EP4111584A1 - Lastsimulationsumrichter und testvorrichtung - Google Patents

Lastsimulationsumrichter und testvorrichtung

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EP4111584A1
EP4111584A1 EP22726377.9A EP22726377A EP4111584A1 EP 4111584 A1 EP4111584 A1 EP 4111584A1 EP 22726377 A EP22726377 A EP 22726377A EP 4111584 A1 EP4111584 A1 EP 4111584A1
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EP
European Patent Office
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simulation device
load simulation
phase
control
load
Prior art date
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Application number
EP22726377.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Erfindernennung liegt noch nicht vor Die
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Irs Systementwicklung GmbH
Original Assignee
Irs Systementwicklung GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Irs Systementwicklung GmbH filed Critical Irs Systementwicklung GmbH
Publication of EP4111584A1 publication Critical patent/EP4111584A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies
    • G01R31/42—AC power supplies
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits

Definitions

  • the invention is a load simulation device and a test device for electronic inverters.
  • Inverters are electronic circuits that generate alternating current from direct current. They regularly generate multi-phase alternating current ("three-phase current"), for example three-phase or six-phase. Especially with regard to electromobility, such inverters for driving electric motors, even those with high electrical power, are becoming increasingly important. It is therefore also important to be able to test and inspect such inverters efficiently. On the one hand, efficiency includes the efficient handling of test routines and data management, but on the other hand it also includes energy efficiency and equipment that is as uncomplicated and inexpensive as possible.
  • Simple chokes are known for this, which work as a passive, pure reactive power load.
  • the electrical replica of the load is only approximate.
  • the direct current path of the inverter is not actually loaded.
  • the object of the invention is to specify a load simulation device and a test device for multi-phase inverters that can be built efficiently and operated in an energy-efficient manner.
  • a load simulation device for simulating a three-phase load for a multi-phase inverter has several, preferably three or six phase connections for an inverter to be connected, one or more pairs of two DC outputs for a DC power supply to be connected to internal DC lines , Several, preferably three or six transistor bridges, each connected between the DC lines of a pair and each having at least two series-connected electronic scarf ter whose connection area are connected directly or indirectly to one of the phase connections, one for each of the electronic switches Control line for controlling the respective electronic switch, and a control circuit, which is connected to the control lines, for driving the electronic switches by means of respective control signals generated by it.
  • the control circuit is designed to generate the control signals in timed coordination with control signals in an inverter to be connected.
  • the load simulation device can generally simulate a multi-phase electrical load. In particular, it can simulate a synchronous electric motor or an asynchronous electric motor.
  • the load simulation device can simulate an electric motor which has a plurality of phases, in particular three or six phases, and which are connected at a common neutral point. Motors with several mutually separate star points, e.g. B. two star points, each with three connected phases, the phases of which are offset by 2/3p from each other.
  • the DC outputs are intended and designed to be connected to the DC inputs of the inverter or to the DC outputs of the DC source feeding the inverter under test.
  • the control circuit is designed for the timing of the drive of the transistor bridges that is coordinated with the test object. In this way, it is caused/avoided that strong current ripples arise in the case of uncoordinated switching operation.
  • the direct coupling of the DC paths of the inverter under test, the load simulation and the DC source ensures that the majority of the DC current flows between the load simulation and the inverter under test.
  • the direct current source only has to make up for the unavoidable losses of the system and can accordingly be designed for a much lower output.
  • the load simulation device can have one or more devices for generating one or more synchronization signals as a function of electrical variables at one or two or all phase connections and can supply the synchronization signals to the control circuit. There, the control signals for the transistors are generated based on the synchronization signals in a timely manner to the control in the test object.
  • the device for generating a synchronization signal can have a delay device.
  • the control timing in the inverter to be tested can be derived from the electrical quantities - current and/or voltage - which the load simulation device receives at its phase connections.
  • the timing of control interventions or control steps of the control in the DUT can be determined directly or indirectly from these variables, so that the control in the load simulation device can then take place in a timely manner.
  • the control initially includes a frequency control to the effect that control clock frequencies in the load simulation device are the same as those in the DUT.
  • Pulse width modulation hereinafter also referred to as "PWM” (“pulse width modulation”)
  • PWM pulse width modulation
  • the PWM pulse frequency in the load simulation device can be set to that in the DUT.
  • the synchronization can, however, take place to the extent that the phase position within a cycle is also corrected.
  • the synchronization can also have a delay after the clock in the DUT has been determined in such a way that the phase position in the load simulation device is delayed to the phase position in the DUT is provided.
  • the PWM control can include the use of the rotating d/q coordinate system and the d component (direct component) and/or the q component (quadrature component) of the quantities to be controlled - phase current and/or or phase voltage - can be controlled to the desired values and, if necessary, also regulated with feedback.
  • the rotational frequency of rotating d/q system is set or used in a known manner. It corresponds to the mechanical speed of the simulated electrical machine multiplied by the number of pole pairs of the same.
  • the control circuit can be designed to generate the control signals in such a way that the sum of the currents it causes at the phase connections assumes a specific value or is within a specific range, in particular as small as possible and preferably 0.
  • Real loads are regularly electric motors with windings connected at a star point. According to Kirchhoff's node rule, the sum of all currents at the neutral point is zero.
  • the control or regulation of the load simulation device can understand this in terms of regulation, in that the sum of the currents is made as small as possible and is preferably brought/controlled/regulated to zero or approximately zero. This can be a regulation using feedback current signals from the phase connections. It can be subordinate to or superimposed on another regulation.
  • controller in this specification is intended to address both open-loop and closed-loop/feedback devices, unless expressly stated otherwise.
  • the load simulation device described can receive one or more of the voltage values at the phase connections and/or one or more of the current values at the phase connections as returned or fed back values.
  • the control circuit of the load simulation device can also be designed to generate the control signals for the switches/transistors/transistor bridges in such a way that harmonics are at least partially compensated for.
  • the Load simulation modulates the duty cycle at the transistor bridges for each motor phase, preferably in such a way that the phase current curve is as ideally as sinusoidal as possible.
  • SVPWM space vector pulse width modulation
  • THIPWM third-harmonics-injection pulse-width modulation
  • harmonics from a possibly used in the DUT SVPWM or THIPWM or similar in the load simulation device causes the simulation to behave close to reality. Since the phases of a real load are coupled at a star point, harmonics compensate themselves there, since they are present in all phases in the same way. The active compensation in the load simulation device simulates this behavior.
  • Both the switching on or omission of a compensating harmonic for the PWM in the load simulation device as well as its waveform (sine, triangle, ...), frequency and amplitude can be set as part of the configuration of the load simulation device and set via a user interface . However, this can also be done automatically by evaluating the voltages at the phase connections of the load simulation device, e.g. B. Deviations from an ideal sine wave can be examined. Correctly compensating values can then be determined and set automatically.
  • the control circuitry of the load simulation device can further be designed to generate the control signals for the switches/transistors/transistor bridges in such a way that the load simulation device behaves like an electrical generator. This can be done, for example, by setting the q component of a variable to be controlled—phase current and/or phase voltage—to a negative value in the controller.
  • the load simulation device can have a position transmitter simulation device that simulates a position transmitter signal of a sensor of a real three-phase load and makes it available at a connection.
  • inverter-fed electric motors feed "position" signals back to the inverter. It is usually a pulse signal that provides information about the progression of the angle of rotation in the supplied motor and, for example, is integrated or extrapolated or interpolated into an angular position in the controller of the DUT.
  • the load simulation device can be designed to simulate such a signal so that it can be fed back to the controller of the DUT via a signal output of the load simulation device.
  • the design can be such that the signal is formed exactly like a signal from a real load, so that it can be fed directly to the DUT and no further modifications are necessary for the test mode. In the controller of the DUT, the signal can then be used to determine the virtual rotational speed of the simulated load.
  • the control circuit of the load simulation device can have a pulse width modulation circuit for generating the control signals in accordance with desired values. It may also include vector control circuitry for generating current and/or voltage control setpoints.
  • the transistors of the transistor bridges of the load simulation device can be driven using pulse width modulation (PWM) technology that is known per se.
  • PWM pulse width modulation
  • the necessary techniques, facilities and provisions can be used and provided for here.
  • the control can include vector control, ie at least temporarily the representation of alternating currents and voltages in a rotating coordinate system, for example by means of d and q components. Feedback can also be provided in this domain and taken into account. For this purpose, phase voltages or currents measured for feedback can be converted into the dq system.
  • the dq values determined in the control or regulator are transformed back into uvw values. Also on the input side (before dq) u-vw values can be used and/or specified and/or fed back.
  • the load simulation device in particular its control circuit, can have an interface circuit for connection to a user interface and/or to a higher-level controller.
  • the load simulation device may be desirable for the load simulation device to specify different target values for different behaviors.
  • it can be connectable to a higher-order controller or a user interface, or it can have these itself.
  • the load simulation device can be given different target values in order to simulate different behavior during the course of a more complex test program.
  • target values for example for speed and/or torque and/or one or more phase currents and/or phase voltages, must also be specified for the DUT.
  • the controller of the DUT can be designed to receive sensor signals, for example ambient temperature.
  • the load simulation device or a higher-level controller that can be connected to it can be designed to serve such inputs of the DUT with simulated signals. This may be settable via an interface as part of the configuration of the load simulation device.
  • the load simulation device can be designed to record electrical values that arise in combination with the DUT and to format, evaluate, log and thus make them available in a suitable scope and format. This can be done digitally and can also include communication with a higher-level controller.
  • the load simulation device can have an inductance between each of the phase connections and each of the connection areas of the transistor bridges. Their inductances can be automatically or manually adjustable.
  • the load simulation device can have a current and/or voltage detection device at one or more or all phase connections or behind the inductances and feedback of the detection values for the control.
  • the inductances that may be provided at the phase connections contribute to a real simulation of the load by showing inductive switch-on and switch-off behavior.
  • the inductances can be designed in such a way that the maximum current rise experiences a desired limitation, in particular to protect components and to avoid unwanted high-frequency current ripples on the motor phases.
  • a test device for a multi-phase inverter to be tested has a load simulation device, which can be designed as described above and which has several, e.g. B. three or six, transistor bridges corresponding to the number of phases of the DUT. They can be connected parallel to one another between two direct current lines and each have at least two series-connected electronic switches whose connection area can be connected directly or indirectly to one of the phase connections. It is also conceivable that several, e.g. B. to define two sets of transistor bridges and to switch these different sets between tween different DC lines.
  • the test device also has a DC voltage source with further DC outputs, which is designed to provide a DC voltage supply for the multi-phase inverter to be tested at its further DC outputs.
  • a control device is provided, which is designed at least for driving the load simulation device and for driving the multi-phase inverter to be tested. The DC outputs of the load simulation device are connected to the corresponding further DC outputs of the DC voltage source.
  • the load simulation device described so far can be built integrated with a superimposed controller and possibly also integrated with a direct current supply. They then form a test device overall as a single piece of equipment to which the DUT can be connected on the input side and on the output side.
  • the test device then needs a certain power supply for the internal operation as well as for the operation of the DUT. It can be connected to a conventional power supply, such as 110 volts, 60 Hertz, or 230 volts, 50 Hertz, or in the case of power-intensive three-phase current can be connected to other equipment. It then generates the direct current internally, which is fed to the DUT on the input side.
  • the load simulation device accepts three-phase current from the DUT and converts it back into direct current, which in turn can be fed to the DC voltage source.
  • direct current which in turn can be fed to the DC voltage source.
  • the test device can also be implemented without an integrated direct current source.
  • the direct current source can then be switched on externally.
  • the test device then has a DC output which can be connected to the corresponding DC output of the DC power source for the DUT.
  • the control device of the test device can be designed to control or provide one or more of the following measures or devices:
  • a DUT can go through a more or less detailed and complex test program that includes different operations, different operating modes, different power ranges, etc. pp. Such a test program can be defined using parameters so that these can then be implemented. Different operating times can be simulated, different load ranges, different modes (operation as a load, operation as a generator), different virtual speeds and so on.
  • test program Once the test program has been defined, it can be processed according to the specifications. This can be done automatically and possibly without user intervention.
  • Setpoint specification and parameter specification for the inverter to be tested The DUT is preferably "actually operated” so that it behaves as realistically as possible. In real operation, it receives setpoint specifications, for example for engine speed or engine torque, which can also be supplied in simulated operation. The same applies to parameters that may be expected, such as operating temperature, voltages and the like.
  • the DUT can be equipped with sensors, such as temperature sensors, whose values can be fed back to the test device and evaluated or logged there.
  • Setpoint specification for the load simulation device As explained above, the load simulation device must be specified with setpoint values for controlling its transistor bridges. This can be done according to different strategies.
  • the load simulation device can log measured and generated variables and then provide them collectively or continuously as a data stream, so that the behavior of the DUT is logged. Evaluations can also be carried out here that deliver evaluation results that go beyond the individual values.
  • Control of the DC voltage source According to the test program, the DC voltage source can be controlled at least to on/off and, where possible, to other states.
  • a connection to a data network can be provided in order to collect or output data.
  • a connection to a data network can be provided in order to collect or output data.
  • it can be locally a bus or a storage medium.
  • it can be a switchable network, such as a local switchable network, the Internet, or the like.
  • User input is often required to carry out the test operation.
  • a user interface can be provided in order to be able to provide the necessary information and, if necessary, also to be able to receive outputs.
  • the load simulation device and overall test device are designed to handle the voltages in the DUT. These voltages can be 12V or 24V on the DC side, generally below 50V. However, they can also be higher and have values of up to 400 V, generally below 1,000 V.
  • the load simulation device can have an exchangeable power semiconductor module, possibly with the connected inductances and possibly driver part, in order to quickly use different power semiconductor modules for different Use nominal voltages and thus be able to adapt to different operating voltages of different DUTs.
  • a deployed module may be auto-detectable to recognize it as part of the existing configuration.
  • the PWM clock frequency of the load simulation device can be at least a factor of 5 or 10 above the highest frequency of the AC voltage to be handled by the DUT. It can be over 5 kHz or over 10 kHz.
  • Simulated engine speeds can range up to 10,000 or 20,000 or 50,000 or 100,000 rpm. For synchronous motors, it correlates directly to the frequency of the AC electrical voltage from the DUT.
  • FIG. 3 schematically as a block diagram the control of the load simulation device
  • Fig. 4 schematically as a block diagram the control of the test device
  • FIG. 6 is a simplified schematic diagram of the test device.
  • Figure 7 shows a block diagram of a control component
  • Figure 8 shows various waveforms.
  • Fig. 1 shows at the top a three-phase inverter 1, which is the device under test (DUT). It is not part of the invention, but here only to explain the environment Invention shown. It is shown only schematically as it is not part of the invention.
