelieferten Soll-Gleichspannung VDCSOLL verglichen. Der DC-Spannungsregler DC-SR-B kann beispielsweise ein PID-Regler sein. Der DC-Spannungsregler DC-SR-B kann einen Sollstrom IQSOLL an den AC-Stromregler AC-SR abgeben, wie in 3 dargestellt. Dieser erhält zusätzlich die sensorisch erfasste DC-Gleichspannung, die beispielsweise an einer Fahrzeugbatterie sensorisch erfasst wird. Weiterhin erhält der AC-Stromregler AC-SR einen einstellbaren Strom IDSOLL, wie in 3 dargestellt. Die Mess- bzw. Erfassungseinheit ME liefert ferner eine von dem AC-Stromregler AC-SR auswertbare Spannungsamplitude Vamp. Ausgangsseitig ist an den AC-Stromregler AC-SR eine d/q-Rücktransformationseinheit d/q–1 vorgesehen, die einen Grund-Raumzeiger RZ0 für die Grundfrequenz f0 der gemessenen Phasenströme anhand des erfassten Spannungswinkels θ liefert.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Berechnungseinheit zur Berechnung eines Grund-Raumzeigers RZ0 für eine Grundfrequenz f0 der erfassten Phasenströme anhand des erfassten Spannungswinkels. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält diese zwei PI-Regler, welche einen momentanen Stromwert mit einem Sollwert vergleichen, wobei der erste PID-Regler und der zweite PIQ-Regler jeweils über ein Integrationsglied lokal rückgekoppelt sind. Ausgangsseitig sind an die beiden PI-Regler Addier- bzw. Summiereinrichtungen angeschlossen, die jeweils einen an einer Feedforward-Berechnungseinrichtung gelieferten Dekoppelwert durch den Ausgangswert des jeweiligen Reglers aufsummieren, wie in 5 zu erkennen. In der Feedforward-Berechnungseinheit erfolgt eine Berechnung der beiden Dekoppelwerte für die beiden Signalpfade, wobei bei einer Ausführungsvariante die beiden Dekoppelwerte wie folgt berechnet werden:
    function [CC_D_DECOUPLE, CC_Q_DECOUPLE, CC_D_DECOUPLE_RCOMPONENT, CC_Q_DECOUPLE_RCOMPONENT] = feedforward(ID_SP, IQ_SP, RS, LD, LQ, VAMP) % This block supports the Embedded MATLAB subset. % See the help menu for details. CC_D_DECOUPLE_RCOMPONENT = RS·ID_SP; CC_Q_DECOUPLE_RCOMPONENT = RS·IQ_SP; CC_D_DECOUPLE = RS·ID_SP – WE·LQ·IQ_SP; CC_Q_DECOUPLE = RS·IQ_SP + WE·(LD·ID_SP) + VAMP;
  • Bei einer möglichen Ausführungsvariante können die beiden PI-Regler, die in 5 dargestellt sind, durch einen PID-Regler oder durch eine gekoppelte Steuereinrichtung, beispielsweise MIMO, ersetzt werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz f0 weist neben der in 5 dargestellten ersten Berechnungseinheit zur Berechnung eines Grund-Raumzeigers RZ0 für die Grundfrequenz f0 mehrere zweite Berechnungseinheiten auf, die jeweils einen weiteren Raumzeiger RZi für eine harmonische Frequenz der erfassten Phasenströme Ia, Ib, Ic berechnen. Wie in 3 dargestellt, weist die Vorrichtung 13 mehrere zweite Berechnungseinheiten HC1...HCn für die verschiedenen harmonischen Frequenzen auf. Die weiteren Raumzeiger RZi für die harmonischen Frequenzen werden jeweils anhand von harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels h·θ berechnet, wie in 3 dargestellt. Der durch die Erfassungseinheit ermittelte Spannungswinkel θ ist mit Multiplikationseinrichtungen bzw. Multiplikatoren mit einem harmonischen Multiplikationsfaktor hi multipliziert welcher der Ordnung der jeweiligen harmonischen Frequenz fi entspricht. Die von den verschiedenen zweiten Berechnungseinheiten HCi gelieferten zusätzlichen Raumzeiger RZi werden durch eine Addiereinrichtung aufsummiert. Die Addiereinrichtung addiert den berechneten Raumzeiger RZ0 der Grundfrequenz f0 sowie die Raumzeiger RZi der harmonischen Frequenzen fi zur Berechnung eines Summen-Raumzeigers SRZ, wie in 3 dargestellt. Ein PWM-Generator PWM-GEN generiert die PWM-Steuersignale in Abhängigkeit des berechneten Summen-Raumzeigers SRZ. Dabei können die generierten PWM-Steuersignale beispielsweise dem in 1 oder 2 dargestellten AC/DC-Konverter 2 zugeführt werden.
