DE102015213648A1 - Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters und Frequenzumrichter - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters, der zum Ansteuern eines Drehstrommotors ausgebildet ist, wobei der Frequenzumrichter drei Halbbrücken mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Erzeugen von drei Phasenspannungen für den Drehstrommotor mittels einer Pulsweitenmodulation, wobei zur Pulsweitenmodulation verschiedene Schaltmuster der Schaltmittel aktiviert werden, wobei sich für verschiedene Gruppen von Schaltmustern spezifische Sternpunktspannungen einstellen, – wobei in mindestens einem Betriebszustand des Frequenzumrichters innerhalb einer jeweiligen Periode (TP) der Pulsweitenmodulation nur solche Schaltmuster aktiviert werden, bei denen sich eine identische Sternpunktspannung einstellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters, der zum Ansteuern eines Drehstrommotors ausgebildet ist, und einen Frequenzumrichter.
  • Aus der DE 101 49 270 A1 ist ein raumzeigerbasiertes Schaltmuster zur Minimierung der Sternpunktspannungsschwankungen bei einer an einem Gleichspannungszwischenkreisumrichter betriebenen Drehstrommaschine bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters und einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, die Schwankungen der Sternpunktspannung verglichen mit der DE 101 49 270 A1 noch weiter reduzieren.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Frequenzumrichter nach Anspruch 5.
  • Das Verfahren dient zum Betreiben eines Frequenzumrichters, beispielsweise in Form eines Gleichspannungszwischenkreisumrichters. Der Frequenzumrichter ist dazu ausgebildet, einen Drehstrommotor bzw. eine Drehstrommaschine anzusteuern. Der Frequenzumrichter weist herkömmlich drei Halbbrücken auf. Jede der drei Halbbrücken weist herkömmlich mindestens zwei Schaltmittel auf.
  • Mittels des Frequenzumrichters werden drei Phasenspannungen für den Drehstrommotor mittels einer Pulsweitenmodulation erzeugt, wobei zur Pulsweitenmodulation verschiedene Schaltmuster der Schaltmittel aktiviert werden, wobei sich für verschiedene Gruppen von Schaltmustern gruppenspezifische Sternpunktspannungen einstellen bzw. verschiedene Gruppen von Schaltmustern gruppenspezifische Sternpunktspannungen bewirken. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur bzw. die DE 101 49 270 A1 verwiesen.
  • Erfindungsgemäß werden während mindestens eines Betriebszustands des Frequenzumrichters innerhalb einer jeweiligen (Grund-)Schaltperiode der Pulsweitenmodulation nur solche Schaltmuster aktiviert, die einer der Gruppen von Schaltmustern angehören, d.h. bei denen sich eine identische, gruppenspezifische Sternpunktspannung einstellt. Auf diese Weise kann eine Änderung der Sternpunktspannung aufgrund eines Schaltmusterwechsels vermieden werden.
  • Unter einer Sternpunktspannung im Sinne der Erfindung wird typisch eine solche Spannung verstanden, deren zeitliche Änderung zu unerwünschten Strömen führt, insbesondere zu Ableitströmen über mechanische Lager des Elektromotors. Dies kann beispielsweise eine Spannung sein, die zwischen Stator und Rotor wirkt. Im Falle einer Sternschaltung kann die Sternpunktspannung die tatsächliche Sternpunktspannung sein. Für andere Verschaltungen kann die Sternpunktspannung beispielsweise eine virtuelle oder gedachte Sternpunktspannung sein, die beispielsweise durch Dreieck-Stern-Transformation für den Fall einer Dreieckschaltung berechenbar ist. Die Sternpunktspannung kann alternativ auch als Gleichtaktspannung bezeichnet werden.
