DE102022211478A1 - Circuit and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Schaltung (10), mit folgenden Merkmalen: einer Stromrichterschaltung (12), die einen Gleichspannungsanschluss mit zwei Potenzialabgriffen (20a, 20b) und ein oder mehreren Phasenanschlüssen (18a, 18b, 18a', 18b', 18c') aufweist; und einer Steuerung (25), wobei die Steuerung (25) ausgebildet ist schaltbare Elemente (14) der Stromrichterschaltung (12) so zu steuern, dass eine Spannung an einem der zwei Potenzialabgriffe (20a, 20b) und/oder an einem der ein oder mehreren Phasenanschlüsse (18a, 18b, 18a', 18b', 18c') basierend auf einer Common-Mode-Spannung moduliert wird; wobei die Common-Mode-Spannung berechnet wird. Circuit (10), with the following features: a converter circuit (12) which has a DC voltage connection with two potential taps (20a, 20b) and one or more phase connections (18a, 18b, 18a', 18b', 18c'); and a controller (25), wherein the controller (25) is designed to control switchable elements (14) of the converter circuit (12) such that a voltage at one of the two potential taps (20a, 20b) and/or at one of the one or more phase connections (18a, 18b, 18a', 18b', 18c') is modulated based on a common mode voltage; wherein the common mode voltage is calculated.
Description
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine (elektrische) Schaltung mit einer Stromrichterschaltung sowie auf ein entsprechendes Betriebsverfahren. Entsprechend unterschiedlichen Aspekten der Erfindung gibt es Schaltungen ausgelegt für unterschiedliche Anwendungen (beispielsweise TN-C-S System, TN-S System oder TT System). Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein computerimplementiertes Verfahren. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Reduktion von Ableitströmen für nicht isolierende Gleichrichter.Embodiments of the present invention relate to an (electrical) circuit with a power converter circuit and to a corresponding operating method. According to different aspects of the invention, there are circuits designed for different applications (for example TN-C-S system, TN-S system or TT system). Further embodiments relate to a computer-implemented method. Preferred embodiments relate to a method for reducing leakage currents for non-insulating rectifiers.
Beim Betrieb von nicht isolierenden Gleichrichtern (AC-DC-Wandlung, unidirektional oder bidirektional) entstehen durch die Common-Mode-Spannung des Gleichrichters Ableitströme in den Y-Kondensatoren des Gleichrichters und der angeschlossenen DC-Quelle bzw. -Senke.When operating non-isolating rectifiers (AC-DC conversion, unidirectional or bidirectional), the common mode voltage of the rectifier creates leakage currents in the Y capacitors of the rectifier and the connected DC source or sink.
In der Publikation [1] wird beschrieben, dass es mit der verwendeten B6-Topologie und dem EMV-Filter nicht möglich ist, die Ableitströme unter den Grenzwert zu reduzieren. In einer späteren Publikation [2] wird beschrieben, dass das Problem der Ableitströme für die dreiphasige Topologie durch einen Zwischenkreis-Symmetrieregler für die Kondensatoren verringert werden kann.In the publication [1] it is described that with the B6 topology and the EMC filter used it is not possible to reduce the leakage currents below the limit. In a later publication [2] it is described that the problem of leakage currents for the three-phase topology can be reduced by a DC link symmetry controller for the capacitors.
Im einphasigen Betrieb tritt bei der üblichen H4-Brückentopologie eine hohe niederfrequente Common-Mode-Spannung auf und damit Ableitströme, welche wie beschrieben, nicht sinnvoll mit Common-Mode-Filterdrosseln reduziert werden können.In single-phase operation, the usual H4 bridge topology produces a high low-frequency common-mode voltage and thus leakage currents, which, as described, cannot be meaningfully reduced with common-mode filter chokes.
In der Publikation [3] wurde die in
Da somit die Spannung an νC2 in der Theorie konstant gehalten wird, kann der niederfrequente Ableitstrom durch CCM stark reduziert werden.Since the voltage at ν C2 is kept constant in theory, the low-frequency leakage current through C CM can be greatly reduced.
Eine große Herausforderung stellt dabei die genaue Regelung der Leistung des aktiven Filters 114 (Bereich RP) dar. Diese kann nur mit einer begrenzten Dynamik erfolgen. Weiterhin können Verlagerungsspannungen und Potentialdifferenzen zwischen Betriebs- und Anlagenerder nicht kompensiert werden.A major challenge is the precise control of the power of the active filter 114 (range RP). This can only be done with limited dynamics. Furthermore, displacement voltages and potential differences between the operational and system earthing cannot be compensated.
Im Bereich der Modulationsverfahren gibt es in der Literatur eine Vielzahl von Ansätzen zur Reduktion der Ableitströme. In der Veröffentlichung [4] wird ein Ansatz beschrieben, der die Ableitströme beim Antrieb eines Motors reduzieren soll. In diesem Ansatz wird wie bei dem in Kapitel 3 beschriebenen Lösungsweg die Impedanz der Filterelemente berücksichtigt. Es ist jedoch ein viertes Leg/Halbbrücke für die Ansteuerung notwendig. Eine schwankende Zwischenkreisspannung wird nicht berücksichtigt.In the area of modulation methods, there are a number of approaches in the literature for reducing leakage currents. The publication [4] describes an approach that is intended to reduce leakage currents when driving a motor. In this approach, as in the solution described in
Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.Therefore, there is a need for an improved approach.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Konzept zu schaffen, das Common-Mode-Spannungen und -Ströme über einen breiten Frequenzbereich minimiert.The object of the present invention is to create a concept that minimizes common mode voltages and currents over a wide frequency range.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.The problem is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Schaltung mit einer Stromrichterschaltung und einer entsprechenden Steuerung. Die Stromrichterschaltung weist einen Gleichspannungsanschluss mit zwei Potenzial abgriffen und ein oder mehreren Phasenanschlüssen auf. Die Steuerung ist ausgebildet, schaltbare Elemente der Stromrichterschaltung, wie z. B. Transistoren einer H4- oder B6-Brücke bzw. allgemein Transistoren der Stromrichterschaltung, anzusteuern, nämlich derart, eine Spannung an einem der zwei Potenzialabgriffe und/oder an einem oder mehreren Phasenanschlüssen basierend auf einer Common-Mode-Spannung zu modulieren. Die Common-Mode-Spannung νCCM wird unter anderen durch die folgenden Faktoren beeinflusst:
- - Schwankung der Gesamt-Zwischenkreisspannung
- - Spannungsabfall an Filter- und Netzimpedanz
- - Verlagerungsspannung
- - Potentialdifferenz zwischen Betriebs- und Anlagenerder
- - Schwankungen der Zwischenkreisspannung νDC, besonders wichtig im einphasigen Betrieb
- - unsymmetrische Ströme im dreiphasigen Betrieb z.B. Oberschwingungen oder Schieflast
- - Fluctuations in the total intermediate circuit voltage
- - Voltage drop across filter and mains impedance
- - Displacement stress
- - Potential difference between operational and system earthing
- - Fluctuations in the intermediate circuit voltage ν DC , particularly important in single-phase operation
- - asymmetrical currents in three-phase operation, e.g. harmonics or unbalanced load
Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen vier Methoden zur Ermittlung der Common Mode Spannung VCM für die Modulation der Stromrichterschaltung, welche die (o.g.) Einflussfaktoren auf die Common Mode Spannung νCCM teilweise oder vollständig berücksichtigen. Basierend auf der Berechnung der Common Mode Spannung νCCM mittels dieser Methoden ist die berechnete Common Mode Spannung νCCM kompensierbar, indem die Spannung an einem der zwei Potenzialabgriffe und/oder an einem oder mehreren Phasenanschlüssen unter Berücksichtigung der berechneten Common Mode Spannung νCCM moduliert wird. Die Methoden zur Berechnung der Common Mode Spannung νCCM und damit auch zur Kompensation derselben können separat oder in Kombination verwendet werden.Embodiments of the invention show four methods for determining the common mode voltage V CM for the modulation of the converter circuit, which partially or completely take into account the (above) factors influencing the common mode voltage ν CCM . Based on the calculation of the common mode voltage ν CCM using these methods, the calculated common mode voltage ν CCM can be compensated by modulating the voltage at one of the two potential taps and/or at one or more phase connections, taking into account the calculated common mode voltage ν CCM . The methods for calculating the common mode voltage ν CCM and thus also for compensating it can be used separately or in combination.
