EP4616524A1 - Kompensationsvorrichtung zur reduzierung von einer oder mehreren oberschwingungen in einer elektrischen maschine - Google Patents

Kompensationsvorrichtung zur reduzierung von einer oder mehreren oberschwingungen in einer elektrischen maschine

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Publication number
EP4616524A1
EP4616524A1 EP23786183.6A EP23786183A EP4616524A1 EP 4616524 A1 EP4616524 A1 EP 4616524A1 EP 23786183 A EP23786183 A EP 23786183A EP 4616524 A1 EP4616524 A1 EP 4616524A1
Authority
EP
European Patent Office
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compensation device
harmonic
voltage
power converter
frequency
Prior art date
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Pending
Application number
EP23786183.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Balke
Matthias Centner
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Innomotics GmbH
Original Assignee
Innomotics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innomotics GmbH filed Critical Innomotics GmbH
Publication of EP4616524A1 publication Critical patent/EP4616524A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
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    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple

Definitions

  • the invention relates to a compensation device for an electrical machine.
  • the invention also relates to an electrical drive with such a compensation device and an electrical machine.
  • the invention also relates to a method for controlling or regulating such a compensation device or such an electrical drive.
  • harmonic waves In addition to the fundamental wave that generates torque, the magnetic field in an electrical machine often has additional harmonics, also known as harmonic waves. These harmonics produce undesirable side effects such as losses or forces that can excite vibrations. These vibrations produce airborne and/or structure-borne noise, which is subject to certain limit values that are specific to the order. Compliance with these limit values can be very difficult from a technical perspective.
  • the electrical machine is often supplied with electrical energy by a power converter.
  • the power converter often forms the actuator to control or regulate the electrical machine, for example in terms of speed or torque.
  • the power converter generates harmonics in its output voltage and output current, which cause harmonics in the magnetic field.
  • Motors and generators are examples of electrical machines.
  • harmonic refers to a frequency that is higher than the first frequency with which the electrical machine is fed.
  • the harmonic is not necessarily a multiple of the first frequency.
  • the supply voltage is the voltage with which the electrical machine is supplied, i.e. fed electrically.
  • the characteristic values are the amplitude and the frequency, whereby the frequency is referred to as the first frequency or the fundamental frequency.
  • This object is further achieved by a method for controlling or regulating such a compensation device or such an electrical drive, wherein at least one harmonic is determined at the connection terminals of the electrical machine, wherein by means of the Compensation device generates an electrical signal, in particular a voltage or a current, which counteracts the harmonic at the connection terminals of the electrical machine.
  • a sensor in the compensation device measures the harmonics at the connection terminals of the electrical machine. Harmonics of the current and/or voltage can be measured at the connection terminals. These provide information about the harmonics of the magnetic field in the electrical machine, which not only generates losses but also noise.
  • the compensation device is used to couple an electrical signal, for example a voltage or a current, into the electrical drive, which is aligned in terms of phase position in such a way that this signal counteracts the harmonic measured by the sensor.
  • additional force waves can be excited or generated by the targeted injection of a current in the form of a current harmonic with a defined phase position and amplitude or a voltage in the form of a voltage harmonic with a defined phase position and amplitude.
  • the phase position and amplitude of these additional force waves are controlled or regulated in such a way that they counteract existing force waves, i.e. compensate for them or at least reduce them. This procedure is particularly advantageous for force waves with an atomic number of 0.
  • Such a compensation device advantageously has a microprocessor-controlled electronics that provides the desired electrical signal in the appropriate signal strength.
  • This device is arranged either in series with the connection terminals of the electrical machine, so that the compensation device acts as an additional voltage source, or parallel to the connection terminals of the electrical machine, so that the compensation device works as a current source.
  • an inductive coupling of the signal is recommended.
  • Bandpass filters similar to those used in power line communication, can be used to decouple the fundamental oscillation.
