DE102021123036A1 - System und Verfahren zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen von leistungselektronischen Systemen - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen (2) in leistungselektronischen Systemen (1) soll die Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen (2) verbessert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung ein digitales Gegenstörsystem (3) umfasst, wobei das digitale Gegenstörsystem (3) zumindest einen Störprädiktor (12) und einen Gegenstörsynthetisierer (13) umfasst, wobei der Störprädiktor (12) derart eingerichtet ist, zumindest eine Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störungen (2) eines leistungselektronischen Systems (1) zu erfassen und weiter derart eingerichtet ist, eine Vorhersage der elektromagnetischen Störung (2) zu erstellen und an den Gegenstörsynthetisierer (13) zu übermitteln, der Gegenstörsynthetisierer (13) derart eingerichtet ist, ein passendes Gegenstörsignal (14) auf Grundlage der Vorhersage der elektromagnetischen Störung (2) des Störprädiktors (12) zu synthetisieren, die Vorrichtung weiter zumindest einen Injektor (16) umfasst, wobei der Injektor (16) derart eingerichtet ist, das synthetisierte Gegenstörsignal (14) zeitrichtig in ein zu entstörendes Gesamtsystem einzukoppeln. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen (2) von leistungselektronischen Systemen (1).

Description

• Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen. Insbesondere betrifft die Erfindung die prädiktive Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen von leistungselektronischen Systemen.
• Leistungselektronische Systeme können aufgrund der zugrundeliegenden Schaltvorgänge erhebliche elektromagnetische Störungen verursachen.
• Diese Störemission wird üblicherweise durch passive Filter und Schirmgehäuse begrenzt, welche jedoch groß, schwer und teuer sind. Zur Verkleinerung dieser passiven Komponenten haben sich bereits aktive Filter (engl. active EMI filters) etabliert. Bei diesem Verfahren werden Analog- oder Digitalschaltungen eingebracht, die die Störungen aufnehmen, umformen und zurück in das System injizieren. Dabei wird eine destruktive Interferenz zwischen den Störungen und Gegenstörungen angestrebt, um die Störemission zu reduzieren. Bisherige aktive Filter verwenden analoge Schaltungstechnik in gesteuerten oder geregelten Strukturen (Feedforward- und Feedback-Typen). Das Gegenstörsignal wird dabei direkt aus einer gemessenen Größe gewonnen. Die erzielbare Störunterdrückung ist bei diesen Ansätzen aufgrund der Zeitkonstanten der Sensoren, der Injektoren und der Verstärker, aufgrund von Verzögerungen durch Signallaufzeiten und aufgrund von begrenzten, frequenzabhängigen Verstärkungsfaktoren eingeschränkt.
• Zur Lösung dieses Problems wird im Stand der Technik der Einsatz von synthetisierten Gegenstörsignalen vorgeschlagen. Handelt es sich um Störungen, die über einen ausreichenden Zeitraum hinweg periodisch sind, treten stabile Harmonische im Frequenzbereich auf. Zur Unterdrückung von diesen Harmonischen kann ein jeweiliges Sinussignal erzeugt werden, welches in Amplitude und Phase so eingestellt wird, dass es zu einer vollständigen destruktiven Interferenz kommt. Verzögerungszeiten bei der Injektion können dabei durch Phasendrehungen kompensiert werden. Im Vergleich zu aktiven Filtern können verzögerte Signalpfade systematisch kompensiert werden, wodurch die Effektivität der Entstörung erheblich verbessert werden kann. Die notwendigen Amplituden und Phasen können dabei beispielsweise analytisch oder adaptiv ermittelt werden. Durch eine Überlagerung der gefundenen Sinussignale kann ein breitbandiges Gegenstörsignal erzeugt werden, welches eine sehr hohe Anzahl an Harmonischen unterdrücken kann.
• Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, in dem das Gegenstörsignal aus Sinussignalen synthetisiert wird. Durch Einstellen der jeweiligen Amplituden und Phasen können Zeitkonstanten, Verzögerungszeiten und komplexe Übertragungsfunktionen kompensiert werden. Die Anpassung der Amplituden und Phasen erfolgt über einen Optimierer, welcher eine begrenzte Adaptionsgeschwindigkeit besitzt. Im Fall von veränderlichen Störungen wird in der vorhergehenden Patentmeldung beschrieben, dass das kommende Tastverhältnis des leistungselektronischen Systems dafür verwendet werden kann, die Amplituden und Phasen der Sinussignale „vorzusteuem“.
• Die Druckschrift DE 102018001051 A1 beschreibt ein Verfahren zur Reduktion eines elektromagnetischen Störsignals einer durch ein mit einer Frequenz getaktet angesteuertes elektronisches System gebildeten Störquelle durch aktive Gegenkopplung. Hierfür werden für eine beliebige, zumindest eine einzige Harmonische umfassende Auswahl von Harmonischen der getakteten Ansteuerung jeweils Sinussignale mit der Frequenz der jeweiligen Harmonischen synthetisiert, welche jeweils in ihren Amplituden und Phasenlagen so eingestellt werden, dass es durch Überlagerung eines durch die Sinussignale gebildeten Gegenstörungssignals mit dem Störsignal an einer ausgewählten Referenzmessstelle durch destruktive Interferenzen zu einer weitgehenden Auslöschung der jeweiligen Frequenzkomponenten des elektromagnetischen Störsignals kommt.
• Nicht nur das Tastverhältnis hat einen Einfluss auf die Störungen und damit die nötigen Gegenstörsignale, auch die Betriebsparameter wie z.B. Strom, Spannung, etc. müssen berücksichtigt werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Information über die kommenden Tastverhältnisse dem Gegenstörsystem bei einer eigenständigen (stand-alone) Realisierung nicht vorliegt (d.h. das Gegenstörsystem ist nicht direkt mit der Regelung der Leistungselektronik gekoppelt). Das Gegenstörsystem muss das notwendige Gegenstörsignal auch aus anderen Größen vorhersagen können. Auch muss die Signalsynthese nicht zwangsläufig über Sinussignale erfolgen. Insbesondere bei nichtperiodischen, schnell veränderlichen Störungen sind evtl. andere Methoden notwendig (ergibt sich aus der Theorie, Fourierreihen sind streng genommen nur für periodische Signale gültig)
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Reduktion eines elektromagnetischen Störsignals zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch technische Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Technisch vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
• Gemäß einem Aspekt wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Vorrichtung zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen von leistungselektronischen Systemen gelöst, die Vorrichtung umfassend: ein digitales Gegenstörsystem, wobei das digitale Gegenstörsystem zumindest einen Störprädiktor und einen Gegenstörsynthetisierer umfasst, wobei der Störprädiktor derart eingerichtet ist, zumindest eine Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störungen eines leistungselektronischen Systems zu erfassen und weiter derart eingerichtet ist, eine Vorhersage der elektromagnetischen Störung zu erstellen und an den Gegenstörsynthetisierer zu übermitteln, der Gegenstörsynthetisierer derart eingerichtet ist, ein passendes Gegenstörsignal auf Grundlage der Vorhersage der elektromagnetischen Störung des Störprädiktors zu synthetisieren, die Vorrichtung weiter zumindest einen Injektor umfasst, wobei der Injektor derart eingerichtet ist, das synthetisierte Gegenstörsignal zeitrichtig in ein zu entstörendes Gesamtsystem einzukoppeln.
  Vorteilhaft bei der Vorrichtung ist, dass aufgrund der Vorhersage einer kommenden Störung, der Synthese eines passenden Gegenstörsignals und der zeitrichtigen Injektion des Gegenstörsignals eine prädiktive Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen geschaffen wird.
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst der Injektor zumindest einen Kondensator, eine Spule und/oder einen Transformator zu Einkopplung des Gegenstörsignals in das Gesamtsystem.
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist der Störprädiktor derart eingerichtet, zumindest eine Reglerinformation einer Vorrichtung zur Regelung des leistungselektronischen Systems als Information für eine Vorhersage der elektromagnetischen Störungen zu erfassen. Reglerinformationen können beispielsweise Betriebsgrößen, zukünftige Ansteuerungssignale, Ist- und/oder Sollwerte des leistungselektronischen Systems sein. Hierdurch kann die Vorhersage der elektromagnetischen Störungen leistungselektronischen Systems verbessert werden. Die Regelung des leistungselektronischen Systems stellt beispielsweise Ansteuerungssignale so ein, dass die Betriebsgrößen (Istgrößen) den ggf. externen Sollwerten folgen.
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung einen ersten Sensor, wobei der erste Sensor nach dem leistungselektronischen System angeordnet ist und derart eingerichtet ist, elektromagnetische Störungen des leistungselektronischen Systems zu erfassen und der Störprädiktor derart eingerichtet ist, die an dem ersten Sensor erfassten Störungen des leistungselektronischen Systems als Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störungen zu erfassen. Die Beobachtung der Störungen an dem ersten Sensor hat den Vorteil, dass der Störprädiktor das System kennenlernt und aufgrund charakteristischer Änderungen in den Störungen die zukünftigen Störungen vorhersagen kann. Ein Abgleich mit den späteren, tatsächlich aufgetretenen Störungen (aus erstem Sensor) ermöglicht eine Optimierung der Vorhersagestrategie mit der Zeit. Der Störprädiktor kann sich an das reale System adaptieren.