  • DC inputs 5a and 5b for plus and minus the DC supply voltage are shown on the left.
  • Three-phase current outputs 6u, 6v, 6w are shown on the right, at which the three-phase alternating current (three-phase current) supplied by the DUT can be tapped off.
  • Internal transistor bridges 4U, 4V, 4W which generate the three-phase alternating current in a known manner, are only indicated.
  • a PWM control 3 can be provided, which drives the transistor bridges 4 according to a control/regulation 2 .
  • the DUT 1 With 7 different signal inputs and signal outputs of the DUT 1 are indicated, which are used in conventional operation. This can be setpoint specifications or feedback inputs, for example for position transmitters/pulse transmitters from the load to be controlled. It can also be sensor inputs, for example for a temperature sensor, or signal outputs. Generally speaking, the DUT 1 is constructed in a known manner and does not require any modification for testing by the test device.
  • FIG. 1 shows a test device at 10 below. It has a load simulation device 10a, a control section 10b and a direct current generation section 10c. The areas are separated from one another by dashed lines lOx and lOy. This is intended to indicate that the test device 10 may, but need not, be broken up into different pieces of equipment at the dashed lines. Instead of continuous lines, respective connections are then to be provided in order to be able to produce appropriate connections across borders.
  • the direct current source 10c, the higher-level controller 10b and the load simulation device 10a are accommodated in a single device 10.
  • the direct current source 16 it is just as possible to provide the direct current source 16 separately and to integrate only the control part 10b and the load simulation device 10a as one device.
  • the control part 10b it is also possible to design the control part 10b as a conventional PC equipped with appropriate software to implement the various components and having interfaces to the load simulation device 10a and the DUT 1 and possibly also interfaces to the DC power source 16 in order to be able to control them if necessary.
  • the Lastsimulationsvor device 10a with all the necessary interfaces to the DUT 1 and, if necessary, to the power source, so that the PC can use one of its standard interfaces, e.g. B. USB or wireless z. B. by means of WiFi, communicates with the load simulation device 10a, which in turn then serves the other interfaces.
  • the load simulation device 10a is shown to the right of the dashed line 10x in FIG. It comprises a power semiconductor block 11 which, when simulating a load, can be regarded as a controlled rectifier. It has three parallel transistor bridges llu, llv and llw, which are parallel to one another between direct current lines 14a and 14b.
  • the examples of the invention described here and shown in the figures represent three-phase embodiments.
  • the invention and in particular the load simulation device 10a can be designed more generally for handling multi-phase systems, ie for connecting multi-phase DUTs 1.
  • the number of phases in the DUT 1 and in the load simulation device 10a can be three, as described. But she can also be six.
  • the number of phases of the load simulating device 10a is at least the number of phases of the DUT 1.
  • the load simulating device 10a can have more phases in the hardware layout, e.g. B. six, than the DUT 1. Only the smaller number of phases are then driven in the load simulation device 10a during operation.
  • This may be selectably adjustable as part of the configuration or may be followed by automatic detection of which phase terminals have voltages from the DUT.
  • a largely automatic configuration can be provided.
  • a configuration mode can be provided before the simulation mode, which can last a few seconds and during which basic parameters can be determined, which can then lead to automatically settable configuring settings.
  • the configuration mode can also include a specific type of control of the DUT. In the configuration mode, the voltages at the phase connections 17 can be observed and evaluated. One or more of the following parameters can be determined and then set if necessary:
  • the configuration can also be carried out “manually”, for example via a graphical user interface.
  • FIG. 2 shows in simplified form the structure of a single transistor bridge, such as can be used both in the load simulation device 10a and in the DUT 1.
  • two transistor switches 21 and 22 which are regularly directly connected in series are connected, but sometimes also include other components between them.
  • the transistors can be field effect transistors, such as MOSFETs, or IGBTs.
  • Freewheeling diodes 24, 25 can be present, which can be provided as separate semiconductors or integrated with the transistors 21, 22.
  • a driver section with analog driver circuits 26, 27 can be provided which, from the PWM pulses up ...wn supplied by the controller, generate suitable drive signals for the individual control terminals of the individual transistors 21, 22 in terms of level and power.
  • a transistor bridge as shown in FIG. 2 is provided for each phase u, v, w of the connected three-phase current.
  • Each transistor 21, 22 of the three transistor bridges llu, llv, llw has a control input up, vp, wp for the transistors 21 of the individual phases u, v, w on the positive side of the DC voltage supply, and un, vn, wn for the transistors 22 of phases u, v and w on the negative side of the supply voltage.
  • the phase u, v, w respectively connected to the connection area 23 can be applied either to plus or to minus the DC supply voltage.
  • the transistors 21 and 22 of the transistor bridges can be driven using PWM technology, which has various control and regulation strategies. One of them is that the transistors 21 and 22 must not be closed (low impedance) at the same time, since this would be a short circuit between the DC voltage lines.
  • the load simulation device 10a to the left of the power semiconductor block 11 shows a controller 13 which is designed to control the transistors 21, 22 to drive the transistor bridges llu, llv, llw in a suitable manner in order to also control them with either high resistance or low resistance.
  • the load simulation device 10a has phase connections 17u, 17v, 17w to which the corresponding outputs 6u, 6v, 6w of the DUT 1 can be connected.
  • the DUT 1 will regularly be a power source and consequently the load simulation device 10a will simulate a consumer.
  • the operating conditions can also be reversed, in real terms, for example, when braking or when driving an electrically powered motor vehicle downhill.
  • the previously consuming motor or simulated load 10a acts as a generator and the DUT 1 can feedback act as a controlled rectifier and feed DC voltage back to the DC voltage source.
  • the load simulation device 10a can map these operating cases accordingly through suitable control.
  • the load simulation device 10a regularly also has inductances 12 in the form of coils.
  • a coil 12u, 12v, 12w is provided for each phase u, v, w and looped into the current path.
  • the coil value can be set manually or automatically. It can be greater than 1 pH or 2 pH or 5 pH or 10 pH. It can be less than 5 mH or 2 mH or 1 mH or 500 pH. It can be between 20 pH and 100 pH.
  • the phase terminals 17u, 17v and 17w are connected to the connecting portions 23u, 23v, 23w directly or through the coils 12u, 12v, 12w, respectively.
  • the DC lines 14a and 14b in the power semiconductor block 11 are either led out via lines 14 to a plug connection 14p, 14n, or they are led directly to the DC voltage source 16 with line 14 in a fully integrated device 10 .
  • the direct current source 16 generates direct current with which the DUT 1 is powered. This generates alternating current, which is fed to the load simulation device 10a. This in turn generates direct current which is fed back to the direct current source 16 . If the test device 10 is constructed as a unit of 10a, 10b and 10c, this feedback takes place inside the device by means of line 14 and can otherwise be produced via plug-in connections.
  • the DUT 1 on the left supplies AC power via the phase lines u, v, w and via the inductances 12 to the controllable rectifier 11 of the load simulation device 10a, where it is rectified and fed back via lines 14n, 14p to the DC voltage input of the DUT 1 or to the DC voltage output of the DC voltage source 16 is performed. Except for losses, power is fed back so that the load simulation device works together with the DUT in an energy-saving manner.
  • FIG. 6 shows with the thick arrow 61 how current can actually flow.
  • the u-phase bridge in the DUT 1 is shown, on the right the u-phase bridge in the load simulation device 10a. It is assumed that in the DUT 1 the upper transistor 21 is closed (never derohmic). If at the same time in the load simulation device in the connected transistor bridge of the corresponding phase u the lower transistor is closed (low resistance), current can flow through the inductor 12u.
  • the switching operation of the transistor bridges in the load simulation device 10a takes place in a timely manner with the switching operation of the transistor bridges in the DUT 1 .
  • the latter can be determined in particular in the frequency of the PWM pulses in the DUT 1 and in their phase position from the electrical values at the input 17 of the load simulation device, since these were generated by the switching operations in the DUT and reflect them.
  • the timing may include frequency matching of the PWM pulse frequencies and possibly also phase matching of the individual pulses. Since the output signals of the DUT 1 (voltages and currents at the outputs 6u, 6v, 6w) correspond to the currents and voltages at the phase terminals 17u, 17v,
  • 17w of the load simulation device 10 are not pure sinusoidal oscillations, but rather reflect the switching activity of the transistors of the transistor bridges, the switching operation in the DUT 1 can be read from the electrical values present at the load simulation device 10a. Voltage values and voltage curves can be evaluated.
  • the load simulation device 10a has suitable devices to derive the switching frequency and possibly also the phase angle from the electrical values present and then to take them into account when driving the transistors of the transistor bridges 111, 11v, 11w. Current sensors and/or voltage sensors and/or current returns and/or voltage returns can be provided for this purpose.
  • the current and/or voltage of one phase or two phases or all phases can be detected at the respective phase input 17u, 17v, 17w or behind it and can be fed to the controller.
  • the determination of the switching frequency in the DUT 1 and the determination If necessary, the phase position can be digital if the input values at the phase terminals 17u, 17v, 17w are converted to digital quickly, ie at a high clock frequency, and then evaluated.
  • the sampling frequency can be over 100 or 200 or 500 kHz or over 1 or 2 or 5 MHz.
  • both the DUT 1 and the load simulation device 10a work on a PWM basis.
  • the pulse frequency of the PWM in the DUT can then be determined from the returned signals.
  • the phase position can then also be determined. Referring to Fig. 5, qualitative explanations are given on this.
  • diagram 51 shows a pulse 51a to d which is intended to be the idealized clock which prevails in the DUT 1. It should be noted that this pulse as shown in FIG. 5 may not actually exist. It is used in the figure only to illustrate the basic ideas.
  • Diagram 52 in FIG. 5 shows a pulse as initially determined by load simulation device 10a. For its part, it has idealized pulses 52a, 52b, 52c, 52d. Since there are processing times due to systematic reasons, it cannot be determined at the same time as pulse 51 in DUT 1, but is determined with a time delay of dt.
  • the delay time dt includes the delay within the load simulation device 10a and as such can be determined and is known since it is a constant, determinable system parameter.
  • the individual pulses 52a, 52b show the same interval tp as the idealized pulse 51 in the DUT 1, so that the time interval between the determined idealized pulse 52 corresponds to the interval in the idealized pulse 51.
  • the controller 13 generates control signals up, un, vp, vn, wp, wn for each of the two transistors of the three bridges llu, llv, llw of the power semiconductor block 11. They are used to control the transistor switch to either on (low resistance) or off ( high impedance).
  • the tapping off of optionally returned variables in the load simulation device 10a can take place directly at the phase connections 17 or can take place between the inductances 12 and the power semiconductor block 11 . For the currents it makes no difference.
  • the voltages can differ according to the voltage drop across the inductances. 1 also shows that the controller 13 operates an output 18 of the load simulation device 10a.
  • a position signal or position pulse of the virtually rotating load is generated here and output for use in the DUT 1 .
  • a signal present in real devices is thus simulated in order to supply the DUT 1 with the input variables required for operation.
  • control devices control aspects and control components are addressed. As mentioned, they can be divided into different real devices. However, it is just as possible to implement them in an integrated manner in just a single device, which is then programmed appropriately, is capable of multitasking if necessary and has sufficient power to be able to carry out the individual measures and activities.
  • the controller 13 can have a digital circuit, for example in the form of a small computer with CPU, RAM, ROM, bus, registers and other usual components of a computer. If necessary, A/D converters operated in multiplex mode can be available on the input side and D/A converters on the output side. In addition, the controller can have analog circuit components, for example to generate the PWM control signals in a suitable manner and for communication purposes.
  • the hardware implementation can have an FPGA ("Field Programmable Gate Array") for fast digital processing.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the controller 13 can be designed for quasi-simultaneous execution of several programs/tasks in multitasking.
  • Suitable signals for driving the transistors of the power semiconductors are generated here in accordance with the pulse width modulation technique in terms of timing, duration and amplitude. This can include digital and analog components, the latter primarily on the output side.
  • the 32 addresses the general control of the power semiconductors, which outputs current and/or voltage specifications according to input setpoint values, which can then be fed to the pulse width modulation control 31 so that they can be converted into corresponding pulses there.
  • the various control measures as have already been explained and as will be explained further below, can be implemented in the controller 32 .
  • the controller 32 may have one or more of the following inputs:
  • the controller 32 Depending on the entered values, the controller 32 generates the current pulse duty factor, which is passed on to the PWM controller, as outputs to the PWM controller 31 .
  • the device 34 is used to generate one or more synchronization signals or information as already described with reference to FIG. It can receive returned signals via lines 13u, 13v, 13w of the individual phases and determine the information described therefrom after rapid A/D conversion and digital evaluation. These can then be made available in particular to the pulse width modulator 31 in order to generate drive signals for the transistors 21, 22 of the transistor bridges with the correct frequency and phase.
  • An FPGA can be used to implement this device.
  • threshold switches can also be used for the feedback, which switch at about half the DC voltage, with a certain switching hysteresis for interference suppression.
  • the simulator indicates the simulator for the position signal or for the position pulse, which generates the simulated position signal that is output at the output 18 . It is formatted so that the DUT 1 can use it directly.
  • the formatting of these pulses can be set via an interface or user interface and thus be adaptable to the need of the DUT 1.
  • the simulation can simulate a SIN/COS encoder, possibly with magnetoresistive sensors, or a resolver, which can have inductively coupled coils, or a pulse encoder as the encoder. It can be switchable between different simulations of different encoders in order to be able to serve different requirements of different DUTs.
  • 35 is a summation current setting device for superimposed or subordinate control of the power semiconductors such that the sum of the currents at the phase connections 17 assumes a specific value or is within a specific range of values, preferably smaller than a threshold value or as small as possible overall, and preferably becomes zero.
  • This component can be interwoven with other control components and can be implemented digitally and arithmetically. It is only shown in isolation in FIG. 3 for visualization purposes. It can be subordinate in the sense that superimposed components generate setpoints in the u/v/w system that would lead to specific currents. If the sum were not the desired value, e.g.
  • corrections can be made such that the currents in all phases are changed by the same values, in the example given by 5 A, if 0 is desired as the sum.
  • the controller can be designed to specifically set the sum of the currents to values not equal to 0 if simulation of the load is advantageous.
  • An error simulation can be implemented by e.g. B. an open line or a short circuit between lines is simulated.
  • the cumulative current setting device 35 can also be designed to control or regulate a plurality of separate cumulative currents, in particular star points with a total current of 0, for a plurality of phases.
  • a plurality of separate cumulative currents in particular star points with a total current of 0, for a plurality of phases.
  • the individual control components can exchange information with one another in order to ensure that all control components that may be working in separate locations can always set their outputs depending on the same input values.
