DE102019119803A1

DE102019119803A1 - Aktive oberschwingungsfilter- und regenerationsenergiesteuervorrichtung und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102019119803A1
Application number: DE102019119803.8A
Authority: DE
Inventors: Huaqiang Li
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2020-02-06

Abstract

Eine aktive Oberschwingungsfilter-(AHF)- und Regenerationsenergiesteuer-(REC)-Vorrichtung für einen Antrieb mit veränderbarer Drehzahl (ASD) schließt einen Wechselrichter und eine Steuerung ein, die funktional mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, um dessen Betrieb selektiv zu steuern. Die Steuerung ist dazu programmiert, den Wechselrichter in verschiedenen Modi zu betreiben, um verschiedene Bedingungen zu verwalten, die während des Betriebs des ASD auftreten können. In einem AHF-Modus betreibt die Steuerung den Wechselrichter, um an einem Eingang zu einem ASD vorhandene Oberschwingungen zu filtern. In einem REC-Modus betreibt die Steuerung den Wechselrichter, um die vom ASD in den Wechselrichter fließende Regenerationsenergie zu steuern.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Schaltungen zum Filtern von Oberschwingungen und zum Steuern von Regenerationsenergie und insbesondere auf eine aktive Oberschwingungsfilter-(AHF) -und Regenerationsenergiesteuer-(REC)-Vorrichtung zur Verwendung mit einem Antrieb mit veränderbarer Drehzahl (adjustable speed drive - ASD) und deren Betriebsverfahren.
Eine Art von System, das häufig zur Leistungsumwandlung verwendet wird, ist ein Antrieb mit veränderbarer Drehzahl (ASD - auch bekannt als Antrieb mit variabler Frequenz (variable frequency drive - VFD)). Ein ASD ist eine industrielle Steuervorrichtung, die den Betrieb eines angetriebenen Systems, wie beispielsweise eines Wechselstrom-(AC)-Asynchronmotors, mit veränderbarer Frequenz und veränderbarer Spannung ermöglicht. Ein ASD empfängt typischerweise eine Wechselstromeingangsleistung, wandelt die Wechselstromeingangsleistung unter Verwendung eines Gleichrichters in einen Gleichstrom (DC) um und invertiert die Gleichstromleistung in eine Wechselstromausgangsleistung mit einer gewünschten Spannung und Frequenz zum Steuern des Motors unter Verwendung eines Wechselrichters. Dieser variable Betrieb von ASDs ermöglicht eine präzise Steuerung von Drehzahl und Drehmoment eines Wechselstrommotors. ASDs führen jedoch Oberschwingungen in das System ein, in dem sie implementiert sind, da ASDs nichtlineare Lasten sind.
Eine nichtlineare Last führt Oberschwingungen in ein System ein, da die Wellenform des Stroms, den die nichtlineare Last zieht, nicht mit der sinusförmigen Wellenform der Quellspannung übereinstimmt. ASDs sind nichtlineare Lasten, da sie Gleichrichter beinhalten, die nicht unbedingt einen sinusförmigen Strom ziehen und in einigen Fällen eine gesamte harmonische Verzerrung (total harmonic distortion - THD) des Eingangsstroms von mehr als 30 % erzeugen. Oberschwingungsströme, die durch Systemimpedanzen fließen, erzeugen Spannungsoberschwingungen, die die Quellspannung verzerren. Oberschwingungsströme können auch den Effektivstrom erhöhen, das elektrische Netz belasten und potentiell Anlagen beschädigen. Folglich können Oberschwingungen den normalen Betrieb von Vorrichtungen stören und die Betriebskosten in einem gegebenen System erhöhen.
Oberschwingungen werden im Allgemeinen unter Verwendung verschiedener Arten von Oberschwingungsfiltern verwaltet. Passive Oberschwingungsfilter beinhalten Kondensatoren, Induktoren und/oder Widerstände, die niederohmige Pfade für bestimmte Oberschwingungsfrequenzen bereitstellen, um die dominanten Oberschwingungsströme in einem System zu absorbieren. Aktive Oberschwingungsfilter schließen Wandler ein, die typischerweise unter Verwendung von Pulsweitenmodulation gesteuert werden. Aktive Oberschwingungsfilter überwachen und steuern die Oberschwingungsfilterung aktiv mit ihren Wandlern. In beiden Fällen wird der Oberschwingungsfilter jedoch oft als separater Antrieb vom ASD, mit dem er implementiert wird, konstruiert, insbesondere wenn der Oberschwingungsfilter auf einen bereits vorhandenen ASD nachgerüstet werden muss.
Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit ASDs ist die Erzeugung von Regenerationsenergie, d. h. Energie, die von einem Motor, den der Wechselrichter betreibt, zu einem ASD-Wechselrichter zurückkehrt. Ein Motor erzeugt beim Abbremsen Regenerationsenergie und wenn die vom Motor gesteuerte Last beginnt, einen Motor schneller als seine Synchrongeschwindigkeit zu ziehen, wodurch der Motor als Generator fungiert. Wenn beispielsweise ein Aufzug nach unten fährt, verlangsamt sein Motor dessen Abwärtsbewegung, wodurch ein negatives Drehmoment und damit eine Regenerationsenergie erzeugt wird. Regenerationsenergie wird unter Verwendung von zwei verschiedenen Verfahren gesteuert. Ein dynamisches Bremsverfahren leitet die Regenerationsenergie an eine Bremswiderstandseinheit weiter, die die Regenerationsenergie als Wärme ableitet. Ein bevorzugtes regeneratives Bremsverfahren leitet die Regenerationsenergie zurück zur Stromquelle des Motors oder zu einem Energiespeichersystem. Beide Verfahren werden üblicherweise von einem an einen bestehenden ASD nachgerüsteten Antrieb ausgeführt.
Während die oben genannten Verfahren zum Filtern von Oberschwingungen und Steuern von Regenerationsenergie angemessene Lösungen bieten, sind diese Lösungen voneinander getrennt ausgeführt. Um Oberschwingungen zu filtern und Regenerationsenergie in einem bestehenden ASD zu steuern, müssen daher sowohl ein Oberschwingungsfilterantrieb als auch ein Regenerationsenergieantrieb mit dem ASD installiert werden. Diese beiden unabhängigen Antriebe erhöhen die Kosten für die Verwendung des ASD erheblich und benötigen zusätzlichen Platz für ihre Hardware. Somit stellt das Hinzufügen der beiden Antriebe eine erhebliche wirtschaftliche und konstruktive Belastung bei der Implementierung eines ASD dar, der in der Lage ist, bei Oberschwingungsstörungen zu funktionieren und wenn seine Last Regenerationsenergie erzeugt.
Es wäre daher wünschenswert, eine kompaktere und kostengünstigere Lösung für das Filtern von Oberschwingungen und das Steuern von Regenerationsenergie in einem ASD zu entwickeln.
KURZBESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine einzige Vorrichtung zum aktiven Filtern von Oberschwingungen in und Steuern von Regenerationsenergieabgabe durch einen ASD dar. Die Schaltung kann mit vorhandenen ASDs als Nachrüstantrieb realisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet eine AHF- und REC-Vorrichtung für einen ASD einen Wechselrichter und ein Steuerungssystem, das funktional mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, um dessen Betrieb selektiv zu steuern. Das Steuerungssystem ist dazu programmiert, den Wechselrichter in einem AHF-Modus zu betreiben, um Oberschwingungen zu filtern, die an einem Eingang zu einem ASD vorhanden sind, und den Wechselrichter in einem REC-Modus zu betreiben, um die vom ASD in den Wechselrichter fließende Regenerationsenergie zu steuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird von der Steuerung ein Verfahren zum Betreiben einer AHF- und REC-Vorrichtung, die mit einem ASD koppelbar ist und eine Steuerung aufweist, durchgeführt. Das Verfahren schließt das Überwachen von Oberschwingungen an einem Eingang zum ASD, den Betrieb der AHF- und REC-Vorrichtung in einem AHF-Modus, um die Oberschwingungen zu filtern, das Bestimmen, dass Regenerationsenergie vom ASD in die AHF- und REC-Vorrichtung fließt, und das Umschalten des Betriebs der AHF- und REC-Vorrichtung vom AHF-Modus in einen REC-Modus ein, um die Regenerationsenergie zu verwalten.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Nachrüstantrieb mit AHF und REC für einen ASD einen Antriebseingang/-ausgang, der in der Lage ist, einen Leistungseingang zu empfangen und einen Leistungsausgang abzugeben, und eine Filterdrossel mit einem oder mehreren Induktoren, die mit dem Antriebseingang/-ausgang gekoppelt sind. Der Nachrüstantrieb schließt auch einen Wechselrichter mit einer über die Drossel mit dem Antriebseingang/-ausgang gekoppelten Wechselstromseite und einer Gleichstromseite ein. Der Nachrüstantrieb schließt zusätzlich eine mit der Gleichstromseite des Wechselrichters gekoppelte Kondensatorbank mit einem oder mehreren Kondensatoren und eine Diode mit einer mit der Kondensatorbank gekoppelten Kathode und einer Anode ein. Der Nachrüstantrieb schließt ferner einen Antriebseingang ein, der mit der Anode der Diode gekoppelt ist und Regenerationsenergie aufnehmen kann. Darüber hinaus schließt der Nachrüstantrieb eine Steuerung ein, die dazu konfiguriert ist, den Wechselrichter in einem AHF-Modus zu betreiben, um Oberschwingungen zu filtern, die an einem Eingang zum ASD vorhanden sind, den Wechselrichter in einem REC-Modus zu betreiben, um Regenerationsenergie zu regeln, die in den Antriebseingang und in die Anode der Diode fließt, und den Wechselrichter zu deaktivieren, falls der Antriebseingang keine Regenerationsenergie empfängt und eine Charakteristik der am Antriebseingang/-ausgang vorhandenen Oberschwingungen unter einem voreingestellten Schwellenwert liegt.
Aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen werden verschiedene weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ersichtlich.
Figurenliste
Die Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen, die derzeit für die Durchführung der Erfindung in Betracht gezogen werden.
In den Zeichnungen:

1 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Systems mit einer mit einem ASD gekoppelten AHF- und REC-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung einer Ersatzschaltung des elektrischen Systems von 1, wenn ein Wechselrichter der AHF- und REC-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem AHF-Modus arbeitet.
3 ist eine schematische Darstellung einer Ersatzschaltung des elektrischen Systems von 1, wenn der Wechselrichter der AHF- und REC-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem REC-Modus arbeitet.
4 ist eine schematische Darstellung einer Ersatzschaltung des elektrischen Systems von 1, wenn sich der Wechselrichter der AHF- und REC-Vorrichtung in einem AUS-Zustand befindet.
5 ist ein Flussdiagramm, das eine Technik zum Steuern der AHF- und REC-Vorrichtung von 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der Erfindung richten sich auf eine AHF- und REC-Vorrichtung oder einen Antrieb und Verfahren zu deren Betrieb zum Filtern von an einem Leistungseingang zu einem ASD vorhandenen Oberschwingungen und auch zum Steuern von Regenerationsenergieabgabe aus dem ASD. Die AHF- und REC-Vorrichtung schließt einen Wechselrichter und eine Steuerung ein, die dazu konfiguriert ist, den Wechselrichter in einem AHF-Modus und einem REC-Modus zu betreiben. Die Steuerung betreibt den Wechselrichter im AHF-Modus, um Oberschwingungen am ASD-Eingang zu filtern. Falls der ASD beginnt, Regenerationsenergie an die AHF- und REC-Schaltung abzugeben, betreibt das Steuerungssystem den Wechselrichter im REC-Modus, um die Abgabe zurück zum Leistungseingang zu lenken.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 ist ein elektrisches System 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das elektrische System 10 schließt eine Stromquelle 12, einen ASD 14 und eine AHF- und REC-Vorrichtung oder einen Antrieb 16 ein. Die Stromquelle 12 ist eine Drehstromquelle. Jede Phase 18, 20, 22 der Stromquelle 12 wird durch eine Wechselstromquelle 24 und einen Quelleninduktor 26 mit einer Induktivität Ls dargestellt. In einigen Ausführungsformen ist die Stromquelle 12 ein Versorgungsnetz. Die Stromquelle 12 kann jedoch in Form einer anderen Art von Stromquelle vorliegen, wie beispielsweise einer Energiespeichervorrichtung oder einem Generator. Die Stromquelle 12 gibt eine Wechselstromleistung einschließlich einer Quellspannung, vs, und eines Quellenstroms, is, an den ASD 14 ab.
Der ASD 14 schließt ein Gehäuse 28 mit einem ASD-Eingang 30 ein, der mit jeder Phase 18, 20, 22 der Stromquelle 12 gekoppelt ist und einen Netzstrom, i_L , empfängt. Innerhalb des Gehäuses 28 ist der ASD-Eingang 30 mit einer Wechselstromnetzdrossel 32 gekoppelt. Die Netzdrossel 32 ist als drei Induktoren 34 dargestellt, die jeweils eine Leitungsinduktivität, L_ac , aufweisen und mit einer der Phasen 18, 20, 22 der Stromquelle 12 gekoppelt sind. In einigen Ausführungsformen ist jeder Induktor 34 eine Induktorenbank mit mehr als einem Induktor und einer Gesamtleitungsinduktivität, L_ac . Der ASD 14 schließt auch eine Drehstromgleichrichterbrücke 36 ein, die mit der Netzdrossel 32 gekoppelt ist. Der Gleichrichter 36 schließt eine Anordnung von sechs Dioden 38 ein, die zum Umwandeln einer Wechselstromleistung aus einer Netzdrossel 32 in eine Gleichstromleistung dienen. Die Gleichspannungsleistung vom Gleichrichter 36 wird von einem Zwischenkreis 40 mit einem positiven Bus 42 und einem negativen Bus 44 mit einer darüber laufenden Zwischenkreisspannung, v_dc , empfangen. Der Zwischenkreis 40 ist mit einem Regenerationsenergieausgang 46, einer Kondensatorbank 48 und einer Gleichstromseite 50 eines ASD-Wechselrichters 52 gekoppelt. Die Kondensatorbank 48 weist eine Kapazität, C_dc auf, und kann einen oder mehrere Kondensatoren einschließen. In einer exemplarischen Ausführungsform schließt der Wechselrichter 52 eine Reihe von IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) -Schaltern und antiparallelen Dioden (nicht dargestellt) ein, die zusammen einen Pulsweitenmodulations-(PMW)-Wechselrichter bilden, der in der Lage ist, eine Gleichstromleistung auf der Gleichstromseite 50 in eine Wechselstromleistung auf einer Wechselstromseite 53 davon zu invertieren und eine Wechselstromleistung auf der Wechselstromseite 53 in eine Gleichstromleistung auf der Gleichstromseite 50 umzuwandeln. Die Wechselstromseite 53 des Wechselrichters 52 ist mit einem ASD-Eingang/Ausgang (I/O) 54 im Gehäuse 28 gekoppelt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der ASD 14 keine Netzdrossel 32 einschließen und kann stattdessen eine oder mehrere Gleichstromdrosseln einschließen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der ASD 14 eine erste Gleichstromdrossel mit einer Induktivität, L_dc , an dem positiven Bus 42 des Zwischenkreises 40 zwischen Gleichrichter 36 und Kondensatorbank 48 und eine zweite Gleichstromdrossel mit einer Induktivität, L_dc , an dem negativen Bus 44 des Zwischenkreises 40 zwischen Gleichrichter 36 und Kondensatorbank 48 einschließen. Als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann der ASD 14 nur entweder die erste Gleichstromdrossel auf dem positiven Bus 42 oder die zweite Gleichstromdrossel auf dem negativen Bus 44 einschließen. Darüber hinaus kann der ASD 14 in einigen Ausführungsformen weder eine Netzdrossel 32 noch Gleichstromdrosseln einschließen.