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Berechnungseinheit HCi, wie sie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 13 zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen eingesetzt werden kann. Wie in 3 dargestellt, wird zunächst der erfasste Spannungswinkel θ mit einem Multiplikator mit einem harmonischen Multiplikationsfaktor hi multipliziert. Die sensorisch erfassten Phasenströme Ia, Ib, Ic werden einer d/q-Transformationseinheit zugeführt, welche die Phasenströme des Mehrphasensystems anhand des erfassten harmonischen Vielfachen (h·θ) des erfassten Spannungswinkels θ in einen zweidimensionalen Stromvektor Idq transformiert. Ein Tiefpassfilter TPF filtert den erzeugten zweidimensionalen Stromvektor Idq zur Dämpfung der übrigen harmonischen Frequenzanteile. Ein Stromregler SR regelt den gefilterten zweidimensionalen Stromvektor Idq zur Erzeugung eines Modulationsgrades Mdq, wie in 4 dargestellt. Eine inverse d/q-Transformationseinheit transformiert den erzeugten Modulationsgrad Mdq mittels einer inversen d/q-Transformation anhand des harmonischen Vielfachen (h·θ) des erfassten Spannungswinkels θ in den jeweiligen Raumzeiger RZi der jeweiligen harmonischen Frequenz fi.
  • Das in der zweiten Berechnungseinheit HCi vorgesehene Tiefpassfilter TPF kann beispielsweise durch ein FIR(Finite Impulse Response)-Filter gebildet werden. Das Tiefpassfilter TPF weist eine Übertragungscharakteristik H(f) auf, die an den übrigen harmonischen Frequenzen Nullstellen bildet. Bei einer möglichen Ausführungsvariante handelt es sich bei dem Tiefpassfilter um ein Moving-Average-Filter, d.h. um ein Filter mit gleitendem Mittelwert, bei dem insbesondere alle Koeffizienten gleich sein können. Die Anzahl N der Datensamples, welche zur Berechnung des gleitenden Mittelwertes verwendet werden, können bei einer Ausführungsvariante mittels einer fundamentalen bzw. Grundfrequenz f0 und einer Samplefrequenz fs wie folgt bestimmt werden: N = round (fs:f0), wobei dieses Filter eine Verstärkung von 0 bei den Frequenzen K·f0 aufweist, wobei K € z* (positive und negative Integerwerte ohne 0, d.h. –3·f0, –2·f0, –f0, +f0, +2·f0, +3·f0 usw. aufweist.
  • 6a zeigt das Spektrum eines derartigen Tiefpassfilters TPF mit einer Grundfrequenz von f0 = 50 Hz. Viele Mehrphasensysteme weisen eine derartige Grundfrequenz von f0 = 50 Hz auf. Wie man aus 6a erkennen kann, weist die Tiefpassfiltercharakteristik an der Grundfrequenz f0 und an den Vielfachen der Grundfrequenz jeweils Nullstellen auf. Falls sich die Fundamental- bzw. Grundfrequenz f0 verändert, kann die Anzahl der Samples angepasst werden, um eine bessere Filtercharakteristik zu erreichen.
  • In den meisten Anwendungsfällen sind die geradzahligen Harmonischen f(2K) nicht vorhanden oder weisen nur niedrige Amplitudenwerte auf. Bei derartigen Anwendungsszenarien ist es nicht notwendig, diese geradzahligen Harmonischen durch das Tiefpassfilter TPF wegzufiltern und es wird nur der zweite Harmonische durch das Tiefpassfilter herausgefiltert. Die Anzahl der Samples ist hierbei: N = round ((fs):(2·f0))
  • Bei dieser Ausführungsvariante ist nur die Hälfte der Datensamples notwendig und auch die Gruppenverzögerung (Group Delay) kann auf die Hälfte reduziert werden. Mit einer verminderten Gruppenverzögerung weist die Steuereinrichtung bzw. der Controller auch eine bessere Performance auf.