  • two control components can exchange information about the currently simulated position for three phases each.
  • 36 symbolizes a harmonic suppression component, which ensures that harmonics are at least partially compensated. It causes the phase current to develop a sinusoidal curve that is as ideal as possible.
  • Certain types of modulation in the DUT 1 can cause harmonics to form on the generated voltage or current waveforms.
  • FIG. Fig. 8A shows the so-called "space vector PWM” (SVPWM).
  • SVPWM space vector PWM
  • the inverter superimposes a triangular oscillation 82 of three times the frequency on an ideal nominal sinusoidal oscillation 81. In total, this leads to an overall oscillation that is no longer sinusoidal.
  • 8B shows the so-called "third harmonics injection PWM” (THIPWM).
  • THIPWM third harmonics injection PWM
  • the inverter superimposes a sinusoidal oscillation 84 of three times the frequency on an ideal setpoint sinusoidal oscillation (not shown). All in all, this leads to a calculated total target oscillation 85 that is no longer sinusoidal, on the basis of which the pulse duty factors of the signals up, un, vp, vn, wp, wn are determined.
  • the harmonics suppression component 36 for the PWM in the load simulation device 10a superimposes the ideal sine setpoint on the ideal sine wave target, compensating for the influence of the curves 82 or 84, which regularly corresponds to the frequency, phase position and amplitude of the superimposed component from the DUT 1. It can be manually or automatically configurable.
  • 37 symbolizes an interface for data input and data output. The data input is desirable for the flexible control of the load simulation device, ie ultimately parameters for the specification of higher-level control and regulation parameters, test modes and the like.
  • the data output is desirable for the output of measured values and values derived from them. Basically, it can be said in this respect that it is not the load simulation device 10a that is tested, but a DUT 1 that may be connected to it became. If desired, they can be processed, evaluated, passed on and stored. This can also be done through the interface 37 .
  • the controller 32 can also bring about a switchover between behavior as a load and behavior as a generator by giving appropriate specifications to the PWM controller 31 .
  • this can mean setting a q target component in the d/q system to a negative value if inverted load operation (load as a generator, as is the case in regenerative braking or when driving downhill) is to be simulated.
  • a higher-level controller 15 can be provided in the integrated or separately provided control part 10b. It can be connected to a memory 19 of sufficient volume.
  • the higher-level control can have various connections, namely in particular to the load simulation device 10a via lines 15b, to the memory 19, to the DUT 1 via lines 15a and possibly also to the direct current source 16 via lines 15c. Not shown as separate lines are connections to a user interface that is intended to be included in the higher-level controller 15 .
  • the user interface may include a screen, possibly a graphical user interface, or input masks to make the desired entries or queries.
  • the higher-level controller 15 can also be suitable for receiving signals from the DUT 1, for example if it has been equipped with additional sensors in order to record these signals and be able to manage, evaluate and store them in an assignable manner.
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of the higher-level controller 15. It can also be or have a computer or small computer or PC. It can have the usual computer components CPU, RAM, ROM, bus, . . .
  • A/D converters or D/A converters possibly an FPGA and analog components, can be provided. It can be designed for quasi-simultaneous execution of several programs/tasks in multitasking.
  • target value specifications can be generated here and output to the load simulation device 10a, and values can be received from it, in particular measured values, processed values or the like.
  • the interface to the DUT 1 is indicated at 45 . It generates the signals required for DUT 1 to operate, so that the DUT 1 appears to operate normally on the input side.
  • the DUT interface 45 can also receive sensor signals from the DUT 1 .
  • the interface to the DC voltage source 16 is indicated at 44 . It may in any event include an on/off control and possibly other components.
  • BO 43 indicates the user interface already described, by means of which a user can make the desired inputs and outputs.
  • a sequence planning and sequence control is indicated with 46 . It can be used to determine and define test programs. It can then also control the implementation of the test programs determined in this way. Inputs and/or outputs and/or storage of data and/or processing or pre-processing of data can also be initiated in the desired manner, if necessary also alarms or the like.
  • FIG. 7 schematically shows as a block diagram a component for specifying the desired value for the load simulation device 10a. It can be implemented in the controller of the load simulation device 10a or in the higher-level controller of the test device or distributed between the two.
  • a first control mode 71 is pure current control or regulation at the phase connections 17 of the load simulation device 10a.
  • a second control mode 72 is voltage control or regulation at the phase terminals 17 of the load simulation device 10a, e.g. B. can be selected if the DUT 1 itself carries out current regulation.
  • a third control mode 73 is the use of a previously stored motor model which mathematically simulates a motor as a load and from which setpoints for current and/or voltage at the phase terminals are derived.
  • the feedback of the driven mechanical load on the electrical circuit can also be simulated, for example by a vehicle. The feedback can be simulated as time-varying
  • Bl are calculated according to real load cycles, for example driving uphill, driving straight, driving downhill, accelerating, braking, stop-and-go and the like in a vehicle.
  • Choices 74 if any, including possible setpoint inputs for current and/or voltage and/or simulated speed may be part of the user-accessible configuration. It can also be automatically selectable and/or switchable as part of a test program during the execution of the program. As far as a specification of a simulated speed is mentioned, this can also mean the specification of a simulated acceleration, i.e. changing simulated setpoint speed values from an actual speed, e.g. B. 0, include the predetermined number of revolutions.
  • target values for the load simulation device can go hand in hand with and correlate in terms of content with the specification of target values for the operation of the DUT 1.
  • Target values for the load simulation device can be set according to target values for the operation of the DUT 1 and/or vice versa.
  • 10c in Fig. 1 symbolizes the DC part. It can be a conventional direct current source, which has, for example, a mains connection 16a in order to be connected to a conventional alternating current mains. It can then generate direct current, which provides the input power for the DUT 1 at outputs 16b. However, it also has feed points 16c, at which the DC power obtained from the load simulation device 10 is fed back into the DC circuit or from where, in the case of the inverted behavior—load as a generator—power for the load simulation device 10a. If, as shown in FIG. 1, the described components 10a, 10b and 10c are integrated with one another, the feed points 16c can be inside the device.
  • the DC part 10c is provided separately, ie is separated along line 10y, the DC power can also be supplied from the load simulation device 10a on the outside and/or via the terminals 16b. It then does not have to take place through the control part 10b.
  • Connection lines between the higher-level controller 15 and the DC voltage source are indicated at 15c. On the one hand, they can be used, if necessary, to supply the higher-level controller 15 with energy, but they can also be used for control and, in any case, monitoring.
  • All of the power semiconductors of the load simulation device i.e. the power semiconductors 21, 22 of the transistor bridges, possibly with freewheeling diodes and with the closed inductances and upstream driver part with driver circuits, can be designed as an electrically and mechanically detachable built-in module. It can then be exchanged for another module with other semiconductor types and possibly other inductances. Power semiconductor blocks with different electrical dimensions can then simply be used for different nominal voltages of different DUTs 1, so that adaptations to different operating voltages of different DUTs can be made quickly. An inserted module can be automatically recognizable in order to be able to recognize it as part of the existing configuration.

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Abstract

Eine Lastsimulationsvorrichtung (10a) zum Simulieren einer Drehstromlast für einen Drei- oder allgemein Mehrphasen-Wechselrichter (1) hat drei oder allgemein mehrere Phasenanschlüsse (17u, 17v, 17w) für einen anzuschließenden Wechselrichter (1), zwei Gleichstromausgänge (14p, 14n) für eine anzuschließenden Gleichstromversorgung (16), drei oder allgemein mehrere Transistorbrücken (llu, llv, llw), die jeweils zwischen die Gleichstromleitungen (14p, 14n) geschaltet sind und jeweils mindestens zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter (21, 22) aufweisen, deren Verbindungsbereich (23) direkt oder indirekt mit je einem der Phasenanschlüsse (17u, 17v, 17w) verbunden sind. Die Lastsimulationsvorrichtung hat für jeden der elektronischen Schalter eine Steuerungsleitung (sup - swn) zum Steuern des jeweiligen elektronischen Schalters, und eine Steuerungsschaltung (13), die mit den Steuerungsleitungen (sup - swn) verbunden ist zum Ansteuern der elektronischen Schalter (21, 22) mittels jeweiliger von ihr erzeugter Steuerungssignalen (up, un, vp, vn, wp, wn). Die Steuerungsschaltung (13) ist dazu ausgelegt, die Steuerungssignale (up, un, vp, vn, wp, wn) in zeitlicher Abstimmung auf Steuerungssignale in einem anzuschließenden Wechselrichter (1) zu erzeugen.

Description

IRS Systementwicklung GmbH
LASTSIMULATIONSUMRICHTER UND TESTVORRICHTUNG
Die Erfindung ist eine Lastsimulationsvorrichtung und eine Testvorrichtung für elekt ronische Wechselrichter.
Wechselrichter sind elektronische Schaltungen, die aus Gleichstrom Wechselstrom erzeugen. Regelmäßig erzeugen sie mehrphasigen Wechselstrom ("Drehstrom"), bei spielsweise dreiphasig oder sechsphasig. Gerade im Hinblick auf Elektromobilität wer den solche Wechselrichter zum Ansteuern elektrischer Motoren auch mit hohen elektrischen Leistungen zunehmend wichtig. Wichtig ist es deshalb auch, solche Wechselrichter effizient testen und prüfen zu können. Die Effizienz umfasst dabei ei nerseits das effiziente Handling von Testroutinen und des Datenmanagements, aber andererseits auch Energieeffizienz und weiterhin möglichst unaufwändige und kos tengünstige Gerätschaften hierfür.
Bekannt sind hierfür einfache Drosseln, die als passive, reine Blindleistungslast arbei ten. Die Energie pendelt zwischen den Motorphasen. Die elektrische Nachbildung der Last ist nur ungefähr. Der Gleichstrompfad des Wechselrichters wird dabei nicht real belastet.
Weiter bekannt sind High-End-Motorsimulationen, die elektronisch gesteuert eine Last simulieren und die aufgenommene elektrische Leistung zurück ins Wechselspan nungsnetz speisen. Diese Schaltungen sind jedoch sehr aufwendig und benötigen eine leistungsfähige Gleichstromversorgung. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lastsimulationsvorrichtung und eine Testvorrich tung für Mehrphasen-Wechselrichter anzugeben, die effizient baubar und energieef fizient betreibbar sind.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Eine Lastsimulationsvorrichtung zum Simulieren einer Drehstromlast für einen Mehr phasen-Wechselrichter („Prüfling" oder auch „DUT") hat mehrere, vorzugsweise drei oder sechs Phasenanschlüsse für einen anzuschließenden Wechselrichter, ein oder mehrere Paare von zwei Gleichstromausgängen für eine an interne Gleichstromlei tungen anzuschließende Gleichstromversorgung, mehrere, vorzugsweise drei oder sechs Transistorbrücken, die jeweils zwischen die Gleichstromleitungen eines Paares geschaltet sind und jeweils mindestens zwei in Serie geschaltete elektronische Schal ter aufweisen, deren Verbindungsbereich direkt oder indirekt mit je einem der Pha senanschlüsse verbunden sind, für jeden der elektronischen Schalter eine Steue rungsleitung zum Steuern des jeweiligen elektronischen Schalters, und eine Steue rungsschaltung, die mit den Steuerungsleitungen verbunden ist zum Ansteuern der elektronischen Schalter mittels jeweiliger von ihr erzeugter Steuerungssignalen. Die Steuerungsschaltung ist dazu ausgelegt, die Steuerungssignale in zeitlicher Abstim mung auf Steuerungssignale in einem anzuschließenden Wechselrichter zu erzeugen.
Die Lastsimulationsvorrichtung kann allgemein eine mehrphasige elektrische Last si mulieren. Sie kann insbesondere einen elektrischen Synchronmotor oder einen elektrischen Asynchronmotor simulieren. Die Lastsimulationsvorrichtung kann einen elektrischen Motor simulieren, der mehrere, insbesondere drei oder sechs Phasen, aufweist und die an einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden sind. Simuliert wer den können auch Motoren mit mehreren gegeneinander getrennten Sternpunkten, z. B. zwei Sternpunkte mit je drei angeschlossenen Phasen, deren Phasen jeweils 2/3p gegeneinander versetzt sind.
Die Gleichstromausgänge sind dafür bestimmt und dafür ausgelegt, mit den Gleich stromeingängen des Wechselrichters beziehungsweise mit den Gleichstromausgän gen der den zu testenden Wechselrichter speisenden Gleichstromquelle verbunden zu werden. Um dies vorteilhaft zu ermöglichen, ist die Steuerschaltung für die zeitlich auf den Prüfling abgestimmte Ansteuerung der Transistorbrücken ausgelegt. Es wird auf diese Weise bewirkt/vermieden, dass bei nicht abgestimmten Schaltbetrieb starke Stromwelligkeiten entstehen.
Durch die direkte Kopplung der Gleichstrompfade des zu testenden Wechselrichters, der Lastsimulation und der Gleichstromquelle wird sichergestellt, dass der größte Teil des Gleichstroms zwischen Lastsimulation und dem zu testenden Wechselrichter fließt. Die Gleichstromquelle muss nur für die unvermeidlichen Verluste des Systems aufkommen und kann entsprechend für eine um ein Vielfaches kleinere Leistung aus gelegt werden.
Die Lastsimulationsvorrichtung kann eine oder mehrere Einrichtungen zum Erzeugen eines oder mehrerer Synchronisationssignale in Abhängigkeit elektrischer Größen an einem oder zwei oder allen Phasenanschlüssen aufweisen und kann die Synchronisa tionssignale der Steuerungsschaltung zuführen. Dort werden die Steuerungssignale für die Transistoren anhand der Synchronisationssignale in zeitlicher Abstimmung auf die Steuerung im Prüfling erzeugt. Die Einrichtung zum Erzeugen eines Synchronisati onssignals kann eine Verzögerungseinrichtung aufweisen.
B Das Steuerungstiming im zu testenden Wechselrichter, nachfolgend auch als "DUT" - "Device linder Test" angesprochen, sind aus den elektrischen Größen - Strom und/o der Spannung - herleitbar, die die Lastsimulationsvorrichtung an ihren Phasenan schlüssen empfängt. Direkt oder indirekt aus diesen Größen kann so die zeitliche Lage von Steuerungseingriffen oder Steuerungsschritten der Steuerung im DUT ermittelt werden, sodass dann zeitlich darauf abgestimmt die Steuerung in der Lastsimulati onsvorrichtung erfolgen kann.