  • the compensation device also offers the advantage of being able to be subsequently integrated into existing electric drives. In other words, the compensation device has the property of being easy to retrofit.
  • the compensation device has a filter, in particular a bandpass filter.
  • a filter for coupling in the harmonic with the aid of the electrical signal, it has proven advantageous if the energy source for the coupling does not also have to generate the fundamental oscillation or possibly other harmonics in order to couple in the electrical signal of the harmonic.
  • the need to generate the fundamental oscillation arises partly because an exchange of currents with the fundamental oscillation is to be prevented.
  • This is also possible using a filter in the compensation device, which reliably prevents the formation of fundamental oscillation currents between the compensation device and the electrical machine. On the one hand, this increases the control reserve of the compensation device, since the fundamental oscillation is not generated by the compensation device.
  • control is also simpler, since then not only is the fundamental oscillation generated, but it also has to be switched on in the correct phase.
  • these measures can be dispensed with.
  • the requirements for the electrical performance of the electrical components of the compensation device and the control system are reduced.
  • the reserve capacity i.e. the ability to counteract disturbances, is increased.
  • the energy source is designed as a power converter, wherein the power converter can be connected to an electrical machine, wherein the power converter is set up to generate a supply voltage with a first frequency for feeding the electrical machine.
  • the power converter and compensation device form a unit.
  • the power converter not only provides the electrical energy by means of a supply voltage with the first frequency, but the signal generated by the compensation device is superimposed on the supply voltage, for example as a voltage, also referred to as a compensation voltage, and counteracts a harmonic in voltage and/or current.
  • the advantage is that with just one component, i.e. with the power converter, the electrical machine can be supplied with electrical energy by generating the supply voltage and harmonics can be reduced or even eliminated by means of the compensation voltage. This means that no further actuator is absolutely necessary for the compensation device, but an existing power converter can be used.
  • the converter is designed as a DC intermediate circuit converter, wherein the converter is set up to provide a voltage, in particular the compensation voltage, as a signal, which is superimposed on the supply voltage.
  • a DC intermediate circuit converter With a DC intermediate circuit converter, comparatively high frequencies can be generated at its output voltage compared to a direct converter. In addition, operation causes significantly fewer harmonics compared to a direct converter.
  • the DC intermediate circuit converter is therefore particularly suitable for generating a superposition of the supply voltage and the compensation voltage.
  • the frequency of the Compensation voltage can be selected to be significantly higher, for example at 25 times the frequency of the supply voltage. This large usable frequency spectrum makes it possible to eliminate a large number of harmonics, in particular two or more harmonics of different frequencies.
  • the energy source is designed as a voltage source and is arranged in a series connection with the connection terminals of the electrical machine.
  • the voltage of the energy supply and the compensation device add up to a total voltage that is present at the terminals of the electrical machine.
  • a harmonic in the voltage of the energy supply can be counteracted.
  • the corresponding harmonic that is contained in the voltage of the energy supply and causes the harmonic in the electrical machine, for example due to a switching frequency of a feeding power converter is compensated by the compensation device in such a way that this harmonic is generated by the compensation device in the form of a voltage with the opposite sign, i.e. with a phase shift of 180°. Due to the series connection, this generated voltage is superimposed on the harmonic of the energy supply, so that this harmonic is no longer present at the connection terminals of the electrical machine.
  • the voltage of the compensation device can be coupled in directly or via a transformer.
  • the energy source is designed as a current source and is arranged in a parallel circuit to the connection terminals of the electrical machine.
  • the currents of the energy supply and the compensation device add up to a total current that flows into the electrical machine via the connection terminals. Therefore, this Current can also be referred to as current at the electrical connection terminals.
  • a harmonic in the current of the power supply can be counteracted.
  • the corresponding harmonic from the power supply which flows as current into the electrical machine, for example due to a switching frequency of a feeding converter, is compensated by the compensation device in such a way that this harmonic is generated by the compensation device in the form of a current with the opposite sign, i.e. with a phase shift of 180°. This generated current is superimposed on the harmonic of the power supply due to the parallel connection, so that this harmonic is no longer present at the connection terminals of the electrical machine.