Nachfolgend werden einzelnen Berechnungsmetoden sowie bevorzugte Kombination erläutert.Individual calculation methods and preferred combinations are explained below.
Eine schwankende Gesamt-Zwischenkreisspannung νDC führt im Betrieb zu einer schwankenden Common Mode Spannung νCCM. Dieser Einfluss kann entsprechend einer ersten Methode auf Basis der Formel
Entsprechend einer zweiten Methode wird die Common-Mode-Spannung
Entsprechend einer dritten Methode wird die Common-Mode-Spannung
Entsprechend einer vierten Methode kann alternativ die Common-Mode-Spannung νCM auf Basis der Formel
Die Methoden ermöglichen teilweise die Komposition von unterschiedlichen Einflussfaktoren, wie nachfolgend im Detail erläutert werden wird. Bevorzugte, beispielhafte Kombinationen sind Methoden 1+2 und 1+4, da (erstens) alle wesentlichen Einflussgrößen (inkl. Filtereinflüsse) kompensiert werden können und (zweitens) eine gute Dynamik erzielt wird.The methods partially allow the composition of different influencing factors, as will be explained in detail below. Preferred, exemplary combinations are
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch ein geschicktes Steuerverfahren (für die Stromrichterschaltung, wie z. B. einen nicht isolierten Gleichrichter oder Wechselspannungs-Gleichspannungswandler) die Ableitströme eines auf der Gleichspannungsseite angeschlossenen Kondensators CCM bzw. allgemein einer auf Gleichspannungsseite vorhandenen oder gebildeten Kapazität reduziert werden können. Durch die Wahl der Hälfte der durchschnittlichen Schwankung als Modulationsgröße wird so die Common-Mode-Spannung gegenüber Erdpotenzial moduliert, so dass diese Spannung νCCM an der Kapazität CCM konstant gehalten wird und Ableitströme über den Kondensator CCM vermieden werden. Das ermöglicht vorteilhafterweise, dass durch das Steuerverfahren die Common-Mode-Modulation beispielsweise der B6-Brücke im dreiphasigen Betrieb bzw. einer H4-Brücke im einphasigen Betrieb die Schwankung der Spannung νCCM stark reduziert und damit auch Ableitströme durch CCM ebenso reduziert werden. Es sei angemerkt, dass νCM die Modulationsspannung dargestellt, mit welcher die Halbleiter angesteuert werden. νCCM ist die tatsächliche Spannung am Kondensator CCM. Die beiden Spannungen sind zwar gegenseitig abhängig, aber unterschiedlich, wie
Nachfolgende Tabelle zeigt eine Übersicht über die Berechnungsmethoden der Common-Mode-Spannung, die dann entsprechend Ausführungsbeispielen zur Modulation verwendet wird. Die Tabelle zur Berechnungsmethoden der Common Mode Spannung ordnet auch die unterschiedlichen zu kompensierenden Größen den einzelnen Berechnungsmethoden zu. Die Berechnungsmethoden können auch in Kombination verwendet werden. Kombination 1+4 wird exemplarisch unten erläutert.
Entsprechend Ausführungsbeispiel kann νDC gemessen werden. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann νCCM (für niederfrequente Anteile gilt: VCCM = νDC-PE) gemessen werden. Alternativ wäre es auch denkbar, dass νCCM auf Basis der gemessenen Spannung von νCX und νC2 ermittelt wird. Bei ein oder mehreren der diskutierten Methoden wäre es denkbar, dass Phasenstrommessung i(t) des Netzstroms oder der Induktivitäten LD1 als Input erfolgt. Für die Messungen weist die Schaltung entsprechend Ausführungsbeispielen eine Messeinheit auf, die ausgebildet ist, die entsprechende Spannung (siehe Tabelle bzw. Phase) zu bestimmen bzw. zu messen und der Berechnungseinheit als Eingangsgröße zu übergeben.According to the embodiment, ν DC can be measured. According to further embodiments, ν CCM (for low-frequency components: V CCM = ν DC-PE ) can be measured. Alternatively, it would also be conceivable that ν CCM is determined on the basis of the measured voltage of ν CX and ν C2 . In one or more of the methods discussed, it would be conceivable that phase current measurement i(t) of the mains current or the inductances L D1 is carried out as input. For the measurements, the circuit according to embodiments has a measuring unit which is designed to determine or measure the corresponding voltage (see table or phase) and to pass it on to the calculation unit as an input variable.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass das oben beschriebene Konzept für unterschiedliche Netzformen, wie TN-C-S oder TN-S ausgelegt ist. Auch kann in unterschiedlichen Modi das Konzept zur Common-Mode-Spannungsunterdrückung verwendet werden. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel liegen die Ströme in den ein oder mehreren Phasen symmetrisch vor. Ein Beispiel ist hierfür der dreiphasige Betrieb der Stromrichterschaltung. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die Ströme in den ein oder mehreren Phasen auch unsymmetrisch vorliegen. Ein Beispiel hierfür wäre der einphasige Betrieb der Stromrichterschaltung. Je nach aktuellem Betriebsmodus kann die Berechnungsmethode von νCM variieren. Im symmetrischen, beispielsweise dreiphasigen Fall, wird eine der oben erläuterten Berechnungen für νCM, z.B. nach Methode 1 verwendet. It should be noted at this point that the concept described above is designed for different network types, such as TN-CS or TN-S. The concept for common mode voltage suppression can also be used in different modes. According to one embodiment, the currents in one or more phases are symmetrical. One example of this is three-phase operation of the converter circuit. According to other embodiments, the currents in one or more phases can also be asymmetrical. One example of this would be single-phase operation of the converter circuit. Depending on the current operating mode, the calculation method of ν CM can vary. In the symmetrical, for example three-phase case, one of the calculations for ν CM explained above is used, e.g. according to
Für einen unsymmetrischen Fall, wie z. B. bei Schieflast muss zusätzlich zur Schwankung der Zwischenkreisspannung die Common Mode Spannung der Filterelemente LD1, LD2 und der Netzimpedanz kompensiert werden, dafür kann folgende Formel verwendet werden (Kombination des Berechnungsverfahrens 1 und 4 aus Tabelle 1):
An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Modulationsspannung an den Phasenanschlüssen aus der Netzspannung bzw. Netzspannungsmessung νL1, νL2, νL3 und der Common-Mode-Spannung νCM, B6 wie folgt berechnet wird:
Dieser Zusammenhang der Modulationsspannung und der Common-Mode-Spannung ist dahingehend anzuwenden, dass die einzelnen Berechnungsverfahren, z.B. 1 + 4 oder 1 + 2/3 mit diesen Formeln berechnet werden können. Die genaue Anwendung wird in der Figurenbeschreibung erläutert.This relationship between the modulation voltage and the common mode voltage is to be applied in such a way that the individual calculation methods, e.g. 1 + 4 or 1 + 2/3, can be calculated using these formulas. The exact application is explained in the figure description.
Das gilt für den symmetrischen, aber auch den unsymmetrischen Fall.This applies to the symmetrical as well as the asymmetrical case.