Die Steuerung umfasst dabei zunächst eine Frequenzsteuerung dahingehend, dass Steuerungstaktfrequenzen in der Lastsimulationsvorrichtung die gleichen sind wie die im DUT. Im DUT wie in der Lastsimulationsvorrichtung kann Pulsbreitenmodulation, nachfolgend auch als „PWM" („pulse width modulation") angesprochen, zum Einsatz kommen. Die PWM-Pulsfrequenz in der Lastsimulationsvorrichtung kann auf die im DUT gesetzt werden. Die Synchronisation kann aber noch weitergehend dahingehend erfolgen, dass auch die Phasenlage innerhalb eines Takts richtiggestellt wird. Da sys tematisch betrachtet die Ermittlung eines im DUT vorhandenen Steuertakts eine ge wisse Zeitspanne in Anspruch nimmt, kann die Synchronisation weiterhin nach Er mittlung des Takts im DUT eine Verzögerung in der Weise aufweisen, dass die Pha senlage in der Lastsimulationsvorrichtung durch Verzögerung auf die Phasenlage im DUT gestellt wird.
In der Lastsimulationsvorrichtung kann die PWM-Steuerung die Verwendung des ro tieren d/q-Koordinatensystems umfassen und es können dann die d-Komponente (di rekte Komponente) und/oder die q-Komponente (Quadraturkomponente) der zu steuernden Größen - Phasenstrom und/oder Phasenspannung - auf gewünschte Werte gesteuert und ggf. auch rückgekoppelt geregelt werden. Die Drehfrequenz des rotierenden d/q-Systems wird in bekannter Weise gesetzt bzw. verwendet. Sie ent spricht der mechanischen Drehzahl der simulierten elektrischen Maschine multipli ziert mit der Polpaarzahl derselben.
Die Steuerungsschaltung kann dazu ausgelegt sein, die Steuerungssignale derart zu erzeugen, dass die Summe der durch sie hervorgerufenen Ströme an den Phasenan schlüssen einen bestimmten Wert einnimmt oder in einem bestimmten Bereich liegt, insbesondere möglichst klein und vorzugsweise 0 wird.
Reale Lasten sind regelmäßig Elektromotoren mit an einem Sternpunkt verbundenen Wicklungen. Gemäß der Kirchhoffschen Knotenregel ist die Summe aller Ströme am Sternpunkt Null. Die Steuerung beziehungsweise Regelung der Lastsimulationsvor richtung kann dies regelungstechnisch nachvollziehen, indem die Summe der Ströme möglichst kleingemacht wird und vorzugsweise auf Null oder näherungsweise Null ge führt/gesteuert/geregelt wird. Es kann sich hierbei um eine Regelung anhand rückge führter Stromsignale von den Phasenanschlüssen her handeln. Sie kann einer ande ren Regelung unterlagert oder überlagert sein.
Allgemein wird darauf verwiesen, dass der Begriff "Steuerung" in dieser Beschreibung sowohl Geräte ohne Rückführung wie auch Geräte mit Rückführung/Rückkopplung ansprechen soll, soweit nicht ausdrücklich etwas anderes gesagt ist. Als rückgeführte beziehungsweise rückgekoppelte Werte kann die beschriebene Lastsimulationsvor richtung einen oder mehrere der Spannungswerte an den Phasenanschlüssen emp fangen und/oder einen oder mehrere der Stromwerte an den Phasenanschlüssen.
Die Steuerungsschaltung der Lastsimulationsvorrichtung kann weiter dazu ausgelegt sein, die Steuerungssignale für die Schalter/Transistoren/Transistorbrücken derart zu erzeugen, dass Oberschwingungen wenigstens teilweise kompensiert werden. Die Lastsimulation moduliert das Tastverhältnis (duty cycle) an den Transistorbrücken je der Motorphase vorzugsweise derart, dass ein möglichst ideal sinusförmiger Verlauf des Phasenstromes entsteht. Im Falle der meist in einem DUT verwendeten Space- Vector Pulsweitenmodulation (SVPWM) bedeutet dies, dass die Lastsimulation zu sätzlich zur sinusförmigen Modulation des Duty Cycle auf den Motorphasen nähe rungsweise eine kompensierende dreieckförmige Modulation mit dreifacher Grund frequenz des Sinus überlagern muss. Im Falle der sog. third-harmonics-injection-Puls- weitenmodulation (THIPWM) im DUT 1 bedeutet dies, dass die Lastsimulation zusätz lich zur sinusförmigen Modulation des Duty Cycle auf den Motorphasen näherungs weise eine kompensierende sinusförmige Modulation mit dreifacher Grundfrequenz des Sinus überlagern muss.
Die Kompensation von Oberschwingungen aus einer möglicherweise im DUT verwen deten SVPWM oder THIPWM oder ähnlichem in der Lastsimulationsvorrichtung be wirkt, dass sich die Simulation realitätsnah verhält. Da bei einer realen Last die Pha sen an einem Sternpunkt gekoppelt sind, kompensieren sich dort Oberschwingungen von selbst, da sie auf allen Phasen in gleicher Weise liegen. Die aktive Kompensation in der Lastsimulationsvorrichtung bildet dieses Verhalten nach.
Sowohl das Zuschalten bzw. Weglassen einer kompensierenden Oberschwingung für die PWM in der Lastsimulationsvorrichtung wie auch deren Wellenform (Sinus, Drei eck, ...), Frequenz und Amplitude können als Teil der Konfiguration der Lastsimulati onsvorrichtung wählbar einstellbar sein und über eine Benutzerschnittstelle gesetzt werden. Dies kann aber auch automatisch geschehen, indem die Spannungen an den Phasenanschlüssen der Lastsimulationsvorrichtung ausgewertet werden, indem z. B. Abweichungen von einer idealen Sinusschwingung untersucht werden. Es können dann richtig kompensierende Werte automatisch ermittelt und eingestellt werden. Die Steuerungsschaltung der Lastsimulationsvorrichtung kann weiter dazu ausgelegt sein, die Steuerungssignale für die Schalter/Transistoren/Transistorbrücken derart zu erzeugen, dass sich die Lastsimulationsvorrichtung wie ein elektrischer Generator verhält. Dies kann bspw. dadurch geschehen, dass in der Steuerung die q-Kompo- nente einer zu steuernden Größe - Phasenstrom und/oder Phasenspannung - auf ei nen negativen Wert gesetzt wird.
Die Lastsimulationsvorrichtung kann eine Positionsgebersimulationsvorrichtung auf weisen, die ein Positionsgebersignal eines Sensors einer realen Drehstromlast simu liert und an einem Anschluss bereitstellt.
In vielen Fällen führen wechselrichtergespeiste Elektromotoren "Positions"-Signale zurück zum Wechselrichter. Regelmäßig ist es ein Impulssignal, das Information über den Drehwinkelfortschritt im gespeisten Motor gibt und beispielsweise im Regler des DUT zu einer Winkellage aufintegriert oder extrapoliert bzw. interpolieret wird. Die Lastsimulationsvorrichtung kann dazu ausgelegt sein, ein solches Signal zu simulieren, sodass es über einen Signalausgang der Lastsimulationsvorrichtung zum Regler des DUT zurückgeführt werden kann. Die Auslegung kann dabei so sein, dass das Signal genau wie ein Signal einer realen Last gebildet wird, sodass es dem DUT direkt zuge führt werden kann und keine weiteren Modifikationen insoweit für den Testbetrieb notwendig sind. In der Steuerung des DUT kann das Signal dann zur Bestimmung der virtuellen Drehgeschwindigkeit der simulierten Last verwendet werden.
Die Steuerungsschaltung der Lastsimulationsvorrichtung kann eine Pulsbreitenmodu lationsschaltung zur Erzeugung der Steuerungssignale nach Maßgabe von Sollwerten aufweisen. Sie kann auch eine Vektorsteuerungsschaltung zur Erzeugung von Strom- und/oder Spannungs-Steuerungssollwerten aufweisen. Die Ansteuerung der Transistoren der Transistorbrücken der Lastsimulationsvorrich tung kann mit an sich bekannter Pulsbreitenmodulationstechnik (PWM) erfolgen. Es können hier die hierfür nötigen Techniken, Einrichtungen und Bestimmungen einge setzt und vorgesehen werden. Die Steuerung kann eine Vektorsteuerung umfassen, also mindestens zeitweise die Darstellung von Wechselströmen und -Spannungen in einem rotierenden Koordinatensystem beispielsweise mittels d- und q-Komponenten. Es kann auch in dieser Domäne eine Rückkopplung vorgesehen sein und berücksich tigt werden. Hierfür können für die Rückführung gemessene Phasenspannungen oder -ströme in das d-q-System konvertiert werden. Vor der eigentlichen Pulsbreitenmo dulationssteuerung werden die in der Steuerung oder im Regler ermittelten d-q- Werte zurück in u-v-w-Werte transformiert. Auch eingangsseitig (vor d-q) können u- v-w-Werte verwendet und/oder vorgegeben und/oder rückgeführt werden.
Die Lastsimulationsvorrichtung, insbesondere ihre Steuerungsschaltung, kann eine Schnittstellenschaltung aufweisen zur Verbindung mit einer Benützerschnittstelle und/oder mit einer übergeordneten Steuerung.
Für die Lastsimulationsvorrichtung kann es wünschenswert sein, ihr unterschiedliche Sollwerte für unterschiedliche Verhalten vorzugeben. Sie kann hierfür mit einer über geordneten Steuerung oder einer Benützerschnittstelle verbindbar sein oder diese selbst aufweisen. Auf diese Weise können der Lastsimulationsvorrichtung unter schiedliche Sollwerte vorgegeben werden, um etwa unterschiedliche Verhalten im Ablauf eines komplexeren Testprogramms zu simulieren. Auch dem DUT müssen dementsprechend Sollwerte, etwa für Drehzahl und/oder Drehmoment und/oder ei nen oder mehrere Phasenströme und/oder Phasenspannungen, vorgegeben werden. Weiterhin kann der Regler des DUT dazu ausgelegt sein, Sensoriksignale zu empfan gen, beispielsweise Umgebungstemperatur. Die Lastsimulationsvorrichtung bezie hungsweise eine mit ihr verbindbare überlagerte Steuerung können dazu ausgelegt sein, solche Eingänge des DUT mit simulierten Signalen zu bedienen. Dies kann als Teil der Konfiguration der Lastsimulationsvorrichtung über eine Schnittstelle einstell bar sein.
Weiterhin kann die Lastsimulationsvorrichtung dazu ausgelegt sein, elektrische Werte, die in Kombination mit dem DUT entstehen, zu erfassen und im geeigneten Umfang und Format zu formatieren, auszuwerten, zu protokollieren und damit ver fügbar zu machen. Dies kann digital geschehen und kann auch die Kommunikation mit einer überlagerten Steuerung umfassen.
Die Lastsimulationsvorrichtung kann je eine Induktivität zwischen je einem der Pha senanschlüsse und je einem der Verbindungsbereiche der Transistorbrücken aufwei sen. Ihre Induktivitäten können automatisch oder manuell einstellbar sein.
Die Lastsimulationsvorrichtung kann eine Strom- und/oder Spannungserfassungsvor richtung an einem oder mehreren oder allen Phasenanschlüssen oder hinter den In duktivitäten und eine Rückkopplung der Erfassungs werte zur Steuerung aufweisen.
Stromwerte können induktiv oder mittels kleiner Messwiderstände (Shunts) gemes sen werden. Spannungen können direkt über eine Leitung geführt werden.
Die an den Phasenanschlüssen gegebenenfalls vorgesehenen Induktivitäten tragen zu einer realen Simulation der Last bei, indem sie induktives An- und Ausschaltverhalten zeigen. Die Induktivitäten können derart ausgelegt sein, dass der maximale Stroman stieg eine gewünschte Begrenzung erfährt, insbesondere um Bauteile zu schützen und um ungewollter hochfrequenter Welligkeit des Stromes auf den Motorphasen zu vermeiden.
Eine Testvorrichtung für einen zu testenden Mehrphasen-Wechselrichter weist eine Lastsimulationsvorrichtung auf, die wie oben beschrieben ausgelegt sein kann und die mehrere, z. B. drei oder sechs, Transistorbrücken entsprechend der Anzahl der Phasen des DUT aufweist. Sie können parallel zueinander zwischen zwei Gleichstrom leitungen geschaltet sein und jeweils mindestens zwei in Serie geschaltete elektroni sche Schalter aufweisen, deren Verbindungsbereich direkt oder indirekt mit je einem der Phasenanschlüsse verbunden sein kann. Denkbar ist auch, mehrere, z. B. zwei Sätze von Transistorbrücken zu definieren und diese unterschiedlichen Sätze zwi schen unterschiedliche Gleichstromleitungen zu schalten. Die Testvorrichtung weist auch eine Gleichspannungsquelle mit weiteren Gleichstromausgängen auf, die dazu ausgelegt ist, an ihren weiteren Gleichstromausgängen eine Gleichspannungsversor gung für den zu testenden Mehrphasen-Wechselrichter bereitzustellen. Eine Steue rungsvorrichtung ist vorgesehen, die wenigstens zum Ansteuern der Lastsimulations vorrichtung und zum Ansteuern des zu testenden Mehrphasen-Wechselrichters aus gelegt ist. Die Gleichstromausgänge der Lastsimulationsvorrichtung sind mit den ent sprechenden weiteren Gleichstromausgängen der Gleichspannungsquelle verbunden.
Die bisher beschriebene Lastsimulationsvorrichtung kann integriert mit einer überla gerten Steuerung und gegebenenfalls auch integriert mit einer Gleichstromversor gung aufgebaut sein. Sie bilden dann insgesamt eine Testvorrichtung als eine einzige Gerätschaft, an die das DUT eingangsseitig wie ausgangsseitig anschließbar ist. Die Testvorrichtung braucht für den internen Betrieb wie auch für den Betrieb des DUT dann eine gewisse Energieversorgung. Sie kann an eine herkömmliche Spannungsver sorgung, etwa 110 Volt, 60 Hertz, oder 230 Volt, 50 Hertz oder bei leistungsintensive- ren Gerätschaften Drehstrom anschließbar sein. Sie erzeugt dann intern den Gleich strom, der dem DUT eingangsseitig zugeführt wird. Gleichzeitig nimmt die Lastsimula tionsvorrichtung Drehstrom vom DUT entgegen und wandelt diesen zurück in Gleich strom, der wiederum der Gleichspannungsquelle zugeführt werden kann. Auf diese Weise wird letztendlich ein merklicher Teil der im DUT umgesetzten Energie zurück geführt, sodass im Testbetrieb große Energiemengen gespart werden können, da nur die Steuerungsenergien und Energieverluste, aber nicht die eigentliche umgesetzte Energie bereitgestellt werden müssen.