  • 6b zeigt die Filtercharakteristik für ein Tiefpassfilter TPF für eine Grundfrequenz von f0 = 50 Hz, das Nullstellen bei 100 Hz, 200 Hz usw. aufweist, d.h. nur bei jeder zweiten harmonischen Frequenz. Bei einer möglichen Ausführungsvariante ist es möglich, ein derartiges Moving-Average-Tiefpassfilter durch mehrere Filter zu implementieren, um die Anzahl der Samples zu reduzieren, wobei jedes Mal ein Downsample eingefügt wird.
  • Bei den Phasenströmen Ia, Ib, Ic des Mehrphasensystems kann es sich beispielsweise auch um Motorströme eines Elektromotors handeln. Falls sich der Motor mit 50 Hz in eine normale Betriebsrichtung dreht, liegt die Grundfrequenz beispielsweise bei f0 = 50 Hz. Falls sich der Elektromotor in die entgegengesetzte Richtung mit der gleichen Geschwindigkeit dreht, liegt die Fundamental- bzw. Grundfrequenz nicht mehr bei +50 Hz, sondern bei –50 Hz. Dies gilt auch für die harmonischen Frequenzen.
  • Die Verwendung eines FIR-Filters als Tiefpassfilter TPF bietet den Vorteil, dass an der Grundfrequenz f0 und den übrigen harmonischen vielfachen Frequenzen genau ein Verstärkungsfaktor von 0 einstellbar ist. Die Anzahl der Koeffizienten ist dabei abhängig von der jeweiligen Grundfrequenz f0.
  • 7 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz f0.
  • In einem Schritt S1 wird zunächst ein Spannungswinkel θ und die Phasenströme Ia, Ib, Ic des Mehrphasensystems 1 erfasst.
  • In einem weiteren Schritt S2 wird ein Grund-Raumzeiger RZ0 für die Grundfrequenz f0 der gemessenen Phasenströme Ia, Ib, Ic anhand des erfassten Spannungswinkels θ berechnet.
  • In einem weiteren Schritt S3 werden weitere Raumzeiger RZi für harmonische Frequenzen fi der gemessenen Phasenströme anhand von harmonischen Vielfachen des erfassten Raumwinkels h·θ berechnet.
  • In einem weiteren Schritt S4 werden die berechneten Raumzeiger der Grundfrequenz f0 sowie der harmonischen Vielfachen bzw. harmonischen Frequenzen zu einem Summen-Raumzeiger SRZ aufaddiert.
  • In einem weiteren Schritt S5 werden die PWM-Steuersignale in Abhängigkeit des berechneten Summen-Raumzeigers SRZ generiert.
  • In einem weiteren Schritt S6 wird schließlich ein AC/DC-Konverter des Mehrphasensystems 1 mit den generierten PWM-Steuersignalen angesteuert.
  • Zur Berechnung eines Raumzeigers RZi für eine harmonische Frequenz fi der Phasenströme des Mehrphasensystems in Schritt S3 werden bei einer möglichen Ausführungsform die Phasenströme Ia, Ib, Ic zunächst mittels einer d/q-Transformation anhand des harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels (h·θ) in einen zweidimensionalen Stromvektor Idq überführt, der durch ein Tiefpassfilter TPF zur Dämpfung der übrigen harmonischen Sequenzen gefiltert und einem Stromregler zugeführt wird. Dieser Stromregler regelt den gefilterten zweidimensionalen Stromvektor Idq zur Erzeugung eines Modulationsgrades Mdq. Der erzeugte Modulationsgrad Mdq wird mittels einer inversen d/q-Transformation anhand des harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels θ in den jeweiligen Raumzeiger RZi der jeweiligen harmonischen Frequenz fi zurücktransformiert.
  • Anschließend werden in Schritt S4 die berechneten Raumzeiger der Grundfrequenz und der harmonischen Frequenzen zur Berechnung des Summen-Raumzeigers SRZ aufaddiert. Der Summen-Raumzeiger SRZ kann dabei vorzugsweise einer inversen Clarke-Transformation unterzogen werden.
