DE102020004679A1 - Machine emulation using a multilevel inverter with variable voltage potentials - Google Patents
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Abstract
Leistungselektronik (100) zum Funktionstest eines schaltbaren i-phasigen Wechselrichters mit j Spannungsstufen (10), wobei die Leistungselektronik aufweist: i Schaltungsanordnungen (110, 210, 310) zum Erzeugen jeweils einer i-ten Funktionstestspannung (UEMU_1, UEMU_2, UEMU_3) an einem i-ten Anschluss (120, 220, 320) der Leistungselektronik; wobei jede der i Schaltungsanordnungen konfiguriert ist n variable, tiefpassgefilterte Zwischenspannungen (U1,1, U1,2, U1,3, U1,4) zu erzeugen, welche jeweils ein unterschiedliches Spannungsniveau aufweisen und welche jeweils mit dem i-ten Anschluss verbindbar sind; und wobei jeweils eine der n Zwischenspannungen am i-ten Anschluss der Leistungselektronik anliegt; und wobei i ≥ 1, j ≥ 2, n ≥ 2 und i, j, n ∈ N.Power electronics (100) for the function test of a switchable i-phase inverter with j voltage stages (10), the power electronics having: i circuit arrangements (110, 210, 310) for generating an i-th function test voltage (UEMU_1, UEMU_2, UEMU_3) at one i-th connection (120, 220, 320) of the power electronics; each of the i circuit arrangements being configured to generate n variable, low-pass filtered intermediate voltages (U1,1, U1,2, U1,3, U1,4), which each have a different voltage level and which can each be connected to the i-th connection; and wherein in each case one of the n intermediate voltages is present at the i-th connection of the power electronics; and where i ≥ 1, j ≥ 2, n ≥ 2 and i, j, n ∈ N.
Description
Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik zum Funktionstest eines ein- oder mehrphasigen Wechselrichters und deren Verwendung in einem Maschinenemulator, einen Maschinenemulator zum Emulieren einer Drehfeldmaschine zum Funktionstest eines ein- oder mehrphasigen Wechselrichters, ein Verfahren zum Funktionstest eines ein- oder mehrphasigen Wechselrichters und ein Verfahren zum Emulieren einer Drehfeldmaschine zum Funktionstest eines ein- oder mehrphasigen Wechselrichters.The invention relates to power electronics for the function test of a single- or multi-phase inverter and its use in a machine emulator, a machine emulator for emulating a three-phase machine for the function test of a single- or multi-phase inverter, a method for the function test of a single- or multi-phase inverter and a method for emulation an induction machine for functional testing of a single- or multi-phase inverter.
Dabei wird unter einer Drehfeldmaschine eine Maschine verstanden, bei der sich ein Magnetfeld fortlaufend um eine Rotationsachse dreht, wie beispielsweise in einphasigen Wechselstrommotoren, mehrphasigen Drehstrommotoren oder Drehfeldmagneten. Für den Betrieb einer Drehfeldmaschine muss die Drehfeldmaschine an eine elektrische Versorgungseinrichtung angeschlossen mit einer Betriebsspannung versorgt werden. Als elektrische Versorgungseinrichtungen werden hierzu Drehfeldmaschinen-Wechselrichter und/oder Drehfeldmaschinen-Steuergeräte eingesetzt. Nachfolgend stehen stellvertretend für alle elektrischen Versorgungseinrichtungen für Drehfeldmaschinen beispielhaft die Drehfeldmaschinen-Wechselrichter und hierbei allgemein die Wechselrichter.A rotary field machine is understood to be a machine in which a magnetic field rotates continuously about an axis of rotation, such as in single-phase AC motors, multi-phase three-phase motors or rotary field magnets. To operate an induction machine, the induction machine must be connected to an electrical supply device and supplied with an operating voltage. For this purpose, induction machine inverters and/or induction machine control devices are used as electrical supply devices. In the following, the induction machine inverters and the inverters in general are examples of all electrical supply devices for induction machines.
Zum Funktionstest von Wechselrichtern wird üblicherweise ein elektro-mechanischer Maschinenprüfstand verwendet. Hierbei wird der unter Test stehende Wechselrichter an eine reale Drehfeldmaschine angeschlossen und die Drehfeldmaschine durch eine steuerbare Lastmaschine mechanisch unter Last gesetzt. Dazu wird die Lastmaschine derart angesteuert, dass sie typische mechanische Lastszenarien der Drehfeldmaschine simuliert und diese Lastszenarien an der Drehfeldmaschine anliegen lässt. Der unter Test stehende Wechselrichter muss dann am elektro-mechanischen Maschinenprüfstand die Drehfeldmaschine mit den entsprechenden elektrischen Spannungen und Strömen versorgen, um die Drehfeldmaschine unter ihren mechanischen Arbeitspunkten zu betreiben.An electro-mechanical machine test bench is usually used to test the functionality of inverters. The inverter under test is connected to a real induction machine and the induction machine is mechanically loaded by a controllable load machine. For this purpose, the load machine is controlled in such a way that it simulates typical mechanical load scenarios of the induction machine and applies these load scenarios to the induction machine. The inverter under test must then supply the induction machine with the appropriate electrical voltages and currents on the electro-mechanical machine test bench in order to operate the induction machine at its mechanical operating points.
Ein elektro-mechanischer Maschinenprüfstand, der die zu testenden Lastverhältnisse möglichst real simuliert, stellt aber ein sehr komplexes System dar, welches nur aufwendig zu realisieren ist und welches hohe Kosten verursacht. Zudem sind solche Maschinenprüfstände nicht flexibel genug um auf variable Einstellungen der Drehfeldmaschine angepasst werden zu können.However, an electro-mechanical machine test bench that simulates the load conditions to be tested as realistically as possible represents a very complex system that is difficult to implement and causes high costs. In addition, such machine test benches are not flexible enough to be able to be adapted to variable settings of the induction machine.
Als Alternative zu einem elektro-mechanischen Maschinenprüfstand kann hierbei ein rein elektrischer Maschinenemulator verwendet werden, der in der Lage ist, das elektrische Verhalten einer mechanisch belasteten Drehfeldmaschine nachzubilden um einen unter Test stehenden Wechselrichter entsprechend der Arbeitspunkte der Drehfeldmaschine elektrisch prüfen zu können. Ein solcher Maschinenemulator setzt sich dabei aus einem Maschinenmodel, welches das tatsächliche Maschinenverhalten in Echtzeit berechnet, und einer Leistungselektronik zusammen. Diese Leistungselektronik hat die Aufgabe, eine zuvor berechnete Gegenspannung einzustellen, sodass sich an den Anschlüssen des Maschinenemulators und an den Anschlüssen des zu testenden Wechselrichters dieselben Ströme ausbilden, wie sie im Test an einem elektro-mechanischen Maschinenprüfstand auftreten würden. Dabei soll das Betriebsverhalten der verwendeten Leistungselektronik, insbesondere bei einem getakteten Betrieb, keine Störungen in Form einer zusätzlichen Stromschwankungsbreite in diese Ströme einbringen. Nachfolgend wird für die Spannung an den Anschlüssen der Leistungselektronik des Maschinenemulators während des Funktionstests eines Wechselrichters synonym zu dem Begriff einer Gegenspannung der Begriff Funktionstestspannung verwendet.As an alternative to an electro-mechanical machine test bench, a purely electrical machine emulator can be used, which is able to simulate the electrical behavior of a mechanically loaded induction machine in order to be able to electrically test an inverter under test according to the operating points of the induction machine. Such a machine emulator consists of a machine model, which calculates the actual machine behavior in real time, and power electronics. This power electronics has the task of setting a previously calculated counter-voltage so that the same currents form at the connections of the machine emulator and at the connections of the inverter to be tested as would occur in the test on an electro-mechanical machine test bench. In this case, the operating behavior of the power electronics used, in particular in the case of clocked operation, should not introduce any disturbances in the form of an additional current fluctuation range into these currents. In the following, the term functional test voltage is used synonymously with the term counter-voltage for the voltage at the connections of the power electronics of the machine emulator during the functional test of an inverter.
Herkömmliche Maschinenemulatoren setzen für den Betrieb ihrer Leistungselektronik und die Einstellung der Funktionstestspannung häufig Wechselrichter ein. Um der getakteten Arbeitsweise dieser Wechselrichter entgegen zu wirken, sind verschiedene Ansätze bekannt.Traditional machine emulators often use inverters to operate their power electronics and set the bump test voltage. Various approaches are known for counteracting the clocked mode of operation of these inverters.