Die Testvorrichtung kann auch ohne integrierte Gleichstromquelle verwirklicht sein. Die Gleichstromquelle ist dann extern zuschaltbar. Die Testvorrichtung weist dann ei nen Gleichstromausgang auf, der an den entsprechenden Gleichstromausgang der Gleichstromquelle für das DUT anschließbar ist. Denkbar ist schließlich auch, mit zwei bidirektionalen Gleichstromquellen zu arbeiten, eine für das DUT, die andere für die Lastsimulation. Soweit dann keine direkte Gleichstromkopplung mehr vorhanden ist, müssen die Gleichstromquellen die volle Leistung aufbringen.
Die Steuerungsvorrichtung der Testvorrichtung kann für die Steuerung oder Bereit stellung einer oder mehrerer der folgenden Maßnahmen oder Einrichtungen ausge legt sein:
• Bestimmen eines Testprogramms: Ein DUT kann ein mehr oder minder aus führliches und komplexes Testprogramm durchlaufen, das unterschiedliche Betriebe, unterschiedliche Betriebsmoden, unterschiedliche Leistungsbereiche etc. pp. umfasst. Ein solches Testprogramm kann anhand von Parametern fest gelegt werden, sodass diese dann umgesetzt werden können. Es können un terschiedliche Betriebszeiten simuliert werden, unterschiedliche Lastbereiche, unterschiedliche Moden (Betrieb als Last, Betrieb als Generator), unterschied liche virtuelle Geschwindigkeiten und so weiter.
• Abarbeiten eines Testprogramms: Wenn das Testprogramm festgelegt ist, kann es entsprechend den Vorgaben abgearbeitet werden. Dies kann selbst ständig erfolgen und womöglich ohne Nutzereingriff ablaufen.
• Sollwertvorgabe und Parametervorgabe für den zu testenden Wechselrichter: Das DUT wird vorzugsweise "real bedient", damit es sich möglichst real ver hält. Im realen Betrieb erhält es Sollwertvorgaben, etwa für Motorgeschwin digkeit oder Motordrehmoment, die auch im simulierten Betrieb zugeführt werden können. Gleiches gilt für womöglich erwartete Parameter, etwa Be triebstemperatur, Spannungen und ähnliches.
• Entgegennahme von Daten von Messwerten vom DUT: Für Testzwecke kann das DUT mit Sensoren ausgestattet werden, etwa Temperatursensoren, deren Werte zur Testvorrichtung zurückgeführt und dort ausgewertet oder protokol liert werden können.
• Sollwertvorgabe für die Lastsimulationsvorrichtung: Wie weiter oben erläutert, müssen der Lastsimulationsvorrichtung Sollwerte zur Ansteuerung ihrer Tran sistorbrücken vorgegeben werden. Dies kann nach unterschiedlichen Strate gien erfolgen. Die Sollwerte können eine virtuelle Drehzahl aufweisen und/o der eine virtuelle feste Position bei Drehzahl = 0 und/oder die Amplitude der Modulation, die als Größe der induzierten Motorspannung interpretiert wer den kann. Weiter unten wird dies genauer erläutert.
• Entgegennahme von Daten von der Lastsimulationsvorrichtung: Die Lastsimu lationsvorrichtung kann gemessene und erzeugte Größen protokollieren und dann gesammelt oder fortlaufend als Datenstrom bereitstellen, sodass das Verhalten des DUT protokolliert ist. Es können hier auch Auswertungen vorge nommen werden, die über die Einzelwerte hinaus Auswerteergebnisse liefern. • Steuern der Gleichspannungsquelle: Entsprechend dem Testprogramm kann die Gleichspannungsquelle mindestens auf An/Aus gesteuert werden und wo möglich auf weitere Zustände.
• Datenformatierung, Datenaufzeichnung, Protokollierung, Datenausgabe, Da tenauswertung: Da ein DUT getestet wird, sind Testergebnisse von Interesse. Sie können von den verschiedenen beschriebenen Quellen erhalten werden und dann geeignet formatiert, verarbeitet, protokolliert, gespeichert, ausge wertet und ausgegeben werden.
• Netzwerkanbindung und Kommunikation: Gegebenenfalls kann eine Anbin dung an ein Datennetz vorgesehen sein, um Daten einzuholen oder auszuge ben. In einem einfachen Fall kann es lokal ein Bus oder ein Speichermedium sein. Genauso kann es ein vermittelbares Netzwerk sein, etwa ein lokales ver mittelbares Netzwerk, das Internet oder ähnliches.
• Benutzerschnittstelle: Für die Durchführung des Testbetriebs sind Benutzerein gabe häufig nötig. Es kann hierzu eine Benutzerschnittstelle vorgesehen sein, um die nötigen Angaben machen zu können und um gegebenenfalls auch Aus gaben entgegennehmen zu können.
Die Lastsimulationsvorrichtung und insgesamt die Testvorrichtung sind zur Handha bung der Spannungen im DUT ausgelegt. Diese Spannungen können auf der Gleich spannungsseite 12 V oder 24V sein, allgemein unter 50 V liegen. Sie können aber auch darüber liegen und Werte von bis zu 400 V, allgemein unter 1.000 V haben.
Um Gleichspannungen in deutlich unterschiedlichen Wertebereichen handhaben zu können, kann die Lastsimulationsvorrichtung ein austauschbares Leistungshalbleiter modul, ggf. mit den angeschlossenen Induktivitäten und womöglich Treiberteil, auf weisen, um schnell unterschiedliche Leistungshalbleitermodule für unterschiedliche Nennspannungen verwenden und so Anpassungen an unterschiedliche Betriebsspan nungen unterschiedlicher DUTs vornehmen zu können. Ein eingesetztes Modul kann automatisch erkennbar sein, um es als Teil der vorhandenen Konfiguration erkennen zu können.
Die PWM-Taktfrequenz der Lastsimulationsvorrichtung kann mindestens um den Fak tor 5 oder 10 über der höchsten Frequenz der handzuhabenden Wechselspannung vom DUT her liegen. Sie kann über 5 kHz oder über 10 kHz liegen.
Simulierte Motordrehzahlen können bis 10.000 oder 20.000 oder 50.000 oder 100.000 UpM reichen. Bei Synchronmotoren korreliert sie direkt mit der Frequenz der elektrischen Wechselspannung aus dem DUT.
Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsfor men der Erfindung beschrieben, es zeigen
Fig. 1 den Gesamtaufbau einer Testvorrichtung,
Fig. 2 eine Transistorbrücke,
Fig. 3 schematisch als Blockdiagramm die Steuerung der Lastsimulationsvorrichtung, Fig. 4 schematisch als Blockdiagramm die Steuerung der Testvorrichtung,
Fig. 5 ein Zeitdiagramm für Synchronisationsaspekte,
Fig. 6 ein vereinfachtes schematisches Diagramm der Testvorrichtung,
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Steuerungskomponente, und Fig. 8 verschiedene Wellenformen.
Fig. 1 zeigt oben einen Dreiphasen-Wechselrichter 1, der das zu testende Gerät (DUT) ist. Es ist nicht Teil der Erfindung, sondern hier nur zur Erläuterung der Umgebung der Erfindung dargestellt. Es ist nur schematisch dargestellt, da es nicht Teil der Erfindung ist. Links sind Gleichstromeingänge 5a und 5b für plus und minus der Versorgungs gleichspannung gezeigt. Rechts sind Drehstromausgänge 6u, 6v, 6w gezeigt, an denen der vom DUT gelieferte Dreiphasen-Wechselstrom (Drehstrom) abgreifbar ist. Nur an gedeutet sind intern Transistorbrücken 4U, 4V, 4W, die in bekannter Weise den Drei phasen-Wechselstrom erzeugen. Es kann eine PWM-Steuerung 3 vorgesehen sein, die nach Maßgabe einer Steuerung/Regelung 2 die Transistorbrücken 4 ansteuert.
Mit 7 sind verschiedene Signaleingänge und Signalausgänge des DUT 1 angedeutet, die im herkömmlichen Betrieb benutzt werden. Es kann sich hierbei um Sollwertvor gaben handeln oder um Rückführungseingänge, etwa für Positionsgeber/Impulsgeber von der zu steuernden Last her. Es können auch Sensoreingänge sein, etwa für einen Temperatursensor, oder Signalausgänge. Allgemein gesprochen ist das DUT 1 in be kannter Weise aufgebaut und bedarf für die Testung durch die Testvorrichtung keiner Modifikation.
Fig. 1 zeigt unten mit 10 eine Testvorrichtung. Sie weist eine Lastsimulationsvorrich tung 10a auf, einen Steuerungsbereich 10b und einen Gleichstromerzeugungsbereich 10c. Die Bereiche sind durch gestrichelte Linien lOx und lOy voneinander getrennt. Es soll hierdurch angedeutet sein, dass die Testvorrichtung 10 an den gestrichelten Li nien in unterschiedliche Gerätschaften aufgebrochen sein kann, aber nicht muss. An statt durchgehender Leitungen sind dann jeweilige Anschlüsse vorzusehen, um über die Grenzen hinweg entsprechende Anschlüsse hersteilen zu können.
Fig. 1 deutet den Fall an, dass Gleichstromquelle 10c, überlagerte Steuerung 10b und Lastsimulationsvorrichtung 10a in einem einzelnen Gerät 10 untergebracht sind. Ge nauso ist es aber möglich, die Gleichstromquelle 16 separat vorgesehen und nur den Steuerungsteil 10b und die Lastsimulationsvorrichtung 10a als ein Gerät zu integrie- ren. Auch möglich ist es, das Steuerungsteil 10b als einen herkömmlichen PC auszule gen, der mit geeigneter Software ausgestattet ist, um die verschiedenen Komponen ten zu implementieren, und der Schnittstellen hin zur Lastsimulationsvorrichtung 10a und zum DUT 1 hat und womöglich auch Schnittstellen zur Gleichstromquelle 16, um diese gegebenenfalls steuern zu können. Auch möglich ist es, die Lastsimulationsvor richtung 10a mit allen nötigen Schnittstellen auch hin zum DUT 1 und ggf. zur Strom quelle zu integrieren, so dass der PC über eine seiner Standard-Schnittstellen, z. B. USB oder drahtlos z. B. mittels WiFi, mit der Lastsimulationsvorrichtung 10a kommu niziert, die dann ihrerseits die weiteren Schnittstellen bedient.
Die Lastsimulationsvorrichtung 10a ist in Fig. 1 rechts der gestrichelten Linie lOx dar gestellt. Sie weist einen Leistungshalbleiterblock 11 auf, der, wenn er eine Last simu liert, als gesteuerter Gleichrichter angesehen werden kann. Er weist drei parallele Transistorbrücken llu, llv und llw auf, die zueinander parallel zwischen Gleich stromleitungen 14a und 14b liegen.
Allgemein sei darauf verwiesen, dass hier beschriebene und in den Figuren gezeigte Beispiele der Erfindung dreiphasige Ausführungsformen darstellen. Die Erfindung und insbesondere die Lastsimulationsvorrichtung 10a können aber allgemeiner zur Hand habung mehrphasiger Systeme ausgelegt sein, also zum Anschluss mehrphasiger DUTs 1. Die Zahl der Phasen im DUT 1 und in der Lastsimulationsvorrichtung 10a kann wie beschrieben drei sein. Sie kann aber auch sechs sein. Die Zahl der Phasen der Lastsimulationsvorrichtung 10a ist mindestens die Zahl der Phasen des DUT 1. Die Lastsimulationsvorrichtung 10a kann im Hardwarelayout mehr Phasen, z. B. sechs, haben als das DUT 1. Es werden dann in der Lastsimulationsvorrichtung 10a im Be trieb nur die geringere Zahl der Phasen angesteuert. Dies kann als Teil der Konfigura tion wählbar einstellbar sein oder anhand automatischer Detektion dahingehend er folgen, an welchen Phasenanschlüssen Spannungen vom DUT her anliegen. Um Konfigurationsfehler der Lastsimulationsvorrichtung relativ zum angeschlossenen DUT zu vermeiden, kann eine weitgehend automatische Konfiguration vorgesehen sein. Hierfür kann vor dem Simulationsbetrieb ein Konfigurationsbetrieb vorgesehen sein, der einige Sekunden dauern kann und während dessen grundlegende Parameter ermittelt werden können, die dann zu automatisch setzbaren konfigurierenden Ein stellungen führen können. Der Konfigurationsbetrieb kann auch eine bestimmte Art der Ansteuerung des DUT umfassen. Im Konfigurationsbetrieb können die Spannun gen an den Phasenanschlüssen 17 beobachtet und ausgewertet werden. Ermittelt und dann ggf. gesetzt werden können einer oder mehrere der folgenden Parameter:
• Spannungsbereiche,
• Erkennung des Typs des verwendeten Leistungsmoduls,
• Anzahl der genutzten Phasen/Pole,
• Art der Modulation/Kompensation (SVPWM, THIPWM, ...),
• Pulsfrequenz,
• Pulsphase,
• Drehfrequenz im d-q-System,
• weitere betriebsnotwendige Parameter
Statt automatisch kann die Konfiguration aber auch "manuell" vorgenommen wer den, etwa über eine grafische Benutzerschnittstelle.
Fig. 2 zeigt vereinfacht den Aufbau einer einzelnen Transistorbrücke, wie sie sowohl in der Lastsimulationsvorrichtung 10a wie auch im DUT 1 verwendet sein können. Zwischen zwei Gleichstromleitungen 14a und 14b in der Lastsimulationsvorrichtung liegen zwei Transistorschalter 21 und 22, die regelmäßig direkt miteinander in Serie geschaltet sind, manchmal aber auch noch andere Bauelemente zwischen sich ein schließen. Mit 23 ist der Verbindungsbereich zwischen den zwei Transistoren 21 und 22 angedeutet, der in vielen Fällen unmittelbar die Verbindung der zwei in Serie ge schalteten Transistoren 21 und 22 sein wird. Die Transistoren können Feldeffekttran sistoren sein, etwa MOSFETs, oder IGBTs. Es können Freilaufdioden 24, 25 vorhanden sein, die als separate Halbleiter oder mit den Transistoren 21, 22 integriert vorgese hen sein können. Es kann ein Treiberteil mit analogen Treiberschaltungen 26, 27 vor gesehen sein, die aus den von der Steuerung gelieferten PWM-Impulsen up ...wn in Pegel und Leistung geeignete Ansteuersignale für die einzelnen Steuerungsanschlüsse der einzelnen Transistoren 21, 22 erzeugen.
Für je eine Phase u, v, w des angeschlossenen Drehstroms ist eine Transistorbrücke wie in Fig. 2 gezeigt vorgesehen. Jeder Transistor 21, 22 der drei Transistorbrücken llu, llv, llw hat einen Steuerungseingang up, vp, wp für die Transistoren 21 der einzelnen Phasen u, v, w auf der positiven Seite der Gleichspannungsversorgung, und un, vn, wn für die Transistoren 22 der Phasen u, v und w auf der negativen Seite der Versorgungsspannung. Es kann so die jeweils an den Verbindungsbereich 23 ange schlossene Phase u, v, w entweder an plus oder an minus der Versorgungsgleichspan nung angelegt werden.
