DE10332933A1 - Atonale Um- und Wechselrichter - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Erzeugen einer pulsweitenmodulierten Drehspannung oder Wechselspannung (2) aus einer Gleichspannung (1) mittels mindestens einem Umrichter oder Wechselrichter, wird die Gleichspannung (1) mit variablen Pulsweitenintervallen (t¶1¶, t¶2¶, t¶3¶) abgetastet. Diese Maßnahme erlaubt es, störende Geräusche im hörbaren Bereich zu unterdrücken.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer pulsweitenmodulierten Drehspannung oder Wechselspannung aus einer Gleichspannung mittels mindestens einem Umrichter oder Wechselrichter.
- Um- und Wechselrichter zur Erzeugung von Drehstrom oder Wechselstrom aus Gleichstrom umfassen Leistungshalbleiter, deren Verlustleistung mit steigender Frequenz steigt. Derartige Um- und Wechselrichter werden insbesondere verwendet, um die Versorgungsspannung von Elektromaschinen zu Antriebszwecken, zum Beispiel in Brennstoffzellenfahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder speziellen Bahnantrieben bereitzustellen. Bei starker Strombeaufschlagung geben die Um- und Wechselrichter eine deutlich vernehmbare Schallabstrahlung von sich, die im Falle einer Wasserkühlung auch die Wasserwege mit Körperschall belegen kann. Die Schallabstrahlung stellt häufig ein als unangenehm empfundenes hochfrequentes Pfeifen dar, welches von der Taktfrequenz herrührt, mit der ein Gleichstrom unterbrochen wird, um mit Hilfe der Pulsweitenmodulation aus der Gleichspannung eine modulierte effektive Dreh- oder Wechselspannung zu erzeugen.
- Aus Wirkungsgradgründen ist eine hohe Taktfrequenz unerwünscht, da bei hohen Frequenzen in den Leistungshalbleitern große Verluste erzeugt werden. Eine hohe Taktfrequenz von ca. 100 kHz ist deshalb nur bei hohen Maschinendrehzahlen verwendbar. Bei tieferen Drehzahlen wird zur Erhöhung des Wirkungsgrades die Taktfrequenz verringert. Liegt die Taktfrequenz jedoch im höhrbaren Frequenzbereich, werden über die Ströme in den elektrischen Leitern Koppelkräfte erzeugt, die elastische Elemente in den Um- und Wechselrichtern zu Geräuschen anregen.
- Mit der gleichen Frequenz können auch Magnetostriktionsgeräusche von nachgeschalteten Aggregaten verursacht werden. Diese Geräusche sind deshalb besonders unangenehm, da sie einen ausgeprägten tonalen Anteil aufweisen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu schaffen, mit dem zur Erhöhung des Wirkungsgrads die Taktfrequenz abgesenkt werden kann und die tonalen Anteile von angeregten Schwingungen verringert werden können.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Gleichspannung mit variablen Pulsweitenintervallen abgetastet wird. Unter Pulsweitenintervall wird dabei die Zeitspanne verstanden, innerhalb der ein Puls zur Abtastung der Gleichspannung erzeugt wird. Die Pulsweitenintervalle werden so unterschiedlich gewählt und laufend so variiert, dass kein bestimmter Ton erkennbar wird. Es wird erfindungsgemäß also ein gezielt aperiodischer Takt und somit ein aperiodisches Modulationsverfahren verwendet. Dies bewirkt, dass Störgeräusche der Elektromaschine, in der die Um- oder Wechselrichter verwendet werden, und/oder des angekoppelten Umfeldes, insbesondere Eigenresonanzen von Bauteilen, entweder gar nicht erst angeregt werden oder gegengekoppelt angeregt werden, so dass die Amplitude der Störgeräusche sinkt und/oder der Klangcharakter sich verändert. Dabei kann auch die Abstrahlung von Geräuschen, die durch Magnetostriktion verursacht werden; vermindert werden. Im Gegensatz zu Verfahren, bei denen bewusst ein „weißes Rauschen" über einen Zufallsgenerator erzeugt wird, wird ein zumindest teilweise unterdrücktes Geräusch erzeugt, dem eine gezielte Aperiodizität überlagert ist, was als weniger störend empfunden wird als ein starkes Rauschen.
