DE102017009836A1

DE102017009836A1 - Verfahren zum Betrieb eines ersten Umrichters und eines zweiten Umrichters

Info

Publication number: DE102017009836A1
Application number: DE102017009836.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Diehl AKO Stiftung and Co KG
Current assignee: Diehl AKO Stiftung and Co KG
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-09-20
Also published as: WO2018166650A1; EP3596818A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (34) zum Betrieb eines ersten Umrichters (4) und eines zweiten Umrichters (6), die jeweils eine Brückenschaltung (16) mit schaltbaren Halbleiterschaltern (18) aufweisen. Die schaltbaren Halbleiterschalter (18) des ersten Umrichters (4) werden zu ersten Schaltzeitpunkten (42) angesteuert, und die schaltbaren Halbleiterschalter (18) des zweiten Umrichters (6) werden zu zweiten Schaltzeitpunkten (44) angesteuert. Die ersten Schaltzeitpunkte (42) und die zweiten Schaltzeitpunkte (44) werden derart erstellt, dass wiederholt auftretende Zeitfenster (56) gebildet werden, innerhalb derer weder erste Schaltzeitpunkte (42) noch zweite Schaltzeitpunkte (44) sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines ersten Umrichters und eines zweiten Umrichters, die jeweils eine Brückenschaltung mit schaltbaren Halbleiterschaltern aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung mit einem ersten Umrichter und mit einem zweiten Umrichter.
Aus der EP 1 983 641 A2 ist bekannt, dass eine zentrale Regeleinheit mehrere Umrichterbrücken steuert. Die Umrichterbrücken werden synchronisiert und steuern dieselbe Last (z.B. Motor) an. Die Synchronisation erfolgt durch Einbringung von Drosseln in den Schaltkreis. Ziel der Synchronisation ist die Verringerung von Ringströmen durch die parallelgeschalteten Umrichterbrücken.
Die Synchronisierung von Umrichterbrücken zur Ansteuerung derselben Last ist ebenfalls aus der EP 2 270 970 A1 bekannt. Zur Verringerung von Ringströmen durch die Umrichter werden die Pulsweiten und Schaltzeitpunkte aller Halbbrücken an derselben Phase synchronisiert. Das Verfahren setzt voraus, dass dieselbe Last betrieben wird und somit die jeweiligen Pulsweiten gleich sind.
Die US 7,584,009 B2 beschreibt den Parallelbetrieb von einphasigen Umrichtern für Audioanwendungen, wobei die Audioumrichter von verschiedenen digitalen Steuerungen gesteuert werden, um die Audioqualität zu erhöhen. Die Synchronisation wird dadurch erreicht, dass alle digitalen Steuerungen mit derselben CPU-Taktleitung versorgt werden. Außerdem wird eine Steuerleitung verwendet, auf welcher der Master Synchronisationspulse aussendet. Dieser Synchronisationspuls hat allerdings nur den Zweck, dass die Slaves ihre Synchronität überprüfen können und gegebenenfalls abschalten können. Problematisch an dieser Ausgestaltung ist, dass sich die Umrichter wechselseitig stören.
Aus der EP 1 995 863 A2 sind Umrichter bekannt, welche parallel an ein Drehstromnetz angeschlossen werden. Um die harmonischen Spannungsverzerrungen im angeschlossenen Drehstromnetz gering zu halten, werden die PWM-Perioden synchronisiert und phasenversetzt betrieben. Die Synchronisation erfolgt dadurch, dass ein Master Pulse aussendet und die Slaves ihren PWM-Träger darauf einregeln.
Die DE 10 2005 052 702 B4 beschreibt eine Hardwareschaltung, welche PWM-Signale verzögern kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines ersten Umrichters und eines zweiten Umrichters, die jeweils eine Brückenschaltung mit schaltbaren Halbleiterschaltern aufweisen, sowie eine besonders geeignete Vorrichtung mit einer mittels eines ersten Umrichters angetriebenen ersten Last und mit einer mittels eines zweiten Umrichters angetriebenen zweiten Last anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Störung der Umrichter untereinander verringert und zweckmäßigerweise vermieden ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Das Verfahren dient dem Betrieb eines ersten Umrichters und eines zweiten Umrichters. Hierbei dient der erste Umrichter insbesondere der Bestromung einer ersten Last und der zweite Umrichter der Bestromung einer zweiten Last. Die erste und die zweite Last sind unterschiedlich und beispielsweise jeweils ein Elektromotor, insbesondere ein bürstenloser Elektromotor, wie ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Geeigneterweise sind die Elektromotoren Synchronmotoren. Alternativ hierzu ist zumindest einer der Elektromotoren ein Asynchronmotor. Jeder Umrichter weist eine Anzahl an schaltbaren Halbleitern auf, die jeweils zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind. Die Brückenschaltungen sind jeweils insbesondere zwischen einem oberen und einem unteren Potential angeordnet, wobei die beiden Potentiale elektrische Potentiale sind, zwischen denen beispielsweise eine elektrische Spannung zwischen 100 Volt und 2.000 Volt, zwischen 200 Volt und 800 Volt und beispielsweise gleich 500 Volt anliegt. Jede Brückenschaltung umfasst bevorzugt eine Anzahl an Brückenzweigen, die zueinander parallel zwischen den beiden Potentialen geschaltet sind. Zum Beispiel weist jeder der Brückenzweige jeweils zwei der schaltbaren Halbleiterschalter auf, die geeigneterweise in Reihe geschaltet sind. Zusammenfassend weist jede Brückenschaltung zweckmäßigerweise drei Halbbrücken (Brückenzweige) auf, die jeweils zwei der schaltbaren Halbleiterschalter umfasst. Die schaltbaren Halbleiterschalter sind zweckmäßigerweise Leistungshalbleiterschalter, die insbesondere vorgesehen und eingerichtet sind, eine elektrische Spannung größer als 200 Volt, 300 Volt, 400 Volt, 500 Volt oder 1.000 Volt zu schalten. Geeigneterweise sind die Halbleiterschalter vorgesehen und eingerichtet, einen elektrischen Strom größer als 2 Ampere, 5 Ampere oder 10 Ampere zu tragen. Die schaltbaren Halbleiterschalter sind beispielsweise Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET's, JFET's, GTO's oder IGBT's. Beispielsweise ist zu jedem der schaltbaren Halbleiterschalter eine Diode, insbesondere eine Freilaufdiode, parallel geschaltet.
Vorzugsweise weist jeder Umrichter sechs derartige schaltbare Halbleiterschalter auf, und die schaltbaren Halbleiterschalter sind jeweils zu einer B6-Brücke verschaltet, die somit drei Brückenzweige aufweist. Geeigneterweise sind die Umrichter als Wechselrichter ausgestaltet, mittels derer bei Betrieb zweckmäßigerweise ein dreiphasiger Wechselstrom erzeugt wird. Der erste Umrichter und der zweite Umrichter weisen zweckmäßigerweise jeweils eine Steuerung auf, mittels derer die jeweiligen schaltbaren Halbleiterschalter angesteuert werden. Hierfür sind die Steuerungen zweckmäßigerweise signaltechnisch und/oder elektrisch mit den jeweiligen schaltbaren Halbleiterschaltern gekoppelt. Geeigneterweise dient das Verfahren dem Betrieb einer Vorrichtung, die die beiden Umrichter aufweist. Die Vorrichtung selbst ist beispielsweise eine Wärmepumpe.
Das Verfahren sieht vor, dass die schaltbaren Halbleiterschalter des ersten Umrichters zu ersten Schaltzeitpunkten angesteuert werden. Jedem der schaltbaren Halbleiterschalter des ersten Umrichters ist jeweils zumindest ein Anteil der ersten Schaltzeitpunkte zugeordnet. Zu jedem der ersten Schaltzeitpunkte wird der Schaltzustand des jeweils zugeordneten schaltbaren Halbleiterschalters geändert und dieser somit von einem elektrisch leitenden in einen elektrisch nicht leitenden bzw. von einem elektrisch nicht leitenden in einen elektrisch leitenden Zustand versetzt. Ebenso werden die schaltbaren Halbleiterschalter des zweiten Umrichters zu zweiten Schaltzeitpunkten angesteuert. Hierbei ist wiederum jeweils jedem der schaltbaren Halbleiterschalter zumindest eine Anzahl der zweiten Schaltzeitpunkte zugeordnet. Bei jedem zweiten Schaltzeitpunkt wird der Schaltzustand des jeweils zugeordneten schaltbaren Halbleiterschalters geändert und somit dieser von einem elektrisch leitenden in einen elektrisch nicht leitenden bzw. von einem elektrisch nicht leitenden in einen elektrisch leitenden Zustand versetzt.
Die ersten und zweiten Schaltzeitpunkte werden insbesondere anhand eines Betriebspunkts bestimmt, wobei der Betriebspunkt für den ersten Umrichter beispielsweise unterschiedlich zu zu dem Betriebspunkt des zweiten Umrichters ist, sodass sich die ersten Schaltzeitpunkte von den zweiten Schaltpunkten unterscheiden. Die ersten Schaltzeitpunkte und die zweiten Schaltzeitpunkte werden derart festgelegt, dass wiederholt auftretende Zeitfenster gebildet werden, innerhalb derer weder erste Schaltzeitpunkte noch zweite Schaltzeitpunkte vorhanden sind. Die Zeitfenster sind insbesondere Zeitkorridore. Geeigneterweise treten die Zeitfenster periodisch wiederholt auf. Zweckmäßigerweise werden die beiden Umrichter derart angesteuert, dass sich die auftretenden Zeitfenster zeitlich wenigstens teilweise überlagern. Beispielsweise dient das Verfahren dem Betrieb weiterer Umrichter, wobei auch hier die Schaltpunkte des weiteren Umrichters derart festgelegt werden, dass diese sich außerhalb der Zeitfenster befinden.