  • FIG 1 to FIG 3 Embodiments of an electric drive with a proposed compensation device
  • the power converter 11 can, in addition to supplying the motor with the first frequency, also simultaneously take on the task of the voltage source 31.
  • the power converter 11 has the voltage source 31 of the compensation device 1, with which a signal for compensating a harmonic is generated.
  • a superposition of the supply voltage and the compensation voltage can be achieved by an arrangement in which the components are arranged one behind the other between the energy supply 7 and the electrical machine 2.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung (1) für eine elektrische Maschine (2). Zur Verbesserung eines elektrischen Antriebs wird vorgeschlagen, dass die Kompensa- tionsvorrichtung (1) eine Energiequelle (3) aufweist, wobei die Energiequelle eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Mess- werten eines Sensors (4) zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung oder einen Strom, zu erzeugen, das der Oberschwin- gung entgegenwirkt. Die Erfindung betrifft weiter einen elektrischen Antrieb (10), aufweisend eine derartige Kompen- sationsvorrichtung (1), eine elektrische Maschine (2) und ei- nen Sensor zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung an Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2), wobei die Kompensationsvorrichtung (1) mit den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) verbunden ist. Ferner be- trifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung oder Rege- lung einer derartigen Kompensationsvorrichtung (1) oder eines derartigen elektrischen Antriebs (10), wobei mindestens eine Oberschwingung an den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) bestimmt wird, wobei mittels der Kompensations- vorrichtung (1) ein elektrisches Signal erzeugt wird, das der Oberschwingung an den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) entgegenwirkt.

Description

Beschreibung
Kompensationsvorrichtung zur Reduzierung von einer oder mehreren Oberschwingungen in einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betri f ft eine Kompensationsvorrichtung für eine elektrische Maschine . Ferner betri f ft die Erfindung einen elektrischen Antrieb mit einer derartigen Kompensationsvorrichtung und einer elektrischen Maschine . Die Erfindung betri f ft weiter ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer derartigen Kompensationsvorrichtung oder eines derartigen elektrischen Antriebs .
Das magnetische Feld in einer elektrischen Maschine weist neben der drehmomenterzeugenden Grundwelle oftmals zusätzliche Oberschwingungen, auch als Oberwellen bezeichnet , auf . Diese Oberschwingungen erzeugen unerwünschte Nebenwirkungen wie beispielsweise Verluste oder Kräfte , die Schwingungen anregen können . Diese Schwingungen erzeugen Luft- und/oder Körperschall , der auftragsspezi fisch bestimmten Grenzwerten unterworfen ist . Die Einhaltung dieser Grenzwerte stellt eine zum Teil erhebliche technische Schwierigkeit dar .
Die elektrische Maschine wird oftmals durch einen Stromrichter mit elektrischer Energie versorgt . Dabei bildet der Stromrichter häufig des Stellglied, um die elektrische Maschine beispielsweise hinsichtlich Drehzahl oder Drehmoment zu steuern oder zu regeln . Dabei erzeugt der Stromrichter Oberschwingungen in seiner Ausgangsspannung und seinem Ausgangsstrom, die Oberwellen im magnetischen Feld verursachen . Motoren und Generatoren sind Beispiele für elektrische Maschinen .
Da eine exakte Vorherberechnung der aus teilweise parasitären Feldwellen resultierenden Schwingungs- und Geräuschpegel oftmals nur schwer möglich ist , sind im Nachhinein, also nach Auslegung und Herstellung der elektrischen Maschine bzw . des elektrischen Antriebs , nur aufwändige mechanische Abhil femaß- nahmen wie beispielsweise spezielle Dämpfungselemente möglich . Eine weitere Abhil fe stellt eine möglichst stei fe und damit schwere mechanische Konstruktion dar .