  • Die Halbbrücken können jeweils einen ersten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke mit einem positiven Zwischenkreispotential verbunden ist. Der erste Zustand einer jeweiligen Halbbrücke wird mit „1“ bezeichnet. Die Halbbrücken können jeweils einen zweiten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke mit einem negativen Zwischenkreispotential verbunden ist. Der zweite Zustand einer jeweiligen Halbrücke wird mit „0“ bezeichnet. Während des mindestens einen Betriebszustands werden innerhalb einer jeweiligen Periode der Pulsweitenmodulation nur folgende Schaltmuster aktiviert: entweder (100, 010, 001) oder (011, 101, 110). Die Schaltmuster 100, 010, 001 gehören zu einer ersten Gruppe von Schaltmustern und die Schaltmuster 011, 101, 110 gehören zu einer zweiten Gruppe von Schaltmustern, wobei die Schaltmuster innerhalb einer Gruppe in beliebiger Reihenfolge aktivierbar sind. Für die Schaltmuster 100, 010, 001 ist innerhalb einer jeweiligen Periode der Pulsweitenmodulation zu einem Zeitpunkt immer nur genau eine der Halbbrücken mit dem positiven Zwischenkreispotential verbunden. Für die Schaltmuster 011, 101, 110 ist innerhalb einer jeweiligen Periode der Pulsweitenmodulation zu einem Zeitpunkt immer nur genau eine der Halbbrücken mit dem negativen Zwischenkreispotential verbunden. Auf diese Weise werden Schwankungen der Sternpunktspannung vermieden. Allerdings reduziert sich die maximale stellbare Motorspannung im Vergleich zu herkömmlichen Ansteuerverfahren.
  • Ein Wechsel der Gruppe zwischen aufeinanderfolgenden Perioden der Pulsweitenmodulation wird typischerweise vermieden.
  • Der mindestens eine Betriebszustand des Frequenzumrichters kann unterhalb einer Schwellendrehzahl des Elektromotors eingestellt werden. Oberhalb der Schwellendrehzahl des Elektromotors können innerhalb einer jeweiligen Periode der Pulsweitenmodulation Schaltmuster beliebiger Gruppen aktiviert werden. Unterhalb der Schwellendrehzahl bildet sich in der Regel kein schützender Ölfilm in Lagern des Elektromotors, über die Ströme aufgrund von Schwankungen der Sternpunktspannung fließen. In diesem Drehzahlbereich werden daher erfindungsgemäß Schwankungen der Sternpunktspannung reduziert bzw. im Wesentlichen vollständig vermieden, wobei in diesem Drehzahlbereich der reduzierte Spannungsstellbereich in Kauf genommen werden kann. Oberhalb der Schwellendrehzahl hat sich der schützende Ölfilm in der Regel gebildet, so dass Schwankungen der Sternpunktspannung tolerierbarer sind. Es versteht sich, dass das Umschalten in Abhängigkeit von der Schwellendrehzahl unter Berücksichtigung einer geeigneten Hysterese erfolgen kann.
  • Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter ist zum Ansteuern eines Drehstrommotors ausgebildet und weist drei Halbbrücken mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln auf. Der Frequenzumrichter weist weiter eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Schaltmittel derart anzusteuern, dass ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:
  • 1 einen Frequenzumrichter, der zum Ansteuern eines Drehstrommotors ausgebildet ist, wobei der Frequenzumrichter drei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltmitteln aufweist,
  • 2 verschiedene Gruppen von Schaltmustern der Schaltmittel und zugehörige Sternpunktspannungen und
  • 3 eine Periode einer Pulsweitenmodulation mit einer Abfolge von Schaltmustern einer Gruppe mit identischer Sternpunktspannung.
  • 1 zeigt einen Frequenzumrichter 1, der zum Ansteuern eines Drehstrommotors 2 ausgebildet ist. Der Frequenzumrichter 1 weist herkömmlich drei Halbbrücken B1, B2, B3 auf. Die Halbbrücke B1 weist zwei Schaltmittel S1, S2 auf. Die Halbbrücke B2 weist zwei Schaltmittel S3, S4 auf. Die Halbbrücke B3 weist zwei Schaltmittel S5, S6 auf. Die Halbbrücken sind zwischen ein positives Zwischenkreispotential UZK_P und ein negatives Zwischenkreispotential UZK_N eingeschleift, wobei ein Verbindungsknoten der Schaltmittel einer jeweiligen Brücke (Ausgang der Brücke) mit einem Phasenanschluss U, V bzw. W des Drehstrommotors 2 elektrisch verbunden ist. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen
  • Die Halbbrücken B1, B2, B3 weisen jeweils einen ersten Zustand auf, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke B1, B2, B3 mit dem positiven Zwischenkreispotential UZK_P verbunden ist, wobei der jeweilige Zustand der Halbbrücke B1, B2, B3 mit 1 bezeichnet wird. Die Halbbrücken B1, B2, B3 weisen jeweils einen zweiten Zustand auf, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke B1, B2, B3 mit dem negativen Zwischenkreispotential UZK_N verbunden ist, wobei der jeweilige Zustand der Halbbrücke B1, B2, B3 mit 0 bezeichnet wird.
