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Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit Spannungszwischenkreis, bestehend aus mindestens einem netzseitigen Stromrichter, der die Wechsel- bzw. Drehspannung des Versorgungsnetzes in eine Gleichspannung umwandelt, aus Zwischenkreiskondensatoren, die diese Gleichspannung glätten und aus mindestens einem lastseitigen Stromrichter, der aus der geglätteten Gleichspannung eine Wechsel- oder Drehspannung erzeugt, um mindestens eine Last zu versorgen. Eine typische Last kann ein Wechselstrom- oder Drehstrom-Elektromotor sein, zum Beispiel ein Asynchronmotor, ein permanenterregter Synchronmotor oder ein Synchron-Reluktanzmotor. Der netzseitige Stromrichter ist so gestaltet, dass er sowohl in einem grundfrequenten Betrieb als auch in einem getakteten, geregelten Betrieb arbeiten kann. Aufgabe der Erfindung ist eine Lösung zu schaffen, bei der einerseits die Zwischenkreisspannung jederzeit hoch genug für einen störungsfreien Betrieb des lastseitigen Stromrichters bzw. der lastseitigen Stromrichter ist und bei der andererseits die Verluste im netzseitigen Stromrichter möglichst reduziert werden.
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Stand der Technik
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Umrichter werden oft benutzt, um Elektromotoren zu speisen. Falls der Motor gebremst werden muss, arbeitet er oft in einem generatorischen Betrieb, das heißt, der Motor wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um. Wenn keine andere Last diese Energie aus dem Gleichspannung-Zwischenkreis aufnehmen kann, steigt die Spannung im Zwischenkreis. Um die Bauteile, wie Halbleiterschaltungen und Elektrolytkondensatoren gegen eine zu hohe Spannungsbelastung schützen zu können, muss diese Energie entweder durch eine Ballastschaltung in Wärme umgewandelt oder durch Rückspeisung in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden. Energietechnisch und umweltpolitisch ist eine Rückspeisung vorzuziehen.
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Für die Realisierung eines rückspeisefähigen netzseitigen Stromrichters sind mehrere Lösungen bekannt. Üblicherweise werden hochfrequent getaktete, pulsweitenmodulierte Stromrichter (Active Front End, AFE) und grundfrequent getaktete Stromrichter (Fundamental Frequency Front End, F3E) verwendet. Beide Lösungen sind hardwaremäßig ähnlich aufgebaut, die Schaltungen bestehen üblicherweise aus Netzfilter, Netzdrossel, Halbleiter-Brücke und Elektrolyt-Zwischenkreiskondensatoren. Der wesentliche strukturelle Unterschied liegt in der Steuerung der Leistungsschalter (z. B. IGBTs oder MOSFETs).
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Der pulsweitenmodulierte netzseitige Stromrichter (AFE) als Einspeiseeinheit hat einige wesentliche Vorteile: mit guter Näherung sinusförmige Netzströme sowie eine geregelte und erhöhte Zwischenkreisspannung. Letztere ist besonders wichtig bei Standorten mit schwacher Netzeinspeisung, insbesondere in Entwicklungsländern. Hier kann durch die geregelte Zwischenkreisspannung ein stabiler Betrieb trotz schwachem Netz und schwankender Netzspannung garantiert werden.
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Bei F3E werden die Schalter nicht PWM-moduliert getaktet, sondern nur 6-pulsig, grundfrequent geschaltet, so dass sich die Schaltung in motorischem Betrieb ähnlich verhält, wie ein Dioden-Gleichrichter. Im generatorischen Betrieb ist jedoch die F3E-Schaltung in der Lage, die Bremsenergie ins Netz zurückzuspeisen. Vorteile dieser Lösung im Vergleich zur AFE-Lösung sind die stark reduzierten Schaltverluste in den Leistungshalbleitern (z. B. MOSFETs oder IGBTs). Dadurch können diese Leistungsschalter für die gleiche Nennleistung günstiger dimensioniert werden, der Wirkungsgrad steigt und es muss weniger Wärme abgeführt werden. Man erhält eine kostengünstige und energieeffiziente Einheit, die vollständig rückspeisefähig ist. Diese Lösung hat leider auch einige Nachteile: Die Zwischenkreisspannung ist ungeregelt wie bei einem ungesteuerten Diodengleichrichter. Die Zwischenkreisspannung ist kleiner, als bei der getakteten Steuerung (AFE) und die Netzströme sind nicht sinusförmig sondern stark oberschwingungsbelastet. Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, wie man die Vor- und Nachteile der beiden Lösungen (AFE und F3E) kombinieren kann.