• Durch die sukzessive Optimierung der Vorhersageparameter können Änderungen des Gesamtsystems kompensiert werden. Beispielsweise kann dadurch auf eine Temperaturdrift, auf Alterung oder geänderte Impedanzbedingungen durch das Zu- oder Wegschalten von externen Komponenten reagiert werden.
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst der erste Sensor ein Entkoppelelement, wobei das Entkoppelelement zumindest einen Kondensator und/oder eine Spule umfasst und derart eingerichtet ist, den ersten Sensor von dem Injektor und dem Gegenstörsystem zu entkoppeln. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Sensor nur geringfügig durch den Injektor oder das Gegenstörsystem beeinflusst wird. Je nach Injektorkonzept und Impedanzverhältnis der Störsenke und der Leistungselektronik können hierfür Kondensatoren und/oder Spulen eingesetzt werden.
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung, wobei die Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung zwischen dem ersten Sensor und dem Störprädiktor angeordnet ist und derart eingerichtet ist, die Vorhersage einer elektromagnetischen Störung des Störprädiktors durch Evaluierung einer durch den ersten Sensor erfassten aufgetretenen Störung des leistungselektronischen Systems anzupassen. Unter der Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung kann insbesondere ein Optimierer verstanden werden, der die Vorhersage optimiert.
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist der Gegenstörsynthetisierer derart eingerichtet, mittels Syntheseparametern angepasst zu werden, das digitale Gegenstörsystem umfasst einen zweiten Sensor, wobei der zweite Sensor hinter dem Injektor angeordnet ist und derart eingerichtet ist, nach der Einkopplung des synthetisierten Gegenstörsignals verbleibende elektromagnetische Reststörungen zu erfassen, das digitale Gegenstörsystem eine Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals umfasst, wobei die Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals zwischen dem zweiten Sensor und dem Gegenstörsynthetisierer angeordnet ist und derart eingerichtet ist, die von dem zweiten Sensor erfassten elektromagnetische Reststörungen als Syntheseparameter für den Gegenstörsynthetisierer bereitzustellen und den Gegenstörsynthetisierer mittels der Syntheseparameter anzupassen. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Reststörungen am zweiten Sensor somit als Feedback verwendet werden können, um die Syntheseparameter für das Gegenstörsignal zu optimieren. Reststörungen sollen dabei minimiert werden. Diese Optimierung umfasst beispielsweise die Kompensation von Zeitkonstanten oder Übertragungsfunktionen oder die Korrektur des Injektionszeitpunkts, damit Störungen und Gegenstörungen möglichst gleichzeitig auftreten (Kompensation von Signallaufzeiten).
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung zumindest einen Analog-Digital-Wandler und/oder einen Digital-Analog-Wandler zur Kopplung des digitalen Gegenstörsystems mit dem Gesamtsystem.
• Gemäß einem weiteren Aspekt wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen von leistungselektronischen Systemen gelöst, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:
1. a) Bereitstellen einer Vorrichtung zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen von leistungselektronischen Systemen nach Anspruch 1,
2. b) Erfassen von zumindest einer Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störung mittels des Störprädiktors,
3. c) Vorhersagen einer elektromagnetischen Störung mittels des Störprädiktors,
4. d) Synthese eines passenden Gegenstörsignals mittels des Gegenstörsynthetisierers, wobei der Gegenstörsynthetisierer ein Gegenstörsignal auf Grundlage der Vorhersage der elektromagnetischen Störung synthetisiert,
5. e) Einkoppeln des Gegenstörsignals in das Gesamtsystem mittels des Injektors, wobei die Einkopplung in einem für eine maximale destruktive Interferenz mit der Störung richtigen Zeitpunkt erfolgt.
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Schritt des Erfassens von zumindest einer Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störung mittels des Störprädiktors, zusätzlich einen der folgenden Schritte:
• f) Erfassen von zumindest einer Reglerinformation einer Vorrichtung zur Regelung des leistungselektronischen Systems mittels des Störprädiktors als Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störung oder die Vorrichtung einen ersten Sensor umfasst, wobei der erste Sensor nach dem leistungselektronischen System angeordnet ist, und das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
• g) Erfassen einer elektromagnetischen Störung des leistungselektronischen Systems mittels des ersten Sensors als Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störung.
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Vorrichtung eine Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung, und das Verfahren umfasst den folgenden zusätzlichen Schritt:
• h) Anpassen der Vorhersagen einer elektromagnetischen Störung mittels der Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung durch Evaluierung einer durch den ersten Sensor erfassten, aufgetretenen elektromagnetischen Störung des leistungselektronischen Systems.
• In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Vorrichtung einen zweiten Sensor, wobei der zweite Sensor hinter dem Injektor angeordnet ist und das Verfahren umfasst die folgenden zusätzlichen Schritte:
• i) Erfassen einer verbleibenden Reststörung nach der Einkopplung des Gegenstörsignals in das Gesamtsystem mittels des zweiten Sensors, der Gegenstörsynthetisierer mittels Syntheseparametern angepasst werden kann, das digitale Gegenstörsystem eine Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals umfasst, das Verfahren die folgenden zusätzlichen Schritte umfasst:
• j) Bereitstellen von Syntheseparametern für den Gegenstörsynthetisierer auf Grundlage der mittels des zweiten Sensors erfassten, verbleibenden Reststörungen mittels der Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals,
• k) Anpassen des Gegenstörsynthetisierers auf Grundlage der Syntheseparametern.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen von leistungselektronischen Systemen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 2 ein Schaltbild einer Leistungsfaktorkorrektur mit Stromnetznachbildung gemäß dem Stand der Technik,
• 3 ein Ersatzschaltbild zur Berechnung der Gegentaktstörung gemäß dem Stand der Technik,
• 4 typische Kurvenverläufe einer CCM Boost PFC gemäß dem Stand der Technik,
• 5 zwei Diagramme eines Störspektrums gemäß dem Stand der Technik,
• 6 zwei Diagramme eines Gleichtaktspektrums gemäß dem Stand der Technik,
• 7 ein Diagramm eines periodischen PWM-Signals,
• 8 drei Diagramme bezüglich der Erzeugung eines modulierten Sinussignals zur Gegenstörung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 9 zwei Diagramme von Betrag und Phase von Spektren,
• 10 ein Diagramm der verbleibenden Störspektren an der Störsenke,
• 11 ein Diagramm der verbleibenden Störspektren an der Störsenke für drei Kompensationsfaktoren,
• 12 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen mithilfe synthetisierter, modulierter Gegenstörsignale gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 13 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen mithilfe synthetisierter, zeitveränderlicher PWM-Signale gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Zur Behebung der oben genannten Probleme wird die Störauslöschung mithilfe einer Vorrichtung zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen 2 in leistungselektronischen Systemen 1 vorgenommen. Die 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen 2 in leistungselektronischen Systemen 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• In 1 ist zunächst ein leistungselektronisches System 1 gezeigt, wobei das leistungselektronische System 1 zur Vereinfachung mit nur zwei Klemmen (ein Tor/Port) dargestellt ist. Das leistungselektronische System 1 kann aber grundsätzlich beliebig viele Klemmen/Tore/Ports aufweisen. Das leistungselektronisches System 1 ist die Quelle von elektromagnetischen Störungen 2. Das leistungselektronische System 1 umfasst weiter eine Vorrichtung zur Regelung des leistungselektronischen Systems 4. Die Vorrichtung 4 stellt beispielsweise Ansteuerungssignale 5 so ein, dass die Betriebsgrößen 6 (Istgrößen) den ggf. externen Sollwerten 7 folgen. Beispielsweise kann eine externe Vorgabe die Drehfrequenz des Rotors eines Motors sein, wobei die Regelung auf diese Frequenz durch Einstellen der Ansteuerungssignale 5 für die Leistungshalbleiter erfolgt. Weitere Beispiele für externe Vorgaben sind z.B. das Drehmoment bei Motorwechselrichtern oder Ausgangsspannungen bei DC/DC-Wandlern.