Entsprechend einer weiteren Variante ist die Stromrichterschaltung für den einphasigen Betrieb bzw. nur für den einphasigen Betrieb ausgelegt. In diesem Fall kann die Common-Mode-Spannung wie folgt berechnet werden (Kombination des Berechnungsverfahrens 1 und 4 aus Tabelle 1):
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Modulationsspannung νH4,L1 und νH4,N aus der Netzspannung bzw. Netzspannungsmessung νL1 und der Common-Mode-Spannung νCM,H4 durch die Formeln:
Bezüglich der obigen Formeln sei angemerkt, dass L jeweils die Induktivität, R jeweils den Widerstand und i jeweils den zugehörigen Strom und v die zugehörige Spannung definiert. Über den Index wird die Position in der Schaltung markiert, wobei 1 die Induktivitäten bzw. Widerstände zwischen Mittelabgriff der Stromrichterschaltung und einem optionalen Filter, 2 die Induktivitäten bzw. Widerstände zwischen dem optionalen Filter und dem Phasenanschluss und G die Induktivitäten bzw. Widerstände auf Netzseite darstellt. Bezugnehmend auf die Indizes sei angemerkt, dass die Indizes zu 1 und 2 gemeinsam einen LCL-Filter/Sinusfilter schaffen. Das Konzept kann auch auf andere Filterstrukturen angewendet werden.With regard to the above formulas, it should be noted that L defines the inductance, R the resistance, i the associated current and v the associated voltage. The index marks the position in the circuit, with 1 representing the inductances or resistances between the center tap of the converter circuit and an optional filter, 2 the inductances or resistances between the optional filter and the phase connection, and G the inductances or resistances on the mains side. With reference to the indices, it should be noted that the indices for 1 and 2 together create an LCL filter/sine filter. The concept can also be applied to other filter structures.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann also eine Kapazität (eine Kapazität je Phasenanschluss) bzw. allgemein eine Kapazitätsanordnung an den Phasenanschlüssen vorgesehen sein. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann auf Gleichspannungsseite ein Zwischenkreis oder ein geteilter Zwischenkreis vorgesehen sein. Der Zwischenkreis bzw. der geteilte Zwischenkreis ist beispielsweise zwischen zwei Potenzialabgriffen des Gleichspannungsanschlusses angeordnet. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann ein Mittelpunkt des Zwischenkreises bzw. des symmetrischen Zwischenkreises über eine Kapazität mit einer Phase oder über eine Kapazitätsanordnung mit mehreren Phasen verbunden sein.According to embodiments, a capacitance (one capacitance per phase connection) or generally a capacitance arrangement can be provided at the phase connections. According to further embodiments, an intermediate circuit or a split intermediate circuit can be provided on the DC voltage side. The intermediate circuit or the split intermediate circuit is arranged, for example, between two potential taps of the DC voltage connection. According to embodiments, a center point of the intermediate circuit or the symmetrical intermediate circuit can be connected to one phase via a capacitance or to several phases via a capacitance arrangement.
Wie eingangs bereits erwähnt, kann die Schaltung als Teil eines Gleichrichters oder eines nicht isolierten Gleichrichters bzw. eines Batterieladegeräts verwendet werden. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichter, wie z.B. ein nicht isolierter Gleichrichter oder ein Gleichrichter eines Batterieladegeräts zum Betrieb an einem TN-C, TN-C-S oder TN-S Netz angeschlossen.As already mentioned at the beginning, the circuit can be used as part of a rectifier or a non-isolated rectifier or a battery charger. According to one embodiment, the rectifier, such as a non-isolated rectifier or a rectifier of a battery charger, is connected to a TN-C, TN-C-S or TN-S network for operation.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein entsprechendes Verfahren mit dem Schritt des Modulierens einer Spannung an einem der zwei Potenzial abgriffe und/oder an einem der Phasenanschlüsse basierend auf einer Common-Mode-Spannung, wobei die Common-Mode-Spannung VCM auf Basis der Formel
wobei die Common-Mode-Spannung
wobei die Common-Mode-Spannung νCM auf Basis der Formel
where the common mode voltage
where the common mode voltage ν CM is based on the formula
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das Verfahren computerimplementiert sein.According to embodiments, the method can be computer-implemented.
Alle oben erläuterten Ausführungsbeispiele sind für die Common-Mode-Kompensation in TN-C, TN-S oder TN-C-S Systemen optimiert. Eine Common-Mode-Spannungsunterdrückung in TT Systemen kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen durch die Variante mit der Formel
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft einen Gleichrichter, nicht isolierten Gleichrichter oder ein Batterieladegerät mit einer erläuterten Schaltung. Der Gleichrichter ist bevorzugter Weise für den Betrieb an einem TT System ausgebildet, kann aber entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen genauso an einem anderen Netzsystem, wie z. B. TN-C oder TN-C-S oder TN-S System, betrieben werden.A further embodiment provides a rectifier, non-isolated rectifier or battery charger with a circuit as described. The rectifier is preferably designed for operation on a TT system, but can also be operated on another network system, such as TN-C or TN-C-S or TN-S system, according to further embodiments.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Schaltung mit dem Schritt des Modulierens einer Spannung an einem der zwei Potenzialabgriffe und/oder an einem der Phasenanschlüsse basierend auf einer Common-Mode-Spannung, wobei die Common-Mode-Spannung unter Verwendung einer durch eine Messeinheit gemessenen Spannung ermittelt wird. Insofern kann das Verfahren auch den Schritt des Messens einer Spannung zwischen einem der zwei Potenzialabgriffe und einem Schutzleiter/PE (mit der Besonderheit das dieser Schutzleiter im TT-System mit dem Anlagenerder statt mit der Erdung des Netzes/Transformators verbunden ist) aufweisen.A further embodiment provides a method for operating a corresponding circuit with the step of modulating a voltage at one of the two potential taps and/or at one of the phase connections based on a common mode voltage, wherein the common mode voltage is determined using a voltage measured by a measuring unit. In this respect, the method can also comprise the step of measuring a voltage between one of the two potential taps and a protective conductor/PE (with the special feature that this protective conductor in the TT system is connected to the system earthing instead of to the earthing of the network/transformer).
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren computerimplementiert sein. Insofern wird ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens geschaffen.According to further embodiments, the method can be computer-implemented. In this respect, a computer program is created for carrying out the method.
Entsprechend einem weiteren Aspekt kann auch eine Spannungsmessung erfolgen, um die Common-Mode-Spannung zu bestimmen. Bevorzugter Weise wird zumindest eine Spannung auf Gleichspannungsseite in Bezug auf PE bestimmt. Ein Beispiel hierfür wäre die Spannung von einem Mittelpunkt eines Zwischenkreises, der zwischen den Potenzialabgriffen angeordnet ist in Bezug auf PE. Dies kann beispielsweise durch eine Messung des Mittelpunkts des Zwischenkreises in Bezug auf einen der Potenzialabgriffe bestimmt werden. Hierbei kann auch eine zusätzliche Spannungsmessung zwischen einer Phase auf Wechselspannungsseite und dem Mittelpunkt berücksichtigt werden.According to a further aspect, a voltage measurement can also be carried out to determine the common mode voltage. Preferably, at least one voltage on the DC voltage side is determined in relation to PE. An example of this would be the voltage of a midpoint of an intermediate circuit that is arranged between the potential taps in relation to PE. This can be determined, for example, by measuring the midpoint of the intermediate circuit in relation to one of the potential taps. An additional voltage measurement between a phase on the AC voltage side and the midpoint can also be taken into account here.
