DE102022209648A1

DE102022209648A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters, Wechselrichter und Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102022209648A1
Application number: DE102022209648.7A
Authority: DE
Inventors: Volker Grabs; Martin Ehlich; Heiko Stichweh; Michael Kriese; Andreas TOLKSDORF; Ralf Gehrking; Andreas Burgermeister; Heiko Hartmann; Holger Borcherding; Simon Puls; Dirk Düsterberg; Urs Obernolte; Thorsten Hohnsbein
Original assignee: Lenze SE
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-03-14

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10) mit den Schritten:- Erzeugen von Ausgangsspannungen (UA, UB, UC) mit einstellbarer Frequenz und einstellbarer Amplitude aus einer Zwischenkreisspannung (UZK) mittels einer Pulsweitenmodulation, wobei zur Pulsweitenmodulation innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode der Pulsweitenmodulation Ausgangsspannungspulse mit einstellbarer Dauer erzeugt werden, und- Erzeugen von Hilfsspannungspulsen vor und/oder nach den Ausgangsspannungspulsen.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters, einen Wechselrichter und einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, die einen möglichst zuverlässigen Betrieb sicherstellen.
Das Verfahren dient zum Betreiben eines Wechselrichters, insbesondere eines herkömmlichen Wechselrichters mit beispielsweise drei Wechselrichterbrückenzweigen.
Es werden mittels des Wechselrichters herkömmlich Ausgangsspannungen mit einstellbarer Frequenz und einstellbarer Amplitude aus einer Zwischenkreis(gleich)spannung mittels einer Pulsweitenmodulation erzeugt. Zur Pulsweitenmodulation innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode der Pulsweitenmodulation werden Ausgangsspannungspulse mit einstellbarer Dauer erzeugt. Die Dauer bzw. ein zugehöriger Tastgrad innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode bestimmt die mittels der Pulsweitenmodulation erzeugte Amplitude der Ausgangsspannungen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur zu Wechselrichtern und deren Betriebsweise verwiesen. Die Ausgangsspannungen können zur Ansteuerung eines Elektromotors dienen, beispielsweise zur Ansteuerung eines Drehstrommotors.
Erfindungsgemäß werden Hilfsspannungspulse vor und/oder nach den Ausgangsspannungspulsen erzeugt. Der Hilfsspannungspuls kann eine Dauer aufweisen, die der minimal erzeugbaren Pulsdauer entspricht. Typisch entspricht diese minimale Dauer der zeitlichen Auflösung der Pulsweitenmodulation und ist der Kehrwert des Takts der Pulsweitenmodulation. Weiter können mehrere Hilfsspannungspulse erzeugt werden, d.h. nicht nur je ein Hilfsspannungspuls vor und/oder nach einem zugehörigen Ausgangsspannungspuls. Weiter könnte zusätzlich ein oder mehrere Hilfsspannungspulse auf einer anderen Motorphase ausgegeben werden.
In einer Ausführungsform wird eine Dauer der Hilfsspannungspulse und/oder ein zeitlicher Abstand zwischen den Hilfsspannungspulsen und einem zugehörigen Ausgangsspannungspuls in Abhängigkeit gewählt von: Eigenschaften einer elektrischen Leitung, die den Wechselrichter mit einem mittels des Wechselrichters angesteuerten Elektromotor elektrisch verbindet, insbesondere einer Länge der elektrischen Leitung, und/oder Eigenschaften des Elektromotors.
In einer Ausführungsform werden genau drei Ausgangsspannungen erzeugt.
In einer Ausführungsform werden die Ausgangsspannungen sinusförmig erzeugt.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter weist eine Steuereinrichtung, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, zum Steuern des Betriebs des Wechselrichters auf, die bzw. der dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter derart zu steuern, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgeführt wird.
Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter weist einen Zwischenkreisanschluss zum Anschließen des Frequenzumrichters an einen Gleichspannungszwischenkreis auf, der eine Zwischenkreisspannung führt, und/oder einen Gleichrichter auf, der zum Erzeugen der Zwischenkreisspannung aus einer Netzwechselspannung dient. Der Frequenzumrichter weist weiter einen erfindungsgemäßen Wechselrichter auf, der aus der Zwischenkreisspannung gespeist ist.
Ein Wechselrichter erzeugt eine oder mehrere frequenz- und amplitudenvariable Ausgangsspannungen, indem er eine DC-Zwischenkreisspannung pulsweitenmoduliert, d.h. blockweise ein- und ausschaltet. In der Regel wird die Länge der Blöcke bzw. Ausgangsspanungspulse für eine Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von einer einzustellenden Amplitude berechnet.