Jeder Schaltvorgang der schaltbaren Halbleiterschalter erzeugt elektromagnetische Wellen, welche auf etwaige Leitungen, eine etwaige Elektronik und/oder eine Steuerung des jeweiligen Umrichters sowie des weiteren Umrichters einkoppeln und dort zu signifikanten Störungen führen können. Hierbei werden Schaltstörungen von einem Umrichter auf den anderen beobachtet. Aufgrund des Verfahrens wird die Einschaltzeit für die oberen und für die unteren schaltbaren Halbleiterschalter der jeweiligen Brückenschaltung begrenzt, weswegen die zeitliche Korridore (Zeitfenster) entstehen, in denen es zu keinen Schaltstörungen kommt. Infolgedessen ist in den zeitlichen Korridoren eine Störung der Umrichter untereinander vermieden oder zumindest verringert.
Geeigneterweise wird während der Zeitfenster jeweils ein Messwert oder mehrere Messwerte erfasst. Insbesondere erfolgt die Erfassung des Messwerts oder der mehreren Messwerte innerhalb jedes der auftretenden Zeitfenster, und beispielsweise wird bei dem ersten Umrichter und bei dem zweiten Umrichter jeweils mindestens ein zugeordneter Messwert erfasst, sodass nach Ablauf des Zeitfensters zwei oder mehr Messwerte erfasst sind. Beispielsweise wird im zeitlich nachfolgenden Zeitfenster wiederum der gleiche Messwert erfasst. Alternativ hierzu werden andere Messwerte erfasst. Aufgrund der Erfassung der Messwerte sind somit Messdaten vorhanden, anhand derer der Zustand des jeweiligen Umrichters beispielsweise bestimmt werden kann und/oder die zur Ansteuerung der Umrichter dienen, und insbesondere zur Erstellung der (ersten und/oder zweiten) Schaltzeitpunkte. Die wechselseitige Beeinflussung der Umrichter aufgrund der Schaltvorgänge der schaltbaren Halbleiterschalter ist besonders störend, wenn die Messwerte analog erfasst werden. Mit anderen Worten werden analoge Messsignale aufgrund der wechselseitigen Beeinflussung verfälscht. Aufgrund der Zeitfenster ist somit eine Verfälschung vermieden. Somit können innerhalb der Zeitfenster (Korridore) Messungen stattfinden, ohne dass diese durch das Schalten der schaltbaren Halbleiterschalter beeinträchtigt werden. Der Messwert ist beispielsweise ein elektrischer Stromfluss, sodass während des Zeitfensters der elektrische Stromfluss erfasst wird. Auf diese Weise ist eine Leistung des jeweiligen Umrichters vergleichsweise einfach bestimmbar, und der elektrische Stromfluss kann unverfälscht während der Zeitfenster erfasst werden. Zusammenfassend werden zumindest in einem Teil der Zeitfenster Messdaten erfasst.
Vorzugsweise umfasst jeder der Umrichter eine Anzahl an Anschlussklemmen, wobei die Anzahl zweckmäßigerweise gleich der Anzahl von elektrischen Phasen ist, die mittels des jeweiligen Umrichters erstellt werden. Zweckmäßigerweise ist jede Anschlussklemme elektrisch mit einem Brückenzweig der jeweiligen Brückenschaltung kontaktiert. Im Montagezustand erfolgt eine Bestromung der etwaigen Last mittels der Anschlussklemmen, die elektrisch mit der jeweiligen Last verbunden sind. Die ersten und/oder zweiten Schaltzeitpunkte werden vorzugsweise derart erstellt, dass während der Zeitfenster keine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Anschlussklemmen des ersten Umrichters anliegt. Ebenfalls liegt während der Zeitfenster keine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Anschlussklemmen des zweiten Umrichters an. Vorzugsweise ist das elektrische Potential der elektrischen Phasen jedes Umrichters gleich. Zum Beispiel ist zumindest während eines Anteils der Zeitfenster eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Anschlussklemmen des ersten Umrichters und den Anschlussklemmen des zweiten Umrichters vorhanden, oder während der Zeitfenster ist das elektrische Potential der Anschlussklemmen des ersten Umrichters gleich dem elektrische Potential der Anschlussklemmen des zweiten Umrichters.
Geeigneterweise sind hierbei alle elektrischen Stromphasen der Brückenschaltung auf das untere (elektrische) Potential (den Minuspol eines etwaigen Spannungszwischenkreises) geklemmt. Hierbei ist dem ersten Umrichter und dem zweiten Umrichter beispielsweise der gleiche Spannungszwischenkreis zugeordnet oder jeder der beiden Umrichter ist jeweils ein unterschiedlicher Spannungszwischenkreis zugeordnet. Beispielsweise erfolgt eine Erzeugung eines elektrischen Stromflusses und/oder einer mittels des Umrichters generierten elektrischen Spannung mittels Raumzeigermodulation. Zweckmäßigerweise liegt während der Zeitfenster ein Null-Vektor an, sodass zweckmäßigerweise die Messwerterfassung während des Null-Vektors erfolgt, sofern die Messwerterfassung vorhanden ist.
Zusammenfassend wird bevorzugt eine Raumzeigermodulation herangezogen, wobei die Umrichter zweckmäßigerweise 3-phasig (Stromphase) sind. Geeigneterweise erfolgt eine Reglung mittels der Raumzeigermodulation. Somit existieren für die drei elektrischen Stromphasen, die jeweils mit dem oberen oder dem unteren Potential verbunden werden können, insgesamt 8 Schaltzustände. Diejenigen Schaltzustände, die eine Verbindung des oberen Potentials über die jeweilige Last, insbesondere den Motor, zum unteren Potential herstellen werden insbesondere aktive Schaltzustände genannt. Als Freilaufzustand, auch Nullvektor bezeichnet, werden insbesondere die zwei Schaltzustände bezeichnet, die alle Stromphasen an dem gleichen Potential anbinden. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung liegt in den Zeitfenstern jeweils der Nullvektor an. Zusammenfassend erfolgt die Messwerterfassung in dem Nullvektor, wo bevorzugt alle Anschlussklemmen und somit auch die Stromphasen der Brückenschaltungen auf den Minuspol (unteres Potential) des etwaigen Spannungszwischenkreises geklemmt sind.
Beispielsweise werden die ersten Schaltzeitpunkte oder die zweiten Schaltzeitpunkte, geeigneterweise sowohl die ersten Schaltzeitpunkte als auch die zweiten Schaltzeitpunkte, mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erstellt. Mit anderen Worten wird der erste Umrichter und der zweite Umrichter pulsweitenmoduliert betrieben. Hierbei ist dem ersten Umrichter eine erste Frequenz und eine erste Phase und dem zweiten Umrichter eine zweite Frequenz und eine zweite Phase zugeordnet. Die erste und die zweite Frequenz ist zweckmäßigerweise zwischen 4 kHz und einigen hundert kHz, wie beispielsweise 800 kHz, 700 kHz, 600 kHz, 500 kHz, 400 kHz, 300 kHz oder 200 kHz. Geeigneterweise ist die erste Frequenz und/oder die zweite Frequenz zwischen 4 kHz und 100 kHz. Bevorzugt ist die erste Frequenz und/oder die zweite Frequenz 8 kHz. Aufgrund der Frequenzen sind Perioden der Pulsweitenmodulation definiert. Die erste Phase bzw. die zweite Phase bestimmt den jeweiligen Zeitpunkt, zu dem die Perioden, die zur jeweiligen Frequenz korrespondieren, starten und ist beispielsweise bezüglich eines absoluten Zeitpunkts oder hinsichtlich einer relativen Zeit, wie dem Einschalten eines der beiden Umrichter, bestimmt.
Beispielsweise sind dem ersten Umrichter und dem zweiten Umrichter unterschiedliche PWM-Trägersignale zugeordnet, die zweckmäßigerweise jeweils die zugeordnete Frequenz aufweisen. Die Position der PWM-Trägersignale insbesondere wird mittels der jeweiligen Phase (erste Phase und/oder zweite Phase) bestimmt. Geeigneterweise sind die PWM-Trägersignale des ersten und des zweiten Umrichters gleichartig, beispielsweise eine Sägezahnfunktion, wobei sich die PWM-Trägersignale der beiden Umrichter zweckmäßigerweise nur aufgrund der jeweiligen Frequenz und/oder der jeweiligen Phase unterscheiden. Beispielsweise wird eine zentrierte oder eine asymmetrische Pulsweitenmodulation herangezogen. Zusammenfassend sind die Schaltzeitpunkte der jeweiligen schaltbaren Halbleiterschalter mittels Pulsweitenmodulation erstellt. Geeigneterweise werden der erste Umrichter oder der zweite Umrichter, zweckmäßigerweise beide Umrichter, pulsweitenmoduliert digital gesteuert, wobei zum Beispiel jedem Umrichter jeweils eine Steuerung zugeordnet ist, sodass für jeden Umrichter als Steuerung eine unterschiedliche digitale Steuerung verwendet wird. Zusammenfassend werden insbesondere die Brückenschaltungen mit der Pulsweitenmodulation (PWM) betrieben. Die Ausgangsklemmen (Stromphasen) jedes Umrichters werden dabei jeweils über die schaltbaren Halbleiterschalter der jeweiligen Halbbrücke entweder mit dem oberen oder mit dem unteren Potential (Zwischenkreispotential) elektrisch verbunden. Der Wechsel zwischen den Potentialen erfolgt beispielsweise periodisch mit einer Trägerfrequenz (erste Frequenz, zweite Frequenz) von 4 kHz bis zu einigen 100 kHz. Innerhalb einer Periode wird die Pulsweite - die Dauer der Verweilzeit auf dem oberen Potential (Zwischenkreispotential) - variiert, insbesondere in Abhängigkeit einer Spannungsanforderung. Auf diese Weise wird die sich ergebende mittlere elektrische Spannung pro Periode eingestellt und über Modulation der Pulsweite in jeder Phase wird zweckmäßigerweise die Stromgröße geregelt.