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DE 10 2006 028 103 A1 beschreibt einen Stromrichter, bei dem der Stromrichter im „Normalzustand” in grundfrequentem Betrieb arbeitet (F3E-Betrieb) aber in einem Sonderzustand, wie Netzstörung, Parameteridentifikation oder Systemdiagnose, temporär auf einen getakteten spannungsgeregelten Betrieb (AFE) umgeschaltet wird. Durch bestimmte Parameter, wie Netz- und/oder Zwischenkreisspannung oder durch den Blindstrom, kann bestimmt werden, ob ein ungeregelter grundfrequenter Betrieb erlaubt ist. Wenn nicht, wird wiederum auf einen getakteten Betrieb umgeschaltet. Außerdem wird ein weiterer Stromrichter beschrieben, der im Normalzustand getaktet/geregelt arbeitet (AFE), in einem Sonderzustand aber, wie bei einer thermischen Überbelastung oder bei einer zu hohen Netzspannung, temporär auf einen ungeregelten grundfrequenten Betrieb (F3E) umgeschaltet wird.
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Aus
EP 2 182 625 B1 ist ein Stromrichter bekannt, bei dem von der Normalbetriebsmodulation während einer Ausnahme- oder Fehlersituation auf eine grundfrequente Modulation umgeschaltet wird. Es wird außerdem ein Stromrichter beschrieben, bei dem diese Umschaltung in Abhängigkeit von einer Stromschwellwertüberschreitung erfolgt.
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Aufhabe der Erfindung besteht darin, eine energietechnisch günstige Lösung zu schaffen, bei der während des Betriebes, auch ohne einer Ausnahme- oder Fehlersituation, adaptiv zwischen getaktetem und grundfrequentem Betrieb geschaltet wird. Eine typische Anwendung für diesen Umrichter ist ein Antriebsystem mit veränderbarer Motordrehzahl. In Arbeitspunkten mit hoher Drehzahl und/oder hohem Drehmoment braucht der Motor hohe Spannungen. Hier ist die getaktete Stromrichtersteuerung mit erhöhter und geregelter Zwischenkreisspannung vorteilhaft. Ergibt sich aus dem Arbeitspunkt, dass der Motor auch bei kleinerer Zwischenkreisspannung ausreichend versorgt werden kann, wird auf einen grundfrequenten Betrieb im netzseitigen Stromrichter umgeschaltet, um die Verlustleistung in seinen Leistungshalbleitern zu reduzieren. Erfindungsgemäß wird für die Feststellung, ob die Zwischenkreisspannung für einen störungsfreien Betrieb ausreicht, der Aussteuergrad des lastseitigen Stromrichters zu Grunde gelegt.
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Dazu wird ein netzseitiger Stromrichter verwendet, der sowohl als AFE als auch als F3E betrieben werden kann. Dazu müssen die Leistungshalbleiter und ihre Kühlung thermisch wie bei einem AFE-Stromrichter dimensioniert werden. Das Gleiche gilt für die Zwischenkreiskondensatoren, üblicherweise meist Elektrolytkondensatoren. Die externe Beschaltung (Netzdrossel + Netzfilter) kann von einem Fachmann ohne weiteres so ausgewählt werden, dass sie für beide Betriebsarten ausreichend ist, also sowohl einen sicheren Betrieb gewährleistet als auch die gültigen Normen und Vorschriften (z. B. Netzqualität, EMV usw.) erfüllt. In der Steuerung/Regelung dieses netzseitigen Stromrichters sind beide Steuerverfahren realisiert, damit eine dynamische Umschaltung zwischen den zwei Betriebsarten ermöglicht wird.
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In einer ersten Ausführung der Erfindung wird der aktuelle Wert des Aussteuergrades in dem lastseitigen Stromrichter ausgewertet. Dieser Aussteuergrad gibt auf eine einfache Weise Auskunft, ob der lastseitige Stromrichter für einen störungsfreien Betrieb genug Spannungsreserve hat. Wenn der netzseitige Stromrichter im grundfrequenten Betrieb arbeitet und anhand eines hohen Aussteuergrades festgestellt wird, dass diese Spannungsreserve zu klein ist, wird auf den getakteten, geregelten Betrieb umgeschaltet. Umgekehrt, wenn der netzseitige Stromrichter in einem getakteten, geregelten Betrieb arbeitet und aus dem Aussteuergrad des lastseitigen Stromrichters erkennbar ist, dass genug Spannungsreserve vorhanden ist, wird auf die grundfrequente Steuerung umgeschaltet, um die Schaltverluste in den Leistungshalbleitern des netzseitigen Stromrichters zu reduzieren.