In einem ersten Ansatz wird die Schaltfrequenz der eingesetzten Wechselrichter erhöht, um eine Verringerung der zusätzlich eingebrachten, unerwünschten Stromschwankungsbreite zu erreichen. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz kann hierbei durch eine tatsächliche Erhöhung der Schalthandlungen im Wechselrichter erreicht werden. Eine andere Möglichkeit ist der Parallelbetrieb mehrerer Halbbrücken im Wechselrichter, welche versetzt zueinander angesteuert werden, wobei sich eine wirksame Schaltfrequenz am Ausgang des Wechselrichters erhöht. Dabei kann eine Erhöhung der Schaltfrequenz die Stromschwankungsbreite zwar verringern, aber nicht vollständig eliminieren. Außerdem bewirkt eine Erhöhung der Schaltfrequenz gleichzeitig auch eine Erhöhung der Schaltverluste, welche proportional zur gewählten Schaltfrequenz sind. Eine Erhöhung der Schalthandlungen verursacht zudem eine Zunahme an Störeinkopplungen, insbesondere bei steilen Schaltflanken.In a first approach, the switching frequency of the inverters used is increased in order to achieve a reduction in the additionally introduced, undesired current fluctuation range. An increase in the switching frequency can be achieved by actually increasing the switching operations in the inverter. Another possibility is the parallel operation of several half-bridges in the inverter, which are controlled offset from one another, with an effective switching frequency at the output of the inverter increasing. Increasing the switching frequency can reduce the current fluctuation range, but not eliminate it completely. In addition, an increase in the switching frequency also causes an increase in the switching losses, which are proportional to the selected switching frequency. An increase in switching operations also causes an increase in interference coupling, especially with steep switching edges.
Ein weiterer Ansatz sieht die Verwendung von Tiefpassfiltern im Anschluss an die eingesetzten Wechselrichter vor. Der von den Wechselrichtern der Leistungselektronik verursachten stufen- und/oder rechteckförmige Verlauf der Wechselrichterausgangsspannung wird hierbei geglättet. Durch diese Glättung wird die erzeugbare Frequenzbandbreite der Ausgangsspannung allerdings verringert. Da aber die gewünschte Funktionstestspannung an den Anschlüssen der Leistungselektronik ebenfalls unstetiges Verhalten wie der stufen- und/oder rechteckförmigen Spannungsverlauf am Anschluss des unter Test stehenden Wechselrichters aufweist, erfordert die Nachbildung der gewünschten Funktionstestspannung auch hochfrequente Spannungsanteile. Diese hochfrequenten Spannungsanteile können aber durch die geglättete Wechselrichterausgangsspannung nur näherungsweise eingestellt werden.Another approach envisages the use of low-pass filters after the inverters used. The stepped and/or square-wave course of the inverter output voltage caused by the inverters of the power electronics is smoothed in this case. However, this smoothing reduces the frequency bandwidth of the output voltage that can be generated. However, since the desired function test voltage at the connections of the power electronics also exhibits discontinuous behavior such as the stepped and/or square-wave voltage profile at the connection of the inverter under test, simulating the desired function test voltage also requires high-frequency voltage components. However, these high-frequency voltage components can only be set approximately by the smoothed inverter output voltage.
Um den Einfluss der taktenden Arbeitsweise eines Wechselrichters in der Leistungselektronik zu vermeiden, werden zur Einstellung der Funktionstestspannung auch Linearverstärker ohne taktendes Verhalten eingesetzt. Allerdings ist auch das Ausgangssignal von Linearverstärkern bandbegrenzt, wodurch die Funktionstestspannung wiederum nur näherungsweise eingestellt werden kann. Bedingt durch die stetige Arbeitsweise der eingesetzten Transistoren ist zudem der Betrieb von Linearverstärkern sehr verlustbehaftet und insbesondere in hohen Leistungsklassen wenig effizient.In order to avoid the influence of the clocking mode of operation of an inverter in the power electronics, linear amplifiers without clocking behavior are also used to set the function test voltage. However, the output signal from linear amplifiers is also band-limited, which means that the function test voltage can only be set approximately. Due to the continuous operation of the transistors used, the operation of linear amplifiers is also very lossy and not very efficient, especially in high power classes.
Somit ist es bei den bekannten Ansätzen selbst theoretisch nicht möglich die Drehfeldmaschine exakt nachzubilden, da die tatsächliche Funktionstestspannung an den Anschlüssen der Leistungselektronik auf Grund von Einflüssen der Leistungselektronik mit erhöhten Schaltverlusten, Störeinkopplungen und einer Bandbegrenzung nicht auf die zuvor am Maschinenmodell berechnete Funktionstestspannung eingestellt werden kann.Thus, with the known approaches, it is not even theoretically possible to exactly simulate the induction machine, since the actual function test voltage at the connections of the power electronics cannot be set to the function test voltage previously calculated on the machine model due to influences of the power electronics with increased switching losses, interference couplings and a band limitation .
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Funktionstestspannung zum Funktionstest eines schaltbaren ein- oder mehrphasigen Wechselrichters bereitzustellen, welche eine berechnete Funktionstestspannung mit hoher Genauigkeit nachbildet.It is therefore an object of the present invention to provide a function test voltage for the function test of a switchable single-phase or multi-phase inverter, which simulates a calculated function test voltage with high accuracy.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.This problem is solved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.
Sofern nichts anderes angegeben ist, wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff „Verbinden“ stets ein elektrisches Verbinden verstanden.Unless otherwise stated, the term “connect” is always understood to mean an electrical connection in the context of the present description.
Ein Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Leistungselektronik zum Funktionstest eines schaltbaren i-phasigen Wechselrichters mit j Spannungsstufen, wobei die Leistungselektronik aufweist: i Schaltungsanordnungen zum Erzeugen jeweils einer i-ten Funktionstestspannung an einem i-ten Anschluss der Leistungselektronik; wobei jede der i Schaltungsanordnungen konfiguriert ist n variable, tiefpassgefilterte Zwischenspannungen zu erzeugen, welche jeweils ein unterschiedliches Spannungsniveau aufweisen und welche jeweils mit dem i-ten Anschluss verbindbar sind; und wobei jeweils eine der n Zwischenspannungen am i-ten Anschluss der Leistungselektronik anliegt; und wobei i ≥ 1, j ≥ 2, n ≥ 2 und i, j, n ∈ N.One aspect of solving the problem relates to power electronics for the function test of a switchable i-phase inverter with j voltage levels, the power electronics having: i circuit arrangements for generating an i-th function test voltage at an i-th connection of the power electronics; each of the i circuit arrangements being configured to generate n variable, low-pass filtered intermediate voltages which each have a different voltage level and which can each be connected to the i-th connection; and wherein in each case one of the n intermediate voltages is present at the i-th connection of the power electronics; and where i ≥ 1, j ≥ 2, n ≥ 2 and i, j, n ∈ N.
Dabei bietet die Leistungselektronik den Vorteil, dass die beschriebene Topologie für Funktionstests an einer Vielzahl von schaltbaren Wechselrichtern mit unterschiedlicher Anzahl von Phasen und Spannungsstufen einfach und modular angepasst werden kann. Durch eine zweistufige Erzeugung von einer oder mehreren Funktionstestspannungen in der Leistungselektronik können in einem ersten Schritt pro Phase eine Mehrzahl von niederfrequenten Zwischenspannungen unterschiedlicher Spannungsniveaus erzeugt werden, bei denen die Störeinflüsse einer getakteten Generierung in den Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik durch den Einsatz von Tiefpassfiltern nahezu vollständig eliminiert wird. In einem zweiten Schritt kann dann pro Phase hochfrequent zwischen Spannungsniveaus der Zwischenspannungen geschaltet werden, um das Schaltverhalten des Wechselrichters nachbilden zu können.The power electronics offer the advantage that the topology described can be easily and modularly adapted for function tests on a large number of switchable inverters with a different number of phases and voltage stages. Through a two-stage generation of one or more function test voltages in the power electronics, a plurality of low-frequency intermediate voltages of different voltage levels can be generated in a first step per phase, in which the interference of a clocked generation in the circuit arrangements of the power electronics is almost completely eliminated by the use of low-pass filters . In a second step, it is then possible to switch between voltage levels of the intermediate voltages at high frequency per phase in order to be able to simulate the switching behavior of the inverter.
