DE3912706A1 - Method of reducing noise in pulse-controlled machine - using mean values of wide range of frequencies from pulse generator for processing by pulse width modulator to match control parameters - Google Patents
Method of reducing noise in pulse-controlled machine - using mean values of wide range of frequencies from pulse generator for processing by pulse width modulator to match control parametersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geräuscharmen Betrieb einer von einem Pulswechselrichter gespeisten Maschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen.The invention relates to a method for quiet operation a machine powered by a pulse inverter with the Features specified in the preamble of the claim.
Für den Betrieb einer Maschine wird häufig ein bestimmter, ins besondere sinusförmiger Verlauf der Speisespannung oder des Speisestroms gewünscht. Dieser wird üblicherweise erzeugt, in dem ein entsprechender Sollwert mit einer vorgegebenen Modula tionsfrequenz moduliert wird. Z.B. kann eine mit der hochfre quenten Modulationsfrequenz erzeugte Sägezahnspannung mit der entsprechenden Sollspannungskurve verglichen werden, um aus den Schnittpunkt der beiden Kurven die Steuerimpulse für die Ven tile des Pulswechselrichters zu ermitteln.For the operation of a machine, a specific, ins special sinusoidal curve of the supply voltage or Power supply required. This is usually generated in a corresponding setpoint with a given modula tion frequency is modulated. E.g. can one with the hochfre quent modulation frequency generated sawtooth voltage with the corresponding target voltage curve can be compared to from the Intersection of the two curves the control impulses for the Ven to determine the tile of the pulse inverter.
Die Vorgabe der Modulationsfrequenz ist dabei vom Betriebszu stand der Maschine bestimmt. Um Nichtlinearitäten und Schwe bungen zu vermeiden, wird häufig die Modulationsfrequenz als Oberfrequenz der Betriebsfrequenz vorgegeben und derart syn chronisiert, daß beim Nulldurchgang des Sollwertes jeweils eine Periode des Modulationstaktes gestartet wird. Damit bei hohen Modulationsfrequenzen die Breite der Pulsen und Pausen die Schonzeit der Halbleiterventile des Pulswechselrichters nicht unterschreiten, ist es dann oft erforderlich, nicht nur die Modulationsfrequenz proportional zur Betriebsfrequenz zu ändern, sondern auch von einem Proportionalitätsfaktor auf ei nen anderen überzugehen, d.h. die Anzahl der Pulse, in die ei ne Periode des Sollwertes zerlegt wird, zu variieren. Diese Variationen der Modulationsfrequenz erfolgen daher stets in Ab hängigkeit vom Betriebszustand der Maschine und des Umrichters. The specification of the modulation frequency is dependent on the operating mode the machine was determined. To nonlinearities and Schwe Avoiding exercises is often called the modulation frequency Upper frequency of the operating frequency specified and syn chronized that at the zero crossing of the setpoint a period of the modulation clock is started. With that high modulation frequencies the width of the pulses and pauses the protective period of the semiconductor valves of the pulse inverter then it is often necessary, not only the modulation frequency is proportional to the operating frequency change, but also from a proportionality factor to egg to pass over to another, i.e. the number of pulses into which egg ne period of the setpoint is broken down to vary. These Variations in the modulation frequency are therefore always in Ab dependence on the operating state of the machine and the converter.
Dabei kann es aber insbesondere im stationären Betrieb der Ma schine zu deutlich wahrnehmbaren Oberschwingungen im Geräusch spektrum der Maschine kommen. Sowohl Transformatoren und elek trische Teile der Anlage wie auch Lagerschild, Gehäuse und an dere mechanische Teile der Maschine besitzen Eigenfrequenzen, die z.B. bei Modulationsfrequenzen im Bereich von 1 bis 2 kHz, wie sie bei Pulswechselrichtern häufig verwendet werden, ange regt werden und einen unangenehmen Ton erzeugen. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn mehrere Maschinen im gleichen Raum betrie ben werden.But it can be especially in the stationary operation of the Ma seem to clearly perceptible harmonics in the noise range of the machine. Both transformers and elec trical parts of the system such as end shield, housing and mechanical parts of the machine have natural frequencies, e.g. at modulation frequencies in the range of 1 to 2 kHz, as they are often used in pulse inverters be excited and produce an unpleasant sound. This effect increases when several machines are operated in the same room be.