• Weiter ist in 1 eine Störsenke 21 gezeigt. Sie bildet das elektromagnetische Umfeld des Geräts oder Gesamtsystems, z.B. den Kabelbaum in einem Kraftfahrzeug. Dabei gilt es zu verhindern, dass die vom leistungselektronisches System 1 erzeugten Störungen 2 an der Störsenke 21 ankommen. Um dies zu verhindern, ist ein digitales Gegenstörsystem 3 vorgesehen, wobei das digitale Gegenstörsystem 3 zumindest einen Störprädiktor 12 und einen Gegenstörsynthetisierer 13 umfasst. Das Gegenstörsystem 3 kann auf beliebig viele Klemmen/Tore/Ports angewendet werden. Der Störprädiktor 12 ist dabei derart eingerichtet, Informationen 22, 23 für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störungen 2 eines leistungselektronischen Systems 1 zu erfassen, eine Vorhersage der elektromagnetischen Störung 2 zu erstellen und an den Gegenstörsynthetisierer 13 zu übermitteln. Der Störprädiktor 12 liefert somit Vorhersagen der Störungen 2 in Echtzeit. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Vorhersage mittels Parameter angepasst werden kann. In einem Ausführungsbeispiel können Reglerinformationen 22 (beispielsweise Betriebsgrößen 6), zukünftige Ansteuerungssignale 5 und/oder Sollwerte 7 für die Vorhersage verwendet werden.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung einen ersten Sensor 8. Der erste Sensor 8 ist dabei nach dem leistungselektronischen System 1 angeordnet und derart eingerichtet, elektromagnetische Störungen 2 des leistungselektronischen Systems 1 zu erfassen. Der Störprädiktor 12 erfasst anschließend die vom ersten Sensor 8 erfassten elektromagnetischen Störungen 2 als Information 23 für eine Vorhersage der elektromagnetischen Störungen 23. Zwischen dem ersten Sensor 8 und dem Störprädiktor 12 ist in einem Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage der elektromagnetischen Störung 10 angeordnet. Die Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage der elektromagnetischen Störung 10 dient dazu, die Vorhersage einer elektromagnetischen Störung 2 des Störprädiktors 12 durch Evaluierung einer durch den ersten Sensor 8 erfassten aufgetretenen Störung 2 des leistungselektronischen Systems 1 anzupassen. Der erste Sensor 8 kann beispielsweise mittels eines Analog-Digital-Wandlers 9 an die Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung 10 angepasst werden. Der erste Sensor 8 und die Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung 10 werden somit dazu verwendet, um die tatsächlich auftretenden Störungen 2 zu beobachten. Diese Information kann genutzt werden, um die Vorhersagestrategie des Störprädiktors 12 mit der Zeit zu verbessern. Der Störprädiktor 12 adaptiert sich somit an das reale System. Der Gegenstörsynthetisierer 13 synthetisiert anschließend ein passendes Gegenstörsignal 14 auf Grundlage der Vorhersage der elektromagnetischen Störung des Störprädiktors 12. Der Gegenstörsynthetisierer 13 kann beispielsweise mittels Syntheseparametern angepasst werden. Hierfür umfasst das digitale Gegenstörsystem 3 einen zweiten Sensor 17. Der zweite Sensor 17 ist hinter dem Injektor 16 angeordnet und erfasst die nach der Einkopplung des Gegenstörsignals 14 verbleibenden elektromagnetischen Reststörungen 19. Das digitale Gegenstörsystem 3 umfasst in einem Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals 20, wobei die Vorrichtung 20 zwischen dem zweiten Sensor 17 und dem Gegenstörsynthetisierer 13 angeordnet ist. Die Vorrichtung 20 stellt die vom zweiten Sensor 17 erfassten elektromagnetische Reststörungen 19 als Syntheseparameter für den Gegenstörsynthetisierer 13 bereit, um den Gegenstörsynthetisierer 13 mittels der Syntheseparameter anzupassen. Diese Form der Optimierung umfasst beispielsweise die Kompensation von Zeitkonstanten und Übertragungsfunktionen und die Korrektur des Injektionszeitpunkts, damit Störungen und Gegenstörungen möglichst gleichzeitig auftreten, wodurch Signallaufzeiten kompensiert werden. Der Injektor 16 koppelt das synthetisierte Gegenstörsignal 14 zeitrichtig in ein zu entstörendes Gesamtsystem ein. Dies kann beispielsweise durch Kondensatoren, Spulen und/oder Transformatoren erfolgen.
• In einem Ausführungsbeispiel kann eine Anpassung der Störvorhersage durch Evaluierung der tatsächlich aufgetretenen elektromagnetischen Störungen 2 erfolgen. Dies kann beispielsweise aufgrund einer Vorhersage auf Grundlage der Ansteuerungssignale 5, Betriebsgrößen 6 und/oder Sollwerte 7 des leistungselektronischen Systems 1 erfolgen. Auch kann eine Vorhersage aufgrund eines vorhergehenden Betriebs des leistungselektronischen Systems 1 erfolgen.
• In verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Störprädiktor 12 als auch der Gegenstörsynthetisierer 13 beispielsweise auf Grundlage von Schaltungssimulationen, Netzwerktheorien (z.B. Mehrtortheorie), abstrahierten/mathematischen Modellen und Übertragungsfunktionen implementiert werden. Weitere Möglichkeiten der Implementierung des Störprädiktors sind beispielsweise (adaptive) FIR-Filter, (adaptive) IIR-Filter, (adaptive) Kerbfilter (ggf. mehrere parallelisiert), und auch Frequenzbereichsmethoden. Der Störprädiktor kann beispielsweise auch mittels künstlicher Intelligenz beispielsweise mittels neuronaler Netze implementiert werden.
• In verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Optimierung der Vorhersageparameter für die Störungen als auch die Optimierung der Syntheseparameter für das Gegenstörsignal auf Grundlage von Least-Mean-Squares-Algorithmen, Regression, Suchalgorithmen, Heuristik, genetische Algorithmen, Partikelschwarmoptimierung oder auch Gradientenabstiegsverfahren implementiert werden.
• Für ein konkretes Anwendungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden eine sogenannte Leistungsfaktorkorrektur betrachtet. Eine Leistungsfaktorkorrektur 26 (englisch: Power Factor Correction, PFC) ist eine typische Eingangsstufe von Geräten, welche am Stromnetz betrieben werden. Die PFC sorgt durch geeignete Regelkreise für eine Stromentnahme, welche die gleiche Kurvenform und Phasenlage wie die Netzspannung besitzt. Dadurch kommt es zu einer Minimierung der Blind- und Verzerrungsleistung und zu einer Maximierung des namensgebenden Leistungsfaktors. Der Ausgang der PFC ist in der Regel eine Gleichspannung.
• In PFCs werden üblicherweise hochfrequent schaltende Transistoren eingesetzt. Diese Schaltvorgänge sorgen für elektromagnetische Störungen, welche sich sowohl leitungsgebunden als auch abgestrahlt ausbreiten können. Durch diese Störsignale können andere Geräte in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Beispielsweise Rundfunk- und Kommunikationssysteme stellen typische Störsenken dar.
• Bei der beschriebenen PFC handelt es sich um eine Schaltung, bei welcher sich die Störungen im Verlauf einer Netzperiode ändern. Damit liegt (bezogen auf eine Netzperiode) kein stationärer Zustand vor. Dieser Umstand muss bei der Signalsynthese geeignet berücksichtigt werden, um eine erfolgreiche Entstörung zu ermöglichen.
• Für die grundsätzlichen Betrachtungen wird von einer Continuous Conduction Mode (CCM) Boost PFC mit eingangsseitigem Brückengleichrichter ausgegangen, welche in vielen Geräten eingesetzt wird. Die Betrachtungen sind grundsätzlich auch auf andere Topologien übertragbar, welche ähnliche Variationen der Störungen aufweisen. Die betrachtete CCM Boost PFC ist in 2 dargestellt. Das Stromnetz liefert eine Wechselspannung u_Netz(t) mit einer Frequenz von f_Netz (Netzperiode T_Netz = 1/f_Netz) und einem Spitzenwert Û_Netz zwischen den Klemmen L und N. Für eine Betrachtung der leitungsgebundenen Störungen der PFC wird eine Stromnetznachbildung 25 eingebracht. Diese stellt eine definierte Abschlussimpedanz für die Störungen dar. Hier werden die Gegentaktstörungen u_DM(t) (Differential Mode, DM) betrachtet, welche sich zwischen den Versorgungsleitungen (L und N) ausbilden. Das Verfahren ist jedoch ebenfalls auf die anderen Störmodi übertragbar (beispielsweise Gleichtaktstörungen, Störungen auf einzelnen Leitungen gegenüber PE, abgestrahlte Störungen). Es wird hier eine PFC betrachtet, welche nur aus einer Phase des Stromnetzes gespeist wird. Das hier dargestellte Verfahren lässt sich jedoch ebenfalls auf mehrphasige Topologien übertragen. Nach der Stromnetznachbildung 25 folgt die Leistungsfaktorkorrektur 26. Die PFC verfügt eingangs über einen Brückengleichrichter, welcher die gleichgerichtete Netzspannung |u_Netz | (t) erzeugt. Dahinter ist ein konventioneller Hochsetzsteller (Boost Converter, daher Boost PFC) im CCM verbaut, wobei L die Speicherdrossel und C einen Stützkondensator darstellen. Am Ausgang ist ebenfalls ein Stützkondensator vorgesehen. Am Ausgang liegt die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK an. Das periodische Ein- und Ausschalten des Transistors mit der Schaltfrequenz f_PWM (T_PWM = 1/f_PWM) sorgt für das PWM-Signal u_PWM(t). Die PFC umfasst üblicherweise zwei Regelkreise, welche das Tastverhältnis des schaltenden Transistors einstellen. Der erste Regelkreis sorgt für eine konstante Ausgangsspannung am Zwischenkreis U_ZK. Der zweite Regelkreis sorgt für eine sinusförmige und phasenrichtige Stromentnahme aus dem Stromnetz. Das zeitlich veränderliche Tastverhältnis d(t) wird dabei im Wesentlichen durch den Spannungsregelkreis bestimmt, welcher sich aus dem Spannungsübersetzungsverhältnis des Hochsetzstellers ergibt: $$d\left(t\right)=1-\frac{\left|u_{\text{Netz}}\left(t\right)\right|}{U_{\text{ZK}}}$$

