DE102020213558A1

DE102020213558A1 - Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters beim Speisen einer elektrischen Maschine und Pulswechselrichter

Info

Publication number: DE102020213558A1
Application number: DE102020213558.4A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Kusch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2022-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters (1) beim Speisen einer elektrischen Maschine, wobei Schaltwinkel (20) von Pulsen eines mittels einer Modulationssteuerung (2) des Pulswechselrichters (1) zum Ansteuern von Leistungshalbleitern (4) ausgeführten Pulsdauermodulationsverfahrens mittels eines Optimierungsverfahrens unter Berücksichtigung von mindestens einem Parameter (15) und/oder einem Betriebszustand (16) der elektrischen Maschine bestimmt werden, wobei das Optimierungsverfahren mittels der Modulationssteuerung (2) ausgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Pulswechselrichter (1), umfassend eine Modulationssteuerung (2), wobei die Modulationssteuerung (2) dazu eingerichtet ist, ein Pulsdauermodulationsverfahren zum Ansteuern von Leistungshalbleitern (4) auszuführen und Schaltwinkel (20) von Pulsen des Pulsdauermodulationsverfahrens mittels eines Optimierungsverfahrens unter Berücksichtigung von mindestens einem Parameter (15) und/oder einem Betriebszustand (16) der elektrischen Maschine zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters beim Speisen einer elektrischen Maschine und einen Pulswechselrichter.
Elektrische Maschinen werden in den meisten Anwendungsfällen mittels eines Pulswechselrichters gespeist, wobei Pulsweitenmodulatoren zur Drehmoment- und Drehzahlregelung der elektrischen Maschinen mit festen und vordefinierten Schaltmustern verwendet werden. Aus Gründen der einfachen Realisierbarkeit und eines geringen Aufwands sind dies üblicherweise eine Space-Vector- oder eine Sine-Triangle-Pulsdauermodulation (SVPWM, SPWM).
Eine variable, flexible und je nach elektrischer Maschine gewählte Variation eines Pulsmusters über einen Aussteuergrad der elektrischen Maschine hinweg erlaubt es, ein aus einem Pulswechselrichter und einer elektrischen Maschine gebildetes Antriebssystem effizienzoptimiert zu betreiben. Ein solches Pulsmuster, welches sich wesentlich vom SVPWM und SPWM unterscheidet, kann als optimiertes Pulsmuster bezeichnet werden. Hierbei werden Ein- und Ausschaltwinkel der Pulse des Pulsmusters mittels eines Optimierungsalgorithmus für ein Antriebssystem mit bestimmten Eigenschaften im Voraus bestimmt und über Nachschlagetabellen während des Betreibens des Antriebssystems konfiguriert.
Aus der US 6 359 414 B1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Reluktanzmaschine, insbesondere einer geschalteten Reluktanzmaschine, unter Verwendung eines Drehmomentreglers bekannt, bei dem Motorwicklungen in Abhängigkeit von der Rotorwinkelposition unter einem Einschaltwinkel eingeschaltet und bei einem Kommutierungswinkel ausgeschaltet werden, wobei die Winkel als Steuerparameter als Funktion der Drehzahl aus gespeicherten Steuerkoeffizienten bestimmt werden, die während des Betriebs des Reluktanzmotors abgelesen werden, wobei der Kommutierungswinkel für jede Drehzahl mindestens konstant bleibt oder zunimmt, beginnend mit einem Maximalwert bei einem maximalen Drehmoment, wenn die Drehmomentwerte abnehmen, und anschließend mit einem voreingestellten Nennwert für den Wicklungsstrom, der als Steuerparameter für die Wicklungen des Reluktanzmotors berechnet wird und an ein Stromregelgerät gesendet wird.
Aus Zih-Cing You und Sheng-Ming Yang, A Restarting Strategy for Back-EMF-Based Sensorless Permanent Magnet Synchronous Machine Drive, Energies 2019, Band 12, Ausgabe 9, 1818; doi:10.3390/en12091818, ist ein Beobachter für eine sensorlose Regelung einer elektrischen Maschine bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters beim Speisen einer elektrischen Maschine und einen Pulswechselrichter zu schaffen, bei denen insbesondere eine Flexibilität beim Anwenden des Pulswechselrichters verbessert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen Pulswechselrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters beim Speisen einer elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt, wobei Schaltwinkel von Pulsen eines mittels einer Modulationssteuerung des Pulswechselrichters zum Ansteuern von Leistungshalbleitern ausgeführten Pulsdauermodulationsverfahrens mittels eines Optimierungsverfahrens unter Berücksichtigung von mindestens einem Parameter und/oder einem Betriebszustand der elektrischen Maschine bestimmt werden, wobei das Optimierungsverfahren mittels der Modulationssteuerung ausgeführt wird.