Mit Wechselrichter ist stets eine elektrische Versorgungseinrichtungen zu verstehen, die als Drehfeldmaschinen-Wechselrichter und/oder Drehfeldmaschinen-Steuergeräte eingesetzt werden kann. Dabei bezeichnet i die Anzahl an Phasen des Wechselrichters und der Drehfeldmaschine, j die Anzahl der Gleichspannungsstufen des Wechselrichters und n die Anzahl an Gegenspannungsstufen pro Phase, die bei einer Maschinenemulation benötigt werden, um das Schaltverhalten des Wechselrichters nachbilden zu können. Die Anzahl an Zwischenspannungen in der Leistungselektronik richtet sich hierbei an der Anzahl n an Gegenspannungsstufen.An inverter is always to be understood as an electrical supply device that can be used as an induction machine inverter and/or induction machine control device. Here, i denotes the number of phases of the inverter and the induction machine, j the number of DC voltage stages of the inverter and n the number of counter voltage stages per phase that are required for a machine emulation in order to be able to simulate the switching behavior of the inverter. The number of intermediate voltages in the power electronics depends on the number n of counter-voltage stages.
Die von der Leistungselektronik testbaren Wechselrichter können ein- oder mehrphasig ausgelegt sein. Bei einem einphasigen Wechselrichter wird eine Anschlussspannung aus einer Gleichspannung generiert, wobei der Wechselrichter zwischen mindestens zwei Gleichspannungsstufen, hier vereinfacht Spannungsstufen genannt, schaltet. Die Anschlussspannung des Wechselrichters kann aber auch durch Schalten zwischen mehr als zwei Spannungsstufen generiert werden. Durch den getakteten Betrieb des Wechselrichters wird mittels einer pulsweitenmodulierten Rechteckspannung eine stufenförmige, über eine Pulsperiode gemittelte sinusförmige Anschlussspannung synthetisiert. Hierbei besteht die Anschlussspannung aus einem niederfrequenten, sinusförmigen Anteil, der zum Betrieb einer einphasigen Drehfeldmaschine benötigt wird, und einem hochfrequenten Anteil, der als Störeinfluss durch den getakteten Betrieb des Wechselrichters eingebracht wird. Beide Frequenzanteile der Anschlussspannung des Wechselrichters werden bei einem Funktionstest des Wechselrichters von der Leistungselektronik berücksichtigt. Bei einem mehrphasigen Wechselrichter werden mehrere Anschlussspannungen generiert, die sich nur durch eine Phasenverschiebung unterscheiden. Die Phasenverschiebungen addieren sich beim Durchlauf aller Phasen des Wechselrichters zu 360°.The inverters that can be tested by the power electronics can be single- or multi-phase. In the case of a single-phase inverter, a connection voltage is generated from a DC voltage, with the inverter switching between at least two DC voltage levels, referred to simply as voltage levels here. However, the connection voltage of the inverter can also be generated by switching between more than two voltage levels. Due to the clocked operation of the inverter, a stepped sinusoidal connection voltage averaged over a pulse period is synthesized using a pulse width modulated square-wave voltage. In this case, the connection voltage consists of a low-frequency, sinusoidal component, which is required to operate a single-phase induction machine, and a high-frequency component, which is introduced as an interference effect through the clocked operation of the inverter. Both frequency components of the connection voltage of the inverter are taken into account by the power electronics during a functional test of the inverter. In the case of a multi-phase inverter, several connection voltages are generated which differ only in terms of a phase shift. The phase shifts add up to 360° when running through all phases of the inverter.
Bei einem Funktionstest des zu testenden Wechselrichters muss zunächst die Leistungselektronik derart konfiguriert werden, dass die Anzahl an Leistungselektronik-Anschlüssen, an denen eine Funktionstestspannung abgegriffen werden kann, der Anzahl der Phasen des zu testenden Wechselrichters entspricht. Dabei wird jeweils der i-te Anschluss der Leistungselektronik mit einem i-ten Anschluss des zu testenden Wechselrichters gekoppelt. Hierbei können die Anschlüsse der Leistungselektronik während des Funktionstests sowohl als Eingang, als auch als Ausgang dienen, da die Leistungselektronik und der Wechselrichter sich wechselseitig beeinflussen. Ein Leistungsfluss ist bidirektional möglich.In a function test of the inverter to be tested, the power electronics must first be configured in such a way that the number of power electronics connections at which a function test voltage can be tapped corresponds to the number of phases of the inverter to be tested. In this case, the i-th connection of the power electronics is coupled to an i-th connection of the inverter to be tested. The connections of the power electronics can serve both as an input and as an output during the function test, since the power electronics and the inverter influence each other. A power flow is bidirectional possible.
Die i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik zum Erzeugen jeweils einer i-ten Funktionstestspannung werden parallel betrieben und haben außer einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle keinen Einfluss aufeinander.The i circuit configurations of the power electronics for generating an i-th function test voltage are operated in parallel and, apart from a common DC voltage source, have no influence on one another.
Die in jeder der i Schaltungsanordnungen erzeugten n variablen, tiefpassgefilterten Zwischenspannungen weisen vorzugsweise alle einen annähernd gleichförmigen Spannungsverlauf gleicher Frequenz und Amplitude auf, die einen niederfrequenten Anteil an der Zwischenspannung bilden. Dieser Anteil wird benötigt, um in der i-ten Funktionstestspannung den Betrieb der Drehfeldmaschine nachbilden zu können.The n variable, low-pass filtered intermediate voltages generated in each of the i circuit arrangements preferably all have an approximately uniform voltage curve of the same frequency and amplitude, which forms a low-frequency component of the intermediate voltage. This portion is required in order to be able to simulate the operation of the induction machine in the i-th function test voltage.
Die n Zwischenspannungen unterscheiden sich im Wesentlichen jeweils nur durch ein anderes Spannungsniveau, respektive eines anderen Gleichspannungsanteils. Dabei bilden die n unterschiedlichen Gleichspannungsanteile eine Treppenfunktion bei der ausgehend von der ersten Zwischenspannung an immer eine Gleichspannung ungefähr gleicher Größe bei der nächsten Zwischenspannung hinzuaddiert wird. Vorzugsweise ist der maximale Unterschied im Gleichspannungsanteil zwischen der ersten und der n-ten Zwischenspannung derart ausgelegt, dass dadurch der maximale Störeinfluss des hochfrequenten Schaltverhalten des zu testenden Wechselrichters in der i-ten Funktionstestspannung nachgebildet werden kann.The n intermediate voltages essentially only differ in each case by a different voltage level or a different DC voltage component. The n different DC voltage components form a step function in which, starting from the first intermediate voltage, a DC voltage of approximately the same magnitude is always added at the next intermediate voltage. The maximum difference in the direct voltage component between the first and the nth intermediate voltage is preferably designed such that the maximum interference effect of the high-frequency switching behavior of the inverter to be tested can be simulated in the i-th function test voltage.
Die i Schaltungsanordnungen sind zudem konfiguriert, jede der n Zwischenspannungen mit dem i-ten Anschluss der Leistungselektronik zu verbinden oder zu trennen, wobei genau eine der n Zwischenspannungen am i-ten Anschluss der Leistungselektronik anliegt. Die i Schaltungsanordnungen sind dabei derart konfiguriert, dass nicht zwei oder mehrere Zwischenspannungen gleichzeitig mit dem i-ten Anschluss verbunden sind. Dadurch dass die genau eine anliegende Zwischenspannung am i-ten Anschluss der Leistungselektronik anliegt, liegt auch stets der niederfrequente Anteil der Zwischenspannungen am i-ten Anschluss der Leistungselektronik an und durch hochfrequentes Schalten zwischen den n Zwischenspannungen ist das hochfrequente Schaltverhalten des zu testenden Wechselrichters in der i-ten Funktionstestspannung nachbildbar.The i circuit arrangements are also configured to connect or disconnect each of the n intermediate voltages to the i-th connection of the power electronics, with exactly one of the n intermediate voltages being present at the i-th connection of the power electronics. In this case, the i circuit arrangements are configured in such a way that two or more intermediate voltages are not connected to the i-th connection at the same time. Because exactly one intermediate voltage is present at the i-th connection of the power electronics, the low-frequency component of the intermediate voltages is also always present at the i-th connection of the power electronics, and high-frequency switching between the n intermediate voltages means that the high-frequency switching behavior of the inverter to be tested is in the i-th function test voltage can be simulated.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Leistungselektronik weist jede der i Schaltungsanordnungen auf: n schaltbare, einphasige Wechselrichter mit jeweils nachgelagertem Tiefpassfilter zum Erzeugen der jeweils n-ten Zwischenspannung und n Schaltungseinrichtungen zum Trennen und Verbinden eines Tiefpassfilterausgangs des n-ten Wechselrichters mit dem i-ten Anschluss der Leistungselektronik.In a preferred embodiment of the power electronics, each of the i circuit arrangements has: n switchable, single-phase inverters each with a downstream low-pass filter for generating the nth intermediate voltage and n switching devices for isolating and connecting a low-pass filter output of the nth inverter to the i-th connection of power electronics.