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Wird der lastseitige Stromrichter in mindestens einer Phase voll ausgesteuert (100% PWM-Faktor bei Pulsweitenmodulation), hat der Stromrichter keine Spannungsreserve mehr. Ein niedrigerer Aussteuergrad im lastseitigen Stromrichter weist auf eine höhere Spannungsreserve hin. Der Schaltpunkt zwischen den Betriebsarten des netzseitigen Stromrichters kann als fester Grenzwert (z. B. 85%) für den Aussteuergrad des lastseitigen Stromrichters definiert werden. Dieser Grenzwert kann in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen den erreichbaren Zwischenkreisspannungen in getaktetem bzw. in grundfrequentem Betrieb bestimmt werden. Weiterer Faktor, der bei der Bestimmung des Grenzwertes in Betracht gezogen werden muss, ist die Dynamik des Systems. Zum Beispiel im Falle eines Antriebes braucht eine hochdynamische Anwendung mehr Spannungsreserve als eine Anwendung, bei der keine schnellen Beschleunigungen zu erwarten sind. Überschreitet der Aussteuergrad in mindestens einer Phase des lastseitigen Stromrichters den Grenzwert, wird unverzüglich auf getakteten Betrieb umgeschaltet. Dabei kann es sinnvoll sein, den getakteten, geregelten Betrieb so zu starten, dass in der Zwischenkreisspannung vorerst kein großer Sprung entsteht und die Zwischenkreisspannung nach der Umschaltung ruckfrei mit einer vordefinierten Rampe auf die für den getakteten Betrieb definierten Nominalwert hochgefahren wird.
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Die Zurückschaltung auf einen grundfrequenten Betrieb kann erst dann erfolgen, wenn der Aussteuergrad des lastseitigen Stromrichters für eine gewisse Zeit in allen Phasen des Stromrichters einen zweiten Grenzwert unterschreitet. Diese Zeit kann entweder fest definiert oder von der Ausgangsfrequenz des Umrichters abhängig bestimmt sein. Im letzteren Fall kann es sinnvoll sein, die vorgeschriebene Zeit im Falle von niedrigeren Ausgangsfrequenzen zu erhöhen, um eine vorschnelle Umschaltung zu verhindern.
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Mit der Definition der zwei Grenzwerte kann man auch beeinflussen, wie oft eine Umschaltung im Betrieb vorkommt. Wird zu oft hin- und hergeschaltet, ist zu empfehlen, den ersten Grenzwert zu erhöhen und/oder den zweiten Grenzwert zu verkleinern.
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Speist der netzseitige Stromrichter mehrere lastseitige Stromrichter, müssen die Aussteuergrade der lastseitigen Stromrichter verknüpft werden. Für die Umschaltung auf die höhere Zwischenkreisspannung (getakteter Betrieb) muss es reichen, wenn einer der lastseitigen Stromrichter einen über den Grenzwert liegenden Aussteuergrad meldet. Dagegen kann eine Umschaltung auf die niedrigere Zwischenkreisspannung (grundfrequenter Betrieb) nur dann erfolgen, wenn alle lastseitigen Stromrichter einen unter dem zweiten Grenzwert liegenden Aussteuergrad melden.
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Probleme können bei dieser Ausführung entstehen, wenn hohe Dynamik erwartet wird und gleichzeitig die Kondensatoren im Zwischenkreis eine hohe Kapazität aufweisen. Muss zum Beispiel ein hochdynamischer Antrieb schnell bis zur maximalen Drehzahl beschleunigen, kann eventuell die Zwischenkreisspannung nicht schnell genug erhöht werden.
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In einer zweiten Ausführung der Erfindung wird deshalb statt dem aktuellen Wert des Aussteuergrades der prognostizierte, zukünftige Aussteuergrad als Entscheidungskriterium für die Umschaltung verwendet. Dazu wird die Umrichtersteuerung mit einer lernfähigen Einheit ergänzt. Lernende Maschinen sind in der Lage, verschiedene Muster in Signalen zu erkennen. Aufgabe dieser lernfähigen Einheit ist dafür zu sorgen, dass die Zwischenkreisspannung für einen fehlerfreien Betrieb immer ausreichend ist. Dazu muss die lernfähige Einheit aus den ihr zur Verfügung stehenden Größen eine Prognose für den zukünftigen Aussteuergrad erstellen. Es gibt mehrere bekannte Lösungen für lernende Maschinen, die eine reale Zahl als Ausgangswert liefern („Regression”). Für die erfindungsgemäße Umrichtersteuerung kann die Aufgabe für die lernfähige Einheit sein, den maximal zu erwartende Aussteuergrad zu prognostizieren.