  
• Das Tastverhältnis ist hier so definiert, dass der Transistor für die Zeit t_ON = d(t)/ f_sw eingeschaltet ist. Daher ist die Spannung u_PWM über diesen Zeitraum idealerweise 0 V. Der Stromregelkreis sorgt für eine geringfügige Änderung dieses Tastverhältnisses. Daher wird dieser in der Betrachtung der Störemission vernachlässigt.
• Typische Kurvenverläufe sind in 4 dargestellt (zur Veranschaulichung wurde eine sehr geringe Schaltfrequenz gewählt). Die Netzspannung u_Netz(t) wird gleichgerichtet, woraus die Spannung |u_Netz | (t) resultiert. Aus (1) folgt der Verlauf für das Tastverhältnis d(t). Zur Generierung des Ansteuerungssignals des Transistors wird das Tastverhältnis mit einem Sägezahnsignal x(t) verglichen. Ist das Sägezahnsignal unterhalb der Kurve für das Tastverhältnis, wird der Transistor eingeschaltet. Daher ist die Spannung u_PWM(t) idealerweise bei 0 V. Ist das Sägezahnsignal oberhalb des Tastverhältnisses, wird der Transistor ausgeschaltet und u_PWM(t) entspricht idealerweise der Zwischenkreisgleichspannung U_ZK.
• Zur Beschreibung der Gegentaktstörungen u_DM(t) wird das vereinfachte Ersatzschaltbild entsprechend 3 betrachtet, in welchem die Induktivitäten und Kapazitäten der Stromnetznachbildung als respektive unendlich groß bzw. unendlich klein angenommen werden. Der Brückengleichrichter dämpft die hochfrequenten Störungen nur geringfügig und kann daher vernachlässigt werden. Wird das oben beschriebene, ideale Schaltverhalten des Transistors angenommen, können der Transistor, die Diode und der Zwischenkreiskondensator durch eine PWM-Spannungsquelle abgebildet werden.
• Zuerst werden die Störungen an der Bordnetznachbildung bestimmt. Dazu wird die Gegenstörquelle u_Anti(t) konstant auf 0 V gesetzt. Die Übertragungsfunktion von der Störquelle U_PWM(f) zur Störsenke U_DM(f) ist durch (2) definiert. Damit lässt sich das Spektrum der Gegentaktstörungen mithilfe von (3) aus dem Spektrum des PWM-Signals U_PWM(f) der schaltenden Transistoren berechnen. $$H_{\text{St}\ddot{\text{o}}\text{r}}\left(f\right)=\frac{R}{2R-2R{\left(2\pi f\right)}^{2}LC+j2\pi fL}$$