Dabei arbeiten bei jeder der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik die jeweils n einphasigen Wechselrichter ohne die nachgelagerte Tiefpassfilterung vorzugsweise vergleichbar zu dem Wechselrichter der i-ten Phase.In each of the i circuit configurations of the power electronics, the n single-phase inverters in each case work preferably comparable to the inverter of the i-th phase without the downstream low-pass filtering.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Leistungselektronik ergibt sich die Anzahl n der Zwischenspannungen für jede der i Schaltungsanordnungen nach einer folgenden Formel zu: n = ((j-1) * i) + 1.In a further preferred embodiment of the power electronics, the number n of intermediate voltages for each of the i circuit arrangements results from the following formula: n=((j-1)*i)+1.
Dabei bietet eine Anzahl n der Zwischenspannungen nach der vorangegangenen Formel die Möglichkeit, das hochfrequente Schaltverhalten des zu testenden Wechselrichters in der i-ten Funktionstestspannung mit hoher Genauigkeit nachzubilden.A number n of intermediate voltages according to the above formula offers the possibility of simulating the high-frequency switching behavior of the inverter to be tested in the i-th function test voltage with high accuracy.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Leistungselektronik beträgt die Anzahl i an Phasen und die Anzahl j an Spannungsstufen des zu testenden Wechselrichters i = 3 und j = 2 und die Anzahl der Zwischenspannungen n für jede der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik beträgt n = 4.In a further preferred embodiment of the power electronics, the number i of phases and the number j of voltage stages of the inverter to be tested is i=3 and j=2, and the number of intermediate voltages n for each of the i circuit arrangements of the power electronics is n=4.
Die Konfiguration einer Leistungselektronik mit jeweils vier Zwischenspannungen bei jeder der 3 Schaltungsanordnungen deckt dabei den wichtigen Anwendungsfall ab, bei dem ein dreiphasiger Zweipunkt-Wechselrichter mit der Leistungselektronik funktionsgetestet werden kann.The configuration of power electronics with four intermediate voltages in each of the 3 circuit arrangements covers the important application case in which a three-phase two-level inverter can be functionally tested with the power electronics.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Leistungselektronik sind die jeweils n Wechselrichter der i Schaltungsanordnungen derart schaltbar, dass die jeweils erzeugten n Zwischenspannungen einen annähernd sinusförmigen Zeitverlauf innerhalb einer ersten Periodendauer aufweisen, wobei die erste Periodendauer einer elektrischen Periodendauer einer während eines Funktionstests zu emulierenden Drehfeldmaschine entspricht; wobei die jeweils n Schalteinrichtungen der i Schaltungsanordnungen derart schaltbar sind, dass jeweils alle n Tiefpassfilterausgänge der n Wechselrichter innerhalb einer zweiten Periodendauer mindestens einmal mit dem i-ten Anschluss der Leistungselektronik verbunden sind, wobei die zweite Periodendauer einer Schaltperiodendauer des schaltbaren i-phasigen unter Test stehenden Wechselrichters entspricht; und wobei die erste Periodendauer um ein Vielfaches größer ist als die zweite Periodendauer.In a further preferred embodiment of the power electronics, the n inverters of the i circuit arrangements can be switched in such a way that the n intermediate voltages generated in each case have an approximately sinusoidal time profile within a first period, the first period corresponding to an electrical period of an induction machine to be emulated during a function test; wherein the respective n switching devices of the i circuit arrangements can be switched in such a way that all n low-pass filter outputs of the n inverters are connected at least once to the i-th connection of the power electronics within a second period, the second period being a switching period of the switchable i-phase under test standing inverter; and wherein the first period is a multiple of the second period.
Ebenso wie bei den i Phasen des unter Test stehenden Wechselrichters synthetisieren die jeweils n Wechselrichter der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik vorzugsweise mittels einer pulsweitenmodulierten Reckteckspannung eine stufenförmige, über eine Pulsperiode gemittelte sinusförmige Spannung, die durch das Tiefpassfilter im Anschluss jeweils vom hochfrequenten Störeinfluss des taktenden Betriebs der n Wechselrichter befreit wird. Die aus der Kombination Wechselrichter und Tiefpassfilter generierten jeweiligen n Zwischenspannungen der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik weisen demnach nur einen niederfrequenten, sinusförmigen Anteil auf. Um die i Betriebsspannungen der i phasigen Drehfeldmaschine während eines Funktionstests nachbilden zu können, weisen alle n Zwischenspannungen der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik eine entsprechende niederfrequente Frequenz auf. Die Periodendauern des niederfrequenten sinusförmigen Anteils der n Zwischenspannungen der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik entsprechen somit der elektrischen Periodendauer einer während eines Funktionstests zu emulierenden i phasigen Drehfeldmaschine.As with the i phases of the inverter under test, the respective n inverters of the i circuit configurations of the power electronics synthesize a step-shaped sinusoidal voltage averaged over a pulse period using a pulse-width-modulated square wave voltage, which is then filtered through the low-pass filter by the high-frequency interference of the clocked operation of the n inverter is freed. The respective n intermediate voltages of the i circuit configurations of the power electronics generated from the combination of inverter and low-pass filter accordingly have only a low-frequency, sinusoidal component. In order to be able to simulate the i operating voltages of the i-phase induction machine during a function test, all n intermediate voltages of the i circuit arrangements of the power electronics have a corresponding low-frequency. The periods of the low-frequency sinusoidal component of the n intermediate voltages of the i circuit arrangements of the power electronics thus correspond to the electrical periods of an i-phase induction machine to be emulated during a function test.
Dadurch dass jeweils alle n Tiefpassfilterausgänge der n Wechselrichter innerhalb einer Schaltperiodendauer des zu testenden schaltbaren i-phasigen Wechselrichters mindestens einmal mit dem i-ten Anschluss der Leistungselektronik verbunden sind, können auch alle durch das Schalten der Wechselrichter verursachten hochfrequenten Störeinflüsse mit hoher Genauigkeit nachgebildet werden, ohne die niederfrequenten sinusförmigen Anteile der n Zwischenspannungen der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik und damit auch den niederfrequenten sinusförmigen Anteil der i Funktionstestspannungen zu beeinflussen.Since all n low-pass filter outputs of the n inverters are connected at least once to the i-th connection of the power electronics within a switching period of the switchable i-phase inverter to be tested, all high-frequency interference caused by the switching of the inverters can also be simulated with high accuracy, without influencing the low-frequency sinusoidal components of the n intermediate voltages of the i circuit arrangements of the power electronics and thus also the low-frequency sinusoidal component of the i function test voltages.