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Um den zukünftigen Aussteuergrad des lastseitigen Stromrichters prognostizieren zu können, kann die lernfähige Einheit sowohl Signale aus den netzseitigen und lastseitigen Stromrichtern als auch aus der Umgebung verwenden. Besonders in Systemen nach der Vorstellung von „Industrie 4.0” bzw. „Internet of Everything” (IoE) wird dies durch die Vernetzung der Geräte durchaus praktikabel.
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Dritte Ausführung der Erfindung: Eine andere Möglichkeit ist Lernmethoden zu verwenden, die diskrete Werte liefern („Klassifizierung”). In diesem Fall liefert die lernfähige Einheit nicht den zu erwarteten maximalen Aussteuergrad sondern direkt die Entscheidung, ob eine ausreichende Spannungsreserve im Zwischenkreis, erkennbar über den unter einem Grenzwert liegenden Aussteuergrad, für einen verlustarmen, grundfrequenten Betrieb in der Zukunft ausreicht oder nicht. Der Ausgang der lernfähigen Einheit ist hier ein binärer Wert: ja oder nein, bzw. 1 oder 0. Dies entspricht einer typischen Klassifizierungsaufgabe für lernende Maschinen. Bei Ausgangswert 1 wird, wenn sonst nichts dagegen spricht, der netzseitige Stromrichter auf den grundfrequenten Betrieb (F3E) geschaltet, sonst arbeitet der netzseitige Stromrichter getaktet (AFE).
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Die lernfähige Einheit
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In beiden letzteren Ausführungsformen erkennt eine lernfähige Einheit Regelmäßigkeiten und logische Verknüpfungen in der Maschine bzw. Anlage, in der der Umrichter eingesetzt ist. Gleichzeitig ist sie in der Lage, Änderungen in der Ablaufsteuerung zu erkennen und flexibel darauf zu reagieren.
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Die Frage, wie weit die Prognose in der Zukunft reichen soll, kann in Abhängigkeit von der Zeit, wie schnell die Zwischenkreisspannung in ungünstigsten Fall auf den Nominalwert im getakteten, geregelten Betrieb erhöht werden kann. Die Prognose muss mindestens für dieses Zeitintervall gelten, noch besser für ein etwas längeres Zeitintervall, um die Sicherheit zu erhöhen.
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Die besagte lernfähige Einheit kann im einfachsten Fall zeitliche Periodizität bei dem Prozess in der Anlage erkennen. Die lernfähige Einheit kann die periodischen Abläufe in der Anlage statistisch erfassen und zur Prognose nutzen.
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Moderne lernende Maschinen sind bekanntlich in der Lage, auch komplexere Muster in Signalen zu erkennen. Deshalb kann es sinnvoll sein, die lernfähige Einheit mit Hilfe einer aus der Theorie der lernenden Systemen („Machine Learning”) bekannten Lernmethode zu betreiben. Solche Methoden sind unter anderem „Decision Tree Learning”, „k-Nearest Neighbor”, „Linear Regression”, „Logistic Regression”, „Winnow”, „LASSO”, „Ridge Regression”, „ARIMA”, „Perceptron”, „Artificial Neural Networks”, „Deep Learning”, „Naïve Bayes”, „Baysian Network”, „Support Vector Machine”, „Boosting”, „Reinforcement Learning”, „Markov Chain”, „Hidden Markov Model” usw. Es ist aber auch möglich, mehrere dieser Lernmethoden beliebig zu kombinieren.
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Viele der bekannten Methoden für das maschinelle Lernen, wie Perceptron, Winnow, Logistic Regression, haben auch online Versionen, die von den erhaltenen Daten kontinuierlich lernen können. Bei Verwendung solcher Methoden kann die Qualität der Vorhersage für die Spannungsreserve im Zwischenkreis während des Betriebs ständig verbessert werden. Einige von den genannten Methoden lernen nicht-lineare Funktionen, andere, wie Perceptron, Logistic Regression oder Support Vector Machine haben auch „kernelized” Versionen für linear nicht separierbare Daten.