Zusammenfassend kommt insbesondere ein zentriertes PWM-Verfahren zum Einsatz. Jeder Umrichter umfasst vorzugswiese zur Generierung eines PWM-Trägersignals einen Phasenzähler, der nach einer PWM-Periode wieder zurückgesetzt wird und den Vorgang zyklisch wiederholt. Mit anderen Worten wird der Phasenzähler mit der ersten bzw. zweiten Frequenz zurückgesetzt. Bei der zentrierten PWM sind die Schaltzeitpunkte (Ein- und Ausschaltzeitpunkt) jedes schaltbaren Halbleiterschalters symmetrisch um die Mitte jeder Periode (Periodenmittelpunkt) platziert. Auf diese Weise wird beispielsweise die Einschaltzeit eines der schaltbaren Halbleiterschalter (oberer Halbleiterschalter) bestimmt, und vorzugsweise der Anschluss der zugeordneten Anschlussklemme an das obere Potential. Die übrige Zeit, während dieser schaltbare Halbleiterschalter ausgeschaltet ist, wird der weitere schaltbare Halbleiterschalter des gleichen Brückenzweiges (unterer Halbleiterschalter) angesteuert, um die Anschlussklemme und somit die Stromphase mit dem niedrigen unteren Potential zu verbinden.
Zusammenfassend sind insbesondere der erste und der zweite Umrichter pulsweitenmodulierte Umrichter mit jeweils der Brückenschaltung, wobei die Pulsweite eines jeden Umrichters derart gesteuert wird, dass die Zeitfenster (zeitlicher Korridor) entstehen, in welchen kein Halbleiterschalter der Brückenschaltungen umgeschaltet wird. Sofern mehrere Umrichter vorhanden sind, weisen diese ebenfalls weitere Frequenzen und weitere Phasen auf.
Zweckmäßigerweise werden die Zeitfenster anhand der ersten Phase und der ersten Frequenz bestimmt. Geeigneterweise treten die Zeitfenster somit mit der ersten Frequenz, einem ganzzahligen Vielfachen der ersten Frequenz oder einem rationalen Bruch der ersten Frequenz periodisch auf. Beispielsweise ist ein Ende oder ein Anfang des Zeitfensters derart gewählt, dass dieses mit dem Ende oder dem Anfang jeweils einer der mittels der ersten Phase und der ersten Frequenz definierten Perioden korrespondiert. Zweckmäßigerweise jedoch sind, sofern insbesondere eine zentrierte Pulsweitenmodulation herangezogen wird, die Zeitfenster in der Mitte jeder Periode vorhanden und entspricht somit dem Anfang der ersten Periode zuzüglich der Hälfte der mittels der ersten Frequenz definierten Periodendauer. Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu ist während jeder Periode, die mittels der ersten Frequenz definiert ist, ein weiteres Zeitfenster vorhanden, welches beispielsweise dem Anfang und/oder dem Ende der jeweiligen Periode zugeordnet ist. Geeigneterweise ist das Zeitfenster symmetrisch bezüglich dem Mittelpunkt der Periode und/oder dem Anfang bzw. Ende jeder Periode, die mittels der ersten Frequenz definiert ist. Aufgrund der Bestimmung des Zeitfensters anhand der ersten Phase und der ersten Frequenz sind die Zeitfenster im Voraus bekannt. Daher ist, insbesondere sofern eine Messwerterfassung erfolgt, ein Betrieb vereinfacht.
Beispielsweise wird eine Leistungsanforderung an den ersten Umrichter oder an den zweiten Umrichter bestimmt. Geeigneterweise wird die Leistungsanforderung sowohl an den ersten Umrichter als auch an den zweiten Umrichter bestimmt, wobei sich beispielsweise die Leistungsanforderungen an die beiden Umrichter unterscheiden. Anhand der Leistungsanforderung werden die ersten Schaltzeitpunkte und die zweiten Schaltzeitpunkte bestimmt. Diejenigen ersten Schaltzeitpunkte und diejenigen zweiten Schaltzeitpunkte, die sich außerhalb der Zeitfenster befinden, werden unverändert als erste bzw. zweite Schaltzeitpunkte herangezogen. Diejenigen ersten Schaltzeitpunkte und diejenigen zweiten Schaltzeitpunkte, die sich innerhalb zumindest eines der Zeitfenster befinden, werden in einer Alternative beispielsweise verworfen. Zweckmäßigerweise wird auch der hierauf zeitlich nachfolgende Schaltzeitpunkt verworfen, sodass bei jedem Verwerfen zwei Schaltzeitpunkte verworfen und somit nicht beachtet werden. Infolgedessen werden zwei Betätigungen eines der schaltbaren Halbleiterschalter nicht durchgeführt, sodass die Zeitfenster vorhanden sind.
In einer Alternative hierzu werden diejenigen ersten Schaltzeitpunkte und diejenigen zweiten Schaltzeitpunkte, die sich innerhalb zumindest eines der Zeitfenster befinden, auf eine Begrenzung desjenigen Zeitfensters verschoben, innerhalb dessen die ersten bzw. zweiten Schaltzeitpunkte ursprünglich lagen. Diese verschobenen ersten bzw. zweiten Schaltzeitpunkte werden nunmehr als erste bzw. zweite Schaltzeitpunkte herangezogen. Somit bildet die Gesamtheit der etwaigen verschobenen sowie nicht verschobenen Schaltzeitpunkte die ersten und zweiten Schaltzeitpunkte. Aufgrund der Verschiebung bzw. des Verwerfens korrespondiert die mittels der beiden Umrichter abgegebene Leistung nicht zu der Leistungsanforderung, weswegen mittels der beiden Umrichter entweder eine geringfügig zu große oder eine geringfügig zu kleine Leistung bereitgestellt ist. Es ist hierbei jedoch sichergestellt, dass während der Zeitfenster keine ersten und zweiten Schaltzeitpunkte vorhanden sind, sodass eine etwaige Erfassung eines Messwerts nicht gestört wird.
Zusammenfassend werden insbesondere zur Erstellung der Zeitfenster geeigneterweise die aktiven Schaltzustände zeitlich begrenzt oder verlängert und/oder die Freilaufzustände, falls nötig, vorzugsweise zeitlich verlängert oder verkürzt. Unter- oder überschreitet die Einschaltzeit eines schaltbaren Halbleiterschalters die Grenze eines der Zeitfenster, so wird entweder die Einschaltzeit auf die Korridorgrenze (Begrenzung des Zeitfensters) begrenzt oder der schaltbare Halbleiterschalter, insbesondere eine der Stromphasen, verweilt für die komplette Periodendauer auf dem ursprünglichen/nächstgelegenen Potential.
Zweckmäßigerweise wird als zweite Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Frequenz gewählt. Insbesondere treten auf diese Weise die Zeitfenster mit der ersten Frequenz auf, und die Zeitfenster sind bereits aufgrund dessen im Voraus bekannt. Zusammenfassend unterscheiden sich die Trägerfrequenzen der Pulsweitenmodulation der beiden Umrichter um ein ganzes Vielfaches, wobei die erste und die zweite Frequenz jeweils eine Trägerfrequenz ist. Die tiefere Trägerfrequenz ist beispielsweise zwischen 4 kHz und 10 kHz und geeigneterweise zwischen 4 kHz und 8 kHz. Die höhere Trägerfrequenz, also die zweite Frequenz, ist beispielsweise zwischen 8 kHz und 20 kHz und zweckmäßigerweise zwischen 8 kHz und 16 kHz. Geeigneterweise ist die zweite Frequenz doppelt so hoch wie die erste Frequenz. Sofern mehrere Umrichter vorhanden sind, sind zweckmäßigerweise sämtliche Frequenzen ganzzahlige Vielfache der ersten Frequenz, sodass die erste Frequenz die niedrigste Frequenz der Vorrichtung darstellt, die die Umrichter aufweisen.
Bestimmte Randbedingungen erfordern manchmal, dass die beiden Umrichter mit unterschiedlichen PWM-Trägerfrequenzen (erste Frequenz, zweite Frequenz) betrieben werden. In diesem Fall wird insbesondere der zweite Umrichter mit einer PWM-Trägerfrequenz (der zweiten Frequenz) betrieben, welche ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Frequenz ist. Beispielsweise dient der erste Umrichter dem Betrieb eines Motors mit großer Leistung und weist die erste Frequenz (niedrigste Trägerfrequenz) von 8 kHz auf. Mittels des zweiten Umrichters wird ein Motor mit geringerer Leistung mit der zweiten Frequenz von 16 kHz betrieben. Somit ergeben sich für beide Frequenzen die Zeitfenster mit einer Frequenz von 16 kHz, was eine Abtastung der etwaigen erfassten Messwerte mit einer Abtastrate von 16 kHz ermöglicht. In einer Alternative treten die Zeitfenster mit einer Frequenz von 8 kHz auf, und die Abtastung der erfassten Messwerte wird entsprechend gefiltert, sodass die innerhalb der Zeitfenster erfassten Messwerte stärker gewichtet werden.
Geeigneterweise wird die zweite Phase derart verschoben, dass die erste Phase der zweiten Phase entspricht. Mit anderen Worten wird der Abstand der zweiten Phase zu der ersten Phase, sofern eine vorhanden ist, verringert, sodass dieser auf null (0) übergeführt wird, weswegen nach der Verschiebung der Abstand der beiden Phasen zueinander null (0) ist. Infolgedessen startet bei jeder Periode mit der ersten Frequenz ebenfalls eine Periode mit der zweiten Frequenz. Somit ist das Zeitfenster ebenfalls anhand der zweiten Phase sowie der zweiten Frequenz bestimmt und tritt lediglich zu bestimmten Zeiten auf, beispielsweise zu Beginn oder Ende jeder Periode mit der zweiten Frequenz. Ein Unterschied zwischen den beiden Phasen tritt beispielsweise bei einem Start der Umrichter/des Verfahrens auf, sofern die beiden Pulsweitenmodulationen nicht gleichzeitig gestartet werden. Alternativ tritt ein derartiger Phasenversatz auf, falls während des Betriebs eine Störung bei einem der beiden Umrichter auftritt, beispielsweise bei dem PWM-Trägersignal. Zur Anpassung, also zum Verschieben, wird beispielsweise eine Periode verändert, insbesondere eine der Perioden des zweiten Umrichters. Beispielsweise wird hierbei eine der Perioden verlängert oder verkürzt, sodass im Anschluss hieran der Abstand der beiden Phasen zueinander null (0) ist.