Dabei erstrecken sich die Schaltfrequenzen üblicher Wechselrichter über ein breites Frequenzspektrum. Bei den meisten Drehfeldmaschinen-Wechselrichtern liegt die Schaltfrequenz bei etwa 10 kHz, wobei auch Schaltfrequenzen von 5 kHz bis 100 kHz verwendet werden. Wechselrichter mit höheren Schaltfrequenzen bis 1 MHz werden meist nicht als Maschinenwechselrichter verwendet. Der niederfrequente Anteil der Funktionstestspannungen kann bei einer sehr hoch drehenden Drehfeldmaschine bis ungefähr 300 Hz betragen, was bei einer einpoligen Maschine einer Rotationsgeschwindigkeit von 18.000 min-1 entspricht.The switching frequencies of conventional inverters extend over a wide frequency spectrum. In most induction machine inverters, the switching frequency is around 10 kHz, although switching frequencies from 5 kHz to 100 kHz are also used. Inverters with higher switching frequencies of up to 1 MHz are usually not used as machine inverters. The low-frequency component of the function test voltages can be up to around 300 Hz for a very high-speed rotating field machine, which corresponds to a rotation speed of 18,000 rpm for a single-pole machine .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Leistungselektronik werden alle i Schaltungsanordnungen mit einer Gleichspannungsquelle betrieben. Zusätzlich oder optional sind die jeweils n Wechselrichter der i Schaltungsanordnungen als Tiefsetzsteller ausgebildet, die mit MOSFETs betrieben werden. Zusätzlich oder optional sind die Tiefpassfilter der jeweils n Wechselrichter als passive Filter mit Filterinduktivität und Filterkapazität ausgebildet. Zusätzlich oder optional sind die jeweils n Schaltungseinrichtungen der i Schaltungsanordnungen als zwei bidirektionale, antiparallele MOSFETs ausgebildet.In a further preferred embodiment of the power electronics, all i circuit arrangements are operated with a DC voltage source. Additionally or optionally, the respective n inverters of the i circuit arrangements are designed as step-down converters that are operated with MOSFETs. Additionally or optionally, the low-pass filters of the n inverters in each case are designed as passive filters with filter inductance and filter capacitance. Additionally or optionally, the respective n circuit devices of the i circuit arrangements are designed as two bidirectional, anti-parallel MOSFETs.
Der Einsatz von MOSFETs zum Schalten der Tiefsetzsteller und der Schalteinrichtungen ermöglicht ein sehr abruptes Umschalten und damit ein Nachbilden von unstetigen und/oder hochfrequenten Spannungsverläufen. Die Grenzfrequenzen der passiven Tiefpassfilter ergeben sich aus der maximalen Rotationsgeschwindigkeit der zu emulierenden Drehfeldmaschine multipliziert mit deren Anzahl an Polpaaren. Somit kann zur Festlegung der Grenzfrequenz der Tiefpassfilter die maximale Rotationsgeschwindigkeit der zu emulierenden Drehfeldmaschine herangezogen werden.The use of MOSFETs for switching the step-down converter and the switching devices enables very abrupt switching and thus simulation of discontinuous and/or high-frequency voltage curves. The limit frequencies of the passive low-pass filter result from the maximum rotational speed of the induction machine to be emulated multiplied by the number of pole pairs. The maximum rotational speed of the induction machine to be emulated can thus be used to determine the limit frequency of the low-pass filter.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Leistungselektronik weist jede der i Schaltungsanordnungen eine erste Freilaufdiode zwischen einem ersten Ausgang der Gleichspannungsquelle und dem i-ten Anschluss der Leistungselektronik und eine zweite Freilaufdiode zwischen dem i-ten Anschluss der Leistungselektronik und dem zweiten Ausgang der Gleichspannungsquelle auf.In a further preferred embodiment of the power electronics, each of the i circuit arrangements has a first freewheeling diode between a first output of the DC voltage source and the i-th connection of the power electronics and a second freewheeling diode between the i-th connection of the power electronics and the second output of the DC voltage source.
Vorzugsweise wird während des Schaltens zwischen den n Zwischenspannungen der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik jeweils eine Totzeit vorgesehen, bei der keiner der Tiefpassfilterausgänge der n-ten Wechselrichter mit dem i-ten Anschluss der Leistungselektronik verbunden ist. Auf diese Weise können Kurzschlüsse zwischen zwei Zwischenspannungsniveaus während des Schaltvorgangs vermieden werden. Während dieser Totzeiten kann ein Anschlussstrom am jeweils i-ten Anschluss, je nach Stromrichtung, über die erste oder über die zweite Freilaufdiode fließen. Um einen Fehler bei den i Funktionstestspannungen an den i Anschlüssen möglichst klein zu halten, ist die Totzeit vorzugsweise sehr klein. Die exakte Berechnung der einzustellenden Totzeiten hängt dabei maßgeblich vom Ein- und Ausschaltverhalten der verwendeten Komponenten, insbesondere der Schalteinrichtungen und deren Schalter ab. Hierbei ergibt sich üblicherweise eine gebräuchliche Totzeit von etwa 50 ns bis 100 ns und bei Auslegung mit genügend großer Toleranz eine Totzeit von etwa 1 µs.A dead time is preferably provided during the switching between the n intermediate voltages of the i circuit arrangements of the power electronics, during which none of the low-pass filter outputs of the n-th inverter is connected to the i-th connection of the power electronics. In this way, short circuits between two intermediate voltage levels can be avoided during the switching process. During these dead times, a connection current can flow at the respective i-th connection, depending on the direction of the current, via the first or via the second freewheeling diode. In order to keep an error in the i function test voltages at the i terminals as small as possible, the dead time is preferably very small. The exact calculation of the dead times to be set depends significantly on the switching on and off behavior of the components used, in particular the switching devices and their switches. This usually results in a customary dead time of about 50 ns to 100 ns and when designed with a sufficiently large tolerance, a dead time of about 1 μs.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft einen Maschinenemulator zum Emulieren einer Drehfeldmaschine zum Funktionstest eines schaltbaren i-phasigen Wechselrichters mit j Spannungsstufen, wobei der Maschinenemulator aufweist: eine Leistungselektronik gemäß dem ersten Aspekt und dessen bevorzugten Ausführungsformen; eine Emulatoreinheit konfiguriert zum Erzeugen von jeweils n Referenz-Funktionsspannungen für die i Schaltungsanordnungen; und eine Steuerungs- und/oder Regeleinheit; und wobei die Steuerungs- und/oder Regeleinheit konfiguriert ist, die n Zwischenspannungen und ein Schalten zwischen den n Zwischenspannungen der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik derart zu regeln, dass an den i Anschlüssen der Leistungselektronik Funktionstestspannungen mit den jeweils n Referenz-Funktionsspannungen für die i Schaltungsanordnungen erzeugt werden.A further aspect for solving the problem relates to a machine emulator for emulating an induction machine for functional testing of a switchable i-phase inverter with j voltage levels, the machine emulator having: power electronics according to the first aspect and its preferred embodiments; an emulator unit configured to generate n reference function voltages for the i circuit arrangements, respectively; and a control and/or regulation unit; and wherein the control and/or regulating unit is configured to regulate the n intermediate voltages and switching between the n intermediate voltages of the i circuit arrangements of the power electronics in such a way that function test voltages with the respective n reference function voltages for the i circuit arrangements are applied to the i terminals of the power electronics be generated.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Maschinenemulators weist die Emulatoreinheit auf: eine Modelleinheit zur Berechnung von i Referenzströmen in den i Phasen der zu emulierenden Drehfeldmaschine; und eine Referenzwert-Berechnungseinheit zur Berechnung der jeweils n Referenz-Funktionsspannungen für die i Schaltungsanordnungen unter Einbeziehung der in der Modelleinheit berechneten i Referenzströme.In a preferred embodiment of the machine emulator, the emulator unit has: a model unit for calculating i reference currents in the i phases of the induction machine to be emulated; and a reference value calculation unit for calculating the respective n reference functional voltages for the i circuit arrangements, taking into account the i reference currents calculated in the model unit.