Ferner wird insbesondere ein Pulswechselrichter geschaffen, umfassend eine Modulationssteuerung, wobei die Modulationssteuerung dazu eingerichtet ist, ein Pulsdauermodulationsverfahren zum Ansteuern von Leistungshalbleitern auszuführen und Schaltwinkel von Pulsen des Pulsdauermodulationsverfahrens mittels eines Optimierungsverfahrens unter Berücksichtigung von mindestens einem Parameter und/oder einem Betriebszustand der elektrischen Maschine zu bestimmen.
Das Verfahren und der Pulswechselrichter ermöglichen es, effizienzoptimierte Schaltwinkel, das heißt Einschaltwinkel und Ausschaltwinkel, für das pulsdauermodulierte Schalten von Leistungshalbleitern des Pulswechselrichters bei Bedarf zu bestimmen. Hierdurch kann insbesondere eine Flexibilität beim Verwenden des Pulswechselrichters erhöht werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, den Pulswechselrichter für verschiedene Antriebssysteme, insbesondere für verschiedene elektrische Maschinen, zu verwenden. Der Pulswechselrichter befindet sich vor einer ersten Anwendung dann insbesondere in einem unkonfigurierten oder allgemein konfigurierten Zustand. Je nach konkretem Anwendungsfall kann der Pulswechselrichter dann auf die zu speisende elektrische Maschine hin konfiguriert werden, indem das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren ausgeführt wird und hierdurch Schaltwinkel mittels des Optimierungsverfahrens bestimmt werden, unter denen insbesondere eine Energieeffizienz optimiert ist.
Ein Vorteil des Verfahrens und des Pulswechselrichters ist, dass die Schaltwinkel nicht im Voraus berechnet und in Form einer Nachschlagetabelle bereitgestellt werden müssen, sondern bei Bedarf und unter Berücksichtigung des mindestens einen Parameters und/oder des Betriebszustands der elektrischen Maschine direkt in der Modulationssteuerung bestimmt werden können.
Teile der Vorrichtung, insbesondere die Modulationssteuerung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet sind.
Das Ausführen des Optimierungsverfahrens erfolgt insbesondere mittels einer zusätzlichen, hierfür eingerichteten Prozessoreinheit der Modulationssteuerung, sodass das Optimierungsverfahren insbesondere parallel zu einer Pulsdauermodulationssteuerung, das heißt einem Erzeugen von Ansteuersignalen für die Leistungshalbleiter des Pulswechselrichters, durchgeführt werden kann.
Beim Ausführen des Verfahrens dienen der mindestens eine Parameter und/oder der Betriebszustand der elektrischen Maschine insbesondere als Eingangsparameter des Optimierungsverfahrens, insbesondere in Form von Randbedingungen bei der Optimierung.
Beispielhafte Parameter und/oder Betriebszustände können die folgenden umfassen: eine Temperatur der elektrischen Maschine, eine Induktivität (z.B. ausgedrückt als Lq, Ld) der elektrischen Maschine, eine Arbeitspunkt der elektrischen Maschine und/oder Fehler der elektrischen Maschine, wie z.B. eine Teilentmagnetisierung und/oder ein Windungsschluss von einigen Zellen der elektrischen Maschine.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für alle elektrischen Maschinen, beispielsweise Permanentmagnet-Synchronmaschinen und Reluktanzmaschinen. Im Automotivebereich überwiegt die Interior Permanent Magnet-(IPM)-Maschine mit einer Überlagerung von Reluktanz- und PM-Moment, auch hier kann das Verfahren mit Vorteil eingesetzt werden.
Das Verfahren und der Pulswechselrichter können insbesondere in einem Fahrzeug verwendet werden. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug. Grundsätzlich kann das Fahrzeug jedoch auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein. Ein Luftfahrzeug ist beispielsweise eine Drohne oder ein Lufttaxi.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Optimierungsverfahren ein Minimieren von Harmonischen Oberschwingungen in von dem Pulswechselrichter erzeugten Strangspannungen umfasst. Hierdurch kann eine Energieeffizienz erhöht, insbesondere optimiert werden. Zum Minimieren der Harmonischen Oberschwingungen kann beispielsweise ein Verfahren der selektiven harmonischen Eliminierung (engl. Selective Harmonic Elimination, SHE) zum Einsatz kommen. Werden Schaltwinkel bestimmt, bei denen die Oberschwingungen minimiert sind, führt dies dazu, dass ein Anteil der Gesamtleistung in den Oberschwingungen minimiert ist, sodass sich hierdurch eine Energieeffizienz beim Betrieb des Pulswechselrichters und der elektrischen Maschine erhöht. Beim Ausführen des SHE-Verfahrens dienen der mindestens eine Parameter und/oder der Betriebszustand der elektrischen Maschine als Eingangsparameter des Optimierungsverfahrens, insbesondere in Form von Randbedingungen bei der Optimierung.