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Andere Methoden (wie Naïve Bayes, Bayesian Nets, Logistic Regression, Neural Nets) liefern die Wahrscheinlichkeit, dass das Ergebnis in die eine oder andere Kategorie fällt. Die zwei Kategorien entsprechen der Prognose, ob ein sicherer Betrieb mit der grundfrequenten Steuerung erreichbar ist oder nicht. Üblicherweise wird die Vorhersage mit der größeren prognostizierten Wahrscheinlichkeit gewählt. Bei der Umrichtersteuerung möchte man jedoch eine Fehlkategorisierung in eine Richtung (zu niedrige Zwischenkreisspannung) unbedingt vermeiden. Deshalb ist es hier empfehlenswert, den Betrieb mit der grundfrequenten Steuerung nur dann zu wählen, wenn die von der lernenden Einheit gelieferte Wahrscheinlichkeit für die entsprechende Prognose eine bestimmte, hohe Wahrscheinlichkeit überschreitet. Damit wird erreicht, dass eine Fehleinschätzung der notwendigen Zwischenkreisspannung in die unerwünschte Richtung (zu kleine Spannung) nur mit einer vorher definierten, sehr niedrigen Wahrscheinlichkeit vorkommen kann.
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Wie erwähnt gibt es bekannte Lernmethoden, die einen kontinuierlichen Ausgangswert liefern („Regression”). Solche Methoden sind zum Beispiel: Linear Regression, ARIMA, Lasso, Ridge Regression, SVM Regression. Sie alle liefern also eine reale Zahl als Ausgangswert. Diese Zahl entspricht in diesem Fall der minimal notwendigen Zwischenkreisspannung oder dem maximal zu erwartenden Aussteuerungsgrad des lastseitigen Stromrichters bei unveränderter Betriebsart des netzseitigen Stromrichters. Eine fehlerhafte, zu hohe Prognose für die notwendige Zwischenkreisspannung führt dazu, dass der netzseitige Stromrichter weiterhin getaktet betrieben wird, obwohl eine Umschaltung möglich wäre. Dadurch erhöhen sich zwar die Schaltverluste in den Leistungshalbleitern des netzseitigen Stromrichters, der eigentliche Betrieb wird jedoch nicht gestört. Ein Fehler in die andere Richtung (zu niedrige Prognose für die notwendige Zwischenkreisspannung) beeinflusst jedoch den Betrieb der Last. Im Falle eines Antriebs kann der Motor nicht genug Drehmoment liefern oder der Motor kann die gewünschte Drehzahl nicht erreichen. Deshalb muss die Fehlerfunktion („Error Measure”), auch Kostenfunktion genannt, immer so gestaltet werden, dass eine zu niedrige Prognose, die zu einer zu niedrigen Zwischenkreisspannung führt, stärker bestraft wird als eine Prognose, die zu einer höheren Zwischenkreisspannung führt, als unbedingt notwendig.
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Für die Realisierung der oben erwähnten Lernmethoden stehen teilweise fertige Softwarebibliotheken zur Verfügung.
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Eine weitere Möglichkeit für die Realisierung der lernfähigen Einheit ist die Entwicklung einer speziell für diese Aufgabe gestaltete Lernmethode. Als erster Schritt wird die Kostenfunktion definiert. Dabei ist wiederum darauf zu achten, dass eine Fehleinschätzung in die gefährliche Richtung (zu niedrige Zwischenkreisspannung) stärker bestraft wird, als in die entgegengesetzte Richtung (zu vorsichtige Prognose). Falls diese Kostenfunktion mathematisch nicht konvex ist, wird als zweiter Schritt eine konvexe Näherung gesucht. Danach wird das Minimum der Kostenfunktion mit einer bekannten Optimierungsmethode bestimmt. Solche Methoden sind zum Beispiel: „Batch Gradient Descent” (BGD) oder „Stochastic Gradient Descent” (SGD). Letztere ist auch für eine on-line Lernmethode geeignet. Durch die Konvexität der Kostenfunktion ist es gewährleistet, dass die genannten Methoden nicht in einem lokalen Minimum steckenbleiben können. Nachdem das globale Minimum der Kostenfunktion gefunden wurde, entsprechen die Koordinaten des Minimums im mehrdimensionalen Merkmalraum („feature space”) den optimalen Parametern für die gesuchte Hypothese. Diese Parameter definieren dann die mathematische Funktion für die Berechnung der Prognose.
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Bei einer Anlage, bei der Aktoren und Sensoren in großer Zahl miteinander verbunden sind, z. B. durch einen Feldbus oder durch einen internet- bzw. intranetbasierten Kommunikationskanal, können der Umrichtersteuerung sehr viele Signale zur Verfügung stehen, die weder alleine noch mit anderen Signalen zusammen bei der Voraussagung behilflich sein können. Werden auch diese Signale beim Lernprozess verwendet, kann es dazu führen, dass der Merkmalraum („feature space”) eine zu hohe Dimensionalität aufweist und dadurch der Lernprozess erschwert wird. Um die Aufgabe mit technisch und wirtschaftlich verkraftbarem Aufwand und in akzeptablem Zeitrahmen lösen zu können, kann es deshalb zweckdienlich sein, nicht-relevante Signale aus dem Lernprozess auszuschließen („dimensionality reduction”). Die Auswahl der Signale, welche für den Lernprozess verwendet werden, die Aufnahmedauer der Daten, die Auflösung der Digitalisierung und die zeitliche Auflösung (sample rate) kann sowohl manuell als auch automatisch, durch die lernfähige Einheit im Umrichter selber, optimiert werden.