Die Modelleinheit berechnet dabei in Echtzeit das elektrische und mechanische Verhalten der Drehfeldmaschine unter Test. Dabei kann ein lineares oder ein nichtlineares Maschinenmodell verwendet werden. Als Eingangssignale der Modelleinheit werden Spannungen des unter Test stehenden Wechselrichters an seinen Anschlüssen gemessen.The model unit calculates the electrical and mechanical behavior of the induction machine under test in real time. A linear or a non-linear machine model can be used. Voltages of the inverter under test are measured at its terminals as input signals of the model unit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Maschinenemulators weist jede der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik auf: n schaltbare, einphasige Wechselrichter mit jeweils nachgelagertem Tiefpassfilter zum Erzeugen der jeweils n-ten Zwischenspannung; und n Schaltungseinrichtungen zum Trennen und Verbinden eines Tiefpassfilterausgangs des n-ten Wechselrichters mit dem i-ten Anschluss der Leistungselektronik. Die Steuerungs- und/oder Regeleinheit weist dabei auf: ein Spannungsregler zur Bestimmung von n Wechselrichterschaltsignalen für die jeweils n Wechselrichter der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik unter Einbeziehung der in der Referenzwert-Berechnungseinheit berechneten jeweils n Referenz-Funktionsspannungen für die i Schaltungsanordnungen; und eine Phasenauswahleinheit zur Bestimmung von n Schalterschaltsignalen für die jeweils n Schaltungseinrichtungen der i Schaltungsanordnungen der Leistungselektronik.In a further preferred embodiment of the machine emulator, each of the i circuit arrangements of the power electronics has: n switchable, single-phase inverters each with a downstream low-pass filter for generating the nth intermediate voltage in each case; and n switching devices for isolating and connecting a low-pass filter output of the n-th inverter to the i-th connection of the power electronics. The open-loop and/or closed-loop control unit has: a voltage regulator for determining n inverter switching signals for the n inverters of the i circuit configurations of the power electronics, taking into account the n reference functional voltages calculated in the reference value calculation unit for the i circuit configurations; and a phase selection unit for determining n switch switching signals for the respective n circuit devices of the i circuit arrangements of the power electronics.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Maschinenemulators weist der Maschinenemulator i Koppelinduktivitäten auf, welche jeweils an den i-ten Anschluss der Leistungselektronik gekoppelt und an einem Anschluss der i-ten Phase des Wechselrichters koppelbar sind.In a further preferred embodiment of the machine emulator, the machine emulator has i coupling inductances which are respectively coupled to the i-th connection of the power electronics and can be coupled to a connection of the i-th phase of the inverter.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Maschinenemulators berücksichtigt die Emulatoreinheit jeweils einen konstanten Phasenwiderstand, eine variable Phaseninduktivität und eine sinusförmige Rückspannung induziert durch ein elektrisches Feld der zu emulierenden Drehfeldmaschine für jede der i Phasen.In a further preferred embodiment of the machine emulator, the emulator unit takes into account a constant phase resistance, a variable phase inductance and a sinusoidal reverse voltage induced by an electric field of the induction machine to be emulated for each of the i phases.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Verwendung einer Leistungselektronik gemäß dem ersten Aspekt und dessen bevorzugten Ausführungsformen in einem Maschinenemulator zum Emulieren einer Drehfeldmaschine zum Funktionstest eines schaltbaren i-phasigen Wechselrichters mit j Spannungsstufen.A further aspect for solving the problem concerns the use of power electronics according to the first aspect and its preferred embodiments in a machine emulator for emulating an induction machine for functional testing of a switchable i-phase inverter with j voltage levels.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zum Funktionstest eines schaltbaren i-phasigen Wechselrichters mit j Spannungsstufen, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen von i Schaltungsanordnungen mit jeweils einem i-ten Anschluss, wobei das Verfahren für jede der i Schaltanordnungen folgende Schritte aufweist: Erzeugen von n variablen, tiefpassgefilterten Zwischenspannungen, welche jeweils ein unterschiedliches Spannungsniveau aufweisen; Trennen einer der n Zwischenspannungen von dem i-ten Anschluss und Anlegen einer anderen der n Zwischenspannungen am i-ten Anschluss; wobei jeweils eine der n Zwischenspannungen am i-ten Anschluss anliegt; Bereitstellen jeweils einer i-ten Funktionstestspannung am i-ten Anschluss; wobei i ≥ 1, j ≥ 2, n ≥ 2 und i, j, n ∈ ℕ.A further aspect of solving the problem relates to a method for functional testing of a switchable i-phase inverter with j voltage stages, the method having: providing i circuit arrangements each with an i-th connection, the method having the following steps for each of the i circuit arrangements : generating n variable, low-pass filtered intermediate voltages, each of which has a different voltage level; disconnecting one of the n intermediate voltages from the i th terminal and applying another of the n intermediate voltages to the i th terminal; one of the n intermediate voltages being present at the i-th connection; providing an i-th function test voltage at the i-th connection; where i ≥ 1, j ≥ 2, n ≥ 2 and i, j, n ∈ ℕ.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zum Emulieren einer Drehfeldmaschine zum Funktionstest eines schaltbaren i-phasigen Wechselrichters mit j Spannungsstufen, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen von jeweils n Referenz-Funktionsspannungen für die i Schaltungsanordnungen basierend auf einem Maschinenmodell; Durchführen der Verfahrensschritte gemäß dem vorigen Aspekt; wobei das Erzeugen der n Zwischenspannungen und das Schalten zwischen den n Zwischenspannungen der i Schaltungsanordnungen derart geregelt wird, dass an den i Anschlüssen der Leistungselektronik Funktionstestspannungen mit den jeweils n Referenz-Funktionsspannungen für die i Schaltungsanordnungen erzeugt werden.A further aspect of solving the problem relates to a method for emulating an induction machine for the functional test of a switchable i-phase inverter with j voltage levels, the method having: generating n reference functional voltages for the i circuit configurations based on a machine model; performing the method steps according to the previous aspect; the generation of the n intermediate voltages and the switching between the n intermediate voltages of the i circuit arrangements being controlled in such a way that function test voltages with the respective n reference function voltages for the i circuit arrangements are generated at the i connections of the power electronics.
Für die oben genannten Aspekte und insbesondere für diesbezüglich bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen der jeweils anderen Aspekte.The statements made above or below regarding the embodiments of the respective other aspects also apply to the above-mentioned aspects and in particular to embodiments that are preferred in this regard.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. In the following, individual embodiments for solving the problem are described by way of example with reference to the figures. Some of the individual embodiments described have features that are not absolutely necessary to implement the claimed subject matter, but which provide desired properties in certain applications. Thus, embodiments that do not have all the features of the embodiments described below are also to be regarded as being disclosed as falling under the technical teaching described. Furthermore, in order to avoid unnecessary repetition, certain features are only mentioned in relation to individual embodiments described below. It is pointed out that the individual embodiments should therefore not only be considered individually, but should also be viewed as a whole.
Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.Based on this synopsis, the person skilled in the art will recognize that individual embodiments can also be modified by incorporating individual or multiple features of other embodiments. It is pointed out that a systematic combination of the individual embodiments with individual or multiple features that are described in relation to other embodiments can be desirable and useful and should therefore be considered and should also be regarded as covered by the description.
Figurenlistecharacter list
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektro-mechanischen Maschinenprüfstands für Drehfeldmaschinen im Vergleich zu einem Prüfstand mit Maschinenemulation.1 shows a schematic representation of an electro-mechanical machine test bench for induction machines compared to a test bench with machine emulation. -
2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Schaltanordnung einer Dreiphasen Permanent-Magnet-Synchron-Maschine.2 shows a simplified representation of a switching arrangement of a three-phase permanent magnet synchronous machine. -
3 zeigt einen Zeitverlauf einer Referenz-Funktionstestspannung für einen Dreiphasen-Zweipunkt-Wechselrichter.3 shows a time course of a reference functional test voltage for a three-phase two-level inverter. -
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierstufigen Leistungselektronik gemäß der vorliegenden Erfindung.4 shows a schematic representation of a four-stage power electronics according to the present invention. -
5 zeigt eine Überblicksdarstellung einer Konfiguration für einen Maschinenemulator gemäß der vorliegenden Erfindung.5 Figure 12 shows an overview of a configuration for a machine emulator according to the present invention. -
6 zeigt ein Blockschaltbild einer Referenzwert-Berechnungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.6 12 shows a block diagram of a reference value calculation unit according to the present invention. -
7 zeigt ein Blockschaltbild eines Spannungsreglers gemäß der vorliegenden Erfindung.7 Figure 12 shows a block diagram of a voltage regulator according to the present invention. -
8 zeigt eine Zuordnungstabelle für eine Phasenauswahleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.8th Figure 12 shows an allocation table for a phase selection unit according to the present invention. -
9 zeigt einen Zeitverlauf von Simulationsergebnissen einer Sprungantwort gemäß der vorliegenden Erfindung.9 12 shows a time course of simulation results of a step response according to the present invention. -
10 zeigt einen Zeitverlauf mit einer Differenzdarstellung zwischen Referenzstrom und aktuellem Strom gemäß der vorliegenden Erfindung.10 shows a time course with a difference representation between reference current and current current according to the present invention. -
11 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Maschinenstroms und einer Funktionstestspannung gemäß der vorliegenden Erfindung.11 12 shows a detailed time history of a machine current and a functional test voltage according to the present invention. -
12 zeigt eine Tabelle für Simulationsparameter.12 shows a table for simulation parameters.