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Optimierungsverfahren mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes (engl. Field-Programmable Gate Array, FPGA) ausgeführt wird. Insbesondere umfasst die Modulationssteuerung hierzu mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld. Hierdurch kann das Optimierungsverfahren direkt in Hardware kodiert und ausgeführt werden. Das feldprogrammierbare Gatterfeld ist auf eine Funktionalität zum Ausführen des Optimierungsverfahrens programmiert bzw. konfiguriert. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das feldprogrammierbare Gatterfeld ein zumindest teilweise rekonfigurierbares feldprogrammierbares Gatterfeld ist, bei dem das feldprogrammierbare Gatterfeld auch während der Laufzeit auch teilweise auf eine andere Funktionalität umkonfiguriert werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld sowohl eine Funktionalität der Modulationssteuerung als auch des Optimierungsverfahrens bereitstellt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Zustand der elektrischen Maschine mittels eines Maschinenmodells geschätzt wird, wobei die Schaltwinkel mittels des Optimierungsverfahrens bestimmt werden, wenn ein Unterschied zwischen dem geschätzten Zustand und einem Istzustand der elektrischen Maschine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Hierdurch können erneut optimierte Schaltwinkel bestimmt werden, um als Reaktion auf einen geänderten Istzustand der elektrischen Maschine eine Energieeffizienz zu optimieren. Das Schätzen erfolgt insbesondere mittels eines Schätzers oder eines regelungstechnischen Beobachters, der mittels des Maschinenmodells den Zustand der elektrischen Maschine ausgehend von erfassten Messwerten (Drehzahl, elektrischer Rotorlagewinkel, Strangströmen etc.) schätzt. Der geschätzte Zustand wird dann mit einem realen Istzustand, der mittels erfasster Messwerte bestimmt wird, verglichen. Beispielsweise können mittels der Spannungsdifferentialgleichungen der elektrischen Maschine Spannungen an der elektrischen Maschine (z.B. die d/q-Spannungen) geschätzt werden und mit an den einzelnen Strängen erfassten Spannungen (bzw. hieraus berechneten d/q-Spannungen) verglichen werden. Übersteigt eine bestimmte Differenz zwischen den Spannungen einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird das Optimierungsverfahren erneut ausgeführt, um optimierte Schaltwinkel zu bestimmen. In einem anderen Beispiel wird eine Temperatur der elektrischen Maschine mit einem Sollbereich verglichen und das Optimierungsverfahren wird ausgeführt, wenn die Temperatur den Sollbereich verlässt. Das Maschinenmodell kann beispielsweise mittels eines regelungstechnischen Beobachters bereitgestellt werden. Hierbei können auch Maschinenlernverfahren verwendet werden, um das Maschinenmodell beispielsweise anzulernen und/oder zu parametrieren. Als Eingangsgrößen dienen Ströme und Spannungen und der Beobachter schätzt ausgehend hiervon einen magnetischen Fluss und ein Drehmoment, oder in einer sensorlosen Regelung einen Rotorlagewinkel. Ein derartiger Beobachter kann mit an sich bekannten Verfahren realisiert werden, beispielsweise ausgehend von Zih-Cing You und Sheng-Ming Yang, A Restarting Strategy for Back-EMF-Based Sensorless Permanent Magnet Synchronous Machine Drive, Energies 2019, Band 12, Ausgabe 9, 1818; doi:10.3390/en12091818.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Optimierungsverfahren eine Verwendung eines Maschinenlernverfahrens umfasst. Hierdurch können optimierte Schaltwinkel angelernt werden. Eine Anpassung für einen neuerlichen Durchlauf beim Bestimmen der optimalen Schaltwinkel (auch als al, a2, ..., an bezeichnet) erfolgt durch einen Anpassungsfaktor K_EM. Dieser spiegelt ein unterschiedliches Maschinensättigungsverhalten (= f(I,T), mit I dem Strom und T einer Temperatur der elektrischen Maschine) wider zwischen zwei oder drei Punkten, die durch den Beobachter bestimmt werden. Insbesondere per Nachschlagetabelle wird dieser je nach Belastungsgrad der elektrischen Maschine bestimmt.
Weitere Merkmale zur Ausgestaltung des Pulswechselrichters ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile des Pulswechselrichters sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Pulswechselrichters;
2a eine schematische Darstellung von optimierten Schaltwinkeln als Ergebnis des Optimierungsverfahrens;
2b eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Schaltwinkel beim Modulationsverfahren.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Pulswechselrichters 1 gezeigt. Das Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters 1 beim Speisen einer elektrischen Maschine wird nachfolgend anhand des Pulswechselrichters 1 näher erläutert.