- Bei einer Verfahrensvariante erzeugen die relativen Pulsweiten in den Pulsweitenintervallen die gewünschte effektive Wechselspannung. Unter relativer Pulsweite wird das Verhältnis der Pulsdauer zur Länge des Pulsweitenintervalls verstanden. Die Pulsweiten der Pulse in jedem Pulsweitenintervall sind ebenfalls variabel. Sie werden vorzugsweise so gewählt, dass die gewünschte effektive Wechsel- oder Drehspannung erzeugt wird. Innerhalb eines Pulsweitenintervalls können die Pulse zum Abtasten der Gleichspannung zu jedem beliebigen Zeitpunkt beginnen und enden. Der Beginn eines Pulses ist daher nicht notwendigerweise zeitgleich mit dem Beginn des Pulsweitenintervalls. Insbesondere werden die relativen Pulsweiten so bestimmt, dass sie den relativen Pulsweiten bei einer periodischen Taktung, d.h. bei Pulsweitenintervallen konstanter Dauer, zur Erzeugung derselben vorgegebenen Wechsel- oder Drehspannung entsprechen.
- Besonders bevorzugt ist es, wenn die Folge der Pulsweitenintervalle frei programmierbar ist. Insbesondere können sie so programmiert werden, dass bestimmte Eigenfrequenzen der angeschlossenen Aggregate umgangen werden.
- Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird ein Akustiksignal und/oder ein Signal eines oder mehrerer Beschleunigungsaufnehmer erfasst und wird daraus die Folge der Pulsweitenintervalle bestimmt. Die eingelesenen Signale wer den dabei in der Weise interpretiert und ausgewertet, dass auffällige Frequenzpegel nicht über die Taktfrequenz angeregt werden. Diese Interpretation der eingelesenen Akustiksignale bzw. der Signale eines oder mehrerer Beschleunigungsaufnehmer kann, um Rechenleistung zu sparen, einmalig aufgrund eines Einlesevorgangs erfolgen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Akustiksignale und/oder die Signale der Beschleunigungaufnehmer kontinuierlich erfasst werden und die Pulsweitenintervallfolge kontinuierlich bestimmt wird. Diese Maßnahme erlaubt es, auf sich ändernde Gegebenheiten Rücksicht zu nehmen. Die Pulsweitenintervallfolge wird dabei „online", d.h. in Echtzeit angepasst. Auf diese Art und Weise werden störende Geräusche besonders wirksam unterdrückt.
- Die Pulsweitenintervallfolge kann in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt einer Elektromaschine aus einem Kennfeld abgerufen werden. Das Kennfeld enthält Daten, die charakteristisch für eine bestimmte Elektromaschine sind. Mit Kenntnis eines solchen Kennfeldes kann die Pulsweitenintervallfolge so eingestellt werden, dass Störgeräusche der Maschine, insbesondere Eigenresonanzen von Bauteilen, nicht oder gegengekoppelt angeregt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, da für jeden Betriebspunkt der Elektromaschine die Pulsweitenfolge aufgrund des Kennfeldes eingestellt werden kann.
- Das Kennfeld kann auf besonders einfache Art und Weise erzeugt werden, indem es experimentell bestimmt wird.
- In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Vorrichtung, umfassend mindestens einen Umrichter und/oder einen Wechselrichter zum Erzeugen eines Drehstroms oder eines Wechselstroms aus einem Gleichstrom mit Mitteln zum Pulsweitenmodulieren einer Gleichspannung mit variablen Pulsweiteninterval len. Eine solche Vorrichtung kann bevorzugt in Antriebseinheiten von Elektromaschinen, zum Beispiel Brennstoffzellenfahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Bahnantrieben zum Einsatz kommen. Eine solche Vorrichtung ermöglicht, die Pulsweitenmodulation bei Frequenzen im hörbaren Bereich durchzuführen, dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen und störende Geräusche zu vermeiden.