Der Wechselrichter ist typisch über ein Kabel mit Klemmen eines Elektromotors verbunden. Überschreitet die Länge des Kabels eine kritische Länge, kommt es am Ende des Kabels gemäß der Wanderwellentheorie zu einer Reflexion der mittels des Wechselrichters erzeugten Ausgangsspanungspulse. Es entsteht typisch eine gedämpfte Schwingung, die den Ausgangsspanungspulsen des Wechselrichters überlagert ist. Eine resultierende Amplitude der sich ergebenden Spannung kann dabei doppelt so groß werden wie die Amplitude der mittels des Wechselrichters erzeugten Ausgangsspanungspulse. Eine Motorisolation muss für diese hohen, auf Reflektion beruhenden Spannungen ausgelegt werden, andernfalls kommt es zu einer Schädigung der Isolierung und im Endeffekt zum Ausfall des Elektromotors.
Werden die Ausgangsspannungspulse sehr kurz, ist die Schwingung noch nicht abgeklungen, wenn ein nachfolgender Ausgangsspannungspuls erzeugt wird. Dies ist insbesondere bei einer Pulsweitenmodulation mit geringen Augenblickswerten bzw. Amplituden der Ausgangsspannung der Fall.
Beim Ausschalten entsteht wie beim Einschalten eine gedämpfte Schwingung. Wird zu einem ungünstigen Zeitpunkt ausgeschaltet, überlagert sich die Einschaltschwingung mit der Ausschaltschwingung und es entsteht eine Spannungsflanke mit der 4-fachen Höhe der Zwischenkreisspannung. Diese Flanke kann die Motorisolation schädigen, auch wenn diese bereits für die doppelte Zwischenkreisspannung ausgelegt wurde.
Werden die Elektromotoren mit Blockkommutierung betrieben, beispielsweise bei BLDC-Motoren, tritt das oben genannte Problem nicht bei niedrigen Ausgangsspannungen, sondern bei sehr hohen Drehzahlen auf. Umgekehrt tritt das Phänomen auch auf, wenn sehr hohe Ausgangsspannungen gestellt werden und die Pause sehr kurz ist.
Erfindungsgemäß wird dem eigentlichen Ausgangsspanungspuls ein sehr kurzer Hilfspuls vorgeschaltet und/oder nachgeschaltet. Die Überlagerung der Einschaltschwingungen führt in der Folge zu einer reduzierten Maximalamplitude der Gesamtschwingung. Die Amplitude der Gesamtschwingung wird deutlich reduziert. Die Spannungsbeanspruchung der Motorisolation ist daher wesentlich geringer. Diese Eigenschaft reduziert bei allen Motoren den Isolationsaufwand.
Erfindungsgemäß wird das Problem der Überspannung zwischen zwei Motorphasen vermieden. Damit wird das Risiko, dass der Einsatz von SiC oder anderen zukünftigen schnell schaltenden Leistungshalbleitern im Wechselrichter zu einer Überbeanspruchung der Motorwicklung führt, beispielsweise aufgrund von Teilentladungen, deutlich verringert. Die sehr kurzen Hilfspulse können beispielsweise mittels SiC-Halbleiterschaltmitteln oder GaN-Halbleiterschaltmitteln erzeugt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

1 hoch schematisch einen Frequenzumrichter, der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist,
2 exemplarisch eine mittels des Frequenzumrichters von 1 erzeugte Ausgangsspannung,
3 Pulsmuster zur Ansteuerung eines Wechselrichters des in 1 gezeigten Frequenzumrichters und sich ergebende Ausgangsspannungspulse für Motorphasen eines Drehstrommotors ohne erfindungsgemäße Vorspannungspulse, und
4 exemplarisch einen Ausgangsspanungspuls mit einem erfindungsgemäß vorgeschalteten Hilfsspannungspuls.

1 zeigt hoch schematisch einen Frequenzumrichter 100, der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Der Frequenzumrichter 100 kann einen Zwischenkreisanschluss 15 zum Anschließen des Frequenzumrichters 100 an einen Gleichspannungszwischenkreis aufweisen, der eine Zwischenkreisspannung UZK führt. Alternativ oder zusätzlich kann der Frequenzumrichter 100 einen Gleichrichter 1 zum selbstständigen Erzeugen der Zwischenkreisspannung UZK aus einer Netzwechselspannung UN aufweisen.
Der Frequenzumrichter weist weiter einen Wechselrichter 10 auf, der aus der Zwischenkreisspannung UZK gespeist ist.
Der Wechselrichter 10 weist eine Steuereinrichtung 11 zum Steuern des Betriebs des Wechselrichters 10 auf. Der Wechselrichter 10 weist herkömmlich drei Wechselrichterbrückenzweige mit Halbleiterschaltmitteln 14 auf. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Wechselrichter 10 kann weiter ein Register 12 aufweisen, mittels dem eine Amplitudenauflösung ΔA (siehe 2) einstellbar ist, indem ein zugehöriger Amplitudenauflösungswert in das Register 12 geschrieben wird. Die Amplitudenauflösung ΔA kann beispielsweise verringert werden, indem eine Anzahl von Bits des Amplitudenauflösungswertes maskiert wird.
Eine Steigung ΔU/Δt der Ausgangsspannungspulse APA, APB, APC kann mittels geeigneter Hardware-Maßnahmen einstellbar gestaltet sein, siehe 3.