Die Ansteuerung der Transistoren 21 und 22 der Transistorbrücken kann mit PWM- Technik erfolgen, die verschiedene Steuerungs- bzw. Regelungsstrategien kennt. Eine davon ist, dass die Transistoren 21 und 22 nicht gleichzeitig geschlossen (niederoh mig) sein dürfen, da dies ein Kurzschluss zwischen den Gleichspannungsleitungen wäre.
Zurückkehrend zu Fig. 1 zeigt die Lastsimulationsvorrichtung 10a links des Leistungs halbleiterblocks 11 eine Steuerung 13, die dazu ausgelegt ist, die Transistoren 21, 22 der Transistorbrücken llu, llv, llw geeignet anzusteuern, um sie wahlweise auch hochohmig oder niederohmig zu steuern.
Die Lastsimulationsvorrichtung 10a weist Phasenanschlüsse 17u, 17v, 17w auf, an die die entsprechenden Ausgänge 6u, 6v, 6w des DUT 1 anschließbar sind. Regelmäßig wird dabei das DUT 1 eine Leistungsquelle sein und demzufolge die Lastsimulations vorrichtung 10a einen Verbraucher simulieren. Systematisch können die Betriebsver hältnisse aber auch umgekehrt sein, real etwa beim Bremsbetrieb oder beim Bergab fahren eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs. Dann wirkt der vorher einen Ver braucher bildende Motor bzw. die simulierte Last 10a als Generator und das DUT 1 kann rückführend als gesteuerter Gleichrichter wirken und Gleichspannung zurück zur Gleichspannungsquelle speisen. Die Lastsimulationsvorrichtung 10a kann diese Betriebsfälle durch geeignete Ansteuerung entsprechend abbilden.
Die Lastsimulationsvorrichtung 10a weist regelmäßig auch Induktivitäten 12 in Form von Spulen auf. Für je eine Phase u, v, w ist je eine Spule 12u, 12v, 12w vorgesehen und in den Strompfad eingeschleift. Der Spulenwert kann manuell oder automatisch einstellbar sein. Er kann größer als 1 pH oder 2 pH oder 5 pH oder 10 pH sein. Er kann kleiner als 5 mH oder 2 mH oder 1 mH oder 500 pH sein. Er kann zwischen 20 pH und 100 pH liegen. Die Phasenanschlüsse 17u, 17v und 17w sind mit den Verbindungsbe reichen 23u, 23v, 23w jeweils direkt oder über die Spulen 12u, 12v, 12w verbunden.
Die Gleichstromleitungen 14a und 14b im Leistungshalbleiterblock 11 werden entwe der über Leitungen 14 auf einen Steckanschluss 14p, 14n heraus geführt, oder sie werden in einem vollständig integrierten Gerät 10 direkt zur Gleichspannungsquelle 16 mit Leitung 14 geführt. Auf diese Weise ist der Energiekreis im Wesentlichen ge schlossen oder schließbar: Die Gleichstromquelle 16 erzeugt Gleichstrom, mit dem das DUT 1 gespeist wird. Dieses erzeugt Wechselstrom, der der Lastsimulationsvor richtung 10a zugeführt wird. Diese wiederum erzeugt Gleichstrom, der zurück zur Gleichstromquelle 16 geführt wird. Wenn das Testgerät 10 als Einheit von 10a, 10b und 10c aufgebaut ist, erfolgt diese Rückführung mittels Leitung 14 geräteintern und kann ansonsten über Steckverbindungen hergestellt werden.
Fig. 6 zeigt hierzu schematisch und stark vereinfacht den Energiefluss. Das DUT 1 auf der linken Seite führt Wechselleistung über die Phasenleitungen u, v, w und über die Induktivitäten 12 dem steuerbaren Gleichrichter 11 der Lastsimulationsvorrichtung 10a zu, wo sie gleichgerichtet und über Leitungen 14n, 14p zurück zum Gleichspan nungseingang des DUT 1 bzw. zum Gleichspannungsausgang der Gleichspannungs quelle 16 geführt wird. Abgesehen von Verlusten wird Leistung zurückgeführt, sodass die Lastsimulationsvorrichtung zusammen mit dem DUT energiesparend arbeitet.
Fig. 6 unten zeigt mit dem dicken Pfeil 61 schematisch, wie Strom tatsächlich fließen kann. Betrachtet wird die Phase u. Links in der Abbildung ist die Brücke der Phase u im DUT 1 gezeigt, rechts die Brücke der Phase u in der Lastsimulationsvorrichtung 10a. Es wird angenommen, dass im DUT 1 der obere Transistor 21 geschlossen (nie derohmig) ist. Wenn gleichzeitig in der Lastsimulationsvorrichtung in der verbunde nen Transistorbrücke der entsprechenden Phase u der untere Transistor geschlossen (niederohmig) ist, kann Strom über die Induktivität 12u fließen. Wäre simulationssei tig der untere Transistor offen (hochohmig), würde anfänglich entsprechend der in der Spule 12u gespeicherten Energie ein nicht zu vernachlässigender Strom über die Freilaufdioden des oberen Transistors in der Lastsimulationsvorrichtung 10a zurück zum DUT 1 fließen, der dann aber auf 0 sinkt. Gleiches gälte, wenn der obere Transis tor in der Lastsimulationsvorrichtung geschlossen (niederohmig) wäre. In den ande ren Phasen kann Strom entsprechend deren Schaltzuständen fließen. Die Fig. 1 und 6 zeigen, dass erfindungsgemäß die Kopplung der Gleichstromkreise vorgesehen ist. Hierbei kann es allerdings zu Überströmen durch zu langes Einschal ten und/oder zu sehr hohen Stromwelligkeit kommen. Um dies zu vermeiden, wird erfindungsgemäß sichergestellt, dass der Schaltbetrieb der Transistorbrücken in der Lastsimulationsvorrichtung 10a zeitlich abgestimmt auf den Schaltbetrieb der Transis torbrücken im DUT 1 erfolgt. Letzterer kann insbesondere in Frequenz der PWM-Im- pulse im DUT 1 und in deren Phasenlage aus den elektrischen Werten am Eingang 17 der Lastsimulationsvorrichtung ermittelt werden, da diese durch die Schaltvorgänge im DUT erzeugt wurden und diese widerspiegeln.
Die zeitliche Abstimmung kann Frequenzabstimmung der PWM-Impulsfrequenzen und gegebenenfalls auch Phasenabstimmung der einzelnen Impulse umfassen. Da die Ausgangssignale des DUT 1 (Spannungen und Ströme an den Ausgängen 6u, 6v, 6w) entsprechend den Strömen und Spannungen an den Phasenanschlüssen 17u, 17v,
17w der Lastsimulationsvorrichtung 10 keine reinen Sinusschwingungen sind, son dern die Schalttätigkeit der Transistoren der Transistorbrücken widerspiegeln, ist der Schaltbetrieb im DUT 1 aus den an der Lastsimulationsvorrichtung 10a anliegenden elektrischen Werten ablesbar. Es können Spannungswerte und Spannungsverläufe ausgewertet werden. Die Lastsimulationsvorrichtung 10a weist geeignete Vorrichtun gen auf, um die Schaltfrequenz und gegebenenfalls auch die Phasenlage aus den an liegenden elektrischen Werten herzuleiten und dann bei der Ansteuerung der eige nen Transistoren der Transistorbrücken llu, llv, llw zu berücksichtigen. Es können hierfür Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Stromrückführungen und/oder Spannungsrückführungen vorgesehen sein.
Es können Strom und/oder Spannung einer Phase oder zweier Phasen oder aller Pha sen am jeweiligen Phaseneingang 17u, 17v, 17w oder dahinter erfasst und zur Steue rung geführt werden. Die Ermittlung der Schaltfrequenz im DUT 1 und die Ermittlung gegebenenfalls der Phasenlage kann digital erfolgen, wenn die Eingangswerte an den Phasenanschlüssen 17u, 17v, 17w schnell, also mit hoher Taktfrequenz, ins Digitale gewandelt und dann ausgewertet werden. Die Abtastfrequenz kann über 100 oder 200 oder 500 kHz oder über 1 oder 2 oder 5 MHz liegen.
Es kann davon ausgegangen werden, dass sowohl das DUT 1 wie auch die Lastsimula tionsvorrichtung 10a auf PWM-Basis arbeiten. Aus den rückgeführten Signalen kann dann zunächst die Pulsfrequenz der PWM im DUT bestimmt werden. Im Weiteren kann dann auch die Phasenlage bestimmt werden. Bezugnehmend auf Fig. 5 werden qualitative Erläuterungen hierzu gegeben.
In Fig. 5 zeigt Diagramm 51 einen Puls 51a bis d, der der idealisierte Takt sein soll, der im DUT 1 herrscht. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Puls wie in Fig. 5 dargestellt real womöglich nicht existiert. Er dient in der Figur lediglich zur Veranschaulichung der grundlegenden Gedanken.
Diagramm 52 in Fig. 5 zeigt Puls, wie er zunächst auf Seiten der Lastsimulationsvor richtung 10a bestimmt wird. Er weist seinerseits idealisierte Impulse 52a, 52b, 52c, 52d auf. Da systematisch bedingt Verarbeitungszeiten vorliegen, kann er nicht gleich zeitig zum Puls 51 im DUT 1 ermittelt werden, sondern wird zeitlich dazu um dt verzö gert ermittelt. Die Verzögerungszeit dt umfasst die Verzögerung innerhalb der Lastsi mulationsvorrichtung 10a und ist als solche bestimmbar und bekannt, da es sich um einen konstanten, bestimmbaren Systemparameter handelt. Die einzelnen Impulse 52a, 52b zeigen den gleichen Abstand tp wie der idealisierte Puls 51 im DUT 1, sodass der zeitliche Abstand zwischen dem ermittelten idealisierten Impuls 52 dem Abstand im idealisierten Impuls 51 entspricht. Sie entsprechen der Pulsfrequenz der PWM im DUT 1, die dann auch in der Lastsimulationsvorrichtung 10a verwendet werden kann. Weiterhin kann vorgesehen sein, den idealisiert gedachten Puls 52 um eine Verzöge rungszeit tv zu verzögern. Die Verzögerungszeit tv ergibt sich aus der Differenz von tp und dt, also tv = tp - dt, wie aus dem Vergleich der Lagen zwischen den Diagrammen 51 und 52 in Fig. 5 zu erkennen. Auf diese Weise kann unter Berücksichtigung der Verzögerungszeit tv ein abermals idealisierter Puls 53 eingestellt werden, der um eine gesamte Periode gegenüber dem idealen Puls 51 im DUT 1 verzögert ist und der dann wiederum zur Bestimmung der zeitlichen Lage der Ansteuersignale für die Transisto ren verwendet werden kann. Dies ist durch die Signalisierung im Diagramm 54 der Fig. 5 angedeutet.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Schaltaktivitäten in der Lastsi mulationsvorrichtung 10a frequenzrichtig und phasenrichtig zu denjenigen im DUT 1 erfolgen, sodass unerwünschte sekundäre Effekte wegen der Gleichstromkopplung vermieden werden.
Die Steuerung 13 erzeugt jeweils Steuersignale up, un, vp, vn, wp, wn für die je zwei Transistoren der drei Brücken llu, llv, llw des Leistungshalbleiterblocks 11. Sie die nen der Steuerung der Transistorschalter auf entweder An (niederohmig) oder Aus (hochohmig).
Der Abgriff von gegebenenfalls rückgeführten Größen in der Lastsimulationsvorrich tung 10a kann unmittelbar an den Phasenanschlüssen 17 erfolgen oder kann zwi schen den Induktivitäten 12 und dem Leistungshalbleiterblock 11 erfolgen. Für die Ströme macht es keinen Unterschied. Die Spannungen können sich entsprechend dem Spannungsabfall an den Induktivitäten unterscheiden. Fig. 1 zeigt weiterhin, dass die Steuerung 13 einen Ausgang 18 der Lastsimulations vorrichtung 10a bedient. Es wird hier ein Positionssignal beziehungsweise Positions puls der sich virtuell drehenden Last erzeugt und zur Verwendung im DUT 1 ausgege ben. Es wird damit ein in realen Geräten vorhandenes Signal simuliert, um dem DUT 1 die für den Betrieb nötigen Eingangsgrößen zu liefern.
Allgemein wird hier darauf verwiesen, dass verschiedene Steuerungsgeräte, Steue rungsaspekte und Steuerungskomponenten angesprochen sind. Sie können wie ange sprochen in unterschiedliche reale Gerätschaften aufgeteilt sein. Genauso ist es aber möglich, sie integriert in nur einem einzigen Gerät zu implementieren, das dann ge eignet programmiert ist, gegebenenfalls multitaskingfähig ist und genügend Leistung aufweist, um die einzelnen Maßnahmen und Aktivitäten durchführen zu können.
Fig. 3 zeigt schematisch als funktionale Blöcke Komponenten der Steuerung 13 der Lastsimulationsvorrichtung 10a. Die Steuerung 13 kann eine digitale Schaltung bei spielsweise in Form eines Kleinrechners mit CPU, RAM, ROM, Bus, Registern und sonst üblichen Komponenten eines Rechners aufweisen. Eingangsseitig können gege benenfalls im Multiplex betriebene A/D-Wandler bereitstehen, ausgangsseitig D/A- Wandler. Daneben kann die Steuerung analoge Schaltungskomponenten aufweisen, etwa um die PWM-Steuersignale geeignet zu erzeugen und für Kommunikationszwe cke. Die Hardwarerealisierung kann für schnelle digitale Verarbeitung ein FPGA ("field programmable gate array") aufweisen. Hier können bspw. die ins Digitale gewandel ten Werte elektrischer Größen an den Phasenanschlüssen 17 ausgewertet werden.
Die Steuerung 13 kann zum quasi-gleichzeitigen Ausführen mehrerer Pro gramme/Tasks im Multitasking ausgelegt sein.
Mit 31 ist die PWM-Steuerung symbolisiert, die über Leitungen sup, sun, svp, svn, swp, swn mit den Transistoren im Leistungshalbleiterblock 11 verbunden ist, um diese zu steuern. Es werden hier in Zeitlage, Zeitdauer und Amplitude geeignete Sig nale zur Ansteuerung der Transistoren der Leistungshalbleiter entsprechend der Puls breitenmodulationstechnik erzeugt. Dies kann digitale und analoge Komponenten, letztere vor allem ausgangsseitig, umfassen.