Der Begri f f der Oberschwingung bezeichnet dabei eine Frequenz , die größer ist als die erste Frequenz , mit der die elektrische Maschine gespeist wird . Dabei ist die Oberschwingung nicht notwendigerweise ein Viel faches der ersten Frequenz .
Mit der Versorgungsspannung wird die Spannung bezeichnet , mit der die elektrische Maschine versorgt , also elektrisch gespeist wird . Kennzeichnende Größen sind dabei die Amplitude und die Frequenz , wobei die Frequenz als erste Frequenz oder als Grundfrequenz bezeichnet wird .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , einen elektrischen Antrieb zu verbessern .
Diese Aufgabe wird durch eine Kompensationsvorrichtung für eine elektrische Maschine gelöst , wobei die Kompensationsvorrichtung eine Energiequelle aufweist , wobei die Energiequelle eingerichtet ist , in Abhängigkeit von Messwerten eines Sensors zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung ein elektrisches Signal , insbesondere eine Spannung oder einen Strom, zu erzeugen, das der Oberschwingung entgegenwirkt . Ferner wird diese Aufgabe durch einen elektrischen Antrieb aufweisend eine derartige Kompensationsvorrichtung, eine elektrische Maschine und einen Sensor zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung, insbesondere einer Oberschwingung des Stroms oder der Spannung, an Anschlussklemmen der elektrischen Maschine gelöst , wobei die Kompensationsvorrichtung mit den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine verbunden ist . Diese Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer derartigen Kompensationsvorrichtung oder eines derartigen elektrischen Antriebs gelöst , wobei mindestens eine Oberschwingung an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine bestimmt wird, wobei mittels der Kompensationsvorrichtung ein elektrisches Signal , insbesondere eine Spannung oder ein Strom, erzeugt wird, das der Oberschwingung an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine entgegenwirkt .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde , dass sich die Situation der Oberschwingungen und die damit einhergehenden Verluste und Geräusche in einer elektrischen Maschine dadurch verbessern lässt , dass eine Kompensationsvorrichtung mit der elektrischen Maschine verbunden oder in den elektrischen Antrieb integriert wird . Dadurch können entstehende Oberschwingungen vermieden werden, indem die Ausbildung der Oberschwingung beispielsweise aufgrund einer Oberschwingung in der Spannung und/oder dem Strom an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine verhindert wird .
Dabei misst ein Sensor der Kompensationsvorrichtung die Oberschwingungen an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine . Dabei können Oberschwingungen des Stroms und/oder der Spannung an den Anschlussklemmen gemessen werden . Diese geben Aufschluss über die Oberschwingungen des magnetischen Feldes in der elektrischen Maschine , das nicht nur Verluste erzeugt , sondern auch Geräusche .
Es hat sich gezeigt , dass durch die Verringerung mindestens einer Oberschwingung von Strom und/oder Spannung sich auch die Verluste und gleichzeitige die Geräusche der elektrischen Maschine reduzieren lassen . Mittels der Kompensationsvorrichtung wird ein elektrisches Signal , beispielsweise eine Spannung oder ein Strom, in den elektrischen Antrieb eingekoppelt , die von der Phasenlage derart ausgerichtet ist , dass dieses Signal der mittels des Sensors gemessenen Oberschwingung entgegenwirkt . Es hat sich darüber hinaus gezeigt , dass durch die gezielte Einprägung von einem Strom in Form einer Stromoberwelle mit definierter Phasenlage und Amplitude bzw . einer Spannung in Form einer Spannungsoberwelle mit definierter Phasenlage und Amplitude zusätzliche Kraftwellen angeregt bzw . erzeugt werden können . Die Phasenlage und Amplitude dieser zusätzlichen Kraftwellen wird so gesteuert oder geregelt , dass sie bereits vorhandenen Kraftwellen entgegenwirken, diese also kompensieren oder zumindest reduzieren . Besonders vorteilhaft ist dieses Vorgehen auf Kraftwellen mit einer Ordnungs zahl 0 .