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die
Um den komplexen und kostenintensiven Aufbau eines realen elektro-mechanischen Maschinenprüfstands zu vermeiden, kann zum Testen eines Wechselrichters 10, wie in dem unteren Teil der
Die
Die
Die
Die Leistungselektronik 100 weist dabei drei parallel an eine Gleichspannungsquelle 102 angeschlossene Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 auf, die jeweils an ihrem Ausgang über die Anschlüsse 120, 220 und 320 der Leistungselektronik 100 mit einem der Anschlüsse 12, 14, 16 einer der drei Phasen des Wechselrichters 10 mit Hilfe von Koppeldrosseln 590, 592, 594 gekoppelt werden können. Jeder der drei Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 teilt sich dabei in vier parallele Pfade auf, wobei ein Pfad jeweils in Serie einen Wechselrichter mit einem nachgelagerten Tiefpassfilter und eine Schalteinrichtung aufweist. Alle vier Schalteinrichtungen der vier parallelen Pfade sind dazu ausgelegt, den jeweiligen Pfad mit den jeweiligen Anschlüssen 120, 220 und 320 der Leistungselektronik 100 zu verbinden und wieder zu trennen. Dabei ist immer nur jeweils einer der vier Pfade über deren Schalteinrichtung mit jeweils einem der Anschlüsse 120, 220 und 320 verbunden.The
Exemplarisch für die erste Schaltungsanordnung 110 und analog anwendbar auf die Schaltanordnungen 210 und 310 zeigt die
Die vier Wechselrichter 122, 142, 162, 182 erzeugen mit Hilfe der jeweiligen Wechselrichterschaltsignale SWR1,1, SWR1,2, SWR1,3, SWR1,4 die Zwischenspannungen U1,1, U1,2, U1,3, U1,4 mit den vier unterschiedlichen Spannungsniveaus. Dabei bilden die Wechselrichter 122, 142, 162, 182 für die Zwischenspannungen U1,1, U1,2, U1,3, U1,4 zunächst nur den niederfrequenten, sinusförmigen Anteil der Referenz-Funktionstestspannung aus der
Die Zwischenspannungen aller vier Pfade der drei Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 können, wie später für die
Da die Zwischenspannungen aller vier Pfade der drei Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 noch nicht den hochfrequenten Störeinfluss der sprunghaften Spannungsänderungen über den Phaseninduktivitäten 74, 84, 94, verursacht durch den schaltenden Wechselrichter 10, aufweisen, muss dieser Störeinfluss in einem zweiten Schritt nachgebildet werden. Hierzu werden die jeweiligen Schalteinrichtungen der vier Pfade der jeweiligen Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 verwendet.Since the intermediate voltages of all four paths of the three
Exemplarisch für die erste Schaltungsanordnung 110 und analog anwendbar auf die Schaltanordnungen 210 und 310 zeigt die
Um Kurzschlüsse zwischen Spannungsniveaus von zwei Zwischenspannungen zu vermeiden, wird während des Schaltens zwischen den Zwischenspannungen U1,1, U1,2, U1,3, U1,4 jeweils eine Totzeit vorgesehen. Während dieser Totzeiten kann ein Anschlussstrom am Anschluss 120 der Leistungselektronik über eine der beiden Freilaufdioden 194 und 196 fließen. Dabei ist die erste Freilaufdiode 194 zwischen dem Pluspol der Gleichspannungsquelle 102 und dem Anschluss 120 der Leistungselektronik und die zweite Freilaufdiode 196 zwischen dem Anschluss 120 der Leistungselektronik und dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 102 angeordnet. Um einen Fehler bei den Funktionstestspannungen an den Anschlüssen 120, 220 und 320 möglichst klein zu halten, ist die Totzeit vorzugsweise sehr klein.In order to avoid short circuits between voltage levels of two intermediate voltages, a dead time is provided in each case during switching between the intermediate voltages U 1,1 , U 1,2 , U 1,3 , U 1,4 . During these dead times, a connection current can flow at
Die
Die Emulatoreinheit 500 gliedert sich dabei in eine Modelleinheit 510 und eine Referenzwert-Berechnungseinheit 520. Die Modelleinheit 510 berechnet in Echtzeit das elektrische und mechanische Verhalten der Drehfeldmaschine unter Test 30, und somit das elektrische und mechanische Verhalten der Drehfeldmaschine 40, der Lastmaschine 50 und des Lastmaschinen-Wechselrichters 60. Für die Implementation der Modelleinheit 510 kann ein lineares oder ein nichtlineares Maschinenmodell verwendet werden. Im Folgenden berücksichtigt die Modelleinheit 510 die Phasenwiderstände 72, 82, 92, die Phaseninduktivitäten 74, 84, 94 und die Rückspannungen Uind_1, Uind_2, Uind_3 der Dreiphasen Permanent-Magnet-Synchron-Maschine 70. Als Eingangssignale der Modelleinheit 510 werden die Spannungen UMess1, UMess2, UMess3 des Wechselrichters 10 an seinen Anschlüssen 12, 14, 16 gemessen. Unabhängig vom Typ des Maschinenmodells berechnet die Modelleinheit 510 die Ströme in der Drehfeldmaschine unter Test 30, welche dann für das gesamte Signalverarbeitungssystem als Referenzströme I1,ref, I2,ref, I3,ref verwendet werden.The
Die Referenzwert-Berechnungseinheit 520 berechnet unter Berücksichtigung der Referenzströme Iref_1, Iref_2, Iref_3 und der Induktivität Lc der Koppelinduktivitäten 590, 592, 594 für jede zu emulierende Funktionstestspannung UEMU_1, UEMU_2, UEMU_3 eine Referenz-Funktionstestspannung Uref_1, Uref_2, Uref_3. Im Blockschaltbild der
Die Steuerungs- und/oder Regeleinheit 550 gliedert sich in einen Spannungsregler 560 und eine Phasenauswahleinheit 580. Der Spannungsregler 560 bestimmt dabei jeweils die Wechselrichterschaltsignale SWR1,1, SWR1,2, SWR1,3, SWR1,4 der Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310. Dabei hat jeder Pfad der Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 einen zugeordneten Spannungsregler, der jeweils die Zwischenspannungen U1,1, U1,2, U1,3, U1,4 der Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 regelt. Das Blockschaltbild eines solchen Spannungsreglers wird in der
Die Phasenauswahleinheit 580 bestimmt jeweils die Schalterschaltsignale SC1,1, SC1,2, SC1,3, SC1,4 der Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 und wird in
Die
Zusätzlich kann ein proportional arbeitender Stromregler 570 mit einem Korrekturparameter Kcorr die Differenz zwischen den Referenzströmen Iref_1, Iref_2, Iref_3 und den gemessenen Strömen I1, I2, I3 kompensieren. Der Stromregler 570 braucht hierbei kein integrales Element, weil das zu regelnde System bereits ein integrales Verhalten zeigt. In addition, a proportionally working
Die Referenz-Funktionstestspannungen Uref_1, Uref_2, Uref_3 weisen durch den schaltenden Wechselrichter 10 und den dadurch verursachten sprungweisen Verlauf der Maschinen-Neutralpunkt-Potential φ* jeweils einen diskontinuierlichen Spannungsverlauf auf.The reference functional test voltages U ref_1 , U ref_2 , U ref_3 each have a discontinuous voltage curve due to the switching