Der Pulswechselrichter 1 umfasst eine Modulationssteuerung 2, Gatetreiber 3 und Leistungshalbleiter 4, die im gezeigten Beispiel als drei Halbbrücken ausgebildet sind. Die Modulationssteuerung 2 steuert die Gatetreiber 3 mittels einen Pulsdauermodulationsverfahrens an. Die Gatetreiber 3 treiben jeweils die Leistungshalbleiter 4, sodass eine Zwischenkreisgleichspannung VDC in eine Wechselspannung, insbesondere in ein Drehfeld gewandelt wird, mit dem eine elektrische Maschine (nicht gezeigt) gespeist wird.
Im gezeigten Beispiel bildet die Modulationssteuerung 2 einen Teil einer (nicht gezeigten) Regelstrecke, wobei der Modulationssteuerung 2 zum Regeln einer Drehzahl und eines Drehmoments der elektrischen Maschine in Vektorregelung d- und q-Spannungen VqCmd, VdCmd als Stellgrößen vorgegeben werden. Ferner werden der Modulationssteuerung 2 noch ein aktueller elektrischer Rotorlagewinkel γ und eine aktuelle Drehzahl ω der elektrischen Maschine zugeführt.
Die Modulationssteuerung 2 bestimmt nun in einem Funktionsblock 10 die nächsten n Schaltwinkel 20 eines Pulsmusters. Die bestimmten Schaltwinkel 20 umfassen stets abwechselnd Einschalt- und Ausschaltwinkel für Pulse auf jedem der Stränge, über die die elektrische Maschine gespeist wird. In einem Funktionsblock 11 bestimmt die Modulationssteuerung 2 aus den bestimmten Schaltwinkeln 20 und der aktuellen Drehzahl ω Timerwerte, die einem Pulsmustergenerator 12 übergeben werden. Der Pulsmustergenerator 12 erzeugt ausgehend von den Timerwerten ein Pulsmuster zum Ansteuern der Gatetreiber 3. Hierbei kann in einem Funktionsblock 13 zusätzlich eine Totzeitkompensation erfolgen, bei dem Schaltflanken zeitlich verschoben werden, um eine Totzeit der Leistungshalbleiter 4 zu kompensieren.
Die Modulationssteuerung 2 ist dazu eingerichtet, die Schaltwinkel 20 von Pulsen des Pulsdauermodulationsverfahrens mittels eines Optimierungsverfahrens unter Berücksichtigung von mindestens einem Parameter 15 und/oder einem Betriebszustand 16 der elektrischen Maschine zu bestimmen. Der mindestens eine Parameter 15 und/oder der Betriebszustand 16 bilden beispielsweise eine Temperatur der elektrischen Maschine und/oder einen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine ab.
Das Ausführen des Optimierungsverfahrens erfolgt in einem vom Funktionsblock 10 umfassten Funktionsblock 14. Insbesondere wird das Optimierungsverfahren direkt in der Modulationssteuerung 2 ausgeführt, sodass nicht auf extern zur Verfügung gestellte Schaltwinkel 20 zurückgegriffen werden muss. Hierdurch kann eine Flexibilität bei der Anwendung des Pulswechselrichters 1 erhöht werden. Insbesondere kann der Pulswechselrichter 1 durch das Optimierungsverfahren vor Ort auf eine elektrische Maschine und einen spezifischen Anwendungsfall konfiguriert werden. Neben einer Flexibilität beim Verwenden des Pulswechselrichters 1 kann hierdurch eine Energieeffizienz beim Betrieb des Pulswechselrichters 1 und der elektrischen Maschine gesteigert werden, da zu jedem Zeitpunkt optimierte Schaltwinkel 20 nach Bedarf bestimmt werden können.
Der Funktionsblock 14 umfasst insbesondere eine eigene Prozessoreinheit, welche das Optimierungsverfahren parallel zu einer sonstigen Funktionalität der Modulationssteuerung 2 ausführen kann.
Das Optimierungsverfahren wird nachfolgend beispielhaft anhand eines Optimierungsverfahrens zum Minimieren von Harmonischen Oberschwingungen in von dem Pulswechselrichter erzeugten Strangspannungen erläutert. Grundsätzlich können zusätzlich oder alternativ aber auch andere Optimierungsverfahren zum Einsatz kommen.
Dem Funktionsblock 14 werden als Eingangsparameter ein Liste von Modulationsindices MI, eine Matrix A, ein Vektor B, eine Liste von Startwerten x0 und eine Kostenfunktion F übergeben. Über die Matrix A wird hierbei der mindestens eine Parameter 15 und/oder der Betriebszustand 16 der elektrischen Maschine berücksichtigt.
Der Modulationsindex MI gibt insbesondere ein Verhältnis einer Grundschwingungsamplitude einer Strangspannung der elektrischen Maschine zur halben Zwischenkreisspannung an.
Als Ausgangsdaten liefert der Funktionsblock 14 eine Liste, in der jedem der in der Liste enthaltenen Modulationsindices MI Schaltwinkel 20 zugeordnet sind, unter denen die Kostenfunktion F minimiert ist. Aus der Liste, die als Ergebnis des Optimierungsverfahrens bereitgestellt wird, können dann für einen über den Modulationsindex MI ausgedrückten Aussteuergrad der elektrischen Maschine die jeweils optimierten Schaltwinkel 20 abgelesen bzw. bestimmt werden.
Die Kostenfunktion F umfasst im gezeigten Beispiel eine gewichtete totale harmonische Verzerrung (engl. Weighted Total Harmonic Distortion, WTHD), welche ein gewichtetes Verhältnis der Harmonischen Oberschwingungen zur Grundschwingung beschreibt.
Ein beispielhafter MATLAB-Programmcode zum Durchführen des Optimierungsverfahrens für ausgewählte Oberschwingungen ist nachfolgend aufgelistet:

 A = [1 -1 0 0 0; 0 1 -1 0 0; 0 0 1 -1 0; 0 0 0 1 -1];
 A = K_EM*A;
 B = [0; 0; 0; 0];
 n = 1;
 x0 = [0/180*pi; 20/180*pi; 40/180*pi; 60/180*pi; 80/180*pi];
 for MI = 0: 0.005 : 1.15
    options = optimset('LargeScale','off'); % run medium-scale
 algorithm
    [x, fval] = fmincon(@objfun5THDi, x0, A, B, [], [], [0; 0; 0; 0;
 0], [pi/2; pi/2; pi/2; pi/2; pi/2], @(x)confun5THDi(x, MI), options);
   y(n, 1:7) = [MI, x', fval];
   n = n+1;
   x0 = y(n-1, 2:6)';
 end
   
 function [c, ceq] = confun5THDi(x, MI) 
 % Nonlinear inequality constraints:
 c = [ ];
 % No nonlinear equality constraints:
 v1 = -4./pi * (-2. * cos( x(1)) + 2. * cos( x(2)) - 2. * cos(
 x(3)) + 2. * cos(x(4)) - 2. * cos(x(5)) + 1.0);
 ceq = MI - v1;
     
 function [c, ceq] = confun(x)
 % Nonlinear inequality constraints:
 c = [1.5 + x(1)*x(2) - x(1) - x(2);
     -x(1)*x(2) - 10];
 % No nonlinear equality constraints:
 ceq = [ ];
      