Insofern schaffen weitere Ausführungsbeispiele eine Schaltung mit einer Stromrichterschaltung, die einen Gleichspannungsanschluss mit zwei Potenzial abgriffen und ein oder mehrere Phasenanschlüsse aufweist; und einer Steuerung, wobei die Steuerung ausgebildet ist schaltbare Elemente der Stromrichterschaltung so zu steuern, dass eine Spannung an einem der zwei Potenzialabgriffe und/oder an einem der Phasenanschlüsse basierend auf einer Common-Mode-Spannung moduliert wird; Messeinheit ausgebildet, um eine Spannung auf Gleichspannungsseite in Bezug auf Erde zu bestimmen; wobei die Common-Mode-Spannung unter Verwendung der durch die Messeinheit gemessenen Spannung ermittelt wird.In this respect, further embodiments provide a circuit with a converter circuit that has a DC voltage connection with two potential taps and one or more phase connections; and a controller, wherein the controller is designed to control switchable elements of the converter circuit such that a voltage at one of the two potential taps and/or at one of the phase connections is modulated based on a common mode voltage; measuring unit designed to determine a voltage on the DC voltage side with respect to ground; wherein the common mode voltage is determined using the voltage measured by the measuring unit.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Spannung zwischen einem Mittelpunkt eines Zwischenkreises, der zwischen den zwei Potenzialabgriffen angeordnet ist, und einem der Potenzialabgriffe gemessen werden. Weiter kann z.B. die Spannung zwischen einem Mittelpunkt eines Zwischenkreises, der zwischen den zwei Potenzialabgriffen angeordnet ist, und einem der Potenzialabgriffe gemessen werden, wobei eine zusätzliche Spannung auf Wechselspannungsseite zwischen einer der Phasen und dem Mittelpunkt des Zwischenkreises gemessen wird oder wobei die zusätzliche Spannung zwischen einer der Phasen und der Erdung gemessen wird.According to embodiments, the voltage between a center point of an intermediate circuit arranged between the two potential taps and one of the potential taps can be measured. Furthermore, for example, the voltage between a center point of an intermediate circuit arranged between the two potential taps and one of the potential taps can be measured, wherein an additional voltage on the AC voltage side is measured between one of the phases and the center point of the intermediate circuit or wherein the additional voltage is measured between one of the phases and ground.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Gleichrichter, wie z. B. einen nicht isolierten Gleichrichter oder auch speziell auf ein Batterieladegerät mit einer Schaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche mit einer Messeinrichtung. Bevorzugter Weise ist dieser Gleichrichter in einem TT System betreibbar. Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Betreiben dieser Schaltung. Das Verfahren umfasst den Schritt des Modulierens einer Spannung an einem der zwei Potenzialabgriffe und/oder an einem der Phasenanschlüsse basierend auf einer Common-Mode-Spannung, wobei die Common-Mode-Spannung unter Verwendung der durch die Messeinheit gemessenen Spannung auf Gleichspannungsseite in Bezug auf Erde ermittelt wird.Another embodiment relates to a rectifier, such as a non-isolated rectifier or specifically to a battery charger with a circuit according to one of the previous Claims with a measuring device. Preferably, this rectifier can be operated in a TT system. A further embodiment provides a method for operating this circuit. The method comprises the step of modulating a voltage at one of the two potential taps and/or at one of the phase connections based on a common mode voltage, wherein the common mode voltage is determined using the voltage measured by the measuring unit on the DC side with respect to earth.
Selbstverständlich kann dieses Verfahren auch computerimplementiert sein.Of course, this procedure can also be computer-implemented.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein vereinfachtes Common-Mode-Ersatzschaltbild inklusive Struktur eines EMV-Filters (gemäß [1]); -
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines V2-PFC mit zusätzlicher aktivierter Zwischenkreissymmetrierung (BC) (gemäß [3]); -
3 eine schematische Tabelle zur Illustration von verschiedenen Berechnungsmethoden der Common-Mode-Spannung zur Verwendung in Ausführungsbeispielen; Auflistung von Messgrößen, Dynamik und Nachteilen -
4a /b/c unterschiedliche Netzformen; -
5a /b zeigt schematische Darstellungen für den einphasigen und dreiphasigen Fall, der Common-Mode-Spannungskompensation gemäß Ausführungsbeispielen; -
5c ein schematisches Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung mit Common-Mode-Spannungsreduzierung für den einphasigen Betrieb gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel; -
6 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung mit Common-Mode-Spannungsreduzierung für den dreiphasigen Betrieb gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel; -
7a /b/c schematische Blockschaltbilder einer elektrischen Schaltung mit Common-Mode-Spannungsreduzierung mittels Spannungsmessung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; -
8a /b schematische Blockschaltbilder Darstellung der Berechnung der Modulationsspannung aus der Netzspannung und der Common Mode Spannung; und -
9a -d Simulationsergebnisse zu Ausführungsbeispielen.
-
1 a simplified common-mode equivalent circuit including the structure of an EMC filter (according to [1]); -
2 a simplified block diagram of a V2-PFC with additional activated DC link balancing (BC) (according to [3]); -
3 a schematic table to illustrate various calculation methods of the common mode voltage for use in embodiments; listing of measured variables, dynamics and disadvantages -
4a /b/c different network shapes; -
5a /b shows schematic representations for the single-phase and three-phase case of the common-mode voltage compensation according to embodiments; -
5c a schematic block diagram of an electrical circuit with common-mode voltage reduction for single-phase operation according to an extended embodiment; -
6 a schematic block diagram of a circuit with common mode voltage reduction for three-phase operation according to an extended embodiment; -
7a /b/c schematic block diagrams of an electrical circuit with common-mode voltage reduction by means of voltage measurement according to a further embodiment; -
8a /b schematic block diagrams showing the calculation of the modulation voltage from the mains voltage and the common mode voltage; and -
9a -d Simulation results for implementation examples.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.Before exemplary embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying drawings, it should be noted that elements and structures with the same effect are provided with the same reference numerals, so that the description of them is applicable to one another or interchangeable.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert werden, wird zur Erläuterung der Problematik kurz auf unterschiedliche Netzformen, wie sie in
Das in
Bei dem in
Nachfolgend wird ein Konzept erläutert, wie der Ableitstrom optimal reduziert wird.Below we explain a concept on how to optimally reduce the leakage current.
Über die Stromrichterschaltung 12 mit den Potenzialabgriffen 20a und 20b hinaus ist aber auch exemplarisch eine Kapazität CCM mit der Spannung νDC-PE zur Illustration der Common-Mode-Schwankung auf Gleichtaktseite 20a + 20b sowie eine exemplarische Steuerung 25 zur Ansteuerung der schaltbaren Elemente illustriert. Nachdem nun die Struktur erläutert wurde, wird die Funktionsweise erläutert.In addition to the
Bei der Stromrichterschaltung 12 kann es sich beispielsweise um einen Gleichrichter handeln, der basierend auf einer an dem Spannungsanschluss 18 anliegenden Spannung, hier einem Wechselspannungsanschluss, zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 20a und 20b bzw. allgemein den Potenzialabgriffen 20a und 20b, eine Gleichspannung νDC bereitstellt. Hierzu werden die schaltbaren Elemente 14 entsprechend angesteuert und zwar durch die Steuerung 25. Die Regelgröße ist νDC d. h. also, dass durch die Steuerung 25 die konkrete Abfolge und Steuerzeiten der schaltbaren Elemente 14 so gesteuert werden, dass ein entsprechender Wert νDC erreicht wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann dieser Wert νDC natürlich auch gemessen werden. Hierbei kann es dazu kommen, dass die Ausgangsspannung νDC zwischen 20a und 20b eine Schwankung aufweist, welche in einem Common-Mode-Spannungsanteil νCM resultiert. Der Zwischenkreis bzw. allgemein das Spannungspotenzial von 20a und 20b kann durch eine entsprechende Modulation der Elemente 14 gegenüber dem Erdpotenzial verschoben werden (Änderung der Spannung νDC-PE). Diese Spannungsverschiebung fällt über CCM ab. Infolge der Schwankung kommt es zu einem entsprechenden Stromfluss durch CCM (Ableitstrom).The
Durch geschickte Modulation im Steuerungsverfahren kann die Spannung νDC-PE bzw. νCCM konstant oder möglichst konstant gehalten werden, um so Ableitströme über den Kondensator CCM zu vermeiden. Hierzu wird ein Steuerverfahren eingesetzt, entsprechend welchem die Spannung νH4 der schaltbaren Elemente der Stromrichterschaltung (Spannung νH4 ist als eine über eine Schaltperiode gemittelte, an den Halbleitern anliegende bzw. aus der Modulation der PWM resultierende (vgl.