Wenn der ASD 14 unter normalen Bedingungen betrieben wird, liefert der Zwischenkreis 40 dessen Gleichstromleistung an die Kondensatorbank 48 und den Wechselrichter 52, und der Wechselrichter 52 liefert eine Wechselstromleistung an den ASD I/O 54 im Gehäuse 28. Ein mit dem ASD I/O 54 gekoppelter Wechselstrommotor 56 empfängt die Wechselstromleistung und arbeitet zur Versorgung einer Last (nicht dargestellt). Wenn der ASD 14 unter Regenerationsbedingungen arbeitet, d. h. wenn der Motor 56 eine Wechselstromleistung zurück in den ASD I/O 54 liefert, empfängt der Wechselrichter 52 die Wechselstromleistung und wandelt diese in eine Gleichstromleistung am Zwischenkreis 40 um. Da der Gleichrichter 36 nur zur Umwandlung einer Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung dient und auch während einer Regenerationsenergiebedingung keine Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung invertiert, liefert der Zwischenkreis 40 die vom Wechselrichter 50 empfangene Gleichstromleistung an den Regenerationsenergieausgang 46, der mit der AHF- und REC-Vorrichtung 16 gekoppelt ist, wie nachstehend näher erläutert.
Die AHF- und REC-Vorrichtung 16 schließt ein Gehäuse 58 mit einem I/O 60 ein, der mit jeder Phase 18, 20, 22 der Stromquelle 12 gekoppelt ist, und einen Regenerationsenergieeingang 62, der mit dem Regenerationsenergieausgang 46 des ASD 14 gekoppelt ist. Der I/O 60 ist mit einer Wechselstromfilterdrossel 64 an deren erstem Ende 66 gekoppelt. Die Filterdrossel 64 ist als drei Filterinduktoren 68 dargestellt, von denen jeder eine Filterinduktivität, L_F , aufweist und mit einer der Phasen 18, 20, 22 der Stromquelle 12 gekoppelt ist. In weiteren Ausführungsformen ist jeder Induktor 68 eine Induktorenbank mit mehr als einem Induktor und einer Gesamtinduktivität, L_F . Die Filterinduktivität, L_F , kann gleich oder ungleich der Leitungsinduktivität, L_ac , sein. Darüber hinaus ist in einigen Ausführungsformen der Filterinduktor 64 außerhalb des Gehäuses 58 angeordnet, je nach den Größenanforderungen an den Filterinduktor 64. Ein zweites Ende 70 der Filterdrossel 64 ist mit einem AHF- und REC-Wechselrichter 72 an seiner Wechselstromseite 74 gekoppelt. Ein damit verbundener Filterstrom, i_F , mit einer Filterspannung, v_AF , fließt zwischen dem zweiten Ende 70 der Filterdrossel 64 und der Wechselstromseite 74 des Wechselrichters 72. Der Wechselrichter 72 schließt sechs Paare 76 von IGBT-Schaltern 78 und antiparallelen Dioden 80 ein, die zusammen einen PWM-Wechselrichter bilden, der in der Lage ist, eine Wechselstromleistung auf der Wechselstromseite 74 in eine Gleichstromleistung auf der Gleichstromseite 82 umzuwandeln und eine Gleichstromleistung auf der Gleichstromseite 82 in eine Wechselstromleistung auf der Wechselstromseite 74 zu invertieren. Die Gleichstromseite 82 des Wechselrichters 72 ist mit einem Zwischenkreis 83 mit einem positiven Bus 85 und einem negativen Bus 87 mit einer darüber laufenden Zwischenkreisspannung, v_D , gekoppelt. Der Zwischenkreis 83 ist mit einer Gleichstromkondensatorbank 84 und einer Diode 86 gekoppelt. Die Kondensatorbank 84 weist eine Kapazität, C_D auf, und kann einen oder mehrere Kondensatoren einschließen, die mit der Diode 86 und dem REC-Eingang 62 gekoppelt sind. Die Kondensatorbank 84 kann als Energiespeicherelement betrachtet werden. Die Diode 86 schließt eine Kathode an ihrem ersten Ende 88 ein, die mit der Gleichstromseite 82 des Wechselrichters 72 und der Kondensatorbank 84 gekoppelt ist, und eine Anode an ihrem zweiten Ende 90, die mit dem Regenerationsenergieeingang 62 gekoppelt ist. Die AHF- und REC-Vorrichtung 16 beinhaltet ferner ein Steuerungssystem oder eine Steuerung 92, die dazu konfiguriert oder programmiert ist, den Wechselrichter 72 und eine Vielzahl von Sensoren 96, 98, 100, 102, 103 zu steuern, die verschiedene Messungen an die Steuerung 92 bereitstellen. Die Sensoren 96, 98, 100, 102, 103 schließen einen Versorgungsspannungssensor 96, einen Filterstromsensor 98, einen ersten Zwischenkreisspannungssensor 100, einen Netzstromsensor 102 und einen zweiten Zwischenkreisspannungssensor 103 ein, die jeweils eine andere Spannung oder einen anderen Strom messen oder erfassen. Der Versorgungsspannungssensor 96 misst die Versorgungsspannung, vs, von der Stromversorgung 12; der Filterstromsensor 98 misst den Filterstrom, i_F , zwischen der Filterdrossel 64 und dem Wechselrichter 72; der erste Zwischenkreisspannungssensor 100 misst die Zwischenkreisspannung, v_dc , des Zwischenkreises 40 des ASD 14; der Netzstromsensor 102 misst den Netzstrom, i_L , in den ASD-Eingang 30; und der zweite Zwischenkreisspannungssensor 103 misst die Zwischenkreisspannung, v_D , des Zwischenkreises 83 der AHF- und REC-Vorrichtung 16. Jeder von dem Versorgungsspannungssensor 96, Filterstromsensor 98, ersten Zwischenkreisspannungssensor 100, Netzstromsensor 102 und zweiten Zwischenkreisspannungssensor 103 kann je nach Bedarf einen oder mehrere Sensoren beinhalten, um deren jeweiligen Spannungen und Ströme zu messen.
Die AHF- und REC-Vorrichtung 16 schließt auch einen optionalen Filter für elektromagnetische Interferenzen (EMI) 104 ein. Der EMI-Filter 104 kann in die AHF- und REC-Vorrichtung 16 integriert werden, um das von Wechselrichter 52 des ASD 14 und/oder Wechselrichter 72 der AHF- und REC-Vorrichtung 16 erzeugte Schaltrauschen zu reduzieren. Der EMI-Filter 104 ist ein passiver RC-Filter mit drei parallelen Abzweigungen einer Widerstandsbank 106 und einer Kondensatorbank 108 in Reihe und kann als Hochpassfilter erster Ordnung betrachtet werden. In anderen Ausführungsformen kann der EMI-Filter 104 jedoch eine andere Konfiguration aufweisen. Jede Widerstandsbank 106 kann einen oder mehrere Widerstände mit einem Gesamtwiderstand, R_c , einschließen und jede Kondensatorbank 108 kann einen oder mehrere Kondensatoren mit einer Gesamtkapazität, C_f , einschließen. Die Widerstandsbänke 106 können aus Kompaktwiderständen gebildet werden, und die Kondensatorbänke 108 sind kleiner als die Kondensatorbank 48 des ASD 14 und die Kondensatorbank 84. Die Widerstandsbänke 106 können als Dämpfungswiderstände betrachtet werden, die den Qualitätsfaktor, Q, im elektrischen System 10 verringern, um ein Klingeln zu vermeiden.
