DE102022209649A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters, Wechselrichter und Frequenzumrichter - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters, Wechselrichter und Frequenzumrichter Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10) mit den Schritten:- Erzeugen von Ausgangsspannungen mit einstellbarer Frequenz und einstellbarer Amplitude aus einer Zwischenkreisspannung mittels einer Pulsweitenmodulation, wobei zur Pulsweitenmodulation innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode (MP) der Pulsweitenmodulation für jede Ausgangsspannung zugehörige Modulationspulse (MPA, MPB, MPC) mit einstellbarer Dauer erzeugt werden,- wobei in einer ersten Betriebsart (BA1) innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode (MP) der Pulsweitenmodulation die steigenden Flanken oder die fallenden Flanken von mindesten zwei Modulationspulsen (MPA, MPB, MPC) gleichzeitig erzeugt werden.

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 werden innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode der Pulsweitenmodulation für jede Ausgangsspannung bzw. jede Ausgangsspannungsphase zugehörige Modulationspulse mit einstellbarer Dauer erzeugt. Die Modulationspulse steuern hierbei typisch den Schaltzustand von Halbleiterschaltmitteln eines zugehörigen Wechselrichterbrückenzweigs des Wechselrichters. Ein Modulationspuls bewirkt beispielsweise, dass das obere Halbleiterschaltmittel des Brückenzweigs angeschaltet ist/wird und das untere Halbleiterschaltmittel des Brückenzweigs ausgeschaltet ist/wird, d.h. es wird am zugehörigen Ausgang des Brückenzweigs ein positives Zwischenkreispotential ausgegeben. Bei Abwesenheit eines Modulationspulses ist/wird das obere Halbleiterschaltmittel des Brückenzweigs ausgeschaltet und das untere Halbleiterschaltmittel des Brückenzweigs eingeschaltet, d.h. es wird am zugehörigen Ausgang des Brückenzweigs ein negatives Zwischenkreispotential ausgegeben. 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 in einer ersten Betriebsart innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode der Pulsweitenmodulation die steigenden Flanken oder die fallenden Flanken von mindesten zwei Modulationspulsen gleichzeitig erzeugt.
  • In einer Ausführungsform werden in der ersten Betriebsart innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode der Pulsweitenmodulation die steigenden Flanken oder die fallenden Flanken aller Modulationspulse gleichzeitig erzeugt.
  • In einer Ausführungsform werden genau drei Ausgangsspannungen erzeugt.
  • In einer Ausführungsform werden die Ausgangsspannungen sinusförmig erzeugt.
  • In einer Ausführungsform werden in einer zweiten Betriebsart innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode der Pulsweitenmodulation alle Modulationspulse mitten-symmetrisch bezogen auf die Modulations-Periode erzeugt.
  • In einer Ausführungsform wird die erste Betriebsart nur eingestellt, wenn die Amplituden der Ausgangsspannungen einen ersten Schwellenwert unterschreiten und/oder einen zweiten Schwellenwert überschreiten, und/oder in Zeitbereichen um einen Nulldurchgang der Ausgangsspannungen.
  • 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.
  • Für jede Motorphase werden eine Ein- und Ausschaltzeit eines Modulationspulses innerhalb der Modulations-Periode bzw. des PWM-Intervalls berechnet. Herkömmlich werden die Modulationspulse mittenzentriert bezogen auf die Modulations-Periode erzeugt. Dadurch können sehr kurze Ausgangsspannungspulse entstehen. Dies wird vermieden, wenn erfindungsgemäß die Einschaltzeiten bzw. Ausschaltzeiten der Modulationspulse synchronisiert werden, also innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode der Pulsweitenmodulation die steigenden Flanken oder die fallenden Flanken der Modulationspulse gleichzeitig erzeugt werden. Bei der nichtsynchronisierten Flanke können sich selbstverständlich aufgrund der gewünschten Motorspannung immer noch Differenzen ergeben. Die Zeitdauer der resultierenden Ausgangsspannungspulse verdoppelt sich jedoch bezogen auf ein mittenzentriertes Ansteuerschema. Grundsätzlich kann diese asymmetrische Pulsweitenmodulation im gesamten Aussteuerbereich angewendet werden. Alternativ kann die asymmetrische Pulsweitenmodulation auch auf Zeiten oder Aussteuergrade beschränkt werden, in denen kurze Pulse zwischen Phase-Phase vermehrt auftreten würden. Das sind beispielsweise kleine Aussteuergrade, alle Nulldurchgänge und alle Bereiche maximaler Amplitude der Umrichter-Ausgangsspannungen.
  • 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 von Modulationspulsen zur Ansteuerung eines Wechselrichters des in 1 gezeigten Frequenzumrichters und sich ergebende Ausgangsspannungspulse für Motorphasen eines Drehstrommotors in einer ersten Betriebsart, und
    • 4 Pulsmuster von Modulationspulsen zur Ansteuerung eines Wechselrichters des in 1 gezeigten Frequenzumrichters und sich ergebende Ausgangsspannungspulse für Motorphasen eines Drehstrommotors in einer zweiten Betriebsart.
  • 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 von Ausgangsspannungspulsen APA, APB, APC, siehe 4, kann mittels geeigneter Hardware-Maßnahmen einstellbar gestaltet sein.
  • 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.
  • 3 zeigt Pulsmuster von Modulationspulsen MPA, MPB und MPC zur Ansteuerung des Wechselrichters 10 und sich ergebende Ausgangsspannungspulse APA, APB und APC für Motorphasen des Drehstrommotors 20 in einer ersten Betriebsart BA1. Ein Impuls MPA, MPB bzw. MPC des Impulsmusters bewirkt, dass das obere Halbleiterschaltmittel 14 des zugehörigen Brückenzweigs angeschaltet ist und das untere Halbleiterschaltmittel 14 des zugehörigen Brückenzweigs ausgeschaltet ist. Ohne einen aktiven Impuls MPA, MPB bzw. MPC ist das obere Halbleiterschaltmittel 14 des Brückenzweigs ausgeschaltet und das untere Halbleiterschaltmittel 14 des Brückenzweigs eingeschaltet. Insoweit sei im Übrigen auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Wie aus 3 ersichtlich, werden in der ersten Betriebsart BA1 innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode MP der Pulsweitenmodulation die steigenden Flanken aller Modulationspulse MPA, MPB, MPC gleichzeitig erzeugt.
  • 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.
  • 4 zeigt Pulsmuster der Modulationspulse MPA, MPB und MPC zur Ansteuerung des Wechselrichters 10 und sich ergebende Ausgangsspannungspulse APA, APB und APC für die Motorphasen des Drehstrommotors 20 in einer zweiten Betriebsart BA2.
  • Wie aus 4 ersichtlich, werden in der zweiten Betriebsart BA2 innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode MP der Pulsweitenmodulation alle Modulationspulse MPA, MPB, MPC mitten-symmetrisch bezogen auf die Modulations-Periode (MP) erzeugt.
  • Die erste Betriebsart BA1 wird nur eingestellt, wenn die Amplituden der Ausgangsspannungen UA, UB, UC einen ersten Schwellenwert unterschreiten, beispielsweise 50 V unterschreiten, und/oder einen zweiten Schwellenwert überschreiten, beispielsweise 200 V überschreiten; und/oder in Zeitbereichen um einen Nulldurchgang der Ausgangsspannungen UA, UB, UC.