Die Differenz in der Formel mit z. B.
Durch das eben erläuterte Steuerverfahren kann mit der Common-Mode-Modulation der Stromrichterschaltung 12, hier eine H4-Brücke im einphasigen Betrieb oder auch bei anderen Stromrichterschaltungen, wie z. B. einer B6-Brücke im dreiphasigen Betrieb, die Schwankung der Spannung νCCM stark reduziert und damit auch die Ableitströme durch CCM reduziert werden, indem die aus der Schwankung der Zwischenkreisspannung νDC resultierende Schwankung kompensiert wird. Durch Berücksichtigung dieser Formel bei der Modulation wird also vorteilhafterweise νCCM konstant gehalten.Using the control method just explained, the common mode modulation of the
An dieser Stelle sei angemerkt, dass Differenzen in den Formeln mit z. B.
In
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf
Darüber hinaus kann die Stromrichterschaltung auch noch einen zusätzlichen Zwischenkreis 22, hier einen symmetrischer Zwischenkreis mit zwei Zwischenkreiskapazitäten 22C1 und 22C2, aufweisen. Über einen Mittelknoten zwischen den zwei Kapazitäten 22C1 und 22C2, der mit dem Bezugszeichen 22m versehen ist, ist entsprechend Ausführungsbeispielen eine oder alle der Phasen 18a', 18b' und 18c' kapazitiv angekoppelt. Hierzu ist zwischen den Phasen 18a', 18b' und 18c' eine Kapazitätsanordnung 24 mit drei Kapazitäten vorgesehen.In addition, the converter circuit can also have an additional intermediate circuit 22, here a symmetrical intermediate circuit with two intermediate circuit capacitances 22C1 and 22C2. According to embodiments, one or all of the
Jeder der Phasenanschlüsse hat hier ein oder mehrere Induktivitäten und Widerstände LD1, RD1, LD2, RD2, LG und RG eingezeichnet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass in den Abbildungen RD1, RD2 nicht dargestellt ist, wobei es sich bei RD1, RD2 um die Widerstände bzw. den ohmschen Anteil der jeweiligen Induktivitäten LD1 und LD2 handelt. Bezüglich LG und RG sei angemerkt, dass die Induktivität LG bzw. der Widerstand RG nicht eingezeichnet ist in den beigefügten Zeichnungen und nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Hierbei handelt es sich um die Netzimpedanz (Netzinduktivität und Netzwiderstand) auf Seiten der Spannungsquelle VG.Each of the phase connections has one or more inductances and resistors L D1 , R D1 , L D2 , R D2 , L G and R G drawn here. It should be noted at this point that R D1 , R D2 are not shown in the figures, whereby R D1 , R D2 are the resistors or the ohmic part of the respective inductances L D1 and L D2 . Regarding L G and R G it should be noted that the inductance L G or the resistor R G is not drawn in the attached drawings and is only mentioned for the sake of completeness. This is the network impedance (network inductance and network resistance) on the side of the voltage source V G .
Die Elemente LD1, LD2, RD1 und RD2 sind aufseiten der Stromrichterschaltung, d. h. also im Ladegerät (vgl. Bezugszeichen L), angeordnet, während die Elemente LG und RG (nicht dargestellt) aufseiten des Wechselspannungsanschlusses N angeordnet sind. Eine Trennung zwischen Ladegerätseite L und Netzseite N ist mittels einer gestrichelten Linie dargestellt. Die Induktivität LG und der Widerstand RG (Kennzeichnung G) liegen jeweils auf Netzseite vor. Die Induktivität LD1 und der Widerstand RD1 stellen die in Serie geschalteten Induktivitäten und deren ohmsche Widerstände zwischen der Kapazitätsanordnung 24 und dem jeweiligen Mittelpunkt 16 dar, während die Induktivität LD2 und der Widerstand R2 zwischen der Kapazitätsanordnung 24 und dem Netzanschluss angeordnet sind. Dadurch sind die Elemente LD1, RD1, LD2, RD2, LG und RG in Reihe angeordnet, d. h. also in Serie verschaltet und zwar je Phasenanschluss 18a', 18b' und 18c'. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die Induktivitäten und Widerstände nicht zwingend explizit vorgesehene elektrische Komponenten darstellen müssen, sondern auch durch die Leitung an sich gebildet sein können.The elements L D1 , L D2 , R D1 and R D2 are arranged on the side of the converter circuit, i.e. in the charger (see reference symbol L), while the elements L G and R G (not shown) are arranged on the side of the AC voltage connection N. A separation between the charger side L and the mains side N is shown by means of a dashed line. The inductance L G and the resistor R G (marked G) are each on the mains side. The inductance L D1 and the resistor R D1 represent the inductances connected in series and their ohmic resistances between the
Nachdem nun die Struktur im Detail erläutert wurde, wird auf die Funktionsweise eingegangen.Now that the structure has been explained in detail, we will look at how it works.
Durch die Anbindung der Kondensatoren CX an den Zwischenkreismittelpunkt 22m werden die hochfrequenten Anteile der Common-Mode-Störspannung νCM bereits über LD1 und CX stark reduziert, dies ist jedoch für die Funktion des Steuerverfahrens nicht zwingend notwendig. Die Induktivitäten LD1, LD2, LG und die Widerstände RD1, RD2, RG wurden für die Darstellung jeweils als gleich angenommen. Das Verfahren funktioniert aber auch mit abweichenden Werten für diese Elemente.By connecting the capacitors C X to the intermediate circuit center 22m, the high-frequency components of the common mode interference voltage ν CM are already greatly reduced via L D1 and C X , but this is not absolutely necessary for the control method to work. The inductances L D1 , L D2 , L G and the resistors R D1 , R D2 , R G were assumed to be the same for the illustration. However, the method also works with different values for these elements.
Die Ausgangsspannung der B6-Brücke 12' kann mit einer Common-Mode-Spannung νCM, B6 moduliert werden. Der Zwischenkreis bzw. die Potential abgriffe 20a' und 20b' können dadurch gegenüber dem Erdpotenzial PE verschoben werden (Änderung der Spannung νDC-PE).The output voltage of the B6 bridge 12' can be modulated with a common mode voltage ν CM, B6 . The intermediate circuit or the potential taps 20a' and 20b' can thereby be shifted relative to the earth potential PE (change in the voltage ν DC-PE ).
Ziel des Steuerverfahrens ist es, die Spannung νCCM konstant zu halten, um Ableitströme über den Kondensator CCM zu vermeiden. Das wird dadurch erreicht, dass die Ausgangsspannung der drei Phasen νB6 (1) mit der Common-Mode-Spannung νCM, B6 (2) moduliert wird. Dabei wird der Zwischenkreis gegenüber Erdpotenzial um die halbe Schwankung der Zwischenkreisspannung (abweichend vom gewünschten Mittelwert) verschoben und somit νCCM konstant gehalten.
Der in den Formeln (1) und (2) dargestellte Zusammenhang Kann, wie in obiger Tabelle dargestellt, die aus der Schwankung der Zwischenkreisspannung resultierende Common Mode Spannung (und. Einen Spannungsabfall an den Filterkomponenten + ggf. Leitungsimpedanz) kompensieren. Unsymmetrische Netzströme führen aufgrund abweichender Spannungen über den Elementen LD1, LD2 und LG ebenfalls zu einer Common Mode Spannung an CCM. Diese kann durch den in den Formeln (3) bis (7) dargestellten Zusammenhang berechnet werden. Die Common-Mode-Spannungen νLD1CM und νLD2CM über den Drosseln und Widerständen des Gleichrichters und νGCM über der Impedanz des Netzanschlusses können entsprechend den Formeln (4), (5) und (6) bestimmt werden. In diesem Fall wurde eine LCL-Filterstruktur angenommen (LD1-CX-LD2). Weitere Komponenten im Strompfad des Gleichrichters müssen entsprechend berücksichtigt werden.