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, genau eine Oberschwingung mittels des Sensors zu bestimmen und diese durch das elektrische Signal zu kompensieren oder zumindest zu reduzieren . Dies erfordert nur einen geringen Stellaufwand und die Kompensationsvorrichtung kann besonders klein und ef fizient betrieben werden . Darüber hinaus hat sich gezeigt , dass sich mit nur einer Oberwelle sowohl die Verluste als auch das Geräuschverhalten zum Teil schon signi fikant verbessern lassen . So kann auf die Kompensation bzw . Verringerung weiterer Oberschwingungen zugunsten einer kleinen und ef fi zient betreibbaren Kompensationsvorrichtung verzichtet werden . Allerdings ist es auch möglich, mehrere Oberschwingungen zu bestimmen und mit Hil fe der Kompensationsvorrichtung zu beseitigen oder zu verringern . Dies bietet die Möglichkeit , auch besonders strenge Anforderungen an das Verlust- oder das Geräuschverhalten einer elektrischen Maschine oder eines gesamten elektrischen Antriebs zu erfüllen . Auch in diesem Fall kann die Kompensationsvorrichtung auf eine bestimmte Anzahl von Oberschwingungen einfach und kostengünstig ausgelegt werden . Darüber hinaus ist es möglich, Auslegungsreserven für die Kompensation weiterer Oberschwingungen zu nutzen .
Eine solche Kompensationsvorrichtung weist in vorteilhafter Weise eine Mikroprozessor-gesteuerte Elektronik auf , die das gewünschte elektrische Signal in der entsprechenden Signalstärke zur Verfügung stellt . Die Anordnung dieses Geräts erfolgt entweder in Reihenschaltung zu den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine , so dass die Kompensationsvorrichtung als zusätzliche Spannungsquelle wirkt oder parallel zu den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine , so dass die Kompensationsvorrichtung als Stromquelle arbeitet . Es bietet sich prinzipiell eine induktive Einkopplung des Signals an . Zur Entkopplung von der Grundschwingung bieten sich Bandpass- Filter an, ähnlich den in der Power-Line-Communication verwendeten .
Die Kompensationsvorrichtung bietet darüber hinaus den Vorteil , in bestehende elektrische Antriebe nachträglich integriert zu werden . Mit anderen Worten besitzt die Kompensationsvorrichtung die Eigenschaft einer leichten Nachrüstbar- keit .
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kompensationsvorrichtung ein Filter, insbesondere ein Bandpass filter, auf . Für die Einkopplung der Oberschwingung mit Hil fe des elektrischen Signals hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Energiequelle für die Einkopplung nicht auch noch die Grundschwingung oder ggf . weitere Oberschwingungen aufbringen muss , um das elektrische Signal der Oberschwingung einzukoppeln . Die Notwendigkeit , die Grundschwingung auf zubringen ergibt sich teilweise dadurch, dass ein Austausch an Strömen mit der Grundschwingung verhindert werden soll . Dies ist auch durch ein Filter der Kompensationsvorrichtung möglich, welches die Ausbildung von Grundschwingungsströmen zwischen der Kompensationsvorrichtung und der elektrischen Maschine zuverlässig verhindert . Dies erhöht zum einen die Stellreserve der Kompensationsvorrichtung, da die Grundschwingung nicht von der Kompensationsvorrichtung aufgebracht wird . Zum anderen wird auch die Regelung einfacher, da dann nicht nur die Grundschwingung erzeugt wird, sondern auch phasenrichtig auf geschaltet werden müsste . Durch die Verwendung eines Filters kann auf diese Maßnahmen verzichtet werden . Gleichzeitig reduzieren sich die Anforderungen an die elektrische Leistungs fähigkeit der elektrischen Komponenten der Kompensationsvorrichtung und an die Regelung . Darüber hinaus wird die Stellreserve , also das Vermögen gegen Störungen vorzugehen, vergrößert .