 function f = objfun5THDi(x)
 % Objective function
      
 v5 = -4./pi/5 * (-2.*cos(5 *x(1)) + 2.*cos(5* x(2)) - 2.*cos(5*
 x(3)) + 2.*cos(5* x(4)) - 2.*cos(5* x(5)) + 1.0);
 v7 = -4./pi/7 * (-2.*cos(7 *x(1)) + 2.*cos(7* x(2)) - 2.*cos(7*
 x(3)) + 2.*cos(7* x(4)) - 2.*cos(7* x(5)) + 1.0);
 v11 = -4./pi/11 * (-2.*cos(11 *x(1)) + 2.*cos(11* x(2)) - 2.*cos(11*
 x(3)) + 2.*cos(11* x(4)) - 2.*cos(11* x(5)) + 1.0);
 v13 = -4./pi/13 * (-2.*cos(13 *x(1)) + 2.*cos(13* x(2)) - 2.*cos(13*
 x(3)) + 2.*cos(13* x(4)) - 2.*cos(13* x(5)) + 1.0);
 v17 = -4./pi/17 * (-2.*cos(17 *x(1)) + 2.*cos(17* x(2)) - 2.*cos(17*
 x(3)) + 2.*cos(17* x(4)) - 2.*cos(17* x(5)) + 1.0);
 v19 = -4./pi/19 * (-2.*cos(19 *x(1)) + 2.*cos(19* x(2)) - 2.*cos(19*
 x(3)) + 2.*cos(19* x(4)) - 2.*cos(19* x(5)) + 1.0);
 v23 = -4./pi/23 * (-2.*cos(23 *x(1)) + 2.*cos(23*x(2)) - 2.*cos(23*
 x(3)) + 2.*cos(23*x(4)) - 2.*cos(23*x(5)) + 1.0);
 v25 = -4./pi/25 * (-2.*cos(25 *x(1)) + 2.*cos(25* x(2)) - 2.*cos(25*
 x(3)) + 2.*cos(25* x(4)) - 2.*cos(25* x(5)) + 1.0);
 v29 = -4./pi/29 * (-2.*cos(29 *x(1)) + 2.*cos(29* x(2)) - 2.*cos(29*
 x(3)) + 2.*cos(29* x(4)) - 2.*cos(29* x(5)) + 1.0);
 v31 = -4./pi/31 * (-2.*cos(31 *x(1)) + 2.*cos(31* x(2)) - 2.*cos(31*
 x(3)) + 2.*cos(31* x(4)) - 2.*cos(31* x(5)) + 1.0);
 v35 = -4./pi/35 * (-2.*cos(35 *x(1)) + 2.*cos(35* x(2)) - 2.*cos(35*
 x(3)) + 2.*cos(35* x(4)) - 2.*cos(35* x(5)) + 1.0);
 v37 = -4./pi/37 * (-2.*cos(37 *x(1)) + 2.*cos(37* x(2)) - 2.*cos(37*
 x(3)) + 2.*cos(37* x(4)) - 2.*cos(37* x(5)) + 1.0);
 v41 = -4./pi/41 * (-2.*cos(41 *x(1)) + 2.*cos(41* x(2)) - 2.*cos(41*
 x(3)) + 2.*cos(41* x(4)) - 2.*cos(41* x(5)) + 1.0);
 v43 = -4./pi/43 * (-2.*cos(43 *x(1)) + 2.*cos(43* x(2)) - 2.*cos(43*
 x(3)) + 2.*cos(43* x(4)) - 2.*cos(43* x(5)) + 1.0);
 v47 = -4./pi/47 * (-2.*cos(47 *x(1)) + 2.*cos(47* x(2)) - 2.*cos(47*
 x(3)) + 2.*cos(47* x(4)) - 2.*cos(47* x(5)) + 1.0);
 v49 = -4./pi/49 * (-2.*cos(49 *x(1)) + 2.*cos(49* x(2)) - 2.*cos(49*
 x(3)) + 2.*cos(49* x(4)) - 2.*cos(49* x(5)) + 1.0);
  v53 = -4./pi/53 * (-2.*cos(53 *x(1)) + 2.*cos(53* x(2)) - 2.*cos(53*
 x(3)) + 2.*cos(53* x(4)) - 2.*cos(53* x(5)) + 1.0);
 v55 = -4./pi/55 * (-2.*cos(55 *x(1)) + 2.*cos(55* x(2)) - 2.*cos(55*
 x(3)) + 2.*cos(55* x(4)) - 2.*cos(55* x(5)) + 1.0); 
 v59 = -4./pi/59 * (-2.*cos(59 *x(1)) + 2.*cos(59* x(2)) - 2.*cos(59*
 x(3)) + 2.*cos(59* x(4)) - 2.*cos(59* x(5)) + 1.0);
 v61 = -4./pi/61 * (-2.*cos(61 *x(1)) + 2.*cos(61* x(2)) - 2.*cos(61*
 x(3)) + 2.*cos(61* x(4)) - 2.*cos(61* x(5)) + 1.0);
 v65 = -4./pi/65 * (-2.*cos(65 *x(1)) + 2.*cos(65* x(2)) - 2.*cos(65*
 x(3)) + 2.*cos(65* x(4)) - 2.*cos(65* x(5)) + 1.0);
 v67 = -4./pi/67 * (-2.*cos(67 *x(1)) + 2.*cos(67* x(2)) - 2.*cos(67*
 x(3)) + 2.*cos(67* x(4)) - 2.*cos(67* x(5)) + 1.0);
 v71 = -4./pi/71 * (-2.*cos(71 *x(1)) + 2.*cos(71* x(2)) - 2.*cos(71*
 x(3)) + 2.*cos(71* x(4)) - 2.*cos(71* x(5)) + 1.0);
     
 f = (v5/5)^2 + (v7/7)^2 + (v11/11)^2 + (v13/13)^2 + (v17/17)^2 +
 (v19/19)^2 + (v23/23)^2 + (v25/25)^2 + (v29/29)^2 + (v31/31)^2 +
 (v35/35)^2 + (v37/37)^2 + (v41/41)^2 + (v43/43)^2 + (v47/47)^2 +
 (v49/49)^2 + (v53/53)^2 + (v55/55)^2 + (v59/59)^2 + (v61/61)^2 +
 (v65/65)^2 + (v67/67)^2 + (v71/71)^2;
     
 function f = objfun(x)
 % Objective function
      
 f = exp(x(1)) * (4*x(1)^2 + 2*x(2)^2 + 4*x(1)*x(2) + 2*x(2) + 1);