Bei obigen Formeln, insbesondere Formel 6, ist RG und LG weiterhin aufgeführt, der Vollständigkeit halber. Die Berücksichtigung der Netzimpedanz ist nicht zwingend erforderlich, da diese in der Regel unbekannt ist. Insofern kann die Berechnung entsprechend Ausführungsbeispielen auch ohne νGCM erfolgen.In the above formulas, especially formula 6, R G and L G are still listed for the sake of completeness. It is not absolutely necessary to take the network impedance into account, as this is usually unknown. In this respect, the calculation can also be carried out without ν GCM in accordance with the exemplary embodiments.
Die obigen Beschreibungen anhand der Formeln haben gezeigt, dass eine Kompensation des Spannungsabfalls an den Filterkomponenten und gegebenenfalls auch an der Leitungsimpedanz möglich ist. Die Diskussion ist insbesondere für den dreiphasigen Fall aufbereitet, kann aber in analoger Weise für den einphasigen Fall angewendet werden.The above descriptions using the formulas have shown that it is possible to compensate for the voltage drop across the filter components and, if necessary, also across the line impedance. The discussion is prepared especially for the three-phase case, but can be applied analogously to the single-phase case.
Im Allgemeinen ist festzustellen, dass obige Erläuterungen im Zusammenhang mit dem einphasigen Fall natürlich auf den dreiphasigen Fall oder umgekehrt übertragbar sind.In general, it can be stated that the above explanations in connection with the single-phase case are of course transferable to the three-phase case or vice versa.
Zu den Formeln sei angemerkt, dass die Position von LD1, RD1, LD2, RD2, LG, RG bereits ausführlich erläutert wurde. Bezüglich iLD1,L1, iLD1,l2, iLD1, L3, iL1, iL2, iL3 sei angemerkt, dass dies die entsprechenden Ströme in den Phasen 18a'(R), 18b'(R) und 18c'(R) darstellen.Regarding the formulas, it should be noted that the position of L D1 , R D1 , L D2 , R D2 , L G , R G has already been explained in detail. Regarding i LD1,L1 , i LD1,l2 , i LD1, L3 , i L1 , i L2 , i L3 , it should be noted that these represent the corresponding currents in the
Die Variablen νCM, νB6 und νCM, B6 wurden bereits eingeführt. Das Gleiche gilt für die Variable νDC.The variables ν CM , ν B6 and ν CM, B6 have already been introduced. The same applies to the variable ν DC .
Im einphasigen Betrieb ist an die erste Halbbrücke die Phase L1 und an die zweite Halbbrücke der Neutralleiter N angeschlossen. Die erste Halbbrücke L1 wird mit der Netzspannung vL1 (in der Praxis mit dem Ausgangsspannungssollwert des Stromreglers) und der Common-Mode-Spannung νCM, H4 angesteuert (8). Die zweite Halbbrücke N wird mit der Common-Mode-Spannung νCM, H4 angesteuert (9).
Für den einphasigen Betrieb ergeben sich die Common-Mode-Spannungen entsprechend den Formeln (10) bis (12). Die Common-Mode-Modulationsspannung für die H4-Brücke ist in Formel (13) zusammengefasst.
Die Kapazität CCM kann auch am positiven Zwischenkreisanschluss angeschlossen werden. Am Zwischenkreis kann auch ein zusätzlicher DCDC-Wandler angeschlossen werden (z.B. für eine Batterie). Je nach Ausführungsform (DC- oder DC+ durchgehend) ist die Kapazität CCM der Batterie von DC- oder von DC+ zum Erdpotenzial geschaltet. Bei der Kompensation der Schwankung der Zwischenkreisspannung muss dann die Schwankung entsprechend mit negativem Vorzeichen erfolgen (Formeln (14) und (15)).
Der Spannungsabfall an den Halbleitern und der Spannungsabfall über den Common-Mode-Drosseln im EMV-Filter kann bei der Kompensation der Common Mode Spannung ebenfalls berücksichtigt werden, wurde aber aufgrund des geringeren Einflusses bei der Darstellung und in den Formeln nicht berücksichtigt.The voltage drop across the semiconductors and the voltage drop across the common mode chokes in the EMC filter can also be taken into account when compensating the common mode voltage, but was not taken into account in the representation and in the formulas due to its smaller influence.
Bei obigen Ausführungsbeispielen werden also die Halbbrücken so angesteuert, dass die Spannung basierend auf der Common-Mode-Spannung moduliert wird. Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass die Common-Mode-Spannung auf Basis einer Formel mit dem Term
Wie oben bereits erwähnt sind diese Berechnungsmethoden einzeln oder auch in Kombination anwendbar. Eine bevorzugte Kombination ist 1 und 2 oder 1 und 4, wobei selbstverständlich auch mehr als zwei Methoden miteinander kombiniert werden können. In der hier vorliegenden Erläuterung der Ausführungsbeispiele ist eine Kombination, nämlich 1 + 4 exemplarisch erläutert. Nachfolgend wird auf die Vorteile der einzelnen Berechnungsmethoden eingegangen.As already mentioned above, these calculation methods can be used individually or in combination. A preferred combination is 1 and 2 or 1 and 4, although of course more than two methods can be combined. In the explanation of the embodiments presented here, a combination, namely 1 + 4, is explained as an example. The advantages of the individual calculation methods are discussed below.
Zu 1. sei im Wesentlichen auf die obigen Ausführungen verwiesen. Wie bereits erwähnt, kann so die aus der Schwankung der Zwischenkreisspannung resultierende Common Mode Spannung kompensiert werden. Die Berechnungsmethoden 2 und 3 ermöglichen ebenfalls, Schwankungen der Zwischenkreisspannung zu kompensieren, wobei beide vorteilhafterweise auch noch eine Kompensation der Spannungsabfälle an Filter und Netzimpedanz ermöglichen. Berechnungsmethode 2 berücksichtigt hierbei auch noch Verlagerungsspannungen und Potenzialdifferenzen zwischen Betriebs- und Anlagenerder.For
Die Berechnungsmethode 4 ermöglicht eine Kompensation des Spannungsabfalls an Filter und Netzimpedanz.
Je nach entsprechender Ausgangssituation kann entsprechend Ausführungsbeispielen eine der vier Varianten gewählt werden. Unterschiede ergeben sich einerseits in der Art und Weise bzw. Umfänglichkeit der Kompensation und andererseits auch in der Verwendung der Messgrößen. Als Messgröße für die Berechnungsmethode 1 kann die Zwischenkreisspannung νDC oder die Teilspannungen νDC = νC1 + νC2 verwendet werden. Für die zweite Berechnungsmethode kann als Eingangsgröße die Spannungsmessung νCCM mit z.B. νCCM = νDC-PE oder νCCM = νMPE - νC2 dienen. Die dritte Berechnungsmethode basiert beispielsweise auf einer Spannungsmessung von νCX und νC2. Für die vierte Berechnungsmethode wird eine Messung der Phasenströme oder der Ströme in den jeweilig betreffenden Induktivitäten verwendet.Depending on the initial situation, one of the four variants can be selected according to the examples. Differences arise on the one hand in the type and extent of the compensation and on the other hand in the use of the measured variables. The measured variable for the For
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die zulässigen Arbeitsströme in Abhängigkeit von der Geräteklasse festgelegt sind.It should be noted here that the permissible operating currents are determined depending on the device class.