  • 2 zeigt verschiedene Gruppen G1 bis G4 von Schaltmustern der Schaltmittel S1, S2; S3, S4; S5, S6 und zugehörige Werte von Sternpunktspannungen US.
  • In der Gruppe G1 weisen alle Brücken B1, B2, B3 den Zustand 1 auf, d.h. die Schaltmittel S1, S3, S5 sind geschlossen und die Schaltmittel S2, S4 und S6 sind geöffnet. Es ergibt sich eine Sternpunktspannung US von UZK/2.
  • In der Gruppe G2 weisen zwei der Brücken B1, B2 und B3 den Zustand 1 auf und eine der Brücken B1, B2 und B3 den Zustand 0 auf. Es ergibt sich eine Sternpunktspannung US von UZK/6.
  • In der Gruppe G3 weisen zwei der Brücken B1, B2 und B3 den Zustand 0 auf und eine der Brücken B1, B2 und B3 den Zustand 1 auf. Es ergibt sich folglich eine Sternpunktspannung US von –UZK/6.
  • In der Gruppe G4 weisen alle Brücken B1, B2, B3 den Zustand 0 auf, d.h. die Schaltmittel S1, S3, S5 sind geöffnet und die Schaltmittel S2, S4 und S6 sind geschlossen. Es ergibt sich eine Sternpunktspannung US von –UZK/2.
  • Erfindungsgemäß werden unterhalb einer Schwellendrehzahl des Elektromotors 2 innerhalb einer jeweiligen Periode einer Pulsweitenmodulation (siehe auch 3) nur Schaltmuster entweder aus Gruppe G2 oder aus Gruppe G3 eingestellt. Die Schwellendrehzahl kann in Abhängigkeit davon gewählt werden, ab welcher Drehzahl sich typisch ein Ölfilm in Lagern des Elektromotors 2 bildet.
  • Die Schwankungen der Sternpunktspannung, d.h. auch der Spannung zwischen Stator und Rotor, kann zerstörend wirken, wenn diese Spannung über die mechanischen Lager kurzgeschlossen wird, wobei sich in den tribologischen Kontaktflächen der Lager hohe Stromdichten einstellen können, welche die Kontaktflächen des Lagers kurzfristig verschweißen können. Diese Verschweißungen werden beim Weiterdrehen aufgerissen und führen zur Zerstörung der Oberfläche des mechanischen Lagers. Dies betrifft im besonderen Maße den Stillstand und den Betrieb bei langsamen Drehfrequenzen, da sich hier noch kein geschlossener isolierender Schmierfilm aufbauen kann und es daher in diesem Betriebsbereich zu leitfähigem metallischen Kontakt kommen kann.
  • Im unteren Drehzahlbereich, beispielsweise bis ca. 50% der Nenndrehzahl des Motors, werden daher nur Schaltmuster einer der Gruppen genutzt, so dass keine Lagerströme auftreten. Bei einem dreiphasigen System kommen sinnvollerweise Schaltmuster der Gruppen 2 oder 3 zum Einsatz. Ein kombinierter Einsatz der Schaltmuster der Gruppen 2 oder 3 in aufeinanderfolgenden bzw. unterschiedlichen Perioden ist in diesem Drehzahlbereich typisch nicht vorgesehen.