Um einen kontinuierlichen Spannungsverlauf zu erreichen, wird jeweils die Referenz-Funktionstestspannung Uref_1, Uref_2, Uref_3 einer Phase in vier Referenzspannungen Ui,1,ref, Ui,2,ref, Ui,3,ref, Ui,4,ref unterteilt, welche jeweils für die vier Pfade der Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 bestimmt sind. Die jeweilige Auswahl einer der vier Referenzspannungen U1,n,ref, U2,n,ref, U3,n,ref hängt vom Schaltzustand des Wechselrichters 10 ab, wobei eine Variable SW mit den Werten 0 bis 3 eine Anzahl an high-side MOSFETs des Wechselrichters 10 im einem geschalteten Zustand repräsentiert. Als Konsequenz daraus erhält jeder Pfad der Schaltungsanordnungen 110, 210 und 310 nur eine Referenzspannung, wenn ein korrespondierender Schaltzustand des Wechselrichters 10 aktiv ist. Solange der Schaltzustand unterschiedlich ist, bleibt die Referenzspannung U1,n,ref, U2,n,ref, U3,n,ref unverändert. Obwohl der Verlauf der Referenzspannungen Uref_1, Uref_2, Uref_3 unstetig mit sechs Sprüngen pro Schaltperiodendauer TPWM des Wechselrichters springt, ändert sich der Verlauf der unterteilten Referenzspannungen U1,n,ref, U2,n,ref, U3,n,ref relativ langsam mit der elektrische Periodendauer Tel der Drehfeldmaschine. Zur Erzeugung dieser Referenzspannungen U1,n,ref, U2,n,ref, U3,n,ref können getaktet betriebene Tiefsetzsteller mit Tiefpassfilter verwendet werden, wobei sich deren Grenzfrequenz wieder an der maximale Rotationsgeschwindigkeit der Drehfeldmaschine und deren Poolpaarzahlen orientieren kann. Wenn jeder Pfad unstete Spannungen erzeugen müsste, wäre die Grenzfrequenz in der Theorie unendlich.In order to achieve a continuous voltage profile, the reference function test voltage U ref_1 , U ref_2 , U ref_3 of one phase is divided into four reference voltages U i,1,ref , U i,2,ref , U i,3,ref , U i, 4,ref , which are each intended for the four paths of the
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
BezugszeichenlisteReference List
- ii
- Anzahl Phasen Wechselrichter und DrehfeldmaschineNumber of phases inverter and induction machine
- jj
- Anzahl Gleichspannungsstufen WechselrichterNumber of DC voltage steps inverter
- nn
- Anzahl Gegenspannungsstufen und Zwischenspannungen pro PhaseNumber of reverse voltage levels and intermediate voltages per phase
- 1010
- i-phasiger Wechselrichter mit j Spannungsstufeni-phase inverter with j voltage levels
- 12, 14, 1612, 14, 16
- i-ter Anschluss des Wechselrichtersi-th connection of the inverter
- 2020
- Maschinenemulatormachine emulator
- 3030
- Drehfeldmaschine unter TestThree-phase machine under test
- 4040
- Drehfeldmaschineinduction machine
- 5050
- Lastmaschineload machine
- 6060
- Lastmaschinen-Wechselrichterload machine inverter
- 7070
- i-Phasen Permanent-Magnet-Synchron-Maschine (PMSM)i-phase permanent magnet synchronous machine (PMSM)
- 72, 82, 9272, 82, 92
- i-ter Phasenwiderstand,i-th phase resistance,
- 74, 84, 9474, 84, 94
- i-te Phaseninduktivitätith phase inductance
- 100100
- Leistungselektronikpower electronics
- 102102
- GleichspannungsquelleDC voltage source
- 110, 210, 310110, 210, 310
- i-te Schaltungsanordnungi-th circuit arrangement
- 120, 220, 320120, 220, 320
- i-ter Anschluss der Leistungselektroniki-th connection of the power electronics
- 122, 142, 162122, 142, 162
- n-ter Wechselrichter der i-ten Schaltungsanordnungnth inverter of the i-th circuit arrangement
- 182 123, 143, 163182 123, 143, 163
- erster Schalter des n-ten Wechselrichtersfirst switch of the nth inverter
- 183 124, 144, 164183 124, 144, 164
- zweiter Schalter des n-ten Wechselrichterssecond switch of the nth inverter
- 184 126, 146, 166184 126, 146, 166
- n-ter Tiefpassfilter der i-ten Schaltungsanordnungnth low-pass filter of the i-th circuit arrangement
- 186 127, 147, 167186 127, 147, 167
- Filterkapazität des n-ten TiefpassfiltersFilter capacity of the nth low-pass filter
- 187 128, 148, 168187 128, 148, 168
- Filterinduktivität des n-ten TiefpassfiltersFilter inductance of the nth low-pass filter
- 188 130, 150, 170188 130, 150, 170
- n-te Schaltungseinrichtung der i-ten Schaltungsanordnungnth circuit device of the i-th circuit arrangement
- 190 131, 151, 171190 131, 151, 171
- erster Schalter der n-ten Schaltungseinrichtungfirst switch of the nth switching device
- 191 132, 152, 172191 132, 152, 172
- zweiter Schalter der n-ten Schaltungseinrichtungsecond switch of the nth switching device
- 192 194192 194
- erste Freilaufdiode der i-ten Schaltungsanordnungfirst freewheeling diode of the i-th circuit arrangement
- 196196
- erste Freilaufdiode der i-ten Schaltungsanordnungfirst freewheeling diode of the i-th circuit arrangement
- 500500
- Emulatoreinheitemulator unit
- 510510
- Modelleinheitmodel unit
- 520520
- Referenzwert-Berechnungseinheitreference value calculation unit
- 550550
- Steuerungs- und/oder RegeleinheitControl and/or regulation unit
- 560560
- Spannungsreglervoltage regulator
- 570570
- Stromreglercurrent regulator
- 580580
- Phasenauswahleinheitphase selection unit
- 590, 592, 594590, 592, 594
- i-te Koppelinduktivitäti-th coupling inductance
- Uind_iUind_i
- i-te Rückspannungi-th return voltage
- UEMU_iUEMU_i
- i-te Funktionstestspannungi-th function test voltage
- URef_iURef_i
- i-te Referenz Funktionstestspannungi-th reference function test voltage
- Ui,nUi,n
- n-te Zwischenspannung der i-ten Schaltungsanordnungn-th intermediate voltage of the i-th circuit arrangement
- Ui,n,refUi,n,ref
- n-te Referenz-Funktionsspannung der i-ten Schaltungsanordnungnth reference functional voltage of the i-th circuit arrangement
- UMess_iUMess_i
- i-te Ausgangsspannung des unter Test stehenden Wechselrichtersi-th output voltage of the inverter under test
- Iref_iIref_i
- i-ter Referenzstromith reference current
- li,nleft,n
- n-ter Zwischenstrom der i-ten Schaltungsanordnungn-th intermediate current of the i-th circuit arrangement
- Ii,n,refIi,n,ref
- n-te Referenz-Zwischenstrom der i-ten Schaltungsanordnungnth reference intermediate current of the i-th circuit arrangement
- SWRi,nSWRi,n
- n-tes Wechselrichterschaltsignal der i-ten Schaltungsanordnungnth inverter switching signal of the i-th circuit arrangement
- SCi,nSCi,n
- n-tes Schalterschaltsignal der i-ten Schaltungsanordnungnth switch switching signal of the ith circuit arrangement
- φ*φ*
- Maschinen-Neutralpunkt-PotentialeMachine neutral point potentials
- TPWMTPWM
- Schaltperiodendauer des WechselrichtersSwitching period duration of the inverter
- Telphone
- elektrische Periodendauer der Drehfeldmaschineelectrical period of the induction machine
- Kcorrcorr
- Korrekturparameter des SpannungsreglersCorrection parameters of the voltage regulator
- K1, K2K1, K2
- Einstellparameter des SpannungsreglersAdjustment parameters of the voltage regulator
- T1T1
- Zeitkonstante des SpannungsreglersVoltage regulator time constant
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---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020004679.7A DE102020004679A1 (en) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | Machine emulation using a multilevel inverter with variable voltage potentials |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020004679A1 true DE102020004679A1 (en) | 2022-02-03 |
Family
ID=79300580
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020004679.7A Pending DE102020004679A1 (en) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | Machine emulation using a multilevel inverter with variable voltage potentials |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020004679A1 (en) |
Citations (2)
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---|---|---|---|---|
DE102020201807A1 (en) | 2020-02-13 | 2020-05-14 | AVL SET GmbH | Emulator device for a test bench for the electrical simulation of an electric motor |
US20210036646A1 (en) | 2018-01-23 | 2021-02-04 | Plecko Co., Ltd. | Motor simulator |
-
2020
- 2020-07-31 DE DE102020004679.7A patent/DE102020004679A1/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210036646A1 (en) | 2018-01-23 | 2021-02-04 | Plecko Co., Ltd. | Motor simulator |
DE102020201807A1 (en) | 2020-02-13 | 2020-05-14 | AVL SET GmbH | Emulator device for a test bench for the electrical simulation of an electric motor |
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