Der EMI-Filter 104 kann selektiv mit einem Knoten 112 zwischen dem I/O 60 und dem ersten Ende 66 der Filterdrossel 68 über einen Satz von Relais 114 gekoppelt werden, die in einem geschlossenen oder EIN-Zustand und einem offenen oder AUS-Zustand betrieben werden können. In Ausführungsformen, die den EMI-Filter 104 einschließen, ist die Steuerung 92 dazu konfiguriert, die Relais 114 zu steuern. Die Steuerung 92 kann dazu konfiguriert oder programmiert werden, die Relais 114 unter einer Vielzahl von Bedingungen mit einem unerwünschten EMI-Pegel aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand zu schalten, wie beispielsweise, wenn eine Schaltfrequenz des Wechselrichters 52 des ASD 14 oder des Wechselrichter 72 der AHF- und REC-Vorrichtung 16 bei oder über einem vorgegebenen oder voreingestellten Schaltfrequenzschwellenwert liegt. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Steuerung 92 die Relais 114 im EIN-Zustand betreiben, wenn die Schaltfrequenz des Wechselrichters 52 oder des Wechselrichters 72 bei oder über 10 kHz liegt.
Die Steuerung 92 ist dazu konfiguriert, den Wechselrichter 72 in einem EIN- und einem AUS-Zustand zu steuern. Die Steuerung 92 kann den Wechselrichter 72 im EIN-Zustand unter Verwendung von zwei verschiedenen Modi betreiben: einem AHF-Modus und einem REC-Modus. Wenn weder der AHF-Modus noch der REC-Modus benötigt wird, hält die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 im AUS-Zustand. Wenn die Stromquelle 12 den ASD 14 mit Strom versorgt, betreibt die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 entweder im AHF-Modus, um Oberschwingungen im Netzstrom, i_L , zu filtern, oder im AUS-Zustand. Wenn der ASD 14 vom Motor 56 erzeugte Regenerationsenergie ausgibt, betreibt die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 im REC-Modus, um die Regenerationsenergie zu steuern und an die Stromquelle 12 zurückzuleiten. Die Steuerung 92 kann die Relais 114 im EIN-Zustand betreiben, um den EMI-Filter 104 mit dem Knoten 112 zu verbinden, wenn der Wechselrichter 72 im AHF-Modus, REC-Modus und im AUS-Zustand betrieben wird.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die 2-4 und unter Bezugnahme auf 1 werden schematische Darstellungen von Ersatzschaltungen 116, 118, 120 des elektrischen Systems 10 nach einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Ersatzschaltung 116 von 2 veranschaulicht das elektrische System 10, wenn die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 im AHF-Modus betreibt. Die Ersatzschaltung 118 von 3 veranschaulicht das elektrische System 10, wenn die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 im REC-Modus betreibt. Die Ersatzschaltung 120 veranschaulicht das elektrische System 10, wenn die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 im AUS-Zustand steuert. Das Gehäuse 28 des ASD 14 und das Gehäuse 58, die Steuerung 92 und die Sensoren 96, 98, 100, 102, 103 der AHF- und REC-Vorrichtung 16 sind in den 2-4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 2 liefert die Stromquelle 12 Strom an den ASD 14, um den Motor 56 in der Ersatzschaltung 116 anzutreiben. Da der Motor 56 keine Regenerationsenergie erzeugt, arbeitet der ASD 14 normal, und die Diode 86 (1) der AHF- und REC-Vorrichtung 16 blockiert den Stromfluss zwischen dem Zwischenkreis 40 des ASD 14 und dem Zwischenkreis 83 der AHF- und REC-Vorrichtung 16. Dies entspricht dem Fehlen einer Verbindung zwischen dem Zwischenkreis 40 und dem Zwischenkreis 83. Somit werden die Diode 86 und die Verbindung zwischen dem Zwischenkreis 40 und dem Zwischenkreis 83 in der Ersatzschaltung 116 von 2 nicht dargestellt.
Damit die Diode 86 den Stromfluss zwischen dem Zwischenkreis 40 und dem Zwischenkreis 83 blockieren kann, muss die Zwischenkreisspannung, v_D , am Zwischenkreis 83 höher sein als die Zwischenkreisspannung, v_dc , am Zwischenkreis 40. Die Steuerung 92 stellt sicher, dass die Zwischenkreisspannung, v_D , höher ist als die Zwischenkreisspannung, v_dc , wenn der Wechselrichter 72 im AHF-Modus betrieben wird. Die Steuerung 92 erfasst die Zwischenkreisspannung, v_D , unter Verwendung des zweiten Zwischenkreisspannungssensors 103 und regelt die Zwischenkreisspannung, v_D , auf eine voreingestellte AHF-Spannung. Die AHF-Spannung wird auf einen Wert eingestellt, der den ordnungsgemäßen Betrieb der AHF- und REC-Vorrichtung 16 gewährleistet, wenn die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 im AHF-Modus betreibt.
Ferner betreibt die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 der AHF- und REC-Schaltung 16 im AHF-Modus, da die THD am ASD-Eingang 30 des ASD 14 über einem vorgegebenen oder voreingestellten THD-Schwellenwert liegt, wie beispielsweise 15 %, 10 %, 5 % oder 3 % als nicht einschränkende Beispiele. Der THD-Schwellenwert wird entsprechend den Anforderungen für die Anwendung und/oder den Standort, an dem der ASD 14 implementiert wird, festgelegt, da verschiedene Anwendungen und Länder möglicherweise eine niedrigere THD als andere erfordern. Im AHF-Modus betreibt die Steuerung 92 den Wechselrichter 72, um Oberschwingungen zu filtern, die im Netzstrom, i_L , am ASD-Eingang 30 vorhanden sind. Oberschwingungen werden im Netzstrom, i_L , durch den Gleichrichter 36 des ASD 14 erzeugt, da der Gleichrichter 36 keinen sinusförmigen Strom zieht, um der sinusförmigen Wellenform der Versorgungsspannung, vs, der Stromquelle 12 zu entsprechen. Somit verzerrt der Gleichrichter 36 den Netzstrom, i_L , und kann am ASD-Eingang 30 eine THD von mehr als 30 % erzeugen. Dieser THD-Wert ist in vielen Anwendungen nicht akzeptabel. Von daher ist die Steuerung 92 dazu konfiguriert, den THD-Wert auf einen Zielwert zu reduzieren, wie beispielsweise 15 %, 10 %, 5 % oder 3 % als nicht einschränkende Beispiele. Wie die Einstellung des THD-Schwellenwerts wird auch die Ziel-THD entsprechend der Anwendung des ASD 14 und/oder des Ortes, an dem die Anwendung durchgeführt wird, eingestellt.
Um den Oberschwingungen im Netzstrom, i_L , entgegenzuwirken, überwacht die Steuerung 92 zu jedem Zeitpunkt einen Oberschwingungspegel im Netzstrom, i_L , und induziert das Gegenteil oder die Umkehrung dieser Oberschwingungen über den I/O 60 des Gehäuses 58 (1) unter Verwendung von Wechselrichter 72 in den Netzstrom, i_L , zurück. Die Induktion der gegenphasigen Oberschwingungen hebt die Oberschwingungen im Netzstrom, i_L , auf. Die Steuerung 92 überwacht den Netzstrom, i_L , und bestimmt den geeigneten Strom zum Induzieren in den Netzstrom, i_L , basierend auf Messungen, die vom Versorgungsspannungssensor 96, Filterstromsensor 98 und Netzstromsensor 102 vorgenommen werden. Die Steuerung 92 kann die Oberschwingungen im Netzstrom, i_L , bis zu einer bestimmten Oberschwingung, wie beispielsweise der 50. Oberschwingung, überwachen und aufheben. Dabei senkt die Steuerung 92 die THD im Quellenstrom, is, und kann zusätzliche Vorteile, wie beispielsweise die Leistungsfaktorkorrektur als nicht einschränkendes Beispiel, bieten. Darüber hinaus kann die Steuerung 92 den EMI-Filter 104 aktivieren, um der Schaltfrequenz des Wechselrichters 52 des ASD 14 und/oder des Wechselrichter 72 der AHF- und REC-Vorrichtung 16 entgegenzuwirken.