Da Oberschwingungen in den elektrischen Größen der Maschine auch zu elektrischen Verlusten führen, sind häufig Drosseln oder Filter am Ausgang des Pulswechselrichters angeordnet. Um aber deren Geräusche zu vermindern, sind dann z.B. geräuscharme Dros selspulen erforderlich. Eine andere Möglichkeit ist, eine sehr hohe Pulsfrequenz zu verwenden, z.B. im Bereich von 5 kHz oder mehr, wodurch sich einerseits die Annäherung der pulsbreiten modulierten Steuerimpulse an die gewünschte Kurvenform des Soll wertes verbessert und daher die Verluste verringert werden, an dererseits die Modulationsfrequenzen nicht mehr im Anregungsbe reich störender akustischer Schwingungen liegt. Ein derartiges Verfahren ist z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift 32 30 058 für den Betrieb einer Umwälzepumpe in einem Heizungsrohrsystem beschrieben. Derartig hohe Modulationsfrequenzen erfordern aber besonders schnelle Ventile.Because harmonics in the electrical quantities of the machine also lead to electrical losses, are often chokes or Filters arranged at the output of the pulse inverter. But around To reduce their noise, e.g. silent Dros Selspulen required. Another option is a very one to use high pulse frequency, e.g. in the range of 5 kHz or more, whereby on the one hand the approximation of the pulse widths modulated control pulses to the desired curve shape of the target value improved and therefore the losses are reduced on the other hand, the modulation frequencies are no longer in the excitation range richly disturbing acoustic vibrations. Such a thing The procedure is e.g. in German Offenlegungsschrift 32 30 058 for the operation of a circulation pump in a heating pipe system described. Such high modulation frequencies, however, require particularly fast valves.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch einen Eingriff in die Steuerung des Pulswechselrichters einen geräuscharmen Be trieb der Maschine zu ermöglichen.The invention has for its object through an intervention in the control of the pulse inverter a low-noise loading drive the machine to enable.
Diese Aufgabe wird gelöst, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs. Die Erfindung wird anhand des in Fig. 1 ge zeigten Ausführungsbeispiels und der in Fig. 2 dargestellten Modu lationssignale näher erläutert.This object is achieved by a method with the features of the patent claim. The invention is explained in more detail using the exemplary embodiment shown in FIG. 1 and the modulation signals shown in FIG. 2.
Fig. 1 zeigt einen von einer vorgegebenen Gleichspannung, z.B. der eingeprägten Zwischenkreis-Gleichspannung eines Spannungs zwischenkreis-Umrichters, gespeisten Umrichter 1, an den eine Drehfeldmaschine 2 angeschlossen ist. Für die Speisespannung der Maschine 2 ist von einer nicht dargestellten Regelung ein Sollwert a und eine Sollfrequenz fl vorgegeben. Diese Sollwer te bestimmen den in Fig. 2 mit R dargestellten Verlauf des Soll wertes, der in einem Pulsbreiten-Modulator PWM mit einer Modula tionsspannung D verglichen wird. Die Schnittpunkte bestimmen eine pulsbreitenmodulierte Steuerspannung S, aus deren Flanken die Steuerimpulse für die Ventile des Umrichters 1 abgeleitet werden. Fig. 1 shows one of the embossed intermediate circuit dc voltage of a voltage intermediate-circuit converter, fed inverter 1 is connected to a rotating-field machine 2 of a predetermined DC voltage, for example. For the supply voltage of the machine 2 , a setpoint a and a setpoint frequency fl are specified by a control system, not shown. These setpoints determine the course of the setpoint shown in FIG. 2 with R , which is compared with a modulation voltage D in a pulse width modulator PWM . The intersection points determine a pulse-width-modulated control voltage S , from the edges of which the control pulses for the valves of the converter 1 are derived.
Dieser, nach dem bekannten "Unterschwingungsverfahren" arbeiten de Pulsbreitenmodulator wird von einem Steuersignal f T gespeist, das die Frequenz des Sägezahns D angibt. Dieses Steuersignal f T für die Modulationsfrequenz kann im Stand der Technik in Ab hängigkeit von den Sollwerten a und fl im Modulator PWM selbst gebildet sein, so daß ein eigener Steuereingang nicht vorhanden ist. Insbesondere kann als Pulsbreitenmodulator ein Mikroprozes sor verwendet sein, der ohne eine direkte Bildung der Sägezahn spannung die Steuerflanken des Steuersignals S errechnet.This pulse width modulator, which operates according to the known "undershoot method", is fed by a control signal f T which indicates the frequency of the sawtooth D. This control signal f T for the modulation frequency can be formed in the prior art as a function of the setpoints a and fl in the modulator PWM itself, so that a separate control input is not available. In particular, a microprocessor can be used as the pulse width modulator, which calculates the control edges of the control signal S without a direct formation of the sawtooth voltage.