  

  $$U_{\text{DM}}\left(f\right)=H_{\text{St}\ddot{\text{o}}\text{r}}\left(f\right)\cdot U_{\text{PWM}}\left(f\right)$$

  
• Das Spektrum U_PWM(f) kann beispielsweise mithilfe einer schnellen Fourier-Transformation aus u_PWM(t) gewonnen werden. Dieses Störspektrum ist für die ersten zehn Schaltharmonischen in 5 (oben) dargestellt (hier wurde eine übliche Schaltfrequenz gewählt). Wird das Störspektrum beispielsweise bei der ersten Harmonischen genauer betrachtet (5 unten), kann die Modulation der Harmonischen mit der doppelten Netzfrequenz (doppelte Netzfrequenz aufgrund der Gleichrichtung) erkannt werden. Um die eigentliche Schaltharmonische bilden sich damit Seitenbandharmonische mit einem Abstand von 2f_Netz aus. Wenn keine perfekte Symmetrie der positiven und negativen Halbwelle vorliegt, treten auch Seitenbandharmonische mit einem Abstand der einfachen Netzfrequenz f_Netz auf.
• Das Spektrum der Gegentaktstörungen U_DM(f), welches mithilfe von (3) ermittelt wurde, ist in 6 Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. dargestellt. Die Gegentaktstörungen U_DM(f) sind geringer als das PWM-Signal der schaltenden Transistoren U_PWM(f) (vergleiche 5), da die Speicherdrossel L und der Stützkondensator C für eine erste Tiefpassfilterung sorgen. Der qualitative Verlauf bezüglich der Seitenbandharmonischen (6 unten) ist jedoch weitestgehend unverändert.
• Soll das Spektrum aus 6 durch ein aktiv injiziertes Gegenstörsignal ausgelöscht werden, bestehen mehrere Möglichkeiten.
• Die erste Methode stellen aktive Filter dar, welche das Gegensignal direkt aus gemessenen Störungen erzeugen. Da es hierbei zu unvermeidlichen Verzögerungszeiten kommt, ist die Effektivität des Verfahrens (insbesondere bei hohen Frequenzen) jedoch begrenzt.
• Es ist möglich, für jede Schaltharmonische ein Sinussignal zu erzeugen, welches durch adaptive Strategien in Amplitude und Phase nachgeregelt wird. Dieses Verfahren hat bei stationären Störungen zu einer deutlichen Verbesserung gegenüber aktiven Filtern geführt, da kein systematisch verzögerter Signalpfad vorliegt. Weitere unerwünschte Effekte wie Betrags- und Phasengänge konnten durch eine Anpassung der Amplituden und Phasen der generierten Sinussignale behoben werden. Bei diesem Verfahren ist eine Bewertung der resultierenden Störungen als Gütekriterium notwendig. Da hierbei nur auf bereits entstandene Störungen reagiert wird, liegt auch hier eine systematische Verzögerungszeit vor, die in dieser Anwendung ebenfalls für eine Einschränkung der Effektivität sorgt. Verfahren zur „Vorsteuerung“ bei Kenntnis der kommenden Schaltmuster wurden im Stand der Technik erwähnt, jedoch nicht in der technischen Umsetzung für den Anwendungsfall einer PFC beschrieben.
• Sollte die PFC auf das Stromnetz synchronisiert sein und sich das Schaltmuster periodisch mit der Netzfrequenz wiederholen, ist es möglich, für jede Schalt- und Seitenbandharmonische ein Sinussignal zu erzeugen und in Amplitude und Phase so einzustellen, dass die entsprechenden Spektralfrequenzen ausgelöscht werden. Diese Methode ist jedoch als (zeit-)aufwändig einzuschätzen, da die Anzahl an störenden Spektralfrequenzen durch die Seitenbandharmonischen sehr hoch ist. Ebenfalls sorgt die Synchronisation der PFC auf das Stromnetz und die Forderung eines mit der Netzfrequenz periodischen PWM-Signals für weiteren Aufwand.
• Zur Behebung der oben genannten Probleme wird die Störauslöschung in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mithilfe eines prädiktiv modulierten Sinussignals beschrieben. Zur Illustration wird die Fourier-Reihe eines periodischen PWM-Signals wie in 7 gezeigt betrachtet.
• Es werden die bekannten Formeln zur Fourier-Reihe (4)-(6) angesetzt und nach kurzer Rechnung folgen die Fourier-Koeffizienten nach (7) und (8). $$ƒ\left(a\right)=a_{\text{k}}\cdot c_{\boxed{?}}s\left(ka\right)+b_k\cdot \text{sin}\left(ka\right)$$