Unter Bezugnahme auf 3 erzeugt der Motor 56 in der Ersatzschaltung 118 Regenerationsenergie. Die vom Motor 56 erzeugte Regenerationsenergie lässt die Zwischenkreisspannung, v_dc , ansteigen. Sobald die Zwischenkreisspannung, v_dc , höher ist als die Zwischenkreisspannung, v_D , beginnt der Strom vom ASD 14 zur AHF- und REC-Vorrichtung 16 zu fließen. Genauer gesagt, wenn der ASD 14 eine Regenerationsenergiebedingung durchläuft, fließt der Strom vom Zwischenkreis 40 zum Zwischenkreis 83 durch den ASD-Ausgang 46 des Gehäuses 28 (1), den I/O 62 des Gehäuses 58 und die Diode 86. Da der Gleichrichter 36 nicht in umgekehrter Richtung arbeitet (d. h. der Gleichrichter 36 kann die Zwischenkreisspannung v_dc , nicht in eine Wechselspannung umwandeln), fließt kein Strom mehr durch den Gleichrichter 36 zur Netzdrossel 32. Da der Gleichrichter 36 während eines Regenerationszustands nicht leitend ist, schließt die Ersatzschaltung 118 von 3 keine Netzdrossel 32 oder keinen Gleichrichter 36 ein.
Die Steuerung 92 kann ein oder mehrere Verfahren verwenden, um zu bestimmen, ob der ASD 14 einen Regenerationszustand erfährt. Die Steuerung 92 überwacht die Zwischenkreisspannung, v_dc , unter Verwendung des ersten Zwischenkreisspannungssensors 100, um zu bestimmen, ob die Zwischenkreisspannung, v_dc , einen ersten Regenerationsspannungsschwellenwert erreicht oder überschritten hat. Die Steuerung 92 kann auch die Zwischenkreisspannung, v_D , unter Verwendung des Zwischenkreisspannungssensors 103 überwachen, um zu bestimmen, ob die Zwischenkreisspannung, v_D , einen zweiten Regenerationsenergieschwellenwert erreicht oder überschritten hat. Ferner kann die Steuerung 92 die Zwischenkreisspannung, v_dc , mit der Zwischenkreisspannung, v_D , unter Verwendung der ersten und zweiten Zwischenkreisspannungssensoren 100, 103 vergleichen, um zu bestimmen, ob eine Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung, v_dc , und der Zwischenkreisspannung, v_D , gleich oder größer als ein Zwischenkreisspannungsdifferenzschwellenwert ist.
Da der ASD 14 die Regenerationsenergie vom Motor 56 zur AHF- und REC-Vorrichtung 16 lenkt, betreibt die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 im REC-Modus. Die Steuerung 92 erkennt unter Verwendung des ersten Zwischenkreisspannungssensors 100 und/oder des zweiten Zwischenkreisspannungssensors 103 (1), dass sich der ASD 14 in einem Regenerationszustand befindet. Wenn der erste Zwischenkreisspannungssensor 100 eine Zwischenkreisspannung, v_dc , bei oder über dem ersten Regenerationsspannungsschwellenwert erfasst, der zweite Zwischenkreisspannungssensor 103 eine Zwischenkreisspannung, v_D , bei oder über dem zweiten Regenerationsspannungsschwellenwert erfasst, oder wenn eine Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung, v_dc , und der Zwischenkreisspannung, v_D , die von dem ersten und dem zweiten Zwischenkreisspannungssensor 100, 103 erfasst wird, größer ist als der Zwischenkreisspannungsdifferenzschwellenwert, schaltet die Steuerung 92 in den REC-Modus. Im REC-Modus betreibt die Steuerung 92 den Wechselrichter 72, um Leistung zurück zur Stromversorgung 12 zu leiten, so dass die Regenerationsenergie nicht verschwendet wird. Die Steuerung 92 leitet Leistung zurück zur Stromquelle 12 mit der Versorgungsspannung, vs, gemessen mit dem Versorgungsspannungssensor 96. Mit anderen Worten, die Steuerung 92 steuert den Wechselrichter 72 so, dass der Spannungsausgang am ersten Ende 66 der Filterdrossel 64 gleich dem der Versorgungsspannung, vs, ist.
Darüber hinaus kann die Steuerung 92 optional den EMI-Filter 104 mit dem Knoten 112 im REC-Modus koppeln, indem sie die Relais 114 in den EIN-Zustand schaltet. Da die Steuerung 92 jedoch die Kontrolle über den Ausgang zur Stromquelle 12 über den Wechselrichter 72 hat, ist es in der Regel im REC-Modus nicht erforderlich, den EMI-Filter mit dem Knoten 112 zu verbinden. Somit kann die Steuerung 92 in einigen Ausführungsformen dazu konfiguriert werden, die Relais 114 immer dann nicht in den EIN-Zustand zu schalten, wenn die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 im REC-Modus betreibt.
Unter Bezugnahme auf 4 liefert die Stromquelle 12 Strom an den ASD 14, um den Motor 56 in der Ersatzschaltung 120 ähnlich wie in 2 dargestellt zu betreiben. Da der Motor 56 keine Regenerationsenergie erzeugt, arbeitet ASD 14 normal, und die Diode 86 der AHF- und REC-Vorrichtung 16 blockiert den Stromfluss zwischen dem Zwischenkreis 40 der ASD 14 und dem Zwischenkreis 83 der AHF- und REC-Vorrichtung 16. Dadurch verhindert die Diode 86, dass eine Verbindung zwischen dem Zwischenkreis 40 und dem Zwischenkreis 83 hergestellt wird. Im Gegensatz zu 2 veranschaulicht 4 jedoch einen Fall, in dem die THD im Netzstrom, i_L , nicht bei oder über dem THD-Schwellenwert liegt. Daher besteht kein Bedarf, dass die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 entweder im AHF-Modus oder im REC-Modus betreibt. Dementsprechend steuert die Steuerung 92 den Wechselrichter im AUS-Zustand und es fließt kein Strom von der Stromquelle 12 in das erste Ende 66 der Filterdrossel 64 (1). Da kein Strom in die Filterdrossel 64 oder die Diode 86 fließt, schließt die Ersatzschaltung 120 von 4 keine Komponenten der AHF- und REC-Schaltung 16 ein, die elektrisch zwischen dem Knoten 112 (1) und dem Zwischenkreis 40 des ASD 14 verbunden sind. Genauer gesagt sind die Filterdrossel 64, der Wechselrichter 72, die Kondensatorbank 84 und die Diode 86 in 4 nicht dargestellt.
Die Steuerung 92 überwacht weiterhin die Sensoren 96, 98, 100, 102, 103, während sie den Wechselrichter 72 im AUS-Zustand steuert, um den Status der verschiedenen gemessenen Spannungen und Ströme zu überwachen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Steuerung 92 kontinuierlich bestimmen, ob die THD am ASD-Eingang 30 des ASD 14 auf oder über den THD-Schwellenwert ansteigt und ob die Zwischenkreisspannung, v_dc , auf oder über den Regenerationsspannungsschwellenwert ansteigt. Die Steuerung 92 kann auch bestimmen, ob der optionale EMI-Filter 104 aktiviert werden soll. Der Wechselrichter 52 des ASD 14 wird immer noch arbeiten, während sich der Wechselrichter 72 im AUS-Zustand befindet. Daher kann der EMI-Filter 104 erforderlich sein, um das vom Wechselrichter 52 erzeugte Schaltrauschen zu reduzieren.