Besonders bevorzugt wird die Verschiebung bzw. Anpassung der zweiten Phase. Mit anderen Worten erfolgt eine Verschiebung der zweiten Phase maximal um einen bestimmten Abschnitt. Mit anderen Worten wird eine der Perioden des zweiten Umrichters lediglich um den Abschnitt verlängert bzw. verkürzt. Sofern im Anschluss hieran weiterhin die zweite Phase nicht der ersten Phase entspricht, erfolgt eine erneute Verschiebung. Mit anderen Worten wird die Verschiebung bei mehreren Perioden hintereinander ausgeführt, sodass die zweite Phase der ersten Phase nach der Anzahl an Verschiebungen entspricht. Auf diese Weise erfolgt kein abrupter Übergang bei der Verschiebung der zweiten Phase, sodass eine mittels des zweiten Umrichters angetriebene Last vergleichsweise gering mechanisch belastet wird.
In einer vorteilhaften Alternative wird vom ersten Umrichter, über eine den ersten Umrichter mit wenigstens einem weiteren Umrichter verbindende Synchronisationsleitung, ein Synchronisationspuls ausgesendet, durch den in dem wenigstens einen weiteren Umrichter ein schaltfreies Zeitfenster in einer vorgegebenen zeitlichen Relation gebildet wird.
Beispielsweise sind der erste und der zweite Umrichter miteinander verschaltet, geeigneterweise mittels eines BUS-Systems. Insbesondere wird der erste Umrichter als ein Master-Umrichter und der zweite Umrichter als ein Slave-Umrichter herangezogen. Hierbei wird zweckmäßigerweise die Pulsweitenmodulation des Slave-Umrichters, also des zweiten Umrichters, auf die Pulsweitenmodulation des Master-Umrichters, also des ersten Umrichters, synchronisiert. Mit anderen Worten wird die zweite Phase derart verschoben, dass die erste Phase der zweiten Phase entspricht. Zweckmäßigerweise wird hierfür eine Synchronisationsleitung herangezogen, mittels derer die beiden Umrichter miteinander signaltechnisch verbunden sind. Die Synchronisationsleitung ist insbesondere ein temporärer und/oder funktioneller Bestandteil des etwaigen BUS-Systems. Sofern weitere Umrichter vorhanden sind, sind diese zweckmäßigerweise Slave-Umrichter, und der Phasenunterschied der Pulsweitenmodulation der weiteren Slave-Umrichter zur Pulsweitenmodulation des Master-Umrichters wird gemessen und die Phasen der weiteren Umrichter derart angepasst, dass diese ebenfalls der ersten Phase entsprechen.
Zusammenfassend wird die Periodendauer der Pulsweitenmodulation der jeweiligen Brückenschaltungen auf eine Synchronisation mit der Pulsweitenmodulation des Master-Umrichters (erster Umrichter) eingestellt, insbesondere eingeregelt. Die Pulsweite des zweiten Umrichters sowie der etwaigen weiteren Umrichter wird gesteuert, beispielsweise geregelt, indem die Pulsweite des zweiten und der etwaigen weiteren Umrichter limitiert und synchronisiert werden. Mit anderen Worten ist der erste Umrichter der Master-Umrichter und der zweite Umrichter ein Slave-Umrichter, wobei durch den Slave-Umrichter die Pulsweitenmodulation des Slave-Umrichters auf die Pulsweitenmodulation des Master-Umrichters synchronisiert wird, bevorzugt über die Synchronisationsleitung. Vorteilhafterweise wird auf jedem weiteren (Slave-)Umrichter der Phasenunterschied der Pulsweitenmodulation zur Pulsweitenmodulation des Master-Umrichters gemessen. Zweckmäßigerweise wird die Periodendauer der Pulsweitenmodulation der jeweiligen Brückenschaltungen auf eine Synchronisation mit der Master-Pulsweitenmodulation eingeregelt.
Die Vorrichtung ist beispielsweise eine Wärmepumpe und weist eine erste Last auf, die mittels eines ersten Umrichters angetrieben ist. Zudem umfasst die Vorrichtung eine zweite Last, die mittels eines zweiten Umrichters angetrieben ist. Die erste Last bzw. die zweite Last ist geeigneterweise ein bürstenloser Motor, wobei die erste Last zweckmäßigerweise von der zweiten Last mechanisch getrennt ist. Die Lasten sind beispielsweise bürstenlose Elektromotoren, insbesondere Synchron- oder Asynchronmotoren. Beispielsweise sind die Umrichter Wechselrichter. Jeder Umrichter weist beispielsweise eine Steuereinheit (Steuerung) auf, die insbesondere eine digitale Steuerung ist. Jeder Umrichter weist eine Brückenschaltung mit schaltbaren Halbleitern auf. Hierbei sind die schaltbaren Halbleiterschalter des jeweiligen Umrichters zweckmäßigerweise zu einer B6-Schaltung miteinander verschaltet, und jede Brückenschaltung weist somit drei Brückenzweige (Halbbrücken) auf, die jeweils zwei der schaltbaren Halbleiterschalter umfasst. Mit jedem Brückenzweig ist vorzugsweise eine Stromphase gegen eine Anschlussklemme des jeweiligen Umrichters geführt.
Die Umrichter sind gemäß einem Verfahren betrieben, bei dem die schaltbaren Halbleiterschalter des ersten Umrichters zu ersten Schaltzeitpunkten angesteuert werden, und bei dem die schaltbaren Halbleiterschalter des zweiten Umrichters zu zweiten Schaltzeitpunkten angesteuert werden. Die ersten Schaltzeitpunkte und die zweiten Schaltzeitpunkte sind derart eingestellt, dass wiederholt auftretende Zeitfenster gebildet werden, innerhalb derer weder erste Schaltzeitpunkte noch zweite Schaltzeitpunkte vorhanden sind. Insbesondere treten die Zeitfenster periodisch auf. Zum Beispiel umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, beispielsweise einen Mikrocontroller, der geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen.
Beispielsweise sind beide Umrichter mittels einer gemeinsamen digitalen Steuerung gesteuert. Mittels der gleichen digitalen Steuereinheit sind die etwaigen Pulsweitenmodulationen der Stromphasen einfach synchronisierbar, da alle Pulsweitenmodulationen an die gleiche Taktleitung angeschlossen sind und die etwaigen Phasenzähler gleichzeitig gestartet werden können. Damit ist eine Realisierung der Zeitfenster vereinfacht, und eine etwaige Erfassung von Messwerten, insbesondere ein Abtastvorgang für die elektrischen Ströme, kann innerhalb der Zeitfenster erfolgen.
Bevorzugt sind mindestens zwei unterschiedliche digitale Steuerungen (Steuereinheiten) für die Steuerung der Brückenschaltungen im Einsatz. Unter „unterschiedlich“ wird insbesondere verstanden, dass eine etwaige Pulsweitenmodulationen, insbesondere etwaige PWM-Generatoren, der unterschiedlichen digitalen Steuerungen nicht per se die Phasenlage (Phase) der anderen digitalen Steuerung kennen. Typischerweise verfügen diese mindestens zwei unterschiedlichen digitalen Steuerungen auch jeweils über einen eigenen Taktgeber in Form eines Quarzoszillators. Mit anderen Worten sind die Pulsweitenmodulationen unabhängig voneinander. Bei dem Einsatz von mehreren digitalen Steuereinheiten (Mikrocontroller) weisen die Pulsweitenmodulationen keine gemeinsame Taktleitung auf, und Pulsweitenmodulationen der jeweiligen Umrichter starten zu verschiedenen Zeiten.
Um die Güte etwaiger erfasster Messwerte zu erhöhen und/oder eine Beeinflussung der Umrichter untereinander zu verringern, werden die Pulsweitenmodulationen der beiden Umrichter bevorzugt synchronisiert, und die jeweiligen Pulsweiten der beiden Umrichter werden insbesondere eingeschränkt, sodass die Zeitfenster gebildet werden. Während der Zeitfenster wird der Schaltzustand keines schaltbaren Halbleiterschalters geändert. Ein etwaiges Abtasten der Messwerte erfolgt während eines der Zeitfenster, wobei der abgetastete Wert beispielsweise ein analoger Wert ist, der mittels einer AD-Wandlung in einen digitalen Wert gewandelt wird. Zweckmäßigerweise wird für jede Stromphase ein Messwert erfasst.
Insbesondere sind beide Umrichter gegen einen gemeinsamen Zwischenkreis geführt (Spannungszwischenkreis), welcher zwei unterschiedliche Potentiale aufweist, nämlich ein unteres und ein oberes Potential. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Potentialen ist geeigneterweise zwischen 100 Volt und 1.000 Volt. Alternativ hierzu werden die Umrichter, vorzugsweise die Brückenschaltungen der Umrichter, aus zwei unterschiedlichen Zwischenkreisen (Gleichspannungszwischenkreise) gespeist. Insbesondere ist der Zwischenkreis bzw. sind die Zwischenkreise jeweils ein Bestandteil der Vorrichtung. Beispielsweise wird der Zwischenkreis mittels eines Gleichrichters gespeist. Zum Beispiel sind die Umrichter digital gesteuerte Umrichter. Zusammenfassend sind insbesondere die beiden Brückenschaltungen (Umrichterbrücken) mit demselben Gleichspannungszwischenkreis elektrisch verbunden. Alternativ sind die Brückenschaltungen aus unterschiedlichen Gleichspannungszwischenkreisen gespeist. So ist z.B. der einem der Umrichter zugeordnete Gleichspannungszwischenkreis mittels eines aktiven Front Ends (PFC) gespeist, und dem anderen Umrichter ist ein weiterer Gleichspannungszwischenkreis zugeordnet, der wiederum ohne aktive PFC aus einem (Versorger-) Netz gespeist wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Umrichter mit wenigstens einem weiteren Umrichter über eine Synchronisationsleitung verbunden.
Die Erfindung betrifft ferner den Parallelbetrieb von zumindest zwei bürstenlosen Motoren wie z. B. Synchronmotoren - auch bürstenlose Gleichstrommotoren genannt - oder Asynchronmotoren. Jeder Motor wird von einem Umrichter gespeist. Somit sind zumindest zwei Umrichter vorhanden, die gemäß obigen Verfahren betrieben sind. Die Umrichter sind beispielsweise digital gesteuerte (Antriebs-) Umrichter. Als „digital gesteuerter (Antriebs-)Umrichter“ wird insbesondere eine Leistungselektronik in Form einer selbstgeführten sechspulsigen Brückenschaltung (Umrichterbrücke) mit sechs schaltbaren Halbleiterschaltern, beispielsweise Leistungstransistoren, und dessen digitale Steuerung verstanden.