  

  $$a_{\text{k}}=\frac{1}{\pi }\cdot {\displaystyle {\int }_0^{2\pi }f\left(a\right)}\cdot c\boxed{?}s\left(ka\right)da$$

  

  $$b_{\text{k}}=\frac{1}{\pi }\cdot {\displaystyle {\int }_0^{2\pi }f\left(a\right)}\cdot \text{sin}\left(ka\right)da$$

  

  $$a_{\text{k}}=-\frac{A}{\pi k}\cdot \text{sin}\left(2\pi d\cdot k\right)$$

  

  $$b_{\text{k}}=\frac{A}{\pi k}\cdot \left[c\boxed{?}s\left(2\pi d\cdot k\right)-1\right]$$

  
• Die Formeln (7) und (8) können dabei auf das zeitlich veränderliche Tastverhältnis d(t) aus 4 angewendet werden. Es folgen damit zeitlich veränderliche Fourier-Koeffizienten a_k(t) und b_k(t). Mithilfe von (4) lässt sich damit ein moduliertes Sinussignal u_mod,k(t) synthetisieren. Wird das Sägezahnsignal aus 4 Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. zur Generierung dieses Sinussignals verwendet, ist das Signal synchron zum störenden PWM-Signal. Für die erste Schaltharmonische (k = 1) folgen die Verläufe entsprechend 8 (zur Besserung Anschaulichkeit wurde eine geringe (Schalt-)Frequenz für das Sägezahn- bzw. PWM-Signal gewählt).
• Werden die Spektren des PWM-Signals U_PWM(f) und des modulierten Sinussignals U_mod1(f) verglichen, kann im Frequenzbereich der ersten Schaltharmonischen eine hohe Übereinstimmung festgestellt werden dies ist in 9 gezeigt. Damit ist das modulierte Sinussignal grundsätzlich dazu geeignet, die elektromagnetischen Störungen der PFC zu unterdrücken.
• Bei der Injektion des modulierten Gegenstörsignals ist noch auf die systemtheoretischen Zusammenhänge einzugehen. Die Signale, welche ausgelöscht werden müssen, sind die Gegentaktstörungen U_DM(f). Das Signal U_PWM(f) darf nicht ausgelöscht werden, da es für die Funktion der PFC benötigt wird. Zusätzlich existiert nicht nur eine Übertragungsfunktion für die Gegentaktstörungen H_Stör(f), sondern ebenfalls eine Übertragungsfunktion für die Injektion H_Anti(f), welche die Abbildung von U_Anti(f) auf U_DM(f) beschreibt. Diese Einflüsse sind zu berücksichtigen, um das korrekte Signal u_Anti(t) aus u_mod,k(t) zu ermitteln. Die Übertragungsfunktion H_Anti(f) ergibt sich aus 4, indem die Störquelle u_PWM(t) auf konstant 0 V gesetzt wird: $$H_{\text{Anti}}\left(f\right)=\frac{{\left(2\pi f\right)}^{2}LCR-R}{2R-2{\left(2\pi f\right)}^{2}LCR+j2\pi fL}$$

  
• Nach dem Superpositionsprinzip gilt für die resultierenden Gegentaktstörungen U_res(f) der Zusammenhang entsprechend (10). Für eine vollständige Auslöschung der Störungen (U_res (f) = 0) gilt (11). $$U_{\text{res}}\left(f\right)=H_{\text{St}\ddot{\text{o}}\text{r}}\left(f\right)\cdot U_{\text{PWM}}\left(f\right)+H_{\text{Anti}}\left(f\right)\cdot U_{\text{Anti}}\left(f\right)$$

  

  $$U_{\text{Anti}}\left(f\right)=-\frac{H_{\text{St}\ddot{\text{o}}\text{r}}\left(f\right)\cdot U_{\text{PWM}}\left(f\right)}{H_{\text{Anti}}\left(f\right)}$$

  
• Das Gegenstörsignal U_Anti(f) soll für jede Schaltharmonische (und ihre Seitenbandharmonischen) aus dem modulierten Sinussignal U_mod,k(f) erzeugt werden. Zur Kompensation der Übertragungsfunktionen H_Stör(f) und H_Anti(f) muss das modulierte Sinussignal U_mod,k(f) durch einen konstanten Faktor |X_komp,k| und eine konstante Phasendrehung ∠X_komp,k(f) angepasst werden. In komplexwertiger Schreibweise folgt (12). $$U_{\text{Anti}}\left(f\right)=X_{\text{komp},\text{k}}\cdot U_{\text{mod},\text{k}}\left(f\right)$$

  
• Soll nun die k-te Schaltharmonische ausgelöscht werden (f = kf_PWM), können (11) und (12) kombiniert werden und es folgt (13). $$X_{\text{komp},\text{k}}\cdot U_{\text{mod},\text{k}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)=-\frac{H_{\text{St}\ddot{\text{o}}\text{r}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)\cdot U_{\text{PWM}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)}{H_{\text{Anti}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)}$$

  
• Damit folgt für den konstanten Kompensationsfaktor X_komp,k der Zusammenhang aus (14). $$X_{\text{komp},\text{k}}=-\frac{H_{\text{St}\ddot{\text{o}}\text{r}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)\cdot U_{\text{PWM}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)}{H_{\text{Anti}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)\cdot U_{\text{mod},\text{k}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)}$$