Während die Steuerung 92 typischerweise den Wechselrichter 72 im AUS-Zustand steuert, wenn weder der AHF-Modus noch der REC-Knoten benötigt wird, kann die Steuerung 92 auch dazu konfiguriert werden, den Wechselrichter 72 im AUS-Zustand zu halten, anstatt ihn im AHF-Modus zu betreiben. Als nicht einschränkendes Beispiel, falls der ASD 14 in einer Anwendung verwendet wird, die keine Reduzierung der durch den Gleichrichter 36 verursachten THD erfordert, kann die Steuerung 92 dazu konfiguriert werden, den Wechselrichter 72 niemals im AHF-Modus zu betreiben. In diesem Fall betreibt die Steuerung 92 den Wechselrichter 72 im REC-Modus, wenn die Zwischenkreisspannung, v_dc , auf oder über dem Schwellenwert für die Regenerationsspannung liegt, und hält den Wechselrichter 72 ansonsten im AUS-Zustand. Von daher ist die Konfiguration der Steuerung 92 sehr anpassungsfähig an die Anwendung des ASD 14.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 5 und unter Rückgriff auf 1 wird eine Technik 122 zum Steuern der AHF- und REC-Vorrichtung 16 des elektrischen Systems 10 dargestellt, wobei die Technik von einer Steuerung in oder in Verbindung mit der AHF- und REC-Vorrichtung 16, wie beispielsweise der Steuerung 92, nach einer exemplarischen Ausführungsform ausgeführt wird. Der Prozess 140 beginnt bei SCHRITT 124, wenn die Leistung von der Stromquelle 12 in den ASD 14 eingespeist wird - wie beispielsweise beim Start des ASD 14. Bei SCHRITT 126 bestimmt die Steuerung 96, ob Oberschwingungen, die im Netzstrom, i_L , vorhanden sind, gefiltert werden müssen. Wenn die THD am ASD-Eingang 30 des ASD 14 kleiner als der THD-Schwellenwert ist, fährt die Steuerung 92 mit SCHRITT 128 fort, wobei die Steuerung den Wechselrichter 72 im AUS-Zustand hält.
In Ausführungsformen, die den EMI-Filter 104 einschließen, fährt die Steuerung 92 mit den optionalen SCHRITTEN 130, 132 fort. Andernfalls fährt die Steuerung 92 direkt mit SCHRITT 134 fort. Bei SCHRITT 130 bestimmt die Steuerung, ob der EMI-Filter 104 aktiviert werden soll. Falls die Schaltfrequenz des Wechselrichters 52 oder Wechselrichters 72 bei oder über dem Schaltfrequenzschwellenwert liegt, fährt die Steuerung 92 mit SCHRITT 132 fort und schaltet die Relais 114 vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand, um den EMI-Filter 104 mit dem Knoten 112 zu verbinden. Wenn die Schaltfrequenzen des Wechselrichters 52 und Wechselrichters 72 unter dem Schaltfrequenzschwellenwert liegen, fährt die Steuerung 92 mit SCHRITT 134 fort und bestimmt, ob der ASD 14 einen Regenerationsenergiezustand durchläuft. Falls die Zwischenkreisspannung, v_dc , kleiner als der erste Regenerationsspannungsschwellenwert ist, die Zwischenkreisspannung, v_D , kleiner als der zweite Regenerationsspannungsschwellenwert ist, oder falls eine Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung, v_dc , und der Zwischenkreisspannung, v_D , kleiner als der Zwischenkreisspannungsdifferenzschwellenwert ist, geht die Steuerung 92 zu SCHRITT 126 zurück.
Unter erneuter Bezugnahme auf SCHRITT 126, falls die Steuerung 92 bestimmt, dass die THD am ASD-Eingang 30 auf oder über dem THD-Schwellenwert liegt, fährt die Steuerung 92 mit SCHRITT 136 fort und betreibt den Wechselrichter 72 im AHF-Modus. In Ausführungsformen, die den EMI-Filter 104 einschließen, fährt die Steuerung 92 mit den optionalen SCHRITTEN 138, 140 fort. Andernfalls fährt die Steuerung 92 direkt mit SCHRITT 134 fort. Bei SCHRITT 138 bestimmt die Steuerung, ob der EMI-Filter 104 aktiviert werden soll. Falls die Schaltfrequenz des Wechselrichters 52 oder Wechselrichters 72 bei oder über dem Schaltfrequenzschwellenwert liegt, fährt die Steuerung 92 mit SCHRITT 140 fort und schaltet die Relais 114 vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand, um den EMI-Filter 104 mit dem Knoten 112 zu verbinden. Wenn die Schaltfrequenzen des Wechselrichters 52 und Wechselrichters 72 unter dem Schaltfrequenzschwellenwert liegen, fährt die Steuerung 92 mit SCHRITT 134 fort und bestimmt, ob der ASD 14 einen Regenerationsenergiezustand durchläuft. Falls die Zwischenkreisspannung, v_dc , kleiner als der erste Regenerationsspannungsschwellenwert ist, die Zwischenkreisspannung, v_D , kleiner als der zweite Regenerationsspannungsschwellenwert ist, oder falls eine Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung, v_dc , und der Zwischenkreisspannung, v_D , kleiner als der Zwischenkreisspannungsdifferenzschwellenwert ist, geht die Steuerung 92 zu SCHRITT 126 zurück.
Unter erneuter Bezugnahme auf SCHRITT 134, falls die Zwischenkreisspannung, v_dc , gleich oder größer als der erste Regenerationsspannungsschwellenwert ist, die Zwischenkreisspannung, v_D , gleich oder größer als der zweite Regenerationsspannungsschwellenwert ist, oder falls eine Differenz zwischen Zwischenkreisspannung, v_dc , und Zwischenkreisspannung, v_D , gleich oder größer als der Zwischenkreisspannungsdifferenzschwellenwert ist, fährt die Steuerung 92 mit SCHRITT 142 fort und betreibt den Wechselrichter 72 im REC-Modus. In Ausführungsformen, die den EMI-Filter 104 einschließen, fährt die Steuerung 92 mit den optionalen SCHRITTEN 144, 146 fort. Andernfalls fährt die Steuerung 92 direkt mit SCHRITT 148 fort. Bei SCHRITT 144 bestimmt die Steuerung, ob der EMI-Filter 104 aktiviert werden soll. Wenn die Schaltfrequenz von Wechselrichter 52 oder Wechselrichter 72 bei oder über dem Schaltfrequenzschwellenwert liegt, fährt die Steuerung 92 mit SCHRITT 146 fort und schaltet die Relais 114 vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand, um den EMI-Filter 104 mit dem Knoten 112 zu verbinden. Wenn die Schaltfrequenzen von Wechselrichter 52 und Wechselrichter 72 unter dem Schaltfrequenzschwellenwert liegen, fährt die Steuerung 92 mit SCHRITT 148 fort und bestimmt, ob der ASD 14 noch eine Regenerationsenergiebedingung durchläuft. Wenn die Zwischenkreisspannung, v_dc , immer noch gleich oder größer als der Regenerationsspannungsschwellenwert ist, betreibt die Steuerung 92 bei SCHRITT 142 den Wechselrichter 72 weiterhin im REC-Modus. Wenn die Zwischenkreisspannung, v_dc , kleiner als der Regenerationsspannungsschwellenwert ist, kehrt die Steuerung 92 zu SCHRITT 126 zurück.