Die Modulationsfrequenz ändert sich beim Stand der Technik nicht oder nur in Abhängigkeit von Änderungen des Betriebszustandes der Maschine. Im stationären Zustand ist die Modulationsfrequenz konstant.The modulation frequency does not change in the prior art or only depending on changes in the operating status the machine. The modulation frequency is in the stationary state constant.
Im Gegensatz hierzu ist in Fig. 1 der Pulsbreitenmodulator PWM von einem Steuersignal f T für die Modulationsfrequenz angesteuert. Dieser Generator GEN kann z.B. ein Rauschgenerator sein, der nach einer statistischen Berechnung die Modulationsfrequenz f T liefert, für die ein Mittelwert Ft und eine Bandbreite DF vor gegeben ist. Dadurch kann z.B. eine Gauß-Verteilung der Modula tionsfrequenz f T erzielt werden. In contrast to this, the pulse width modulator PWM in FIG. 1 is controlled by a control signal f T for the modulation frequency. This generator GEN can be, for example, a noise generator which, after a statistical calculation, supplies the modulation frequency f T for which an average value Ft and a bandwidth DF are given. In this way, for example, a Gaussian distribution of the modulation frequency f T can be achieved.
Im Frequenzspektrum der Ausgangsspannung entsteht dann statt einer einzigen, hohen Spektrallinie ein mehr oder weniger kon tinuierliches Spektrum mit einem deutlich niedrigeren Spitzen wert. Entsprechend ändert sich auch das Geräuschspektrum der Maschine. Die Pulsfrequenz ist dann nicht mehr als störender Einzelton wahrnehmbar, sondern nur noch als ein Rauschen.This then takes place in the frequency spectrum of the output voltage a single, high spectral line a more or less con Continuous spectrum with a significantly lower peak value. The noise spectrum of the also changes accordingly Machine. The pulse frequency is then no more than disturbing Perceptible single tone, but only as a noise.
Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, die Pulsbreiten modulation nicht mit einer einzelnen, zumindest im stationären Zustand konstanten Taktfrequenz f T vorzunehmen, vielmehr wird die Modulationsfrequenz selbst innerhalb des durch die Band breite DF gegebenen Frequenzbereiches ständig moduliert. Der Mittelwert Ft dieses Frequenzbereiches kann dabei durchaus in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Maschine veränderlich sein, also z.B. in Abhängigkeit von den Sollwerten a und fl vorgegeben werden, die in der nicht dargestellten Regelung gebildet sind.The invention is therefore based on the idea of not performing the pulse width modulation with a single clock frequency f T , which is at least constant in the steady state, rather the modulation frequency is continuously modulated even within the frequency range given by the band-wide DF . The mean value Ft of this frequency range can certainly be variable depending on the operating state of the machine, that is to say it can be predetermined, for example, depending on the setpoints a and fl , which are formed in the control system, not shown.
Der Generator GEN kann ein Zufallsgenerator oder auch ein digi taler Generator zur Erzeugung von Pseudozufallszahlen sein. Die Änderung der Modulationsfrequenz f T kann kontinuierlich oder zu diskreten Zeitpunkten erfolgen. Insbesondere ist es möglich, die Frequenzänderung nur dann vorzunehmen, wenn jeweils eine ganze oder eine halbe Periode der Dreieckspannung D abgeschlossen ist. Der Generator kann mit diskreten Bauelementen oder als Mikro computer aufgebaut sein.The generator GEN can be a random generator or a digital generator for generating pseudo random numbers. The modulation frequency f T can be changed continuously or at discrete times. In particular, it is possible to make the frequency change only when a whole or half a period of the triangular voltage D is completed. The generator can be constructed with discrete components or as a micro computer.
Es ist nicht erforderlich, den Generator als eigenes Bauteil dem Pulsbreitenmodulator vorzuschalten. Vielmehr kann z.B. im Modu lator eine Vielzahl von Pulsmustern gespeichert sein, aus denen dann nach einem statistischen Auswahlverfahren jeweils ein Puls muster für die Ansteuerung der Ventile ausgewählt wird.It is not necessary to use the generator as a separate component Upstream pulse width modulator. Rather, e.g. in the modu a variety of pulse patterns can be stored from which then one pulse each after a statistical selection process pattern for the control of the valves is selected.
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