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiequelle als Stromrichter ausgebildet , wobei der Stromrichter mit einer elektrischen Maschine verbindbar ist , wobei der Stromrichter eingerichtet ist , eine Versorgungsspannung mit einer ersten Frequenz zur Speisung der elektrischen Maschine zu erzeugen . Mit anderen Worten bilden Stromrichter und Kompensationsvorrichtung eine Einheit . Der Stromrichter stellt dabei nicht nur die elektrische Energie mittels Versorgungsspannung mit der ersten Frequenz zur Verfügung, sondern das von der Kompensationsvorrichtung erzeugte Signal wird beispielsweise als Spannung, auch als Kompensationsspannung bezeichnet , der Versorgungsspannung überlagert und wirkt einer Oberschwingung in Spannung und/oder Strom entgegen . Der Vorteil besteht darin, dass mit nur einer Komponente , d . h . mit dem Stromrichter, sowohl durch die Erzeugung Versorgungsspannung die elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden kann als auch mittels der Kompensationsspannung Oberschwingungen reduziert oder sogar beseitigt werden können . Somit ist für die Kompensationsvorrichtung kein weiteres Stellglied zwingend erforderlich, sondern es kann ein vorhandener Stromrichter genutzt werden .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stromrichter als Gleichspannungs zwischenkreisstromrichter ausgebildet , wobei der Stromrichter dazu eingerichtet ist , als Signal eine Spannung, insbesondere die Kompensationsspannung, bereitzustellen, die der Versorgungspannung überlagert ist . Mit einem Gleichspannungs zwischenkreisstromrichter lassen sich im Vergleich zu einem Direktumrichter vergleichsweise hohe Frequenzen bei seiner Ausgangsspannung erzeugen . Zudem verursacht der Betrieb im Vergleich zu einem Direktumrichter deutlich weniger Oberschwingungen . Somit eignet sich der Gleichspannungs zwischenkreisstromrichter im Besonderen, um eine Überlagerung der Versorgungsspannung und der Kompensationsspannung zu erzeugen . Auch die Frequenz der Kompensationsspannung kann deutlich höher gewählt werden, beispielsweise bei einem 25- fachen der Frequenz der Versorgungsspannung . Dieses große nutzbare Frequenzspektrum ermöglicht es , eine Viel zahl von Oberschwingungen, insbesondere auch zwei oder mehr Oberschwingungen unterschiedlicher Frequenzen zu beseitigen .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiequelle als Spannungsquelle ausgebildet und in einer Reihenschaltung zu den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine angeordnet . Bei der Reihenschaltung addieren sich die Spannung der Energieversorgung und der Kompensationsvorrichtung zu einer Gesamtspannung, die an den Klemmen der elektrischen Maschine anliegt . Durch ein Einbringen einer Spannung durch die Kompensationsvorrichtung kann einer Oberschwingung in der Spannung der Energieversorgung entgegengewirkt werden . Die entsprechende Oberschwingung, die in der Spannung der Energieversorgung enthalten ist und die Oberschwingung in der elektrischen Maschine bewirkt , beispielsweise aufgrund einer Schalt frequenz eines speisenden Stromrichters , wird derart durch die Kompensationsvorrichtung kompensiert , dass diese Oberschwingung in Form einer Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen, d . h . mit einer Phasenverschiebung von 180 ° , durch die Kompensationsvorrichtung erzeugt wird . Diese erzeugte Spannung überlagert sich aufgrund der Reihenschaltung mit der Oberschwingung der Energieversorgung, so dass diese Oberschwingung an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine nicht mehr vorhanden ist . Die Einkopplung der Spannung der Kompensationsvorrichtung kann dabei beispielsweise direkt oder über einen Trans formator erfolgen .