Die Steuerung 92 setzt den Prozess 122 von 5 weiterhin fort, bis der ASD 14 abgeschaltet wird. Auf diese Weise wird die THD im elektrischen System 10 verbessert und die vom Motor 56 erzeugte Regenerationsenergie wird gemäß der Konfiguration der Steuerung 92 entsprechend zur Stromquelle 12 zurückgeführt. Wie vorstehend erläutert, kann der Prozess 122 jedoch je nach den spezifischen Bedürfnissen der Anwendung angepasst werden, für die der ASD 14 verwendet wird. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Steuerung 92 in Situationen, in denen THD in einer bestimmten Anwendung oder an einem bestimmten Ort kein Problem oder eine Anforderung darstellt, dazu konfiguriert werden, die SCHRITTE 126, 136, 138, 140 des Prozesses 122 nicht auszuführen, und die Steuerung 92 fährt stattdessen direkt mit SCHRITT 128 von den SCHRITTEN 124, 134 fort. Mit anderen Worten, die Steuerung 92 bestimmt nicht, ob Oberschwingungen, die im Netzstrom, i_L , vorhanden sind, gefiltert werden sollen, und hält den Wechselrichter 72 im AUS-Zustand, es sei denn, die Steuerung 92 erkennt Regenerationsenergie am Zwischenkreis 40.
Vorteilhafterweise stellen Ausführungsformen der Erfindung somit eine AHF- und REC-Vorrichtung bereit, die in der Lage ist, sowohl die in einen ASD eingespeisten Oberschwingungen zu filtern als auch die von einem mit dem ASD gekoppelten Motor erzeugte Regenerationsenergie zu steuern. Die AHF- und REC-Vorrichtung schließt einen Wechselrichter und eine Steuerung ein, die den Wechselrichter gemäß den von einer Vielzahl von Spannungs- und Stromsensoren getätigten Messungen betreibt. Wenn eine THD in einem Eingang zum ASD bei oder über einem vordefinierten THD-Schwellenwert liegt, betreibt die Steuerung den Wechselrichter in einem AHF-Modus, um die THD unter den THD-Schwellenwert zu senken. Wenn eine Zwischenkreisspannung im ASD bei oder über einem ersten Regenerationsspannungsschwellenwert liegt, eine Zwischenkreisspannung in der AHF- und REC-Vorrichtung bei oder über einem zweiten Regenerationsspannungsschwellenwert liegt, oder falls eine Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung des ASD und der Zwischenkreisspannung der AHF- und REC-Vorrichtung größer als ein Zwischenkreisspannungsdifferenzschwellenwert ist, betreibt die Steuerung den Wechselrichter in einem REC-Modus, um die vom ASD abgegebene Regenerationsenergie zu steuern und die Regenerationsenergie zurück an eine den ASD versorgende Stromquelle zu leiten. Die AHF- und REC-Vorrichtung kann auch einen EMI-Filter einschließen, um das Schaltrauschen in einigen Ausführungsformen zu reduzieren. Die AHF- und REC-Vorrichtung stellt eine kompakte und kostengünstige Lösung zum Filtern von Oberschwingungen und Steuern von Regenerationsenergie in einem ASD bereit und kann als Nachrüstantrieb mit einem ASD gekoppelt werden. Tatsächlich können die AHF- und REC-Vorrichtungen eine Lösung mit Hardware bereitstellen, die nur halb so groß ist wie die bisherigen Lösungen, die separate Antriebe für das Filtern von Oberschwingungen und Steuern von Regenerationsenergie benötigen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt eine AHF- und REC-Vorrichtung für einen ASD einen Wechselrichter und ein Steuerungssystem ein, das funktional mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, um dessen Betrieb selektiv zu steuern. Das Steuerungssystem ist dazu programmiert, den Wechselrichter in einem AHF-Modus zu betreiben, um Oberschwingungen zu filtern, die an einem Eingang zu einem ASD vorhanden sind, und den Wechselrichter in einem REC-Modus zu betreiben, um die vom ASD in den Wechselrichter fließende Regenerationsenergie zu steuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer AHF- und REC-Vorrichtung, die mit einem ASD koppelbar ist und eine Steuerung aufweist, von der Steuerung durchgeführt. Das Verfahren schließt das Überwachen von Oberschwingungen an einem Eingang zum ASD, den Betrieb der AHF- und REC-Vorrichtung in einem AHF-Modus, um die Oberschwingungen zu filtern, das Bestimmen, dass Regenerationsenergie vom ASD in die AHF- und REC-Vorrichtung fließt, und das Umschalten des Betriebs der AHF- und REC-Vorrichtung vom AHF-Modus in einen REC-Modus ein, um die Regenerationsenergie zu verwalten.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt ein Nachrüstantrieb mit AHF und REC für einen ASD einen Antriebseingang/-ausgang ein, der in der Lage ist, einen Leistungseingang zu empfangen und einen Leistungsausgang abzugeben, und eine Filterdrossel mit einem oder mehreren Induktoren, die mit dem Antriebseingang/-ausgang gekoppelt sind. Der Nachrüstantrieb schließt auch einen Wechselrichter mit einer über die Drossel mit dem Antriebseingang/-ausgang gekoppelten Wechselstromseite und einer Gleichstromseite ein. Der Nachrüstantrieb schließt zusätzlich eine mit der Gleichstromseite des Wechselrichters gekoppelte Kondensatorbank mit einem oder mehreren Kondensatoren und eine Diode mit einer mit der Kondensatorbank gekoppelten Kathode und einer Anode ein. Der Nachrüstantrieb schließt ferner einen Antriebseingang ein, der mit der Anode der Diode gekoppelt ist und Regenerationsenergie aufnehmen kann. Darüber hinaus schließt der Nachrüstantrieb eine Steuerung ein, die dazu konfiguriert ist, den Wechselrichter in einem AHF-Modus zu betreiben, um Oberschwingungen zu filtern, die an einem Eingang zum ASD vorhanden sind, den Wechselrichter in einem REC-Modus zu betreiben, um Regenerationsenergie zu regeln, die in den Antriebseingang und in die Anode der Diode fließt, und den Wechselrichter zu deaktivieren, falls der Antriebseingang keine Regenerationsenergie empfängt und eine Charakteristik der am Antriebseingang/-ausgang vorhandenen Oberschwingungen unter einem voreingestellten Schwellenwert liegt.
Die vorliegende Erfindung wurde im Sinne der bevorzugten Ausführungsform beschrieben, und es wird anerkannt, dass Äquivalente, Alternativen und Änderungen, abgesehen von den ausdrücklich genannten, im Rahmen der beigelegten Ansprüche möglich sind.

Claims

Aktive Oberschwingungsfilter-(AHF)- und Regenerationsenergiesteuer-(REC)-Vorrichtung für einen Antrieb mit veränderbarer Drehzahl (ASD), wobei die AHF- und REC-Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Wechselrichter; und ein Steuerungssystem, das funktional mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, um dessen Betrieb selektiv zu steuern, wobei das Steuerungssystem zu Folgendem programmiert ist: den Wechselrichter in einem AHF-Modus zu betreiben, um die an einem Eingang zu einem ASD vorhandenen Oberschwingungen zu filtern; und den Wechselrichter in einem REC-Modus zu betreiben, um die vom ASD in den Wechselrichter fließende Regenerationsenergie zu steuern.
AHF- und REC-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuerungssystem ferner dazu programmiert ist, den Wechselrichter in einem AUS-Zustand zu betreiben, wenn eine Charakteristik der Oberschwingungen unter einem Schwellenwert liegt und eine Zwischenkreisspannung der ASD unter einem Regenerationsenergieschwellenwert liegt.
AHF- und REC-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Charakteristik der Oberschwingungen eine durch die Oberschwingungen verursachte gesamte harmonische Verzerrung (THD) ist.
AHF- und REC-Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Drossel, die eine oder mehrere Induktoren umfasst, wobei die Drossel ein erstes Ende und ein mit einer Wechselstrom-(AC)-Seite des Wechselrichters gekoppeltes zweites Ende aufweist; eine Kondensatorbank, die einen oder mehrere mit einer Gleichstrom-(DC)-Seite des Wechselrichters gekoppelte Kondensatoren umfasst; und eine Diode, die ein erstes mit der Kondensatorbank und der Gleichstromseite des Wechselrichters gekoppeltes Ende aufweist.