Die Brückenschaltungen sind mit einer elektrischen Gleichspannung aus einem Gleichspannungszwischenkreis versorgt und liefern an den Ausgangsklemmen einen dreiphasigen Drehstrom (Stromphasen) für den angeschlossenen Motor. Die Steuerung der schaltbaren Halbleiterschalter (Leistungstransistoren) erfolgt zweckmäßigerweise mittels einer digitalen Steuereinheit wie z. B. einen Mikrocontroller oder digitalen Signalprozessor. Die speisende Gleichspannung der Umrichter wird vorzugsweise aus dem Wechselspannungsnetz mittels eines Netzgleichrichters (Gleichrichter) erzeugt.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren/dem Parallelbetrieb ausgeführten Weiterbildungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf die Vorrichtung zu übertragen und umgekehrt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Vorrichtung mit einem ersten Umrichter und mit einem zweiten Umrichter,
2 schematisch vereinfacht eine Weiterbildung der Vorrichtung,
3 ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung,
4 einen zeitlichen Verlauf von ersten und zweiten Schaltzeitpunkten sowie von Zeitfenstern ohne Schaltzeitpunkte,
5-7 vereinfacht die Erstellung der Schaltzeitpunkte, und
8 eine Verschiebung einer zweiten Phase des zweiten Umrichters.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Vorrichtung 2 mit einem ersten Umrichter 4 und einem zweiten Umrichter 6 gezeigt. Mittels des ersten Umrichters 4 ist eine erste Last 8 und mittels des zweiten Umrichters 6 eine zweite Last 10 angetrieben. Die erste Last 8 und die zweite Last 10 sind jeweils dreiphasige bürstenlose Synchronmotoren, und der erste Umrichter 4 ist prinzipgleich, bevorzugt baugleich, zu dem zweiten Umrichter 6. Der erste Umrichter 4 weist drei erste Anschlussklemmen 12 auf, die elektrisch mit der ersten Last 8 kontaktiert sind. Einer der Anschlussklemmen 12 ist hierbei einer ersten Stromphase 13a, eine weitere der Anschlussklemmen 12 einer zweiten Stromphase 13b und die verbleibende Anschlussklemme 12 einer dritten Stromphase 13c zugeordnet. Mit anderen Worten ist der erste Umrichter 4 dreiphasig. Zudem ist jede der Anschlussklemmen 12 jeweils mit einem Brückenzweig 14 einer Brückenschaltung 16 kontaktiert. Hierbei weist jeder der Brückenzweige 14 zwei schaltbare Halbleiterschalter 18 in Form von MOSFETs auf. Somit ist die Brückenschaltung 16 eine B6-Schaltung, und zwischen den zueinander in Reihe geschalteten schaltbaren Halbleiterschaltern 18 jedes der Brückenzweige 14 befindet sich eine Kontaktstelle mit den Anschlussklemmen 12.
Die Brückenzweige 18 sind zwischen einem oberen Potential 20 und einem unteren Potential 22 geschaltet, die jeweils elektrische Potentiale sind. Hierbei sind mittels dreier der schaltbaren Halbleiterschalter 18, nämlich die sogenannten oberen schaltbaren Halbleiterschalter, die Anschlussklemmen 12 gegen das obere Potential 20 führbar. Mit anderen Worten werden bei Betätigung der oberen Halbleiterschalter 18 die Anschlussklemmen 12 auf das obere Potential 20 gelegt. Falls die oberen Halbleiterschalter 18 nicht betätigt sind, und sich somit in dem elektrisch nicht leitenden Zustand befinden, sind die unteren Halbleiterschalter 18, also die verbleibenden Halbleiterschalter 18 des ersten Umrichters 14 betätigt, und die Anschlussklemmen 12 sind mit dem unteren Potential 22 elektrisch kontaktiert, sodass die Anschlussklemmen 12 bzw. die jeweilige Anschlussklemme 12 das untere Potential 22 aufweist.
Das obere Potential 20 und das untere Potential 22 ist gegen einen Zwischenkreiskondensator 24 geführt, mittels dessen die Potentialdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Potential 20, 22 in Höhe von beispielsweise 500 Volt bereitgestellt ist. Der Zwischenkreiskondensator 24 selbst ist ein Bestandteil eines (Gleichstrom-)Zwischenkreises 26, welcher mittels eines nicht näher dargestellten Gleichrichters gespeist wird, der mit einem Versorgernetzwerk gekoppelt ist. Zudem weist der erste Umrichter 4 eine Steuereinheit 28 auf, mittels derer die Halbleiterschalter 18 in Abhängigkeit von Anforderungen betätigt werden. Hierfür ist die Steuereinheit 18 in nicht näher dargestellter Weise mit den Gates der schaltbaren Halbleiterschalter 18 elektrisch kontaktiert.
Der zweite Umrichter 6 ist prinzipgleich, bevorzugt baugleich, zu dem ersten Umrichter 4 und weist somit ebenfalls die Brückenschaltung 16 mit den Halbleiterschaltern 18 sowie die Anschlussklemmen 12 und die Steuereinheit 28 auf. Die Steuereinheit 28 des ersten Umrichters 4 ist mittels einer Synchronisationsleitung (SYNC-Leitung) 30 mit der Steuereinheit 28 des zweiten Umrichters 6 signaltechnisch verbunden. Zur Verminderung einer Störanfälligkeit ist die Synchronisationsleitung 30 mit einem nicht näher dargestellten RC-Filter gedämpft. Das untere Potential 22 des zweiten Umrichters 6 ist gegen das untere Potential 22 des ersten Umrichters 4 und das obere Potential 20 des zweiten Umrichters 6 ist gegen das obere Potential 20 des ersten Umrichters 4 geführt, sodass der zweite Umrichter 6 ebenfalls mit dem Zwischenkreiskondensator 24 elektrisch verbunden ist. Zusammenfassend sind die beiden Umrichter 4,6 gegen den gemeinsamen (Gleichstrom-)Zwischenkreis 26 geführt.
In 2 ist eine Weiterbildung der Vorrichtung 2 gezeigt. Diese weist eine Anzahl weiterer Umrichter 32 auf, die mittels der Synchronisationsleitung 30 mit dem ersten Umrichter 4 sowie mit dem zweiten Umrichter 6 signaltechnisch verbunden sind. Die weiteren Umrichter 32 sind ebenfalls prinzipgleich, bevorzugt baugleich, zu dem ersten und dem zweiten Umrichter 4, 6 und die Synchronisationsleitung 30 ist ein Bestandteil eines BUS-Systems, mittels derer sämtliche Umrichter 4, 6, 32 miteinander signaltechnisch verbunden sind. Hierbei bildet der erste Umrichter 4 einen Master-Umrichter und der zweite Umrichter 6 sowie die weiteren Umrichter 32 bilden Slave-Umrichter. Die Einstellung bzw. Zuordnung als Master-Umrichter bzw. Slave-Umrichter erfolgt mittels Programmierung der jeweiligen Steuereinheit 28. Sofern lediglich der erste und der zweite Umrichter 4, 6 vorhanden sind, sind diese ebenfalls als BUS-System miteinander verschaltet, und der erste Umrichter 4 ist der Master-Umrichter, und der zweite Umrichter 6 ist der Slave-Umrichter.
In 3 ist ein Verfahren 34 zum Betrieb der Vorrichtung 2 dargestellt. In einem ersten Arbeitsschritt 36 wird eine Leistungsanforderung 38 an den ersten Umrichter 4 sowie an den zweiten Umrichter 6 bestimmt. Die Leistungsanforderung 38 korrespondiert zu der Leistung, mittels derer die jeweilige Last 8, 10 betrieben werden soll. Insbesondere variiert die Leistungsanforderung 38 über die Zeit und/oder die Leistungsanforderung 8 an den ersten Umrichter 4 ist unterschiedlich zu der Leistungsanforderung 38 an den zweiten Umrichter.
In einem sich anschließenden zweiten Arbeitsschritt 40 werden für die schaltbaren Halbleiterschalter 18 des ersten Umrichters 4 erste Schaltzeitpunkte 42 und für die schaltbaren Halbleiterschalter 18 des zweiten Umrichters 6 zweite Schaltzeitpunkte 44 bestimmt, wie in 4 dargestellt. Hierbei sind die Schaltzeitpunkte 42, 44 jeweils einem der schaltbaren Halbleiterschalter 18 des jeweiligen Umrichters 4, 6 zugeordnet, und an den jeweiligen Schaltzeitpunkten 42, 44 wird mittels der Steuereinheit 28 der jeweilige Halbleiterschalter 18 betätigt, sodass dieser von dem elektrisch leitenden in den elektrisch nicht leitenden Zustand bzw. von dem elektrisch nicht leitenden in den elektrisch leitenden Zustand versetzt wird.
Die ersten Schaltzeitpunkte 42 werden mittels Pulsweitenmodulation erstellt, wobei dem ersten Umrichter 4 eine erste Frequenz 46 und eine erste Phase 48 zugeordnet sind. Anhand der ersten Frequenz 46 ist eine Periodendauer 50 bestimmt, und anhand der ersten Phase 48 ist festgelegt, zu welchem absoluten oder relativen Zeitpunkt die jeweiligen Perioden 50 starten. Während einer Periode 50 wird ein Phasenzähler 52 gezählt, der jeweils zu Beginn der Periode 50 auf einen Ausgangswert gesetzt und bis zum Ende der Periode 50 kontinuierlich hochgezählt wird. Hierbei weist jede der Perioden 50 einen Periodenmittelpunkt 54 auf, der den Mittelpunkt jeder der Perioden 50 charakterisiert. Die Periodenmittelpunkte 54 treten ebenfalls mit der ersten Frequenz 46 auf. Die ersten Schaltzeitpunkte 42 jeder der Perioden 50 sind zeitlich symmetrisch um den Periodenmittelpunkt 54 der jeweiligen Periode 50 angeordnet. Hierbei sind zu Start und Ende jeder der Perioden 50 die oberen Halbleiterschalter 18, also diejenigen, die zwischen das obere Potential 20 und die Anschlussklemmen 12 geschaltet sind, im elektrisch nicht leitendem Zustand, sodass die erste, zweite und dritte Stromphase 13a, 13b, 13c das untere Potential 22 aufweist.