Mit 32 ist die allgemeine Steuerung der Leistungshalbleiter angesprochen, die nach Maßgabe eingegebener Sollwerte Strom- und/oder Spannungsvorgaben ausgibt, die dann der Pulsbreitenmodulationssteuerung 31 zugeführt werden können, sodass sie dort in entsprechende Pulse umgesetzt werden können. In der Steuerung 32 können die verschiedenen Steuerungsmaßnahmen, wie sie schon erläutert wurden und wie sie weiter unten noch erläutert werden, implementiert sein.
Die Steuerung 32 kann einen oder mehrere der folgenden Eingänge aufweisen:
• Eingang für das simulierte Positionssignal aus dem Simulator 33,
• Eingang für die ermittelten aktuellen Phasenströme (Zeitwert oder Amplitude) auf allen drei Phasen U, V, W, insbesondere zur Verwendung im Summen stromregler oder optional Phasenstromregler, falls das DUT keinen Strom re geln kann,
• Eingänge für allgemeine Steuerungs-Sollwertvorgaben, etwa als Angabe von d/q-Komponenten im rotierenden Koordinatensystem.
Als Ausgänge hin zur PWM-Steuerung 31 erzeugt die Steuerung 32 abhängig von den eingegebenen Werten das aktuelle Tastverhältnis, das an die PWM-Steuerung über geben wird. Die Einrichtung 34 dient der Erzeugung eines oder mehrerer Synchronisationssignale oder Informationen wie schon bezugnehmend auf Fig. 5 beschrieben. Sie kann rück geführte Signale über Leitungen 13u, 13v, 13w der einzelnen Phasen empfangen und daraus nach schneller A/D-Wandlung und digitaler Auswertung die beschriebenen In formationen ermitteln. Diese können dann insbesondere dem Pulsbreitenmodulator 31 zur Verfügung gestellt werden, um frequenzrichtig und phasenrichtig Ansteuersig nale für die Transistoren 21, 22 der Transistorbrücken zu erzeugen. Zur Implementie rung dieser Einrichtung kann ein FPGA dienen.
Anstatt für die Rückkopplung die rückgeführten Signale mit einem A/D-Wandler mit fester Abtastrate ins Digitale zu wandeln, können für die Rückkopplung auch Schwell wertschalter verwendet werden, die etwa bei halber Gleichspannung schalten, zur Entstörung noch mit einer gewissen Schalthysterese.
Mit 33 ist der Simulator für das Positionssignal beziehungsweise für den Positionspuls angedeutet, der das simulierte Positionssignal erzeugt, das am Ausgang 18 ausgege ben wird. Es wird so formatiert, dass das DUT 1 es direkt verwenden kann. Die Forma tierung dieser Impulse (Amplitude und/oder Dauer und/oder Wellenform und/oder Impulse pro virtueller Umdrehung) kann über eine Schnittstelle bzw. Benutzerschnitt stelle einstellbar und damit an die Notwendigkeit des DUT 1 anpassbar sein. Die Si mulation kann als Geber einen SIN/COS-Geber, ggf. mit magnetoresistiven Sensoren, oder einen Resolver, der induktiv gekoppelte Spulen aufweisen kann, oder einen Pul sencoder simulieren. Sie kann zwischen verschiedenen Simulationen verschiedener Geber umschaltbar sein, um unterschiedliche Anforderungen unterschiedlicher DUTs bedienen zu können. 35 ist eine Summenstromstelleinrichtung zur überlagerten oder unterlagerten Steue rung der Leistungshalbleiter derart, dass die Summe der Ströme an den Phasenan schlüssen 17 einen bestimmten Wert annimmt oder in einem bestimmten Wertebe reich liegt, vorzugsweise im Betrag kleiner als ein Schwellenwert oder insgesamt möglichst klein wird und vorzugsweise Null wird. Diese Komponente kann verwoben mit anderen Steuerungskomponenten vorgesehen sein und kann digital-rechnerisch implementiert sein. Lediglich zur Visualisierung ist sie in Fig. 3 isoliert dargestellt. Sie kann unterlagert in dem Sinn sein, dass überlagerte Komponenten Sollwerte im u/v/w-System erzeugen, die zu bestimmten Strömen führen würden. Wäre die Summe nicht der gewünschte Wert, z. B. 15 A statt 0 A, oder nicht im gewünschten Bereich, können Korrekturen derart vorgenommen werden, dass die Ströme in allen Phasen um gleiche Werte geändert werden, im genannten Beispiel um 5 A herabge setzt werden, wenn 0 als Summe gewünscht ist. Die Steuerung kann dazu ausgelegt sein, die Summe der Ströme gezielt auf Werte ungleich 0 einzustellen, falls für die Si mulation der Last vorteilhaft ist. Es kann eine Fehlersimulation implementiert sein, indem z. B. eine offene Leitung oder ein Kurzschluss zwischen Leitungen simuliert wird.
Die Summenstromstelleinrichtung 35 kann auch dazu ausgelegt sein, für mehrere Phasen mehrere getrennte summenströme, insbesondere Sternpunkte mit Strom summe 0, einzusteuern bzw. zu regeln. Bspw. können in einem simulierten sechspha- sigen System u, v, w, x, y, z zwei Sätze u, v, w und x, y, z von je drei Phasen auf ge trennte Summenströme gesteuert bzw. geregelt werden. Die einzelnen Steuerungs komponenten können untereinander Informationen austauschen, um sicherzustellen, dass alle ggf. räumlich getrennt arbeitenden Steuerungskomponenten jederzeit ihre Ausgänge abhängig von gleichen Eingangswerten setzen können. So können sich z.B. zwei Steuerungskomponenten für je drei Phasen über die aktuell simulierte Position austauschen. 36 symbolisiert eine Oberschwingungsunterdrückungskomponente, die dafür sorgt, dass Oberschwingungen wenigstens teilweise kompensiert werden. Sie bewirkt, dass ein möglichst ideal sinusförmiger Verlauf des Phasenstromes entsteht. Bestimmte Modulationsarten im DUT 1 können zur Folge haben, dass sich auf den erzeugten Spannungs- bzw. Stromwellenformen Oberschwingungen ausbilden.
In Fig. 8 sind Beispiele hierzu gezeigt. Fig. 8A zeigt die sog. „space vector PWM" (SVPWM). Für die Modulation überlagert der Wechselrichter einer idealen Soll-Sinus- schwingung 81 eine Dreiecksschwingung 82 der dreifachen Frequenz. In Summe führt dies zu einer nicht mehr sinunsförmigen Gesamtschwingung. Fig. 8B zeigt die sog. „third harmonics injection PWM" (THIPWM). Für die Modulation überlagert der Wechselrichter einer nicht gezeigten idealen Soll-Sinusschwingung eine Sinusschwin gung 84 der dreifachen Frequenz. In Summe führt dies zu einer nicht mehr sinunsför migen berechneten Gesamtsollschwingung 85, anhand derer die Tastverhältnisse der Signale up, un, vp, vn, wp, wn ermittelt werden.
Es ist vorteilhaft, die dargestellten Oberschwingungen in der Lastsimulationsvorrich tung 10a auszuregeln, weil sich diese Kompensation wie oben erläutert bei einer rea len Last mit Sternpunkt auch ergibt, so dass die Lastsimulationsvorrichtung mit dieser Ausregelung realistischer ist. Hierfür überlagert die Oberschwingungsunterdrü ckungskomponente 36 für die PWM in der Lastsimulationsvorrichtung 10a dem idea len Sinus-Soll eine den Einfluss der Kurven 82 bzw. 84 kompensierende Oberschwin gung, die regelmäßig in Frequenz, Phasenlage und Amplitude der überlagerten Kom ponente aus dem DUT 1 entspricht. Sie kann manuell oder automatisch konfigurier bar sein. 37 symbolisiert eine Schnittstelle für Dateneingabe und Datenausgabe. Die Datenein gabe ist für die flexible Steuerung der Lastsimulationsvorrichtung wünschenswert, also letztendlich für die Vorgabe von übergeordneten Steuerungs- und Regelungspa rametern, Testmoden und ähnliches. Die Datenausgabe ist für die Ausgabe von Mess werten und daraus hergeleiteten Werten wünschenswert. Grundsätzlich ist insoweit zu sagen, dass ja nicht die Lastsimulationsvorrichtung 10a getestet wird, sondern ein daran gegebenenfalls angeschlossenes DUT 1. Dessen Leistungen widerspiegeln sich wenigstens teilweise in den elektrischen Größen, die in der Lastsimulationsvorrich tung 10a empfangen und dort auch gemessen und womöglich ins Digitale gewandelt wurden. Sie können, soweit gewünscht, bearbeitet, ausgewertet, weitergegeben und gespeichert werden. Auch dies kann durch die Schnittstelle 37 erfolgen.
Die Steuerung 32 kann auch ein Umschalten zwischen Verhalten als Last und Verhal ten als Generator bewirken, indem entsprechende Vorgaben an die PWM-Steuerung 31 gegeben werden. Insbesondere kann dies das Setzen einer q-Soll-Komponente im d/q-System auf einen negativen Wert bedeuten, wenn der invertierte Lastbetrieb (Last als Generator wie real beim regenerativen Bremsen oder Bergabfahrt) simuliert werden soll.
Im integriert oder separat vorgesehenen Steuerungsteil 10b kann eine übergelagerte Steuerung 15 vorgesehen sein. Sie kann mit einem hinreichend voluminösen Speicher 19 verbunden sein. Die überlagerte Steuerung kann verschiedene Verbindungen auf weisen, nämlich insbesondere hin zur Lastsimulationsvorrichtung 10a über Leitungen 15b, hin zum Speicher 19, hin zum DUT 1 über Leitungen 15a und gegebenenfalls auch hin zur Gleichstromquelle 16 über Leitungen 15c. Nicht als eigene Leitungen ge zeigt sind Verbindungen hin zu einer Benutzerschnittstelle, die als in der überlagerten Steuerung 15 enthalten gedacht ist. Die Benutzerschnittstelle kann einen Bildschirm aufweisen, womöglich eine graphische Benutzeroberfläche, oder Eingabemasken, um die gewünschten Eingaben machen oder Abfragen vornehmen zu können. Die über geordnete Steuerung 15 kann auch zur Entgegennahme von Signalen vom DUT 1 ge eignet sein, etwa wenn dieser mit weiteren Sensoren ausgestattet wurde, um diese Signale aufnehmen und zuordenbar verwalten, auswerten und speichern zu können.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Blockdiagramm der überlagerten Steuerung 15. Auch sie kann ein Rechner oder Kleinrechner oder PC sein oder aufweisen. Sie kann die übli chen Rechnerkomponenten CPU, RAM, ROM, Bus, ... aufweisen. Auch hier können A/D-Wandler beziehungsweise D/A-Wandler, ggf. ein FPGA und analoge Komponen ten vorgesehen sein. Sie kann zum quasi-gleichzeitigen Ausführen mehrerer Pro gramme/Tasks im Multitasking ausgelegt sein.
Mit 41 ist das eigentliche Rechenwerk angedeutet, das der Implementierung der ein zelnen Maßnahmen dient.
Mit 42 ist die Schnittstelle hin zur Lastsimulationsvorrichtung 10a angedeutet, die über Leitungen 15b mit dieser kommuniziert. Wie schon gesagt, können hier Soll wertvorgaben erzeugt und zur Lastsimulationsvorrichtung 10a hin ausgegeben wer den und es können von ihr Werte entgegengenommen werden, insbesondere Mess werte, verarbeitete Werte oder ähnliches.
Mit 45 ist die Schnittstelle hin zum DUT 1 angedeutet. Sie erzeugt die für das DUT 1 betriebsnotwendigen Signale, sodass das DUT 1 eingangsseitig einen scheinbar nor malen Betrieb fährt. Die DUT-Schnittstelle 45 kann auch Sensorsignale vom DUT 1 her entgegennehmen.
Mit 44 ist die Schnittstelle hin zur Gleichspannungsquelle 16 angedeutet. Sie kann je denfalls eine An/Aus-Steuerung umfassen und womöglich weitere Komponenten. Mit
BO 43 ist die schon beschriebene Benutzerschnittstelle angedeutet, mittels derer ein Be nutzer die gewünschten Eingaben und Ausgaben vornehmen kann.
Mit 46 ist eine Ablaufplanung und Ablaufsteuerung angedeutet. Mit ihr können Test programme bestimmt und festgelegt werden. Sie kann im Weiteren dann auch die Umsetzung der so bestimmten Testprogramme steuern. Es können dabei auch Einga ben und/oder Ausgaben und/oder Speicherung von Daten und/oder Verarbeitung o- der Vorverarbeitung von Daten in gewünschter Weise veranlasst werden, nötigenfalls auch Alarme oder ähnliches.
Fig. 7 zeigt schematisch als Blockdiagramm eine Komponente für die Sollwertvorgabe für die Lastsimulationsvorrichtung 10a. Sie kann in der Steuerung der Lastsimulations vorrichtung 10a oder in der überlagerten Steuerung der Testvorrichtung oder zwi schen beiden verteilt implementiert sein.
Es kann einer von mehreren Steuerungs- bzw. Regelungsmodi 71, 72, 73 implemen tiert sein. Es kann auch, wie in Fig. 7 symbolisiert, eine Wahlmöglichkeit 74 zwischen ihnen gegeben sein. Ein erster Steuerungsmodus 71 ist eine reine Stromsteuerung o- der -regelung an den Phasenanschlüssen 17 der Lastsimulationsvorrichtung 10a. Ein zweiter Steuerungsmodus 72 ist eine Spannungssteuerung oder -regelung an den Phasenanschlüssen 17 der Lastsimulationsvorrichtung 10a, die z. B. gewählt werden kann, wenn das DUT 1 selbst eine Stromregelung vornimmt. Ein dritter Steuerungs modus 73 ist die Verwendung eines vorab gespeicherten Motormodells, das rechne risch einen Motor als Last simuliert und aus dem Sollwerte für Strom und/oder Span nung an den Phasenanschlüssen hergeleitet werden. Es kann hierbei auch die Rück wirkung der angetriebene mechanische Last auf den elektrischen Kreis mitsimuliert werden, etwa durch ein Fahrzeug. Die Rückwirkung kann zeitveränderlich simuliert
Bl werden entsprechend realen Lastzyklen, bei einem Fahrzeug bspw. Bergfahrt, Gera deausfahrt, Talfahrt, Beschleunigung, Bremsen, stop-and-go und ähnliches.
In jedem Fall können z. b. in einer d/q-Ein heit 75 Sollwerte im d/q-System entstehen bzw. erzeugt werden, die dann für die Weiterverarbeitung in der Steuerung 13 der Lastsimulationsvorrichtung 10a ausgegeben werden.