AHF- und REC-Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend eine Vielzahl von Sensoren, einschließlich: einen ersten Sensor, der dazu konfiguriert ist, eine Spannung an dem ersten Ende der Drossel zu messen; einen zweiten Sensor, der dazu konfiguriert ist, einen Filterstrom, der zwischen dem zweiten Ende der Drossel und der Wechselstromseite des Wechselrichters fließt, zu messen; einen dritten Sensor, der dazu konfiguriert ist, einen in den ASD fließenden Netzstrom zu messen; einen vierten Sensor, der dazu konfiguriert ist, eine Zwischenkreisspannung in dem ASD zu messen; und einen fünften Sensor, der dazu konfiguriert ist, eine Spannung über die Kondensatorbank zu messen; wobei das Steuerungssystem dazu programmiert ist, den Wechselrichter in dem AHF-Modus und dem REC-Modus basierend auf den von dem ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Sensor gemessenen Spannungen und Strömen zu betreiben.
AHF- und REC-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das erste Ende der Diode eine Kathode umfasst und das zweite Ende der Diode eine Anode umfasst.
AHF- und REC-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die AHF- und REC-Vorrichtung ferner ein Gehäuse umfasst und mit dem ASD als Nachrüstantrieb koppelbar ist.
AHF- und REC-Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Drossel außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und der Wechselrichter, die Kondensatorbank, die Diode und das Steuerungssystem innerhalb des Gehäuses angeordnet sind.
AHF- und REC-Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend: einen mit dem ersten Ende der Drossel gekoppelten Filter für elektromagnetische Interferenzen (EMI); und mindestens ein zwischen dem EMI-Filter und dem ersten Ende der Drossel angeordnetes Relais; wobei das Steuerungssystem dazu programmiert ist, das mindestens eine Relais in einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand zu betreiben, um den EMI-Filter selektiv mit dem ersten Ende der Drossel zu koppeln.
AHF- und REC-Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Steuerungssystem dazu programmiert ist, das mindestens ein Relais in dem EIN-Zustand zu betreiben, falls eine Schaltfrequenz eines Wechselrichters des ASD bei oder über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
Verfahren zum Betreiben einer aktiven Oberschwingungsfilter-(AHF)- und Regenerationsenergiesteuer-(REC)-Vorrichtung, die mit einem Antrieb mit veränderbarer Drehzahl (ASD) koppelbar ist und eine Steuerung aufweist, wobei das Verfahren von der Steuerung ausgeführt wird und Folgendes umfasst: Überwachen von Oberschwingungen an einem Eingang zum ASD; Betreiben der AHF- und REC-Vorrichtung in einem AHF-Modus, um die Oberschwingungen zu filtern; Bestimmen, dass Regenerationsenergie vom ASD zu der AHF- und REC-Vorrichtung fließt; und Umschalten des Betriebs der AHF- und REC-Vorrichtung vom AHF-Modus in den REC-Modus, um die Regenerationsenergie zu verwalten.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Bestimmen, dass Regenerationsenergie vom ASD zu der AHF- und REC-Vorrichtung fließt; und Umschalten des Betriebs der AHF- und REC-Vorrichtung vom REC-Modus in entweder den AHF-Modus oder einen Ruhemodus nach dem Bestimmen, dass keine Regenerationsenergie mehr in die AHF- und REC-Vorrichtung fließt, wobei die AHF- und REC-Vorrichtung in den AHF-Modus geschaltet wird, falls eine mit den überwachten Oberschwingungen zusammenhängende gesamte harmonische Verzerrung (THD) über einem vorgegebenen THD-Schwellenwert liegt und in den Ruhemodus geschaltet wird, falls die mit den überwachten Oberschwingungen zusammenhängende THD unter dem vorgegebenen THD-Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die AHF- und REC-Vorrichtung eine Drossel, eine Kondensatorbank, einen Wechselrichter mit einer mit der Drossel gekoppelten Wechselstrom-(AC)-Seite und einer mit der Kondensatorbank gekoppelten Gleichstrom-(DC)-Seite und eine mit der Kondensatorbank und der Gleichstromseite des Wechselrichters gekoppelte Diode umfasst; und wobei beim Betreiben der AHF- und REC-Vorrichtung im AHF-Modus und REC-Modus das Verfahren ferner das wahlweise Betreiben des Wechselrichters zum Filtern der Oberschwingungen oder zum Verwalten der Regenerationsenergie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen, dass Regenerationsenergie in die AHF- und REC-Vorrichtung fließt, umfasst: Messen einer Spannung an einem Zwischenkreis eines ASD; und Bestimmen, dass die Zwischenkreisspannung gleich oder größer als ein Regenerationsspannungsschwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend das selektive Aktivieren eines Filters für elektromagnetische Interferenzen (EMI) der AHF- und REC-Vorrichtung über eine Reihe von Relais.
Nachrüstantrieb mit aktiver Oberschwingungsfilterung (AHF) und Regenerationsenergiesteuerung (REC) für einen Antrieb mit veränderbarer Drehzahl (ASD), wobei der Nachrüstantrieb umfasst: einen Antriebseingang/-ausgang, der in der Lage ist, einen Leistungseingang zu empfangen und einen Leistungsausgang abzugeben; eine Filterdrossel mit einem oder mehreren Induktoren, die mit dem Antriebseingang/-ausgang gekoppelt sind; einen Wechselrichter mit einer mit dem Antriebseingang/-ausgang über die Drossel gekoppelten Wechselstrom-(AC)-Seite und einer Gleichstrom-(DC)-Seite; eine Kondensatorbank, die einen oder mehrere mit der Gleichstromseite des Wechselrichters gekoppelte Kondensatoren umfasst; eine Diode, die eine mit der Kondensatorbank gekoppelte Kathode und eine Anode aufweist; einen Antriebseingang, der mit der Anode der Diode gekoppelt ist und Regenerationsenergie aufnehmen kann, und eine Steuerung, die auf Folgendes konfiguriert ist: den Wechselrichter in einem AHF-Modus zu betreiben, um die an einem Eingang zu dem ASD vorhandenen Oberschwingungen zu filtern; den Wechselrichter in einem REC-Modus zu betreiben, um Regenerationsenergie zu regeln, die in den Antriebseingang und in die Anode der Diode fließt; und den Wechselrichter zu deaktivieren, falls der Antriebseingang keine Regenerationsenergie empfängt und eine Charakteristik der am Antriebseingang/-ausgang vorhandenen Oberschwingungen unter einem voreingestellten Schwellenwert liegt.
Nachrüstantrieb nach Anspruch 16, ferner umfassend einen Filter für elektromagnetische Interferenzen (EMI), der selektiv mit einem Knoten zwischen dem Antriebseingang/-ausgang und der Drossel über mindestens ein durch die Steuerung in einem geschlossenen Zustand und einem offenen Zustand betreibbares Relais gekoppelt ist.
Nachrüstantrieb nach Anspruch 17, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, das mindestens eine Relais in einem offenen Zustand zu betreiben, solange eine Schaltfrequenz eines ASD-Wechselrichters nicht über einen voreingestellten Schwellenwert ansteigt.
Nachrüstantrieb nach Anspruch 16, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, zu erkennen, dass Regenerationsenergie in den Antriebseingang fließt, wenn eine Spannung an einem mit der Gleichstromseite des Wechselrichters gekoppelten Zwischenkreis über einen voreingestellten Schwellenwert ansteigt.
Nachrüstantrieb nach Anspruch 16, wobei die Charakteristik der an dem Antriebseingang/-ausgang vorhandenen Oberschwingungen eine durch die Oberschwingungen verursachte gesamte harmonische Verzerrung (THD) ist.