In dem Beispiel finden sich anhand der Leistungsanforderung 38 zunächst pro Periode 50 einer der ersten Schaltzeitpunkte 42, die den Halbleiterschaltern 18 des der ersten Stromphase 13a zugeordneten Brückenzweigs 14 zugeordnet sind, sodass der obere Halbleiterschalter 18 und der untere Halbleiterschalter 18 dieses Brückenzweiges 14 zu dem ersten Schaltzeitpunkt 42 betätigt würden. Hierbei erfolgt die Betätigung der beiden Halbleiterschalter 18 zeitgleich oder um einen vergleichsweise geringen zeitlichen Versatz zueinander, sodass ein Kurzschluss zwischen den beiden Potentialen 20, 22 vermieden ist. Mit anderen Worten wird zunächst der untere Halbleiterschalter und im Anschluss hieran der obere Halbleiterschalter 18 betätigt. Infolgedessen weist die erste Stromphase 13a zunächst das untere Potential 22 auf und dann das obere Potential 20.
Im Anschluss hieran findet sich pro Periode 50 einer der ersten Schaltzeitpunkte 42 für die Halbleiterschalter 18, die der zweiten Stromphase 13b zugeordnet sind. Im Anschluss hieran finden sich die ersten Schaltzeitpunkte 42 für die dritte Stromphase 13c, die somit zeitlich nach den ersten Schaltzeitpunkten 42 für die zweite Stromphase 13b und für die erste Stromphase 13a erfolgen. Im Anschluss hieran tritt zeitlich der Periodenmittelpunkt 54 auf. Im Anschluss hieran finden sich wiederum einer der ersten Schaltzeitpunkte 42 für die dritte Stromphase 13c, dann einer der ersten Schaltzeitpunkte 42 für die zweite Stromphase 13b und im Anschluss hieran einer der ersten Schaltzeitpunkte 42 für die erste Stromphase 13a.
Infolgedessen sind Zeitfenster 56 gebildet, innerhalb derer keine ersten Schaltzeitpunkte 42 vorhanden sind, nämlich um den Periodenmittelpunkt 54 sowie dem Anfang bzw. dem Ende jeder der Perioden 50. Somit sind die Zeitfenster 56 anhand des Periodenmittelpunktes 54 und/oder des Periodenanfangs bzw. - endes bestimmt, welche wiederum anhand der ersten Phase 48 und der ersten Frequenz 46 bestimmt sind. Daher sind die Zeitfenster 56 anhand der ersten Phase 48 und anhand der ersten Frequenz 46 bestimmt. Für den zweiten Umrichter 6 werden ebenfalls in gleicher Art und Weise die zweiten Schaltzeitpunkte 44 erstellt. Auch die zweiten Schaltzeitpunkte 44 sind mittels Pulsweitenmodulation erstellt, wobei die zweiten Schaltzeitpunkte 44 wiederum symmetrisch bezüglich jedes der Periodenmittelpunkte 54 jeder der Perioden 50 des zweiten Umrichters 6 angeordnet sind. Mit anderen Worten handelt es sich wiederum um ein zentriertes PWM-Verfahren. Hierbei sind dem zweiten Umrichter 6 eine zweite Frequenz 58 und eine zweite Phase 60 zugeordnet. Folglich unterscheidet sich die Dauer der Periode 50 des zweiten Umrichters 6 von der Periode 50 des ersten Umrichters 4. Die zweite Frequenz 58 entspricht 16 kHz und die erste Frequenz 46 entspricht 8 kHz. Somit ist als zweite Frequenz 58 ein ganzzahliges Vielfaches, nämlich das Doppelte der ersten Frequenz 46 gewählt.
Zu Beginn und Ende jeder der Perioden 50 und um den Periodenmittelpunkt 54 jeder der Perioden 50 des zweiten Umrichters 6 sind zweite Zeitfenster 62 gebildet, während derer die erste Phase 13a, die zweite Phase 13b und die dritte Phase 13c des zweiten Umrichters 6 entweder auf dem unteren Potential 22 oder auf dem oberen Potential 20 ist, wobei entweder sämtliche obere Halbleiterschalter 18 oder sämtliche untere Halbleiterschalter 18 betätigt sind. Jedes zweite der zweiten Zeitfenster 62 ist zeitgleich einem der Zeitfenster 56, sodass während der Zeitfenster 56 weder die ersten Schaltzeitpunkte 42, noch die zweiten Schaltzeitpunkte 44 vorhanden sind. Mit anderen Worten sind die ersten Schaltzeitpunkte 42 und die zweiten Schaltzeitpunkte 44 derart platziert, dass während der wiederholt auftretenden Zeitfenster 56 weder die ersten Schaltzeitpunkte 42 noch die zweiten Schaltzeitpunkte vorhanden sind. Hierfür ist die zweite Phase 60 derart mit der ersten Phase 48 synchronisiert, wofür die Synchronisationsleitung 30 herangezogen wird, sodass jede zweite der Perioden 50 des zweiten Umrichters 6 zeitgleich mit einer der Perioden 50 des ersten Umrichters 4 startet.
Zur Sicherstellung, dass auch stets die Zeitfenster 56 realisiert sind, werden eine erste Schranke 64, eine zweite Schranke 66, eine dritte Schranke 68 sowie eine vierte Schranke 70 herangezogen. Die zweite Schranke 66 und die dritte Schranke 68 sowie die erste Schranke 64 und die vierte Schranke 70 sind symmetrisch um den Periodenmittelpunkt 54 der jeweiligen Periode 50 angeordnet und für sämtliche Perioden 50 des ersten Umrichters 4 sowie des zweiten Umrichters 6 jeweils gleich.
Sofern - wie in Fig. 5 für die dritte Stromphase 13c dargestellt - beispielsweise anhand der Leistungsanforderung 38 die ersten Schaltzeitpunkte 42 zwischen der zweiten Schranke 66 und der dritten Schranke 68 liegen, würden die ersten Schaltzeitpunkte 42 innerhalb des Zeitfensters 56 sein. Sofern dies der Fall ist, werden diejenigen Schaltzeitpunkte, die sich innerhalb des Zeitfensters 56 befinden, auf die Begrenzung des Zeitfensters 56 verschoben, also auf die zweite und dritte Schranke 66,68, wie in 6 gezeigt.
In einer weiteren Alternative, die in 7 gezeigt ist, werden die Schaltzeitpunkte 42, die innerhalb des Zeitfensters 56 liegen würden, verworfen, sodass für die dritte Stromphase 13c weniger erste Schaltzeitpunkte 42 vorhanden sind. Diese Anpassung der ersten Schaltzeitpunkte erfolgt in gleicher Weise für die zweiten Schaltzeitpunkte 44 für den zweiten Umrichter 6. Zusätzlich werden diejenigen Schaltzeitpunkte 42, 44, die sich nicht zwischen der ersten Schranke 64 und der zweiten Schranke 66 oder zwischen der dritten Schranke 68 und der vierten Schranke 70 befinden, also die sich insbesondere zwischen der vierten Schranke 70 und der ersten Schranke 64 befinden, auf die Begrenzung des jeweiligen Zeitfensters 56, also auf die erste Schranke 64 bzw. die vierte Schranke 70, verschoben oder verworfen. Auch erfolgt die Verschiebung bzw. das Verwerfen, sofern sich die zweiten Schaltzeitpunkte 44 innerhalb des zweiten Zeitfensters 62 befinden würden.
In einem sich anschließenden dritten Arbeitsschritt 72 werden die Halbleiterschalter 18 entsprechend der ersten bzw. zweiten Schaltzeitpunkte 52 angesteuert, also jeweils zu den ersten bzw. zweiten Schaltzeitpunkten 42, 44. In einem vierten Arbeitsschritt 74, der im Wesentlichen zeitgleich zu dem dritten Arbeitsschritt 72 erfolgt, wird während der Zeitfenster 56 jeweils ein Messwert 76 erfasst. Der Messwert 76 ist ein elektrischer Stromfluss der der jeweiligen elektrischen Phase 13a, 13b, 13c zugeordnet ist, und den folglich die jeweilige elektrische Phase 13a, 13b, 13c führt. Die Erfassung des elektrischen Stromflusses erfolgt in analoger Weise, wobei aufgrund des Ausbleibens von Schaltvorgängen der Halbleiterschalter 18 während der Zeitfenster 56 keine übermäßigen elektromagnetischen Wellen ausgesandt werden, welche in die Steuereinheit 28 sowie etwaige weitere, nicht dargestellte Leitungen einkoppeln, und welche den Messvorgang verfälschen würden. Infolgedessen ist eine Genauigkeit erhöht und die Beeinflussung der Umrichter 4, 6 untereinander vermieden.
Ferner wird ein fünfter Arbeitsschritt 78 ausgeführt, welcher die zweite Phase 60 der ersten Phase 48 angleicht, so dass die zweite Periode 50 des zweiten Umrichters 6 zeitgleich mit den Perioden 50 des ersten Umrichters 4 starten. Mit anderen Worten wird der fünfte Arbeitsschritt 78 ausgeführt, damit die zweite Phase 60 der ersten Phase 48 entspricht, und die Periodenmittelpunkte 54 zeitgleich sind. Wie in 8 dargestellt,ist in diesem Beispiel die zweite Frequenz 58 gleich der ersten Frequenz 46, sodass die Dauer der Perioden 50 des ersten Umrichters 4 der Dauer der Perioden 50 des zweiten Umrichters 6 entsprechen.