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Für die besagte Auswahl der Signale kann oft mit einfacher Korrelationsrechnung festgestellt werden, ob bestimmte Signale mit dem zu prognostizierenden Werten korrelieren und so zu Vorhersagen eignen. Dazu muss zum Beispiel die Kreuzkorrelationsfunktion oder das Kreuzleistungsspektrum berechnet und ausgewertet werden, wie es in der Signalanalyse üblich ist. Es gibt jedoch Fälle, bei denen einzelne Signale mit dem Ausgangssignal keine Korrelation aufweisen, mit anderen Kenngrößen zusammen jedoch für die Prognose verwendbar sind. Für solche Fälle stehen mehrere, in der Literatur bekannte Methoden zur Verfügung, die unter dem Oberbegriff „feature selection”, „feature filtering”, „feature wrapping” oder „feature transformation” beschrieben werden. Einige solche Methoden sind:
- – Principal Components Analysis (PCA)
- – Independent Components Analysis (ICA)
- – Random Components Analysis (RCA)
- – Linear Discriminant Analysis (LDA)
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der Antrieb in der Lage ist, eigenständig und ohne a priori Wissen über die Anlage bzw. Maschine, in der der Umrichter eingesetzt ist, zu lernen, wie er die notwendige Zwischenkreisspannung, den maximal zu erwartenden Aussteuerungsgrad des lastseitigen Stromrichters oder direkt die optimale Steuerungsart des netzseitigen Stromrichters vorhersagen kann, mit dem Ziel, die Schaltverluste im netzseitigen Stromrichter zu senken. Dabei ist es auch möglich, durch Nutzung von a priori Wissen über die Anlage bzw. über die typischen Anforderungen in einer Anlagenklasse, die Steuerung weiter zu verbessern. Je weniger a priori Wissen jedoch die Steuerung nutzt, desto flexibler ist sie bei zukünftigen Aufgaben. So kann der Umrichter nach einem Formatwechsel in einer Produktionsanlage oder bei einer zukünftigen Änderung bei den Abläufen, ohne menschliche Hilfe, sich an die neuen Verhältnisse anpassen.
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Um dies zu erreichen lernt die Steuerung in einer ersten Phase eine gute Prognose zu liefern. Dazu werden die ausgewählten Signale gespeichert. Die Daten können beim eigentlichen Lernprozess als zeitliche Funktionen betrachtet werden, es ist jedoch auch möglich, einige Signale im Frequenzbereich zu betrachten. Dazu können aus dem zeitlichen Verlauf der Signale die spektralen Komponenten berechnet werden. Eine bekannte Methode dazu ist z. B. eine FFT-Berechnung (Fast Fourier Transformation).
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Nachdem die Steuerung gelernt hat, aus diesen Daten den gewünschten Wert zu prognostizieren, wird in einer zweiten Phase die Qualität der Prognose überprüft, noch ohne die Ergebnisse der Prognose in der Steuerung des Umrichters zu verwenden. Erst wenn festgestellt wird, dass keine Fehlprognose in die unerwünschte Richtung passieren kann, startet die dritte Phase, bei der anhand der Prognose entschieden wird, ob der netzseitige Stromrichter grundfrequent oder hochfrequent getaktet arbeiten soll. In dieser Phase muss die Qualität der Prognose weiterhin beobachtet werden. Dazu kann wiederum der Aussteuergrad des lastseitigen Stromrichters ausgewertet werden. Wird ein zu hoher aktueller Austeuerungsgrad erfasst, was auf eine zu niedrige Spannungsreserve im Zwischenkreis hinweist, obwohl die Prognose nicht darauf hingewiesen hat, reicht die Qualität der Prognose für einen sicheren Betrieb nicht aus und muss die dritte Phase deshalb beendet werden. In diesem Fall wird vorsichtshalber auf die getaktete Steuerungsart mit erhöhter Zwischenkreisspannung geschaltet. Ein Grund für die verschlechterte Prognosequalität kann eine Änderung der Abläufe in der Anlage sein, zum Beispiel ein Formatwechsel bei einer Produktionsanlage. Um auf eine solche Änderung der Abläufe adäquat reagieren zu können, soll danach die erste Phase des Lernprozesses erneut gestartet werden.