Mittels des voranstehend gelisteten MATLAB-Codes werden optimierte Schaltwinkel 20 berechnet. Hierbei wird die gewichtete totale harmonische Verzerrung minimiert. Die Kostenfunktion F entspricht hierbei der Funktion obj fun5THDi (x). Über die Matrix A und den Vektor B werden Randbedingungen beim Optimieren für die MATLAB-Funktion fmincon vorgegeben. Hierbei werden der mindestens eine Parameter 15 und/oder der Betriebszustand 16 der elektrischen Maschine über den Faktor K_EM berücksichtigt, mit dem die Matrix A multipliziert wird. K_EM kann hierbei ein Faktor oder ein Vektor sein. K_EM spiegelt hierbei insbesondere ein unterschiedliches Maschinensättigungsverhalten (= f(I,T), mit I dem Strom und T einer Temperatur der elektrischen Maschine) wider zwischen zwei oder drei Punkten, die insbesondere durch einen Beobachter bestimmt werden. Insbesondere per Nachschlagetabelle wird dieser je nach Belastungsgrad der elektrischen Maschine bestimmt.

Ein beispielhaftes Ergebnis, das von dem Optimierungsverfahren geliefert wird, ist schematisch in der 2a für einen Strang (bzw. eine Phase) dargestellt. Hierbei ist auf der x-Achse der Modulationsindex MI dargestellt. Auf der y-Achse sind die optimierten Schaltwinkel 20 dargestellt. Die dargestellten Kurven sind hierbei abwechselnd jeweils einem Einschalt- oder Ausschaltwinkel zugeordnet.

In der 2b ist eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Schaltwinkel gezeigt. 2b zeigt eine über das Modulationsverfahren erzeugte Strangspannung U_a eines Stranges, durch den die elektrische Maschine gespeist wird, über eine vollständige Periode hinweg. Dargestellt ist eine Situation für einen spezifischen Modulationsindex MI. Die Einschaltwinkel und Ausschaltwinkel korrespondieren hierbei mit denjenigen Winkeln α_i, bei denen die ideale Sinuskurve die Schaltflanken der Pulsdauermodulation schneidet. Aufgrund einer Viertelwellensymmetrie können die Schaltwinkel für Winkel >90° aus den Schaltwinkeln von 0 bis 90° hergeleitet werden.

Je nach Parameter 15 und/oder Betriebszustand 16 der elektrischen Maschine liefert das Optimierungsverfahren nach dem Minimieren der Kostenfunktion F unterschiedliche Schaltwinkel 20. Die Schaltwinkel 20 sind dann jeweils unter Berücksichtigung des mindestens einen Parameters 15 und/oder des Betriebszustands 16 optimiert.

Es kann vorgesehen sein, dass die Modulationssteuerung 2 mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld 5 umfasst (1), das das Optimierungsverfahren ausführt. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das feldprogrammierbare Gatterfeld 5 je nach zu verwendendem Optimierungsverfahren und/oder Parameter 15 und/oder Betriebszustand 16 umkonfiguriert wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das feldprogrammierbare Gatterfeld 5 zumindest bei einer ersten Verwendung auf die zu speisende elektrische Maschine konfiguriert wird, beispielsweise indem der Faktor K_EM entsprechend parametriert wird.

Es kann vorgesehen sein, dass der Pulswechselrichter 1 eine Beobachtereinrichtung 6 aufweist, wobei die Beobachtereinrichtung 6 dazu eingerichtet ist, einen Zustand der elektrischen Maschine mittels eines Maschinenmodells 7 zu schätzen, und wobei die Modulationssteuerung 2 dazu eingerichtet ist, die Schaltwinkel 20 mittels des Optimierungsverfahrens zu bestimmen, wenn ein Unterschied zwischen dem geschätzten Zustand und einem Istzustand der elektrischen Maschine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Beispielsweise können sich eine Temperatur der elektrischen Maschine oder Induktivitäten Lq und Ld der elektrischen Maschine verändern. Überschreitet die Änderung den vorgegebenen Schwellenwert, werden optimierte Schaltwinkel 20 erneut bestimmt. Soll das Optimierungsverfahren erneut ausgeführt werden, so wird beispielsweise ein entsprechendes Steuersignal von der Beobachtereinrichtung 6 an den Funktionsblock 14 übermittelt, um das Optimierungsverfahren zu starten.