In 8 ist die erste Phase 48 und die zweite Phase 56 ungleich, so dass zwischen den Periodenmittelpunkten 54 der beiden Phasenzähler 42 ein Phasenversatz 80 entsteht. Infolgedessen sind die Zeitfenster 56 nicht vorhanden oder verkürzt. Immer wenn der Periodenmittelpunkt 54 des ersten Umrichters 4 auftritt, wird mittels der Steuereinheit 28 des ersten Umrichters 4 ein Synchronisationspuls 81 über die Synchronisationsleitung 30 zu der Steuereinheit 28 des zweiten Umrichters 6 geleitet. Anhand des Synchronisationspulses 81 wird der Phasenversatz 80 in dem zweiten Umrichter 6, der als Slave-Umrichter fungiert, berechnet. Der Phasenversatz 80 wird in einen Regler 82 der Steuereinheit 28 eingespeist, der beispielsweise ein PI-Regler ist. Mittels des Reglers 82 wird die Periodendauer 50 des zweiten Umrichters angepasst, welche somit die Stellgröße des Reglers 82 ist. Hierbei wird die Periode 50 um einen Abschnitt 84 verkürzt oder verlängert, sodass die zweite Frequenz 58 verändert ist. Nach dieser (verkürzten) Periode 50 startet der Phasenzähler 52 neu, und die nächste Periode 50 startet. Aufgrund der Verkürzung der Periode 50 ist während der nachfolgenden Periode 50 der Phasenversatz 80 verringert, und mittels des Reglers 82 erfolgt wiederum eine Verkürzung der Periode 50. Nach mehrfachem Ausführen ist der Phasenversatz 80 somit entfernt, und die erste Phase 48 entspricht der zweiten Phase 60.
Günstigerweise wird die Reglerausgangsgröße - der Phasenversatz 80 - auf einen maximalen Abschnitt 84 in positiver oder negativer Richtung begrenzt. Aufgrund des Abschnittes 84 ist die Verschiebung auf ein Toleranzband um die Dauer der Periode 50 des zweiten Umrichters 6 begrenzt, weswegen eine Änderung der zweiten Frequenz 58, also der PWM-Frequenz des zweiten Umrichters 6, vergleichsweise gering ist. Aufgrund der andauernden Wiederholung der Verschiebung bis der Phasenversatz 80 null (0) entspricht, schwingt sich der Regler 82 ein und synchronisiert die Perioden 50 der beiden Umrichter 4, 6. Hierbei erfolgt die Synchronisation auf die Perioden 50 des ersten Umrichters 4, der der Master-Umrichter ist.
Zusammenfassend zeigt 1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der dreiphasigen Umrichter 4, 6 zur Wandlung einer Gleichspannung in jeweils eine 3-phasige Wechselspannung. Die Vorrichtung 2 weist den Zwischenkreiskondensator 24 und die Brückenschaltung 16 in Form einer Sechspuls-Brückenschaltung auf. Die drei Anschlussklemmen 12 sind jeweils in der Mitte, zwischen den oberen und den unteren Halbleiterschaltern 18, die Leistungsschalter sind, angeschlossen. Durch Änderung der Schaltzustände wird die jeweilige Anschlussklemme 12, und somit auch die zugeordnete Stromphase 13a, 13b, 13c wahlweise mit dem oberen oder mit dem unteren Potential 20, 22 verbunden, die mittels des Zwischenkreiskondensators 24 bereitgestellt sind, und es kann ein elektrischer Strom über die Anschlussklemmen 12 fließen.
4 skizziert den Phasenzähler 52 des ersten Umrichters 4 und den Phasenzähler 52 des zweiten Umrichters 6, die jeweils ein Bestandteil einer zentrierten Pulsweitenmodulation sind. Hierbei ist die Pulsweitenmodulation (PWM) des ersten Umrichters 4 eine Master-PWM, und die Pulsweitenmodulation des zweiten Umrichters 6 ist eine Slave-PWM. Anhand der Pulsweitenmodulation werden die drei Stromphasen 13a, 13b, 13c angesteuert bzw. erstellt. In dieser PWM-Form werden die Ein- und die Ausschaltzeitpunkte der oberen (schaltbaren) Halbleiterschalter 18 symmetrisch um die Periodenmittelpunkte 54 platziert.
Die Schranken 64, 66, 68, 70 bilden je einen Schnittpunkt mit dem Phasenzähler 52 und definieren eine Mindest- und Maximaleinschaltzeit der schaltbaren Halbleiterschalter 18. Durch die Begrenzung der Einschaltzeiten der schaltbaren Halbleiterschalter 18 entstehen die Zeitfenster 56, in denen keiner der schaltbaren Halbleiterschalter 18 seinen Zustand wechselt. In der unteren Bildhälfte ist das gleiche Prinzip für die Slave-PWM abgebildet, die die zweite Frequenz 58 aufweist, die beispielhaft das Doppelte der ersten Frequenz 46 ist, also das Doppelte der Frequenz zur Master-PWM. Die Pulsweitenmodulation garantiert jeweils zwei Zeitfenster 56 innerhalb einer Periode 50. Damit sind für beide Pulsweitenmodulationen die Zeitfenster 56, 62 möglich. Innerhalb dieser Zeitfenster 56, 62 können entsprechend störungsarme Messungen stattfinden.
2 veranschaulicht die Verbindung der unterschiedlichen Steuereinheiten 28 der Umrichter 4, 6, 32, die digitale Steuerungen (Mikrocontroller) mit jeweils eigener PWM-Einheit sind. Eine der digitalen Steuerungen (Mikrocontroller), nämlich die Steuereinheit 28 des ersten Umrichters 4, übernimmt die Rolle des Masters, der ein Synchronisationssignal, nämlich den mit der ersten Frequenz 46 auftretenden Synchronisationspuls 81, aussendet. Alle anderen digitalen Steuerungen (Mikrocontroller) agieren als Slaves (14) und empfangen das Synchronisationssignal. Alle Teilnehmer dieses Netzwerks sind neben anderen möglichen Kommunikationsbeschaltungen mit der gemeinsamen Synchronisationsleitung 30 (SYNC-Leitung) verbunden, auf der das Synchronisationssignal vom Master zu den Slaves gelangt.
8 stellt Signale der beiden Umrichter 4, 6 dar, deren beide Steuereinheiten 28 (digitale Steuerungen/Mikrocontroller) über die Synchronisationsleitung 30 (SYNC-Leitung) wie in 2 verbunden sind. Die obere PWM des ersten Umrichters 4 arbeitet als Master und sendet zu einem definierten Zeitpunkt den Synchronisationspuls 81 auf der Synchronisationsleitung 30 aus. Die darunterliegende PWM des zweiten Umrichters 6 übernimmt die Rolle eines Slaves und synchronisiert sich über den Regler82, der die zweite Frequenz leicht ändert.
Die zeitliche Abweichung zwischen dem eingehenden Synchronisationspuls 81 und dem eigenen definierten Zeitpunkt, nämlich der jeweilige Periodenmittelpunkt 54, bildet den Phasenversatz 80 (Phasenfehler) und dient dem Regler 82 als Eingang. Der Reglerausgang des Reglers 82 verändert daraufhin die Periodendauer des nächsten PWM-Zyklus. Wurde der Phasenversatz 80 durch die Regelung ausgelöscht, laufen die Master- des ersten Umrichters 4 und Slave-PWM des zweiten Umrichters und etwaiger weiterer Umrichter 32 synchron.
Die Zeitfenster 56 (zeitlichen Korridore) stellen einen Zeitbereich, ein Zeitintervall, dar, indem keiner der schaltbaren Halbleiterschalter 18 schaltet. Die Einschaltzeiten der jeweiligen oberen schaltbaren Halbleiterschalter 18 werden durch die erste und vierte Schranke 64, 70 sowie die zweite und dritte Schranke 66, 68 derart begrenzt, dass innerhalb der Zeitfenster 56 keiner der drei Brückenzweige 14 jedes Umrichters 4, 6, 32 einen Schaltvorgang ausführt.
Würde ein Einschaltverhältnis angefordert werden, welches in die um den jeweiligen Periodenmittelpunkt 54 gebildeten Zeitfenster 56 fallen würde, so wird das Einschaltverhältnis der betroffenen Stromphase 13a, 13b, 13c auf die jeweilige, insbesondere nächstgelegene, Schranke 64, 66 korrigiert oder auf 0% - je nachdem, welche Grenze näher liegt. Würde ein Einschaltverhältnis angefordert werden, welches in die um den Anfang/Ende der jeweiligen Perioden gebildeten Zeitfenster 56 fallen würde, so wird das Einschaltverhältnis der betroffenen Phase auf die erste oder vierte Schranke 64, 70 korrigiert oder auf die Periodengrenze (±100% bzw. Phasenzähler-Anfangs-bzw.-Endwert) - je nachdem, welche Grenze näher liegt.
Der Abtastvorgang der Phasenströme findet vorzugsweise im Bereich der Zeitfenster 56 statt. In diesem Beispiel dann, wenn der Phasenzähler 52 auf seinen Anfangswert zurückgesetzt wird. Hier sind die Anschlussklemmen 12 (Motorklemmen) auf das untere Potential 22 (negativen Pol) des Gleichspannungszwischenkreises 26 geklemmt, womit über einfache Strommesswiderstände der Mikrocontroller die elektrischen Ströme direkt messen kann.
Falls alle PWMs eines einzigen Umrichters von demselben Mikrocontroller gesteuert werden, bietet dieser die Möglichkeit zur Synchronisierung aller PWMs. Das Verfahren 34 beschreibt jedoch die Synchronisierung der PWMs auf unterschiedlichen Umrichtern 4, 6, 32 mittels deren jeweiliger Steuereinheiten 28 (digitalen Steuerungseinheiten/Mikrocontroller). Das Verfahren ist in 3 bis 8 veranschaulicht. Dabei agiert eine der Steuereinheiten 28 (Mikrocontroller) als Master und sendet in jedem PWM-Zyklus den Synchronisationspuls 81 (SYNC-Puls) auf der dafür vorgesehenen Synchronisationsleitung 30 (SYNC-Leitung) aus. Diese Synchronisationsleitung 30 verbindet alle Steuereinheiten 28 untereinander, wobei der Master auf dieser Leitung senden kann und alle Slaves darauf empfangen können. Es ist unerheblich ob Master und Slaves mit der gleichen PWM-Frequenz oder ob alle Umrichter mit einem ganzzahligen Vielfachen der kleinsten Frequenz betrieben werden. Die kleinste (PWM-)Frequenz ist vorzugsweise dem Master vorbehalten sein. Der Synchronisationspuls 81 wird von der Master-Steuerung (Steuereinheit 28 des ersten Umrichters 4) direkt erzeugt.