Die ggf. vorhandene Wahlmöglichkeit 74 einschließlich möglicher Sollwerteingaben für Strom und/oder Spannung und/oder simulierte Drehzahl kann Teil der nutzerzu gänglichen Konfiguration sein. Sie kann auch automatisch wählbar sein und/oder als Teil eines Testprogramms während der Abarbeitung des Programms umschaltbar sein. Soweit von einer Vorgabe einer simulierten Drehzahl gesprochen wird, kann dies auch die Vorgabe einer simulierten Beschleunigung, also sich ändernder simu lierter Soll-Drehzahlwerte von einer Ist-Drehzahl, z. B. 0, auf die vorgegebene Dreh zahl umfassen.
Die Vorgabe von Sollwerten für die Lastsimulationsvorrichtung kann einhergehen und inhaltlich korrelieren mit der Vorgabe von Sollwerten für den Betrieb des DUT 1. Soll werten für die Lastsimulationsvorrichtung können nach Maßgabe von Sollwerten für den Betrieb des DUT 1 gesetzt werden, und/oder umgekehrt.
10c in Fig. 1 symbolisiert den Gleichstromteil. Es kann sich um eine herkömmliche Gleichstromquelle handeln, die beispielsweise einen Netzanschluss 16a aufweist, um an ein herkömmliches Wechselstromnetz angeschlossen zu werden. Sie kann dann Gleichstrom erzeugen, der an Ausgängen 16b die Eingangsleistung für das DUT 1 be reitstellt. Sie weist aber auch Einspeispunkte 16c auf, an denen die von der Lastsimu lationsvorrichtung 10 gewonnene Gleichleistung zurück in den Gleichstromkreis ge speist wird oder von wo beim invertierten Verhalten - Last als Generator - Leistung für die Lastsimulationsvorrichtung 10a gezogen wird. Wenn, wie in Fig. 1 gezeigt, die beschriebenen Komponenten 10a, 10b und 10c miteinander integriert sind, können die Einspeispunkte 16c innen im Gerät liegen. Wenn dagegen der Gleichstromteil 10c separat vorgesehen, also längs Linie lOy abgetrennt ist, kann die Zuführung der Gleichleistung von der Lastsimulationsvorrichtung 10a auch außen liegen und bzw. über die Klemmen 16b erfolgen. Sie muss dann auch nicht durch den Steuerungsteil 10b hindurch erfolgen. Mit 15c sind Verbindungsleitungen zwischen der überlagerten Steuerung 15 und der Gleichspannungsquelle angedeutet. Sie können einerseits nöti genfalls die Energieversorgung der überlagerten Steuerung 15 dienen, aber auch der Steuerung und jedenfalls Überwachung.
Die Gesamtheit der Leistungshalbleiter der Lastsimulationsvorrichtung, also die Leis tungshalbleiter 21, 22 der Transistorbrücken, ggf. mit Freilaufdioden und mit den an geschlossenen Induktivitäten und vorgelagertem Treiberteil mit Treiberschaltungen, können als elektrisch und mechanisch lösbar eingebautes Modul ausgebildet sein. Es kann dann gegen ein anderes Modul mit anderen Halbleitertypen und ggf. anderen Induktivitäten ausgetauscht werden. Es können dann einfach elektrisch unterschied lich dimensionierte Leistungshalbleiterblöcke für unterschiedliche Nennspannungen unterschiedlicher DUTs 1 verwendet werden, so dass Anpassungen an unterschiedli che Betriebsspannungen unterschiedlicher DUTs schnell vorgenommen werden kön nen. Ein eingesetztes Modul kann automatisch erkennbar sein, um es als Teil der vor handenen Konfiguration erkennen zu können.
Die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen beschriebenen oder in einer Abbil dung dargestellten Merkmale sollen auch dann als untereinander kombinierbar gel ten, wenn ihre Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist, soweit die Kombina tion technisch möglich ist. Merkmale, die in einem bestimmten Kontext, einer be stimmten Ausführungsform, Figur oder einem bestimmten Anspruch beschrieben
BB werden, sollen auch als von diesem Anspruch, Kontext, Ausführungsform oder Figur trennbar und als mit jeder anderen Figur, Anspruch, Ausführungsform oder Kontext kombinierbar angesehen werden, soweit dies technisch möglich ist. Ausführungsfor men und Figuren sollen nicht als notwendigerweise ausschließlich gegeneinander ver- standen werden. Beschreibungen eines Verfahrens oder eines Ablaufs oder eines Verfahrensschrittes oder eines Ablaufschrittes sind auch als Beschreibung von Ein richtungen und/oder eventuell Programmanweisungen von ausführbarem Code auf einem Datenträger zu verstehen, die für die Implementierung des Verfahrens oder des Ablaufs oder des Verfahrensschrittes oder des Ablaufschrittes geeignet sind, und umgekehrt.
Bezugszeichenliste
1 Wechselrichter, DUT 2 Regler, DUT
3 PWM-Steuerung, DUT
4 Transistorbrücken, DUT
5 Gleichstromeingang, DUT
6 Phasenausgang, DUT 7 Signaleingang/-ausgang, DUT
10 Testvorrichtung 10a Lastsimulationsvorrichtung 10b Steuerungsteil 10c Gleichstromteil 11 Leistungshalbleiterblock llu, llv, llw Transistorbrücken
12 Induktivitäten
13 Steuerung der Lastsimulationsvorrichtung 13u, 13v, 13w Rückführung 14, 14a, 14b Gleichstromleitungen 14p, 14n Gleichstromanschluss 15 Überlagerte Steuerung 16 Gleichspannungsquelle
16a Spannungsquellenanschluss 16b Gleichstromausgabe 16c Einspeispunkte 17 Phasenanschlüsse 18 Positionssignalausgang 19 Speicher
21, 22 Transistoren
23 Verbindungsbereich
31 PWM-Steuerung 32 Steuerung
33 Signalsimulation
34 Synchronisationsschaltung
35 Summenstromstelleinrichtung
36 Oberschwingungsunterdrückung 37 Schnittstelle
41 Rechenwerk
42 Schnittstelle zur Lastsimulationsvorrichtung
43 Benutzerschnittstelle
44 Schnittstelle zur Gleichspannungsquelle 45 Schnittstelle zum DUT
46 Programmplanung und -ausführung
51 - 54 Zeitdiagramme
71-73 Steuerungsmodi Wähler d/q-Ein heit-85 Wellenformen

Claims

Patentansprüche:
1. Lastsimulationsvorrichtung (10a) zum Simulieren einer Drehstromlast für einen Mehrphasen-Wechselrichter (1), mit mehreren Phasenanschlüssen (17u, 17v, 17w) für die an die Vorrichtung anzu schließenden Phasenausgänge des Wechselrichters (1), zwei Gleichstromausgängen (14p, 14n) für eine an die Vorrichtung anzuschlie ßenden Gleichstromversorgung (16), wobei die Gleichstromausgänge (14p, 14n) in tern mit Gleichstromleitungen (14a, 14b) verbunden sind, mehreren Transistorbrücken (llu, llv, llw), die jeweils zwischen die Gleich stromleitungen (14p, 14n) geschaltet sind und jeweils mindestens zwei in Serie ge schaltete elektronische Schalter (21, 22) aufweisen, deren Verbindungsbereich (23) direkt oder indirekt mit je einem der Phasenanschlüsse (17u, 17v, 17w) verbunden sind, für jeden der elektronischen Schalter eine Steuerungsleitung (sup - swn) zum Steuern des jeweiligen elektronischen Schalters, einer Steuerungsschaltung (13), die mit den Steuerungsleitungen (sup - swn) verbunden ist zum Ansteuern der elektronischen Schalter (21, 22) mittels jeweiliger von ihr erzeugter Steuerungssignalen (up, un, vp, vn, wp, wn), wobei die Steuerungsschaltung (13) dazu ausgelegt ist, die Steuerungssignale (up, un, vp, vn, wp, wn) in zeitlicher Abstimmung auf Steuerungssignale in einem an zuschließenden Wechselrichter (1) zu erzeugen.
2. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach Anspruch 1, mit einer oder mehreren Einrichtungen (34) zum Erzeugen eines oder mehrerer Synchronisationssignale in Ab hängigkeit elektrischer Größen an einem oder zwei oder allen Phasenanschlüssen (17u, 17v, 17w) und Zuführen der Synchronisationssignale zur Steuerungsschaltung (13) für die zeitliche Abstimmung der Steuerungssignale (up, un, vp, vn, wp, wn) auf die Steuerungssignale im zu testenden Wechselrichter (1).
3. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach Anspruch 2, bei der die Einrichtung (34) zum Erzeugen eines Synchronisationssignals eine Verzögerungseinrichtung auf weist.
4. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach Anspruch 2, bei der die Steuerungs schaltung (13) dazu ausgelegt ist, die Steuerungssignale (up, un, vp, vn, wp, wn) der art zu erzeugen, dass sie die gleiche Impulsfrequenz wie die Impulsfrequenz im anzu schließenden Mehrphasen-Wechselrichter (1) haben und vorzugsweise auch eine dazu definiert eingestellte Phasenlage.
5. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuerungsschaltung (13) eine Summenstromstelleinrichtung (35) aufweist, die dazu ausgelegt ist, die Steuerungssignale (up, un, vp, vn, wp, wn) derart zu erzeu gen, dass die Summe der durch sie hervorgerufenen Ströme an den Phasenanschlüs sen (17u, 17v, 17w) einen bestimmten Wert einnimmt oder in einem bestimmten Be reich liegt, insbesondere möglichst klein und vorzugsweise 0 wird.
6. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach Anspruch 5, bei der die Summen stromstelleinrichtung (35) dazu ausgelegt ist, die Summe der Phasenströme zu ermit teln und nach Maßgabe der Summe die Ströme insbesondere unterlagert in gleicher Weise derart zu ändern, dass die Summe den bestimmten Wert einnimmt oder in dem bestimmten Bereich liegt.
7. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuerungsschaltung (13) eine Oberschwingungsunterdrückungskomponente aufweist, die dazu ausgelegt ist, die Steuerungssignale (up, un, vp, vn, wp, wn) derart zu erzeugen, dass Oberschwingungen wenigstens teilweise kompensiert werden, und die insbesondere bei der Sollwerterzeugung einer Soll-Sinusschwingung eine Ober schwingung geeigneter Form, Amplitude, Frequenz und Phasenlage überlagert.
8. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuerungsschaltung dazu ausgelegt ist, die Steuerungssignale (up, un, vp, vn, wp, wn) derart zu erzeugen, dass sich die Lastsimulationsvorrichtung (10a) wie ein elektrischer Generator verhält, und die insbesondere dazu ausgelegt ist, Sollwerte im rotierenden d/q-System für die Modulation der Transistorbrücken auf negative Q- Werte stellen.
9. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Positionsgebersimulationsvorrichtung (33), die ein Positionsgebersignal eines Sensors einer realen Drehstromlast simuliert und an einem Anschluss (18) bereit stellt.
10. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuerungsschaltung (13) eine Pulsbreitenmodulationsschaltung (31) zur Erzeugung der Steuerungssignale (up, un, vp, vn, wp, wn) nach Maßgabe von Sollwer ten aufweist.
11. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuerungsschaltung (13) eine Vektorsteuerungsschaltung (32) zur Erzeu gung von Strom- und/oder Spannungs-Steuerungssollwerten aufweist.
12. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuerungsschaltung (13) eine Schnittstellenschaltung (15) aufweist zur Verbindung mit einer Benützerschnittstelle und/oder einer übergeordneten Steue rung (15), insbesondere zum Empfangen eines oder mehrerer Sollwerte und/oder zum Ausgeben von Messwerten vorzugsweise von Strömen an einem oder mehreren der Phasenanschlüsse (17u, 17v, 17w).
13. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit wenigstens einer Strom- und/oder Spannungserfassungsvorrichtung an wenigs tens einem oder mehreren oder allen Phasenanschlüssen (17u, 17v, 17w) und einer Rückkopplung der Erfassungswerte zur Steuerung (13).
14. Lastsimulationsvorrichtung (10a) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit je einer Induktivität (12u, 12v, 12w) zwischen je einem der Phasenanschlüssen (17u, 17v, 17w) und je einem der Brückenmittenpunkte (23), wobei die Induktivitäten einstellbar sein können..
15. Testvorrichtung für einen zu testenden Mehrphasen-Wechselrichter (1), mit einer Lastsimulationsvorrichtung (10a) (11 - 14), vorzugsweise nach einem der vorherigen Ansprüche, zum Simulieren einer Drehstromlast für einen Mehrphasen- Wechselrichter (1), wobei die Lastsimulationsvorrichtung (10a) mehrere Transistor brücken (llu, llv, llw) aufweist, die parallel zueinander zwischen zwei Gleichstrom leitungen (14a, 14b) geschaltet sind und jeweils mindestens zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter (21, 22) aufweisen, deren Verbindungsbereich (23) direkt oder indirekt mit je einem der Phasenanschlüsse (17u, 17v, 17w) verbunden sind, einer Gleichspannungsquelle (16) mit weiteren Gleichstromausgängen (16b), die dazu ausgelegt ist, an ihren weiteren Gleichstromausgängen (16b) eine Gleich spannungsversorgung für den zu testenden Mehrphasen-Wechselrichter (1) bereitzu stellen, einer Steuerungsvorrichtung (15), die wenigstens zum Ansteuern der Lastsimu lationsvorrichtung (10a) und zum Ansteuern des zu testenden Mehrphasen-Wechsel- richters (1) ausgelegt ist, und
Verbindungen (14) zwischen den Gleichstromausgängen (14p, 14n) der Lastsi mulationsvorrichtung (10a) und den entsprechenden weiteren Gleichstromausgän gen (16b) der Gleichspannungsquelle (16).
16. Testvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steu erungsvorrichtung (15) dazu ausgelegt ist, eine oder mehrere der folgenden Maßnah men oder Einrichtungen zu steuern oder bereitzustellen:
• Bestimmen eines Testprogramms,
• Abarbeiten eines Testprogramms,
• Sollwertvorgabe für den zu testenden Mehrphasen-Wechselrichter (1),
• Parametervorgabe für den zu testenden Mehrphasen-Wechselrichter (1),
• Entgegennahme von Daten und Messwerten vom zu testenden Mehrphasen-
Wechselrichter (1),
• Sollwertvorgabe für die Lastsimulationsvorrichtung (10a),
• Entgegennahme von Daten von der Lastsimulationsvorrichtung (10a),
• Steuern der Gleichspannungsquelle (16),
• Datenformatierung, Datenaufzeichnung, Protokollierung, Datenausgabe,
• Netzwerkanbindung und Kommunikation,
• Benutzerschnittstelle.
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