Das Maschinenmodell 7 der Beobachtereinrichtung 6 kann mittels eines Maschinenlernverfahrens bereitgestellt werden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Modulationssteuerung 2 dazu eingerichtet ist, beim Ausführen des Optimierungsverfahrens ein Maschinenlernverfahren zu verwenden. Insbesondere kann ein trainiertes Neuronales Netz zum Einsatz kommen.

Es kann vorgesehen sein, dass die bestimmten Schaltwinkel 20 zum einfacheren Abruf in einer Nachschlagetabelle abgelegt werden. Die Nachschlagetabelle wird dann insbesondere angepasst, wenn aktualisierte Schaltwinkel 20 durch erneutes Ausführen des Optimierungsverfahrens bestimmt wurden.

Bezugszeichenliste

1: Pulswechselrichter
2: Modulationssteuerung
3: Gatetreiber
4: Leistungshalbleiter
5: feldprogrammierbares Gatterfeld
6: Beobachtereinrichtung
7: Maschinenmodell
10: Funktionsblock
11: Funktionsblock
12: Pulsmustergenerator
13: Funktionsblock
14: Funktionsblock
15: Parameter
16: Betriebszustand
20: Schaltwinkel
VDC: Zwischenkreisspannung
VqCmd: vorgegebene q-Spannung
VdCmd: vorgegebene d-Spannung
A: Matrix
B: Vektor
F: Kostenfunktion
MI: Modulationsindex
Ua: Strangspannung
x0: Startwerte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

US 6359414 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters (1) beim Speisen einer elektrischen Maschine, wobei Schaltwinkel (20) von Pulsen eines mittels einer Modulationssteuerung (2) des Pulswechselrichters (1) zum Ansteuern von Leistungshalbleitern (4) ausgeführten Pulsdauermodulationsverfahrens mittels eines Optimierungsverfahrens unter Berücksichtigung von mindestens einem Parameter (15) und/oder einem Betriebszustand (16) der elektrischen Maschine bestimmt werden, wobei das Optimierungsverfahren mittels der Modulationssteuerung (2) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsverfahren ein Minimieren von Harmonischen Oberschwingungen in von dem Pulswechselrichter (1) erzeugten Strangspannungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsverfahren mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes (5) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustand der elektrischen Maschine mittels eines Maschinenmodells (7) geschätzt wird, wobei die Schaltwinkel (20) mittels des Optimierungsverfahrens bestimmt werden, wenn ein Unterschied zwischen dem geschätzten Zustand und einem Istzustand der elektrischen Maschine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsverfahren eine Verwendung eines Maschinenlernverfahrens umfasst.
Pulswechselrichter (1), umfassend: eine Modulationssteuerung (2), wobei die Modulationssteuerung (2) dazu eingerichtet ist, ein Pulsdauermodulationsverfahren zum Ansteuern von Leistungshalbleitern (4) auszuführen und Schaltwinkel (20) von Pulsen des Pulsdauermodulationsverfahrens mittels eines Optimierungsverfahrens unter Berücksichtigung von mindestens einem Parameter (15) und/oder einem Betriebszustand (16) der elektrischen Maschine zu bestimmen.
Pulswechselrichter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationssteuerung (2) dazu eingerichtet ist, als Teil des Optimierungsverfahrens Harmonische Oberschwingungen in von dem Pulswechselrichter (1) erzeugten Strangspannungen zu minimieren.
Pulswechselrichter (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationssteuerung (2) mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld (5) umfasst, das das Optimierungsverfahren ausführt.
Pulswechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Beobachtereinrichtung (6), wobei die Beobachtereinrichtung (6) dazu eingerichtet ist, einen Zustand der elektrischen Maschine mittels eines Maschinenmodells (7) zu schätzen, wobei die Modulationssteuerung (2) dazu eingerichtet ist, die Schaltwinkel (20) mittels des Optimierungsverfahrens zu bestimmen, wenn ein Unterschied zwischen dem geschätzten Zustand und einem Istzustand der elektrischen Maschine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Pulswechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationssteuerung (2) dazu eingerichtet ist, beim Ausführen des Optimierungsverfahrens ein Maschinenlernverfahren zu verwenden.