Der Wechselrichter 10 ist herkömmlich dazu ausgebildet, an einem beispielsweise dreipoligen Ausgangsanschluss 13 drei sinusförmige Ausgangsspannungen bzw. Phasenspannungen UA, UB, UC mit einstellbarer Frequenz f und einstellbarer Amplitude A aus der Zwischenkreisspannung UZK mittels einer Pulsweitenmodulation zu erzeugen, siehe hierzu die in 2 exemplarisch dargestellte Ausgangsspannung UA. Die Ausgangsspannungen bzw. Phasenspannungen UA, UB, UC dienen herkömmlich zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors 20 über eine elektrische Leitung 30 und weisen bevorzugt im zeitlichen Mittel eine identische Frequenz f und eine identische Amplitude A auf.
Bezug nehmend auf 3 werden mittels des Wechselrichters 10 zur Pulsweitenmodulation innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode MP der Pulsweitenmodulation Ausgangsspannungspulse APA, APB, APC für Motorphasen U, V bzw. W mit einstellbarer Dauer erzeugt. In 3 oben sind die zugehörigen Impulsmuster bzw. Ansteuermuster der Brückenzweige innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode MP dargestellt und unten sind die sich ergebenden Ausgangsspannungspulse APA, APB, APC dargestellt. Ein High-Zustand des oben dargestellten Impulsmusters bezeichnet beispielsweise, dass das obere Halbleiterschaltmittel 14 des Brückenzweigs angeschaltet ist und das untere Halbleiterschaltmittel 14 des Brückenzweigs ausgeschaltet ist. Ein Low-Zustand des oben dargestellten Impulsmusters bezeichnet beispielsweise, dass das obere Halbleiterschaltmittel 14 des Brückenzweigs ausgeschaltet ist und das untere Halbleiterschaltmittel 14 des Brückenzweigs eingeschaltet ist. Insoweit sei im Übrigen auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
In 3 ist aus Darstellungsgründen lediglich eine einzelne Modulations-Periode MP der Pulsweitenmodulation dargestellt. Es versteht sich, dass auf die dargestellte Modulations-Periode MP periodisch weitere Modulations-Perioden MP folgen, gegebenenfalls mit geändertem Verlauf der Impulsmuster bzw. Ausgangsspannungspulse.
Bezug nehmend auf 4 werden erfindungsgemäß den Ausgangsspanungspulsen, hier exemplarisch dem Ausgangsspanungspuls APA, Hilfsspannungspulse VP vorgeschaltet.
Eine Dauer DVP der Hilfsspannungspulse VP und/oder ein zeitlicher Abstand ZA zwischen den Hilfsspannungspulsen VP und einem zugehörigen Ausgangsspannungspuls APA, APB, APC kann in Abhängigkeit gewählt werden von: Eigenschaften einer elektrischen Leitung 30, insbesondere von deren Länge L, und/oder elektrischen Eigenschaften des Elektromotors 20, beispielsweise einer Wicklungsimpedanz, usw.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10) mit dem Schritt: - Erzeugen von Ausgangsspannungen (UA, UB, UC) mit einstellbarer Frequenz (f) und einstellbarer Amplitude (A) aus einer Zwischenkreisspannung (UZK) mittels einer Pulsweitenmodulation, wobei zur Pulsweitenmodulation innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode (MP) der Pulsweitenmodulation Ausgangsspannungspulse (APA, APB, APC) mit einstellbarer Dauer erzeugt werden, gekennzeichnet durch den Schritt: - Erzeugen von Hilfsspannungspulsen (VP) vor und/oder nach den Ausgangsspannungspulsen (APA, APB, APC).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Dauer (DVP) der Hilfsspannungspulse (VP) und/oder ein zeitlicher Abstand (ZA) zwischen den Hilfsspannungspulsen (VP) und einem zugehörigen Ausgangsspannungspuls (APA, APB, APC) in Abhängigkeit gewählt wird von: - Eigenschaften einer elektrischen Leitung (30) zwischen dem Wechselrichter (10) und einem mittels des Wechselrichters (10) angesteuerten Elektromotor (20), insbesondere einer Länge (L) der elektrischen Leitung (20), und/oder - Eigenschaften des Elektromotors (20).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - drei Ausgangsspannungen (UA, UB, UC) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Ausgangsspannungen (UA, AB, UC) sinusförmig erzeugt werden.
Wechselrichter (10), aufweisend: - eine Steuereinrichtung (11) zum Steuern des Betriebs des Wechselrichters (10), dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter (10) derart zu steuern, dass dieser ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.
Frequenzumrichter (100), aufweisend: - einen Zwischenkreisanschluss zum Anschließen des Frequenzumrichters (100) an einen Gleichspannungszwischenkreis, der eine Zwischenkreisspannung (UZK) führt, und/oder einen Gleichrichter (1) zum Erzeugen einer Zwischenkreisspannung (UZK) aus einer Netzwechselspannung (UN), und - einen Wechselrichter (10) nach Anspruch 5, der aus der Zwischenkreisspannung (UZK) gespeist ist.