  
• Dies sorgt dafür, dass die Schaltharmonische bei der Spektralfrequenz kf_PWM ideal ausgelöscht wird. Jedoch gelten für die Seitenbandharmonischen in diesem Frequenzbereich geringfügig andere Kompensationsfaktoren, weshalb die Entstörung für diese eingeschränkt ist. Wird nun angenommen, dass U_PWM(kf_PWM) = U_mod,k(kf_PWM) gilt (vergleiche 9), folgt (15). $$X\text{'}{\text{'}}_{\text{komp},\text{k}}=-\frac{H_{\text{St}\ddot{\text{o}}\text{r}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)}{H_{\text{Anti}}\left(k{f}_{\text{PWM}}\right)}$$

  
• Wenn dieser Kompensationsfaktor angesetzt wird, wird die Schaltharmonische bei der Spektralfrequenz kf_PWM schlechter eliminiert. Die Seitenbandharmonischen werden jedoch besser unterdrückt. Dieser Umstand ist in 10 illustriert.
• Es ist ersichtlich, dass eine Anpassung zwischen den beiden Kompensationsfaktoren X_komp,k und X"_komp,k gefunden werden kann, wodurch die Schalt- und Seitenbandharmonischen gleichmäßiger unterdrückt werden. Als Beispiel wird das arithmetische Mittel zwischen den Kompensationsfaktoren $X_{\text{komp},\text{k}}^{\text{Mittel}}$

  

  betrachtet. Das Ergebnis ist in 11 dargestellt. Der gemittelte Kompensationsfaktor sorgt für eine gleichmäßigere Unterdrückung der Schalt- und Seitenbandharmonischen. Weitere Anpassungen sind hier möglich. Zusätzlich ist bei der Anpassung noch die übliche Messbandbreite von 9 kHz zu berücksichtigen.
• In 12 ist eine mögliche Realisierung eines Ausführungsbeispiel der Erfindung mit digitaler Signalverarbeitungshardware dargestellt. Die wesentlichen Eingangsgrößen sind das Sägezahnsignal x(t), die Netzspannung u_Netz(t) und die Zwischenkreisgleichspannung U_ZK. Entsprechend 4 ergibt sich daraus das PWM-Signal u_PWM(t) der PFC. Dieses bildet sich durch die Übertragungsfunktion H_Stör(f) auf die Senken ab. Für den Zeitbereich wird diese Übertragungsfunktion als Impulsantwort h_Stör(t) dargestellt. Das modulierte Gegenstörsignal u_mod,k(t) wird aus den Eingangsgrößen entsprechend (4), (7) und (8) synthetisiert. Sollte es zu Verzögerungen in der Synthese oder Injektion des Signals kommen, kann das Signal auch durch prädiktive Verfahren früher erzeugt werden. Damit kann die Synchronizität der Störungen und Gegenstörungen sichergestellt werden. Die Amplitude und Phase des modulierten Gegenstörsignals werden durch den komplexen Kompensationsfaktor X_komp,k angepasst. Die Übertragungsfunktion H_Anti(f) wird hier ebenfalls als Impulsantwort h_Anti(t) dargestellt. Die Überlagerung der Störungen und Gegenstörungen resultiert in den verbleibenden Störungen u_res (t) . Zur Findung des passenden Kompensationsfaktors X_komp,k gibt es mehrere Möglichkeiten. Grundsätzlich kann die Anpassung durch das Gegenstörsystem selbst oder durch einen externen Trainer durchgeführt werden. Die Anpassungen können dabei zeitkontinuierlich, in Intervallen oder auch zu einmaligen/einzelnen Zeitpunkten durchgeführt werden. Eine Möglichkeit ist der Einsatz eines Optimierers, der die Amplitude und Phase zur Minimierung der verbleibenden Störungen u_res(t) anpasst. Zur Realisierung kann hierbei beispielsweise die Theorie zu den schmalbandigen adaptiven Filtern angewandt werden. Erfolgt die Anpassung zeitkontinuierlich, kann das adaptive Verfahren zusätzlich die Signalform anpassen. Es ist ebenfalls möglich, die Kompensationsfaktoren durch eine analytische Berechnung (wie im vorhergehenden Kapitel angedeutet) zu ermitteln. Als digitale Hardware eignen sich je nach Verfahren und Algorithmus FPGAs, DSPs, Mikrocontroller oder auch speziell entwickelte ASICs.
• In 13 ist eine weitere mögliche Realisierung eines Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine breitbandige Unterdrückung mithilfe synthetisierter, zeitveränderlicher PWM-Signale gezeigt. Für eine breitbandige Unterdrückung kann die digitale Struktur aus 12 Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. für jede zu betrachtende Schaltharmonische implementiert werden. Hierbei kann sich jedoch ein hoher Ressourcenaufwand für die digitale Hardware ergeben. Alternativ kann das breitbandige Signal u_PWM(t) im digitalen System prädiktiv synthetisiert werden. Dies ist notwendig, da eine einfache Messung des Signals u_PWM(t) für eine systematische Verzögerungszeit sorgen würde, welche die Effektivität des Verfahrens einschränkt. Die Synthese kann analog zu 4 Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. im digitalen System erfolgen. Hier kann sich ein geringerer Aufwand ergeben, wenn ein großer Frequenzbereich mit vielen Schaltharmonischen (inkl. Seitenbandharmonischen) entstört werden soll. Dieses breitbandige Signal muss nun so angepasst werden, dass die Impulsantworten h_Stör(t) und h_Anti(t) kompensiert werden. Dazu wird die Impulsantwort y_komp (t) im digitalen System implementiert. Die Realisierung kann dabei beispielsweise durch FIR- oder IIR-Filter erfolgen. Die Koeffizienten können mit den gleichen Methoden wie X_komp,k bestimmt werden. Zur Einhaltung der Kausalitätsbedingung kann u_PWM(t) auch hier prädiktiv synthetisiert werden.
• Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten Merkmale können in unterschiedler Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren, auch wenn diese zu unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben worden sind.
• Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Patentansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmalen nicht beschränkt.
• Bezugszeichenliste

1

leistungselektronisches System

2

elektromagnetische Störung

3

digitales Gegenstörsystem

4

Vorrichtung zur Regelung des leistungselektronischen Systems

5

Ansteuerungssignale

6

Betriebsgrößen

7

Sollwert

8

erster Sensor

9

Analog-Digital-Wandler

10

Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung

11

Entkoppler

12

Störprädiktor

13

Gegenstörsynthetisierer

14

Gegenstörsignal

15

Digital-Analog-Wandler

16

Injektor

17

zweiter Sensor

18

Analog-Digital-Wandler

19

Reststörungen

20

Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals

21

Störsenke

22

1. Option der Vorhersage

23

2. Option der Vorhersage

24

Analytische Berechnung

25

Stromnetznachbildung

26

Leistungsfaktorkorrektur

L

Klemme

N

Klemme

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102018001051 A1 [0006]