Claims (8)

  1. 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 für jede Ausgangsspannung (UA, UB, UC) zugehörige Modulationspulse (MPA, MPB, MPC) mit einstellbarer Dauer erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass - in einer ersten Betriebsart (BA1) innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode (MP) der Pulsweitenmodulation die steigenden Flanken oder die fallenden Flanken von mindestens zwei Modulationspulsen (MPA, MPB, MPC) gleichzeitig erzeugt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - in der ersten Betriebsart (BA1) innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode (MP) der Pulsweitenmodulation die steigenden Flanken oder die fallenden Flanken aller Modulationspulse (MPA, MPB, MPC) gleichzeitig erzeugt werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - drei Ausgangsspannungen (UA, UB, UC) erzeugt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Ausgangsspannungen (UA, UB, UC) sinusförmig erzeugt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - in einer zweiten Betriebsart (BA2) innerhalb einer jeweiligen Modulations-Periode (MP) der Pulsweitenmodulation alle Modulationspulse (MPA, MPB, MPC) mitten-symmetrisch bezogen auf die Modulations-Periode (MP) erzeugt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Betriebsart (BA1) nur eingestellt wird, - wenn die Amplituden der Ausgangsspannungen (UA, UB, UC) einen ersten Schwellenwert unterschreiten und/oder einen zweiten Schwellenwert überschreiten, und/oder - in Zeitbereichen um einen Nulldurchgang der Ausgangsspannungen (UA, UB, UC).
  7. 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.
  8. 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 7, der aus der Zwischenkreisspannung (UZK) gespeist ist.
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