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Beschreibung der Zeichnungen:
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1 zeigt einen Umrichter, bestehend aus einem Netzfilter (1), aus einem netzseitigen Stromrichter (2), aus einem Gleichspannung-Zwischenkreis (3) und aus einem lastseitigen Stromrichter (4), der eine Last (5) mit Strom versorgt. Eine typische Last ist ein Elektromotor, zum Beispiel ein Drehstrom-Asynchronmotor oder ein Drehstrom-Synchronmotor.
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2 zeigt den Grundsatz der Pulsweitenmodulation (PWM). Bei dieser Art der Modulation bleibt die Schaltfrequenz konstant, nur die Breite der Impulse wird betriebsbedingt beeinflusst. Der Aussteuergrad gibt an, wie groß die Ausgangsspannung im Verhältnis zur maximal nutzbaren Spannung ist. Damit gibt der Aussteuergrad Information über die aktuelle Spannungsreserve des Stromrichters. Diese Information wird erfindungsgemäß genutzt, um die Betriebsart des netzseitigen Stromrichters und dadurch die Höhe der Zwischenkreisspannung zu bestimmen. Für die Modulation wird oft das Unterschwingungsverfahren oder die Vektormodulation verwendet. Dies kann sowohl hardwaremäßig als auch softwaremäßig realisiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch bei anderen Modulationsarten verwendet werden, auch bei solchen, bei denen sich auch die Schaltfrequenz in der Zeit verändert.
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3 zeigt eine übliche Topologie für einen Stromrichter. Im Falle des lastseitigen Stromrichters wandelt die Schaltung eine Gleichspannung in ein mehrphasiges, meistens dreiphasiges Spannungssystem mit variabler Amplitude und Frequenz um. Falls die Last ein Elektromotor ist, kann so Drehmoment und Drehzahl beeinflusst werden. Für die Realisierung des erfindungsgemäßen Umrichters stehen neben der hier dargestellten Topologie auch andere Schaltungen, wie zum Beispiel ein 3-Stufen-Pulswechselrichter zur Verfügung.
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Die Leistungshalbleiter sind in 3 als IGBTs dargestellt, es können aber auch andere Leistungsschalter wie zum Beispiel MOSFETs verwendet werden. Typischerweise werden Silizium-Bausteine verwendet, es stehen aber auch Schalter aus anderen Grundmaterialen wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) zur Verfügung. Die Schaltung kann sowohl aus einzelnen diskreten Leistungsschaltern als auch aus integrierten Bausteinen, wie Leistungsmodulen, bestehen. Die einzelne Schalter werden von dem Modulator angesteuert, wobei darauf zu achten ist, dass die Schalter im gleichen Zweig nie gleichzeitig eingeschaltet werden dürfen, sonst entsteht ein Kurschluss im Zwischenkreis.
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4 zeigt einen beispielhaften Ablauf für die erfindungsgemäße Umrichtersteuerung. Zuerst wird geprüft (Bedingung B1), ob der netzseitigen Stromrichter in grundfrequentem Betrieb (F3E) arbeitet. Wenn ja, wird geprüft (Bedingung B2), ob in mindestens einer Phase des lastseitigen Stromrichters der Aussteuergrad einen vorher definierten Grenzwert überschreitet. Falls die Antwort ja ist, wird der netzseitige Stromrichter auf den getakteten geregelten Betrieb umgeschaltet und damit die Zwischenkreisspannung erhöht (A1). Sonst wird die Betriebsart nicht verändert.