Claims (12)

1. Vorrichtung zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen (2) von leistungselektronischen Systemen (1) die Vorrichtung umfassend: ein digitales Gegenstörsystem (3), wobei das digitale Gegenstörsystem (3) zumindest einen Störprädiktor (12) und einen Gegenstörsynthetisierer (13) umfasst, wobei der Störprädiktor (12) derart eingerichtet ist, zumindest eine Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störungen eines leistungselektronischen Systems (1) zu erfassen (22, 23) und weiter derart eingerichtet ist, eine Vorhersage der elektromagnetischen Störung zu erstellen und an den Gegenstörsynthetisierer (13) zu übermitteln, der Gegenstörsynthetisierer (13) derart eingerichtet ist, ein passendes Gegenstörsignal (14) auf Grundlage der Vorhersage der elektromagnetischen Störung des Störprädiktors (12) zu synthetisieren, die Vorrichtung weiter zumindest einen Inj ektor (16) umfasst, wobei der Inj ektor (16) derart eingerichtet ist, das synthetisierte Gegenstörsignal (14) zeitrichtig in ein zu entstörendes Gesamtsystem einzukoppeln.
2. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (16) zumindest einen Kondensator, eine Spule und/oder einen Transformator zu Einkopplung des Gegenstörsignals in das Gesamtsystem umfasst.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störprädiktor (12) derart eingerichtet ist, zumindest eine Reglerinformation (5, 6) einer Vorrichtung zur Regelung des leistungselektronischen Systems (4) als Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störung zu erfassen (22).
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen ersten Sensor (8) umfasst, wobei der erste Sensor (8) nach dem leistungselektronischen System (1) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, elektromagnetische Störungen (2) des leistungselektronischen Systems (1) zu erfassen und der Störprädiktor (12) derart eingerichtet ist, die an dem ersten Sensor (8) erfassten Störungen (2) des leistungselektronischen Systems (1) als Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störungen (2) zu erfassen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (8) ein Entkoppelelement umfasst, wobei das Entkoppelelement zumindest einen Kondensator und/oder eine Spule umfasst und derart eingerichtet ist, den ersten Sensor (8) von dem Injektor (16) und dem Gegenstörsystem (3) zu entkoppeln
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung (10) umfasst, wobei die Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung (10) zwischen dem ersten Sensor (8) und dem Störprädiktor (12) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, die Vorhersage einer elektromagnetischen Störung (2) des Störprädiktors (12) durch Evaluierung einer durch den ersten Sensor (8) erfassten aufgetretenen Störung des leistungselektronischen Systems (1) anzupassen.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstörsynthetisierer (13) derart eingerichtet ist, mittels Syntheseparametern angepasst zu werden, das digitale Gegenstörsystem (3) einen zweiten Sensor (17) umfasst, wobei der zweite Sensor (17) hinter dem Injektor (16) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, nach der Einkopplung des synthetisierten Gegenstörsignals (14) verbleibende elektromagnetische Reststörungen (19) zu erfassen, das digitale Gegenstörsystem (3) eine Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals (20) umfasst, wobei die Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals (20) zwischen dem zweiten Sensor (17) und dem Gegenstörsynthetisierer (13) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, die von dem zweiten Sensor (17) erfassten elektromagnetische Reststörungen (19) als Syntheseparameter für den Gegenstörsynthetisierer (13) bereitzustellen und den Gegenstörsynthetisierer (13) mittels der Syntheseparameter anzupassen.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest einen Analog-Digital-Wandler und/oder einen Digital-Analog-Wandler zur Kopplung des digitalen Gegenstörsystems mit dem Gesamtsystem umfasst.
9. Verfahren zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen (2) von leistungselektronischen Systemen (1), das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Vorrichtung zur prädiktiven Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen (2) von leistungselektronischen Systemen (1) nach Anspruch 1, b) Erfassen von zumindest einer Information (22, 23) für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störung (2) mittels des Störprädiktors (12), c) Vorhersagen einer elektromagnetischen Störung (2) mittels des Störprädiktors (12), d) Synthese eines passenden Gegenstörsignals (14) mittels des Gegenstörsynthetisierers (13), wobei der Gegenstörsynthetisierer (13) ein Gegenstörsignal (14) auf Grundlage der Vorhersage der elektromagnetischen Störung (2) synthetisiert, e) Einkoppeln des Gegenstörsignals (14) in das Gesamtsystem mittels des Injektors (16), wobei die Einkopplung in einem für eine maximale destruktive Interferenz mit der Störung richtigen Zeitpunkt erfolgt.
10. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erfassens von zumindest einer Information (22, 23) für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störung mittels des Störprädiktors (12), zusätzlich einen der folgenden Schritte umfasst: f) Erfassen von zumindest einer Reglerinformation (22) einer Vorrichtung zur Regelung des leistungselektronischen Systems (4) mittels des Störprädiktors (12) als Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störung oder die Vorrichtung einen ersten Sensor (8) umfasst, wobei der erste Sensor (8) nach dem leistungselektronischen System (1) angeordnet ist, und das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: g) Erfassen einer elektromagnetischen Störung (2) des leistungselektronischen Systems (1) mittels des ersten Sensors (8) als Information für eine Vorhersage einer elektromagnetischen Störung.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung (10) umfasst, und das Verfahren den folgenden zusätzlichen Schritt umfasst: h) Anpassen der Vorhersagen einer elektromagnetischen Störung (2) mittels der Vorrichtung zur Anpassung der Vorhersage einer elektromagnetischen Störung (10) durch Evaluierung einer durch den ersten Sensor (8) erfassten, aufgetretenen elektromagnetischen Störung (2) des leistungselektronischen Systems (1).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zweiten Sensor (17) umfasst, wobei der zweite Sensor (17) hinter dem Injektor (16) angeordnet ist und das Verfahren die folgenden zusätzlichen Schritte umfasst: i) Erfassen einer verbleibenden Reststörung (19) nach der Einkopplung des Gegenstörsignals (14) in das Gesamtsystem mittels des zweiten Sensors (17), der Gegenstörsynthetisierer (13) mittels Syntheseparametern angepasst werden kann, das digitale Gegenstörsystem (3) eine Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals (20) umfasst, das Verfahren die folgenden zusätzlichen Schritte umfasst: j) Bereitstellen von Syntheseparametern für den Gegenstörsynthetisierer (13) auf Grundlage der mittels des zweiten Sensors (17) erfassten, verbleibenden Reststörungen (19) mittels der Vorrichtung zur Anpassung der Synthese eines passenden Gegenstörsignals (20), k) Anpassen des Gegenstörsynthetisierers (13) auf Grundlage der Syntheseparametern.

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