- Besonders bevorzugt ist es, wenn ein Taktgenerator vorgesehen ist, der so gestaltet ist, dass er ein eingelesenes Akustiksignal und/oder ein Signal eines oder mehrerer Beschleunigungsaufnehmer in der Weise interpretiert, dass auffällige Frequenzpegel nicht über die Taktfrequenz angeregt werden.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine grafische Darstellung der Pulsweitenmodulation einer Gleichspannung. - In dem Diagramm der
1 ist entlang der Ordinate die Spannung U aufgetragen und entlang der Abszisse die Zeit t. Die Gleichspannung1 wird pulsweitenmoduliert abgetastet, um die effektive Wechselspannung2 zu erzeugen. In den exemplarisch dargestellten Pulsweitenintervallen t1, t2, t3 wird die Gleichspannung1 während der jeweiligen Pulsdauer bzw. Pulsweite t4, t5, t6 abgetastet. Die Pulsweitenintervalle t1, t2, t3 sind so unterschiedlich gewählt, dass aufgrund Ihrer Folge bzw. ihrer Frequenz kein bestimmter Ton erkennbar ist. Ihre Abfolge ist aperiodisch. - Die relativen Pulsweiten t4/t1, t5/t2 und t6/t3 sind so gewählt, dass die gewünschte effektive Wechselspannung
2 entsteht. Die Pulsweiten t4, t5, t6 sind ebenfalls variabel. Dar aus ergibt sich die Pulsweitenmodulation. Aufgrund der variablen Pulsweitenintervalle t1, t2, t3 werden durch die Um- bzw. Wechselrichter, die die effektive Wechselspannung erzeugen, keine tonalen Frequenzen im hörbaren Bereich angeregt, bzw. werden solche unterdrückt. Es handelt sich daher um „a-tonale" Um-/ bzw. Wechselrichter. - Bei einem Verfahren zum Erzeugen einer pulsweitenmodulierten Drehspannung oder Wechselspannung (
2 ) aus einer Gleichspannung (1 ) mittels mindestens einem Umrichter oder Wechselrichter, wird die Gleichspannung (1 ) mit variablen Pulsweitenintervallen (t1, t2, t3) abgetastet. Diese Maßnahme erlaubt es, störende Geräusche im hörbaren Bereich zu unterdrücken.
Claims (9)
- Verfahren zum Erzeugen einer pulsweitenmodulierten Drehspannung oder Wechselspannung (
2 ) aus einer Gleichspannung (1 ) mittels mindestens einem Umrichter oder Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung (1 ) mit variablen Pulsweitenintervallen (t1, t2, t3) abgetastet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relativen Pulsweiten (t4/t1, t5/t2, t6/t3) bestehend aus dem Verhältnis der Pulsdauer zur Pulsweitenintervalldauer in jedem Pulsweitenintervall (t1, t2, t3) die gewünschte effektive Wechselspannung (
2 ) erzeugen. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folge der Pulsweitenintervalle (t1, t2, t3) frei programmierbar ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Akustiksignal und/oder ein Signal eines oder mehrerer Beschleunigungsaufnehmer erfasst wird und daraus die Folge der Pulsweitenintervalle (t1, t2, t3) bestimmt wird.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Akustiksignal und/oder die Signale der Beschleunigungsaufnehmer kontinuierlich erfasst werden und die Pulsweitenintervallfolge kontinuierlich bestimmt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenintervallfolge in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt einer Elektromaschine aus einem Kennfeld abgerufen wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld experimentell bestimmt wird.
- Vorrichtung umfassend mindestens einen Umrichter und/oder einen Wechselrichter zum Erzeugen eines Drehstroms oder eines Wechselstroms aus einem Gleichstrom mit Mitteln zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
- Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taktgenerator vorgesehen ist.
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