Jede teilnehmende PWM-Steuerung weist vorzugsweise einen eigenen Phasenzähler 52 auf, welcher die mittels der jeweiligen Frequenz 46, 58 bestimmte Periode 50 (PWM-Träger-Periode) in einige hundert feingranulare Schritte linear auflöst. Passiert der Phasenzähler 52 des ersten Umrichters 4 einen bestimmten Wert (SYNC-Zeitpunkt), in dem gezeigten Beispiel der Periodenmittelpunkt 54, wird der Synchronisationspuls 81 auf die Synchronisationsleitung 30 gegeben.
Der SYNC-Zeitpunkt des ersten Umrichters 4 - also der Zeitpunkt des Synchronisationspuls 81 (SYNC-Puls) innerhalb der Periode 50 des ersten Umrichters 4 (Master-PWM-Periode/CNTR_{SyncMasterPhase}) - ist den übrigen Umrichtern 6, 32 Teilnehmern aufgrund entsprechender Initialisierung bekannt. Der zweite Umrichter 6 sowie die etwaigen weiteren Umrichter 32 halten bei Empfang des Synchronisationspulses 81 den Stand des eigenen Phasenzählers 52 als CNTR_SlavePhase fest. Anhand des Zählerstands des eigenen Phasenzählers 52 (CNTR_SlavePhase) und dem bekannten SYNC-Zeitpunkt des ersten Umrichters 4 (CNTR_{SyncMasterPhase}) wird in jedem Slave (zweiter Umrichter 6, weitere Umrichter 32) der eigene Phasenversatz 80 (Phasenfehler) ermittelt.
Dieser Phasenversatz 80 wird als Eingang für den Regler 82 (z. B. PI-Regler) verwendet. Der Ausgang des Reglers 82 - die Stellgröße - ist die Dauer der eigenen Periode 50. Je nach Implementierung beeinflusst der Regler 82 die Dauer der aktuellen Periode 50, also des momentanen PWM-Zyklus T_PWM(n), oder der zeitlich folgenden Periode 50, also des nächsten PWM-Zyklus T_PWM(n+1): ${Phasenversatz 80=CNTR}_{SyncMasterPhase} - {CNTR}_{SlavePhase}$
$T_{PWM} (n+1) = T_{PWM} - f {}_{Regler}{(Phasenversatz 80)}$
Der Ausgang des Reglers wird mittels des Abschnitts 84 auf ein Toleranzband um die nominale Periodendauer begrenzt, sodass die Änderung der PWM-Frequenz nur sehr gering ist. Durch die fortwährende Wiederholung dieses Vorgangs, schwingt der Regler 82 ein und synchronisiert sich mit der Master-PWM. Die Störanfälligkeit der Synchronisation der Slaves kann verbessert werden, indem die SYNC-Leitung mit einem RC-Filter gedämpft wird.
Das vorliegende Verfahren 34 dient unter anderem der störungsarmen Messung analoger Signale bei mehreren digital gesteuerten pulsweitenmodulierten Antriebsumrichtern 4, 6, 32 im Parallelbetrieb mit mindestens zwei unterschiedlichen digitalen Steuereinheiten 28. Die Pulsweiten der Brückenschaltungen 16 jedes Umrichters 4, 6, 32 werden derart limitiert, dass in jedem Umrichter 4, 6, 32 zyklisch sich wiederholende Zeitfenster 56 (zeitlicher Korridor) entstehen, in welchem kein Leistungsschalter (schaltbarer Halbleiterschalter 18) umschaltet. Des Weiteren werden die Phasen 48, 60 der Pulsweitenmodulationen der einzelnen digitalen Steuerungen 28 synchronisiert, damit diese Zeitfenster 56 aller beteiligten Umrichter 4, 6, 32 gleichzeitig auftreten. Damit ist es möglich, ein oder mehrere analoge Messwerte 76 (Messsignale) auf einem oder mehreren (Antriebs-)Umrichtern 4, 6, 32 innerhalb der Zeitfenster 56 periodisch abzutasten. Zur Synchronisierung dient die Synchronisationsleitung 30, die einen Master und dessen Slaves miteinander verbindet. Die Master-Steuerung 28 sendet repetierend den Synchronisationspuls 81 (Master-SYNC-Signal) an die Slaves, und diese ändern gegebenenfalls ihre PWM-Frequenz minimal, sodass ihre Phase 60 mit dem Synchronisationspuls 81 (Master-SYNC-Signal) übereinkommt.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei pulsweitenmodulierten Umrichtern 4, 6, 32 mit einer Brückenschaltung 16 (Umrichterbrücke) zur Ansteuerung von Motoren 8, 10, mit wenigstens zwei Steuerungen 28, wobei die Pulsweite eines jeden Umrichters 4, 6, 32 derart gesteuert wird, dass ein Zeitfenster 56 (zeitlicher Korridor) entsteht, in welchem kein schaltbarer Halbleiterschalter 18 (Leistungsschalter) der Brückenschaltung 16 umgeschaltet wird.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Vorrichtung
4: erster Umrichter
6: zweiter Umrichter
8: erste Last
10: zweite Last
12: Anschlussklemme
13a: erste Stromphase
13b: zweite Stromphase
13c: dritte Stromphase
14: Brückenzweig
16: Brückenschaltung
18: schaltbarer Halbleiterschalter
20: oberes Potential
22: unteres Potential
24: Zwischenkreiskondensator
26: Gleichstromzwischenkreis
28: Steuereinheit
30: Synchronisationsleitung
32: weiterer Umrichter
34: Verfahren
36: erster Arbeitsschritt
38: Leistungsanforderung
40: zweiter Arbeitsschritt
42: erster Schaltzeitpunkt
44: zweiter Schaltzeitpunkt
46: erste Frequenz
48: erste Phase
50: Periode
52: Phasenzähler
54: Periodenmittelpunkt
56: Zeitfenster
58: zweite Frequenz
60: zweite Phase
62: zweites Zeitfenster
64: erste Schranke
66: zweite Schranke
68: dritte Schranke
70: vierte Schranke
72: dritter Arbeitsschritt
74: vierter Arbeitsschritt
76: Messwert
78: fünfter Arbeitsschritt
80: Phasenversatz
81: Synchronisationspuls
82: Regler
84: Abschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1983641 A2 [0002]
EP 2270970 A1 [0003]
US 7584009 B2 [0004]
EP 1995863 A2 [0005]
DE 102005052702 B4 [0006]

Claims

Verfahren (34) zum Betrieb eines ersten Umrichters (4) und eines zweiten Umrichters (6), die jeweils eine Brückenschaltung (16) mit schaltbaren Halbleiterschaltern (18) aufweisen, - wobei die schaltbaren Halbleiterschalter (18) des ersten Umrichters (4) zu ersten Schaltzeitpunkten (42) angesteuert werden, - wobei die schaltbaren Halbleiterschalter (18) des zweiten Umrichters (6) zu zweiten Schaltzeitpunkten (44) angesteuert werden, und - wobei die ersten Schaltzeitpunkte (42) und die zweiten Schaltzeitpunkte (44) derart erstellt werden, dass wiederholt auftretende Zeitfenster (56) gebildet werden, innerhalb derer weder erste Schaltzeitpunkte (42) noch zweite Schaltzeitpunkte (44) sind.
Verfahren (34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zeitfenster (56) jeweils ein oder mehrere Messwerte (76), insbesondere ein elektrischer Stromfluss erfasst wird, und/oder dass während der Zeitfenster (56) keine elektrische Potentialdifferenz zwischen Anschlussklemmen (12) der Umrichter (4, 6) anliegt.
Verfahren (34) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schaltzeitpunkte (42) und die zweiten Schaltzeitpunkte (44) mittels Pulsweitenmodulation erstellt werden, wobei dem ersten Umrichter (4) eine erste Frequenz (46) und eine erste Phase (48) und dem zweitem Umrichter (6) eine zweite Frequenz (58) und eine zweite Phase (60) zugeordnet werden.
Verfahren (34) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitfenster (56) anhand der ersten Phase (48) und der ersten Frequenz (46) bestimmt werden.
Verfahren (34) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsanforderung (38) an den ersten Umrichter (4) und/oder den zweiten Umrichter (6) bestimmt wird, anhand derer die Schaltzeitpunkte (42, 44) bestimmt werden, wobei diejenigen Schaltzeitpunkte (42, 44) unverändert herangezogen werden, die sich außerhalb der Zeitfenster (56) befinden, und wobei diejenigen Schaltzeitpunkte (42, 44), die sich innerhalb eines der Zeitfensters (56) befinden, verworfen oder auf eine Begrenzung (64, 66, 68, 70) desjenigen Zeitfensters (56) verschoben werden.
Verfahren (34) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Frequenz (58) ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Frequenz (46) gewählt wird.
Verfahren (34) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phase (60) derart verschoben wird, dass die erste Phase (48) der zweiten Phase (60) entspricht.
Verfahren (34) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung begrenzt wird.
Verfahren (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom ersten Umrichter (4), über eine den ersten Umrichter (4) mit wenigstens einem weiteren Umrichter (6, 32) verbindende Synchronisationsleitung (30), ein Synchronisationspuls (81) ausgesendet wird, durch den in dem wenigstens einen weiteren Umrichter (6, 32) ein schaltfreies Zeitfenster (56, 62) in einer vorgegebenen zeitlichen Relation gebildet wird.
Vorrichtung (2), insbesondere Wärmepumpe, mit einer mittels eines ersten Umrichters (4) angetriebenen ersten Last (8), und mit einer mittels eines zweiten Umrichters (6) angetriebenen zweiten Last (10), wobei der erste und der zweite Umrichter (4, 6) gemäß einem Verfahren (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 betrieben sind.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Umrichter (4, 6) gegen einen gemeinsamen Zwischenkreis (26) geführt sind.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umrichter (4) mit wenigstens einem weiteren Umrichter (6, 32) über eine Synchronisationsleitung (30) verbunden ist.