  • 9a, 9b zeigen den Verlauf eines sinusförmigen Stromsignals mit und ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen. 9a zeigt den herkömmlichen Verlauf des sinusförmigen Stromsignals, wie es beispielsweise von einem herkömmlichen AC/DC-Konverter geliefert wird. 9b zeigt den Signal-Verlauf bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem beispielsweise ein AC/DC-Konverter mit einer Steuervorrichtung angesteuert wird, die die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz enthält. Wie man aus 9a, 9b erkennen kann, sind durch das erfindungsgemäße Verfahren die Verzerrungen in dem Stromsignal deutlich reduziert.
  • Die 10a, 10b zeigen Signalspektren von Stromsignalen mit und ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen. Dabei wird die Amplitude des jeweiligen Stromsignals in dB über der Signalfrequenz f dargestellt. 10a zeigt das Spektrum ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen, wohingegen 10b das Spektrum eines Stromsignals unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen bei einer Grundfrequenz von beispielsweise 50 Hz darstellt. Wie man aus den beiden 10a, 10b erkennen kann, sind die Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz von 50 Hz, insbesondere bei f = 150 Hz, f = 250 Hz, f = 350 Hz deutlich reduziert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen können insbesondere zur Ansteuerung eines AC/DC-Konverters 2 eingesetzt werden, wie er beispielsweise in 11 dargestellt ist. Ein derartiger AC/DC-Konverter 2 kann sich beispielsweise in einem Elektrofahrzeug 11 befinden, das über einen Elektromotor 9 verfügt, wie in 2 dargestellt. Durch die Reduzierung der Strom-Oberschwingungen bei den harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz von beispielsweise f0 = 50 Hz ist es möglich, bei einer möglichen Ausführungsvariante denselben AC/DC-Konverter 2 sowohl für einen Elektromotor des Elektrofahrzeuges als auch zur Aufladung einer Fahrzeugbatterie zu verwenden. Ein AC/DC-Konverter kann für hohe Stromstärken von beispielsweise 300 Arms ausgelegt sein. Die Fahrzeugbatterie wird herkömmlicherweise mit geringeren Strömen, beispielsweise 16, 32 oder 64 Arms aufgeladen. Daher sind Strom-Oberschwingungen bei den harmonischen Frequenzen der Grundfrequenz vorhanden und können mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung beseitigt werden, sodass der gleiche AC/DC-Konverter 2 sowohl für den Elektromotor als auch zum Aufladen der Fahrzeugbatterie verwendbar ist. Bei herkömmlichen Vorrichtungen werden die harmonischen Frequenzen üblicherweise durch Einsatz weiterer Hardwarekomponenten, wie beispielsweise größere Drosselspulen, aktiven Filtern oder dergleichen, reduziert. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Strom-Oberschwingungen bei den harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz ohne Einsatz größerer oder zusätzlicher Hardwarekomponenten, wie beispielsweise Drosselspulen oder aktiven Filtern, effektiv zu dämpfen bzw. zu beseitigen.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Reduzieren von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz (f0), welche von einem an ein Mehrphasensystem (1) schaltbaren AC/DC-Konverter (2) hervorgerufen werden, mit den Schritten: (a) Erfassen (S1) eines Spannungswinkels (θ) und von Phasenströmen (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems (1); (b) Berechnen (S2) eines Grund-Raumzeigers (RZ0) für die Grundfrequenz (f0) der gemessenen Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand des erfassten Spannungswinkels (θ); (c) Berechnen (S3) von weiteren Raumzeigern (RZi) für harmonische Frequenzen (fi) der gemessenen Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand von harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels (h·θ); (d) Addieren (S4) der berechneten Raumzeiger (RZ0, RZi) der Grundfrequenz (f0) und der harmonischen Frequenzen (fi) zur Berechnung eines Summen-Raumzeigers (SRZ); (e) Generieren (S5) von PWM-Steuersignalen in Abhängigkeit des berechneten Summen-Raumzeigers (SRZ) und (f) Ansteuern (S6) des AC/DC-Konverters (2) des Mehrphasensystems (1) mit den generierten PWM-Steuersignalen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Berechnung eines Raumzeigers (RZi) für eine harmonische Frequenz (fi) der Phasenströme (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems (1) die Phasenströme (Ia, Ib, Ic) mittels einer d/q-Transformation anhand des harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels (h·θ) in einen zweidimensionalen Stromvektor Idq (Id, Iq) überführt werden, der durch ein Tiefpassfilter (TPF) zur Dämpfung der übrigen harmonischen Frequenzen gefiltert und einem Stromregler zugeführt wird, der den gefilterten zweidimensionalen Stromvektor (Idq) zur Erzeugung eines Modulationsgrades (Mdq) regelt, welcher mittels einer inversen d/q-Transformation anhand des harmonischen Vielfachen (h·θ) des erfassten Spannungswinkels (θ) in den Raumzeiger (RZi) der jeweiligen harmonischen Frequenz (fi) transformiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Summen-Raumzeiger (SRZ) einer inversen Clarke-Transformation unterzogen wird.