Das hier beschriebene Steuerverfahren zeigt in Simulationen eine starke Reduktion der Ableitströme gegenüber einer herkömmlichen Ansteuerung.The control method described here shows in simulations a strong reduction in leakage currents compared to conventional control.
Bezugnehmend auf
Bevor auf die Lösung gemäß diesem Ausführungsbeispiel eingegangen wird, wird grob das Ladegerät mit seinen Bestandteilen erläutert. An dieser Stelle sei angemerkt, dass nicht alle Bestandteile zwingend sind, sondern auch optionale Bestandteile enthalten sind.Before we go into the solution according to this embodiment, we will briefly explain the charger and its components. It should be noted here that not all components are mandatory, but that optional components are also included.
Das Ladegerät, z.B. aus
Auf Gleichspannungsseite kann dann ein optionaler (nicht isolierter) Gleichspannungswandler 1300 sowie ein optionaler EMV-Filter 1400 folgen. Mit dem Bezugszeichen 1500 ist eine DC-Quelle und/oder DC-Senke, wie z. B. eine Batterie, gekennzeichnet.On the DC voltage side, an optional (non-isolated) DC-
Entsprechend Ausführungsbeispielen können im Ladegerät im EMV-Filter 1400 optional Y-Kondensatoren als Gleichtaktfilterkondensator eingesetzt werden (CY1 und CY2). Diese Kapazitäten werden auf Gleichspannungsseite mit dem Erdpotential verbunden. Y-Kondensatoren im HV-Bordnetz eines Fahrzeuges können je nach Ausführung eine höhere Kapazität aufweisen und sind optional.According to the design examples, Y capacitors can optionally be used as common mode filter capacitors in the
Bei diesem Ausführungsbeispiel können unterschiedliche Spannungen messtechnisch ermittelt werden, bevorzugter Weise Spannungen auf DC-Seite, um die Common-Mode-Spannung auszuregeln.In this embodiment, different voltages can be measured, preferably voltages on the DC side, in order to regulate the common mode voltage.
Entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel zur Strommessung wird νC2, d. h. also zwischen Mittelpunkt M des Zwischenkreises 12 und einem der Potenzialabgriffe 20a und 20b, auf Gleichspannungsseite gemessen. In vielen Ladegeräten erfolgt diese Messung sowieso, so dass das keinen zusätzlichen Aufwand darstellt. Alternativ oder additiv kann auch auf Wechselspannungsseite νCX bestimmt werden. Unter Verwendung dieser zwei Werte kann beispielsweise eine Konstantregelung auf einem konstanten Wert
Entsprechend einer ersten Ausführungsart kann eine Spannungsmessung von νMPE sowie νC2 erfolgen. Diese zwei Spannungen können auch gemeinsam als νDC-PE = νMPE - νC2 bestimmt werden.According to a first embodiment, a voltage measurement of ν MPE and ν C2 can be carried out. These two voltages can also be determined together as ν DC-PE = ν MPE - ν C2 .
Entsprechend einer weiteren Variante kann auch eine direkte Spannungsmessung von νDC-PE durchgeführt werden.According to another variant, a direct voltage measurement of ν DC-PE can also be carried out.
Die Spannung νDC-PE = νMPE - νC2 repräsentiert die Common-Mode-Spannung νCCM, so dass die Common-Mode-Schwankung von νCCM zu Null geregelt werden kann und damit die resultierenden Ableitströme kompensiert bzw. verringert werden können. Bei der zweiten Art der Messung wird statt zwei Einzelmessung eine direkte Messung der Common-Mode-Spannung νCCM = νDC-PE durchgeführt.The voltage ν DC-PE = ν MPE - ν C2 represents the common mode voltage ν CCM , so that the common mode fluctuation of ν CCM can be regulated to zero and the resulting leakage currents can be compensated or reduced. In the second type of measurement, a direct measurement of the common mode voltage ν CCM = ν DC-PE is carried out instead of two individual measurements.
Entsprechend einer alternativen Variante kann auch eine Messung von DC+ nach PE oder von der Batterie+ nach PE durchgeführt werden. Basierend hierauf ist ebenfalls eine Ausregelung der Common-Mode-Spannung bzw. Common-Mode-Spannungsschwankung möglich. Vorteilhafterweise werden bei allen drei zuletzt erläuterten Varianten mit der Messung auf Gleichspannungsseite alle Elemente kompensiert, insbesondere die Filterkomponenten, die Zwischenkreisspannung, die Netzimpedanz, die Verlagerungsspannung, sowie Potenzialdifferenzen zwischen Betriebs- und Anlagenerder.According to an alternative variant, a measurement can also be carried out from DC+ to PE or from the battery+ to PE. Based on this, it is also possible to regulate the common mode voltage or common mode voltage fluctuation. In all three variants explained last, the measurement on the DC voltage side advantageously compensates for all elements, in particular the filter components, the intermediate circuit voltage, the network impedance, the displacement voltage, and potential differences between the operational and system earthing.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass es verschiedene Möglichkeiten zur Messung der Spannung nach PE gibt (z. B. von DC+, M, DC- nach PE). Auch eine Kombination wäre denkbar oder auch eine Kombination mit der Messung der Zwischenkreisspannung νC1 und νC2. Allgemein formuliert heißt es, dass entsprechend Ausführungsbeispielen eine Spannungsmessung auf Gleichspannungsseite zwischen der Gleichspannungsseite und PE durchgeführt wird, um hier eine Größe abzuleiten, die einen Rückschluss auf die Common-Mode-Spannung zulässt. Basierend auf der gemessenen Größe wird dann die Common-Mode-Spannung berechnet bzw. die Schwankung der Common-Mode-Spannung berechnet, so dass selbige dann kompensiert werden kann, indem die Ansteuerung der Stromrichterschaltung angepasst wird. Bezüglich dem Anpassen sei angemerkt, dass sowohl hier als auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen das Anpassen derart erfolgt, dass die berechnete oder auf Basis von Messwerten berechnete Common-Mode-Spannung bzw. Common-Mode-Spannungsschwankung dadurch ausgeglichen werden kann, dass beispielsweise die entsprechende Sollgröße auf DC-Seite entsprechend angepasst (reduziert oder erhöht um die Schwankung) wird.In summary, it can be said that there are various ways of measuring the voltage to PE (e.g. from DC+, M, DC- to PE). A combination would also be conceivable, or a combination with the measurement of the intermediate circuit voltage ν C1 and ν C2 . In general terms, this means that, according to the embodiments, a voltage measurement is carried out on the DC voltage side between the DC voltage side and PE in order to derive a value that allows a conclusion to be drawn about the common mode voltage. Based on the measured value, the common mode voltage is then calculated or the fluctuation in the common mode voltage is calculated so that it can then be compensated by adjusting the control of the converter circuit. With regard to the adaptation, it should be noted that both here and in all other embodiments, the adaptation is carried out in such a way that the common mode voltage or common mode voltage fluctuation calculated or calculated on the basis of measured values can be compensated for by, for example, adjusting the corresponding target value on the DC side accordingly (reducing or increasing by the fluctuation).
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf
Bei der Einheit 1900 dient ν*CM als Eingangssignal für die Übertragungsfunktion TF, welche die Common-Mode-Spannung νCM ausgibt. Die Übertragungsfunktion TF kann z. B. in Form eines Filters oder eines Reglers realisiert sein.In the 1900 unit, ν* CM serves as the input signal for the transfer function TF, which outputs the common mode voltage ν CM . The transfer function TF can be implemented, for example, in the form of a filter or a controller.