  • Im oberen Drehzahlbereich, beispielsweise ab ca. 50% der Nenndrehzahl des Motors, können innerhalb einer jeweiligen Periode und/oder in unterschiedlichen (aufeinanderfolgenden) Perioden beispielsweise nur zwei von ihrer Sternpunktspannung unmittelbar benachbarte Gruppen zum Einsatz kommen, beispielsweise die Gruppen 2 und 3, so dass gegenüber dem konventionellen Betrieb nur 33% bis 50% der Schwankung der Sternpunktspannung auftritt.
  • Es versteht sich, dass die Beschränkung auf die Schaltmuster aus den Gruppen G2 und G3 auch abhängig von anderen Betriebszuständen oder dauerhaft vorgenommen werden kann.
  • 3 zeigt exemplarisch eine PWM-Periode TP der Pulsweitenmodulation mit einer Abfolge von Schaltmustern 100, 010, 001 der Gruppe G2 mit identischer Sternpunktspannung –UZK/6. Es versteht sich, dass die Schaltmuster auch in einer anderen Reihenfolge erzeugt werden können, beispielsweise 001, 010, 100 usw. Die gezeigte Abfolge von Schaltmustern verhindert Schwankungen der Sternpunktspannung vollständig.
  • Erfindungsgemäß können folglich Lagerströme aufgrund von Schwankungen der Sternpunktspannung weitgehend vermieden werden. Dies reduziert weiter die Störemission und Fehlerströme deutlich. Der Stellbereich der Ausgangsspannung ist jedoch reduziert.
  • Aufgrund der geringeren Fehlerströme, die ein Auslösen eines Fehlerstromschalters verhindern, ist die Verwendung der Erfindung beispielsweise in Büroanwendungen (Kopierer, etc.) und in der Medizintechnik (Antrieb eines Krankenbetts, etc.) möglich.
  • Der bei kleinen Ausgangsspannungen vorhandene Stromripple in den Motorphasen kann beispielsweise zur Drahtbruch-Erkennung einer Motorphase und zur Auswertung im Kontext von sensorlosen Anwendungen verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10149270 A1 [0002, 0003, 0006]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters (1), der zum Ansteuern eines Drehstrommotors (2) ausgebildet ist, wobei der Frequenzumrichter (1) drei Halbbrücken (B1, B2, B3) mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln (S1, S2; S3, S4; S5, S6) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Erzeugen von drei Phasenspannungen für den Drehstrommotor (2) mittels einer Pulsweitenmodulation, wobei zur Pulsweitenmodulation verschiedene Schaltmuster der Schaltmittel (S1, S2; S3, S4; S5, S6) aktiviert werden, wobei verschiedene Gruppen von Schaltmustern (G1, G2, G3, G4) spezifische Sternpunktspannungen (US) bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass – in mindestens einem Betriebszustand des Frequenzumrichters (1) innerhalb einer jeweiligen Periode (TP) der Pulsweitenmodulation nur solche Schaltmuster aktiviert werden, die eine identische Sternpunktspannung bewirken.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Halbbrücken (B1, B2, B3) jeweils einen ersten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke (B1, B2, B3) mit einem positiven Zwischenkreispotential (UZK_P) verbunden ist, der mit 1 bezeichnet wird, und jeweils einen zweiten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke (B1, B2, B3) mit einem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbunden ist, der mit 0 bezeichnet wird, wobei in dem mindestens einen Betriebszustand innerhalb einer jeweiligen Periode der Pulsweitenmodulation nur folgende Schaltmuster aktiviert werden: entweder (100, 010, 001) oder (011, 101, 110).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der mindestens eine Betriebszustand des Frequenzumrichters unterhalb einer Schwellendrehzahl des Elektromotors (2) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – oberhalb der Schwellendrehzahl des Elektromotors (2) innerhalb einer jeweiligen Periode (TP) der Pulsweitenmodulation Schaltmuster beliebiger Gruppen (G1, G2, G3, G4) aktiviert werden.
  5. Frequenzumrichter (1), der zum Ansteuern eines Drehstrommotors (2) ausgebildet ist, aufweisend: – drei Halbbrücken (B1, B2, B3) mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln (S1, S2; S3, S4; S5, S6), und – eine Steuereinheit (3), die dazu ausgebildet ist, die Schaltmittel (S1, S2; S3, S4; S5, S6) derart anzusteuern, dass ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.
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