  4. Vorrichtung zur Reduzierung von Strom-Oberschwingungen bei harmonischen Frequenzen einer Grundfrequenz (f0), die von einem an ein Mehrphasensystem (1) schaltbaren AC/DC-Konverter (2) hervorgerufen werden, mit: (a) einer Erfassungseinheit zur Erfassung eines Spannungswinkels (θ) und von Phasenströmen (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems (1); (b) einer ersten Berechnungseinheit zur Berechnung eines Grund-Raumzeigers (RZ0) für eine Grundfrequenz (f0) der erfassten Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand des erfassten Spannungswinkels (θ); (c) mehreren zweiten Berechnungseinheiten (HCi), die jeweils einen weiteren Raumzeiger (RZi) für eine harmonische Frequenz (fi) der erfassten Phasenströme (Ia, Ib, Ic) anhand von harmonischen Vielfachen des erfassten Spannungswinkels (h·θ) berechnen; (d) einer Addiereinheit zum Addieren der berechneten Raumzeiger der Grundfrequenz (f0) und der harmonischen Frequenzen (fi) zur Berechnung eines Summen-Raumzeigers (SRZ); (e) einem PWM-Generator (PWM-GEN) zum Generieren von PWM-Steuersignalen in Abhängigkeit des berechneten Summen-Raumzeigers (SRZ), wobei die generierten PWM-Steuersignale den AC/DC-Konverter (2) des Mehrphasensystems (1) ansteuern.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite Berechnungseinheit (HC) an einen Multiplikator angeschlossen ist, der zur Multiplikation des erfassten Spannungswinkels (θ) mit einem harmonischen Multiplikationsfaktor der jeweiligen harmonischen Frequenz (fi) vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die zweite Berechnungseinheit (HC) aufweist: – eine d/q-Transformationseinheit zur Transformation der Phasenströme (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems (1) anhand des erfassten harmonischen Vielfachen (h·θ) des erfassten Spannungswinkels (θ) in einen zweidimensionalen Stromvektor (Idq); – ein Tiefpassfilter (TPF), das den zweidimensionalen Stromvektor (Idq) zur Dämpfung der übrigen harmonischen Frequenzanteile filtert; – einen Stromregler (SR), der den gefilterten zweidimensionalen Stromvektor (Idq) zur Erzeugung eines Modulationsgrades (Mdq) regelt und – eine inverse d/q-Transformationseinheit, welche den erzeugten Modulationsgrad (Mdq) mittels einer inversen d/q-Transformation anhand des harmonischen Vielfachen (h·θ) des erfassten Spannungswinkels (θ) in den Raumzeiger (RZi) der jeweiligen harmonischen Frequenz (fi) transformiert.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Tiefpassfilter (TPF) einer für eine bestimmte harmonischen Frequenz (fi) vorgesehenen zweiten Berechnungseinheit eine Übertragungscharakteristik H(f) aufweist, die an den übrigen harmonischen Frequenzen (fi) Nullstellen aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefpassfilter (TPF) ein FIR-Filter ist.
  9. Mehrphasensystem mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 4–8.
  10. Mehrphasensystem nach Anspruch 9, wobei der AC/DC-Konverter (2) die Phasenströme (Ia, Ib, Ic) des Mehrphasensystems (1) in eine Gleichspannung für eine Last, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, umwandelt.
  11. Mehrphasensystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei der AC/DC-Konverter (2) zwischen dem Mehrphasensystem (1) und einer Drehfeldmaschine schaltbar ist.
  12. Elektrofahrzeug (11) mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 4m, und mit einem AC/DC-Konverter (2), welcher zwischen dem Mehrphasensystem (1) und einem Elektromotor (9) schaltbar ist, und mit einer Fahrzeugbatterie, die als Last an den AC/DC-Konverter (2) angeschlossen ist.
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