Entsprechend Ausführungsbeispielen wird die Modulationsspannung an den Phasenanschlüssen aus der Netzspannung bzw. Netzspannungsmessung vL1, vL2, vL3 und der Common-Mode-Spannung νCM wie folgt berechnet
Dieser Zusammenhang, der beispielsweise in
Dieser allgemeine Zusammenhang ist z.B. für Methode 1+2 oder 1+3 anzuwenden (vgl. Zusammenschau
Im Detail: Wie anhand von dem Block 1800 dargestellt ist, kann über diesen Pfad sowohl die Methode 1 als auch die Methode 4 als auch die Kombination aus den Methoden 1 und 4 als einfache Summe der Formeln zugehörig zu den Methoden 1 und 4 berücksichtigt werden. Die Summe der Common-Mode-Spannung nach den Methoden 1 und 4 wird dann über den Summenpunkt des Blocks 16 der Spannung νAC aufaddiert.In detail: As shown by block 1800, this path can take into account both
In analoger Weise ist das in
Zusammenfassend ist also festzustellen, dass die Common-Mode-Spannung nach Verfahren 1 und/oder 4 durch Addition der Common-Mode-Spannung zu νAC berücksichtigt werden kann, während alternativ oder additiv die Common-Mode-Spannung nach Verfahren 2 und 3 unter Berücksichtigung einer Übertragungsfunktion TF ebenfalls dem Signal νAC hinzugefügt werden kann.In summary, it can be stated that the common mode voltage according to
Zu den vorherigen Ausführungsbeispielen sei nachfolgend auf die Zielsetzung und insbesondere auf die Effizienz eingegangen.With regard to the previous embodiments, the objectives and in particular the efficiency will be discussed below.
Bei diesen Ausführungsbeispielen ist es wiederum Zielsetzung, die Spannung νCCM möglichst schwankungsfrei bereitzustellen. Das heißt also, dass eine Reduktion des Arbeitsstromes durch CCM gewünscht ist. In den
In
Es können alle Elemente im Pfad berücksichtigt werden, in dem die Summe der Spannungsabfälle gebildet wird. Einfluss haben beispielsweise die Induktivitäten LD1 und LD2 deren ohmschen Anteile, der Spannungsabfall der Halbleiterschalter sowie die Netzimpedanz (in der Regel ist dieser Wert unbekannt) und Anschlussleitungen. Für den einphasigen Betrieb werden z.B. LD1, LD2 und die Netzimpedanz im Neutralleiter durch die letzten drei Terme in Formel 13 berücksichtigt. Für den mehrphasigen Anwendungsfall werden die Elemente der drei Phasen durch die letzten drei Terme in Formel 7 berücksichtigt. Allgemein kann die Spannung an den Elementen durch die folgende Formel ausgedrückt werden.
Es sei angemerkt, dass die notwendige Ableitung des Stroms nach der Zeit in der praktischen Umsetzung/Implementierung in der Regel schwierig ist.It should be noted that the necessary derivation of the current with time is usually difficult in practical implementation.
Zu obigen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass statt der Batterie natürlich auch eine andere Gleichspannungsquelle oder Gleichspannungssenke vorliegen kann, z. B. eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolyse.With regard to the above embodiments, it should be noted that instead of the battery, there may of course also be another DC voltage source or DC voltage sink, e.g. a fuel cell or an electrolysis.
Bei oben erläuterten Ausführungsbeispielen lag der Fokus auf bestimmten Systemen, wie hier z. B. dem TN-C-S System. Bei weiteren Systemen, wie z. B. dem TN-S System oder dem TT System sind die Einflüsse auf die Common-Mode-Spannung unterschiedlich. Beispielsweise treten Verlagerungsspannungen und Potenzialdifferenzen zwischen Betriebs- und Anlagenerder auf, z. B. im TT System (vgl.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung realisiert werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.Although some aspects have been described in the context of a device, it is to be understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or component of a device can also be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects described in the context of or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device. Some or all of the method steps can be implemented by a hardware apparatus (or using a hardware apparatus), such as a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the key method steps can be performed by such an apparatus.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software. The implementation may be performed using a digital storage medium, for example a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory, a hard disk or other magnetic or optical storage on which electronically readable control signals are stored that can or do interact with a programmable computer system in such a way that the respective method is carried out. Therefore, the digital storage medium may be computer readable.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.Some embodiments according to the invention thus comprise a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is carried out.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.In general, embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product is run on a computer.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.The program code can, for example, also be stored on a machine-readable medium.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.Other embodiments include the computer program for carrying out one of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium. In other words, an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program that has a program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.A further embodiment of the methods according to the invention is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is recorded.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals which represents the computer program for carrying out one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals can be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.A further embodiment comprises a processing device, for example a computer or a programmable logic device, which is configured or adapted to carry out one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.A further embodiment comprises a computer on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is installed.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.A further embodiment according to the invention comprises a device or a system which is designed to transmit a computer program for carrying out at least one of the methods described herein to a recipient. The transmission can be carried out electronically or optically, for example. The recipient can be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or a similar device. The device or system can, for example, comprise a file server for transmitting the computer program to the recipient.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.In some embodiments, a programmable logic device (e.g., a field programmable gate array, an FPGA) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In some embodiments, a field programmable gate array may interact with a microprocessor to perform any of the methods described herein. In general, in some embodiments, the methods are performed by any hardware device. This may be general-purpose hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the method such as an ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The above-described embodiments are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will occur to others skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
Literaturliterature
-
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Elimination of Common-Mode Voltage in Three-Phase Sinusoidal Power Converters, Alexander L. Julian, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, NO. 5, SEPTEMBER 1999 Elimination of Common-Mode Voltage in Three-Phase Sinusoidal Power Converters, Alexander L. Julian, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, NO. 5, SEPTEMBER 1999
BezugszeichenReference symbols
- 1010
- Schaltungcircuit
- 1212
- StromrichterschaltungPower converter circuit
- 20a, 20b20a, 20b
- PotenzialabgriffPotential tap
- 18a, 18b, 18a', 18b', 18c'18a, 18b, 18a', 18b', 18c'
- PhasenanschlüssePhase connections
- 2525
- Steuerungsteering
- 1414
- Elementeelements
- 2222
- ZwischenkreisIntermediate circuit
- 2424
- KapazitätsanordnungCapacity arrangement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102017216468 A1 [0102]DE 102017216468 A1 [0102]
- US 11228238 B2 [0102]US 11228238 B2 [0102]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Common Mode Analysis of Non-Isolated Three-Phase EV-Charger for BiDirectional Vehicle-to-Grid Operation, B. Strothmann, PCIM Europe2019, 7-9 May 2019, Nuremberg, Germany [0133]Common Mode Analysis of Non-Isolated Three-Phase EV-Charger for BiDirectional Vehicle-to-Grid Operation, B. Strothmann, PCIM Europe2019, 7-9 May 2019, Nuremberg, Germany [0133]
- Common-Mode-Free Bidirectional Three-Phase PFC-Rectifier for Non-Isolated EV Charger, B. Strothmann, 2021 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition [0133]Common-Mode-Free Bidirectional Three-Phase PFC-Rectifier for Non-Isolated EV Charger, B. Strothmann, 2021 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition [0133]
- Single-Phase Operation of Common-Mode-Free Bidirectional Three-Phase PFC-Rectifier for Non-Isolated EV Chargerwith Minimized DC-Link, B. Strothmann, PCIM Europe digital days 2021, 3 - 7 May 2021 [0133]Single-Phase Operation of Common-Mode-Free Bidirectional Three-Phase PFC-Rectifier for Non-Isolated EV Chargerwith Minimized DC-Link, B. Strothmann, PCIM Europe digital days 2021, 3 - 7 May 2021 [0133]
- Elimination of Common-Mode Voltage in Three-Phase Sinusoidal Power Converters, Alexander L. Julian, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, NO. 5, SEPTEMBER 1999 [0133]Elimination of Common-Mode Voltage in Three-Phase Sinusoidal Power Converters, Alexander L. Julian, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, NO. 5, SEPTEMBER 1999 [0133]
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Legal Events
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