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Arbeitet der netzseitiger Stromrichter in getakteten, geregelten Betrieb (AFE), wird geprüft (Bedingung B3), ob der Aussteuergrad des Modulators für mindestens eine vorherdefinierte Zeitdauer in allen Phasen unter einem vorher definierten Grenzwert bleibt. Falls die Antwort ja ist, wird der netzseitige Stromrichter auf den grundfrequenten Betrieb umgeschaltet, um Energie zu sparen (A2). Sonst wird die Betriebsart nicht verändert.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für diese Entscheidungslogik (6). Sie kann entweder hardwaremäßig oder softwaremäßig realisiert werden, wobei auch eine Mischung vorstellbar ist. So kann die Entscheidungslogik (6) nach 4 oder nach einem gleichwertigen Verfahren zum Beispiel in einem ASIC, FPGA, μP, μC, DSP realisiert werden. Die Entscheidungslogik (6) kann Bestandsteil des Umrichters oder Teil eines externen Gerätes sein. Die Entscheidungslogik (6) wertet den Aussteuergrad des Modulators in dem lastseitigen Stromrichter (4) und die aktuelle Betriebsart des netzseitigen Stromrichters (2) aus und steuert die Betriebsart des netzseitigen Stromrichters (2), wobei das verwendete Verfahren mit der Auswertung anderer Signale ergänzt werden kann, um zum Beispiel auf Ausnahmezustände adäquat reagieren zu können und unter bestimmten Bedingungen die eine oder die andere Betriebsart zu sperren.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Umrichtersteuerung mit einer internen oder externen lernfähigen Einheit (7) ergänzt wird. Diese Einheit (7) wertet interne und/oder externe Signale aus dem Umrichter und aus seiner Umgebung aus und lernt daraus den maximal zu erwartenden zukünftigen Modulation-Aussteuergrad im lastseitigen Stromrichter (4) zu prognostizieren. Anstatt den aktuellen Aussteuergrad zu verwenden, nutzt die Entscheidungslogik (6) im Normallfall diese Prognose für die Entscheidung über die Betriebsart des netzseitigen Stromrichters (2). Die lernfähige Einheit (7) kann vollständig in der Umrichtersteuerung realisiert werden, es kann jedoch, in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Rechenleistung und ihrer Auslastung, auch zweckmäßig sein, auf anlageninterne oder externe Cloud-Dienste für den Lernprozess zurückzugreifen.
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7 zeigt den Ablauf des Betriebes der erfindungsgemäßen lernfähigen Einheit (7) in einer vorteilhaften Ausgestaltung. Die lernfähige Einheit (7) sammelt in einer ersten Betriebsphase (Phi) Daten aus der Anlage, wählt die für den Lernprozess relevanten Daten aus, bereitet sie vor und führt mit ihr den Lernprozess durch. In der zweiten Betriebsphase (Ph2) testet die lernfähige Einheit (7), ob sie den zu erwartende Aussteuergrad des lastseitigen Stromrichters (4) in der Praxis gut vorhersagen kann. Wenn nicht, beginnt die lernfähige Einheit (7) wieder mit Betriebsphase Phi, eventuell mit einer anderen Lernmethode. Falls die Ergebnisse des Tests positiv sind, kann die dritte Betriebsphase (Ph3) beginnen, in der die Umrichtersteuerung die Prognose der lernfähigen Einheit (7) für den zukünftigen Aussteuergrad nutzt, die Betriebsart des netzseitigen Stromrichters (2) energiesparend vorzugeben. Auch in dieser Phase (Ph3) bewertet die lernfähige Einheit (7) die Güte ihrer Prognosen und bei größeren Abweichungen, besonders in die kritische Richtung (zu niedrige Prognose) beginnt der Prozess wieder mit Betriebsphase Phi.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung. Hier lernt die lernfähige Einheit (7) unmittelbar die gewünschte Betriebsart des netzseitigen Stromrichters (2) auf die Weise vorzugeben, dass einerseits immer genug Spannungsreserve im Zwischenkreis für einen störungsfreien Betrieb des lastseitigen Stromrichters (4) zur Verfügung steht und andererseits der netzseitigen Stromrichter (2) möglichst wenig Verluste erzeugt. Für den Lernprozess wertet die lernfähige Einheit (7) umrichterinterne und externe Signale aus. Bei den internen Signalen spielt erfindungsgemäß der Aussteuergrad des lastseitigen Stromrichters (4) eine wichtige Rolle. Die externen Signale werden bevorzugt durch einen digitalen Kommunikationskanal, wie Feldbus oder internetbasierte Kommunikationskanal, zu der lernfähigen Einheit (7) geführt. Diese Signale können unter anderem von mechanischen, optischen, magnetischen oder elektrischen Bewegungssensoren und von weiteren Aktoren (zum Beispiel Antrieben) stammen. So kann die lernfähige Einheit zum Beispiel lernen, dass eine höhere Zwischenkreisspannung benötigt wird, nachdem von einem im Bearbeitungsprozess vorgeschalteten Antrieb hohe Drehzahl- oder Drehmomentanforderung gemeldet wurde. Auf dieser Wiese kann die lernfähige Einheit (7) den netzseitigen Stromrichter (2) noch rechtzeitig auf die getaktete geregelte Betriebsart mit erhöhter Zwischenkreisspannung schalten und damit einen sicheren störungsfreien Betrieb garantieren, auch für den Fall, dass die Zwischenkreiskondensatoren nur relativ langsam aufgeladen werden können bzw. dürfen.
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Die vorherigen Beschreibungen basieren hauptsächlich auf Elektromotoren speisende Umrichter. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht nur auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006028103 A1 [0006]
- EP 2182625 B1 [0007]