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiequelle als Stromquelle ausgebildet und in einer Parallelschaltung zu den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine angeordnet . Bei der Parallelschaltung addieren sich die Ströme der Energieversorgung und der Kompensationsvorrichtung zu einem Gesamtstrom, der über die Anschlussklemmen in die elektrische Maschine fließt . Daher kann dieser Strom auch als Strom an den elektrischen Anschlussklemmen bezeichnet werden . Durch ein Einbringen eines Stroms durch die Kompensationsvorrichtung kann einer Oberschwingung in dem Strom der Energieversorgung entgegengewirkt werden . Die entsprechende Oberschwingung aus der Energieversorgung, die als Strom in die elektrische Maschine fließt , beispielsweise aufgrund einer Schalt frequenz eines speisenden Stromrichters , wird derart durch die Kompensationsvorrichtung kompensiert , dass diese Oberschwingung in Form eines Stroms mit entgegengesetztem Vorzeichen, d . h . mit einer Phasenverschiebung von 180 ° , durch die Kompensationsvorrichtung erzeugt wird . Dieser erzeugte Strom überlagert sich aufgrund der Parallelschaltung mit der Oberschwingung der Energieversorgung, so dass diese Oberschwingung an den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine nicht mehr vorhanden ist .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiequelle über eine induktive Kopplung, insbesondere über einen Trans formator, mit den Anschlussklemmen der elektrischen Maschine verbunden . Mit Hil fe der induktiven Kopplung können Ströme und Spannungen auf einfache Weise in die elektrische Maschine oder allgemein in den elektrischen Antrieb eingekoppelt werden . Über einen Trans formator als induktives Koppelelement können die vorhandenen Ströme und Spannungen angepasst werden, so dass die Kompensationsvorrichtung in einem günstigen Arbeitspunkt betrieben werden kann . Auch ist eine gute Ausnutzung der Halbleiter in Hinblick auf Sperrspannung und Stromtragfähigkeit möglich . Des Weiteren werden durch die induktive Kopplung Erdströme zuverlässig vermieden, die den Antrieb in seiner Funktion stören können . Die Einkopplung über eine induktive Kopplung ermöglicht damit einen zuverlässigen Betrieb und ef fi zienten Betrieb .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der elektrische Antrieb einen Stromrichter, wobei die Anschlussklemmen der elektrischen Maschine mit dem Stromrichter verbunden sind . Bei einer Viel zahl von Anwendungen wird die elektrische Maschine von einem Stromrichter gespeist . Mit Hil fe des Stromrichters kann die elektrische Maschine hinsichtlich Drehzahl und Moment geregelt oder gesteuert werden . Dies ermöglicht den breiten Einsatz solcher Antriebe in vielen Anwendungen . Der Stromrichter erzeugt allerdings auch Oberschwingungen, insbesondere Oberschwingungen in Strom und/oder Spannung des Motors , die zu Verlusten und Geräuschen führen können . Mit Hil fe der Kompensationsvorrichtung kann ein elektrischer Antrieb mit guter Steuerbarkeit und Regelbarkeit realisiert werden, der darüber hinaus eine hohe Dynamik aufweist . Der Nachteil der durch den Stromrichter erzeugten Oberschwingungen und den damit einhergehenden Verlusten und Geräuschen kann mit Hil fe der Kompensationsvorrichtung beseitigt werden . Somit lässt sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein stromrichtergespeister, Verlust- und geräuscharmer, elektrischer Antrieb realisiert werden .
Gerade wenn der elektrische Antrieb und damit der Stromrichter für den Betrieb mit einer hohen Leistung, insbesondere für eine Leistung größer 1 MW, ausgelegt ist , ist die Oberschwingung aufgrund geringer Reaktanzen hoch . Dies führt zu deutlichen Verlusten und wahrnehmbaren Geräuschen, die auf einfache Weise durch die Kompensationsvorrichtung beseitigt werden können . Der Sensor der Kompensationsvorrichtung ist in der Lage , auch bei großen Betriebsströmen kleine Amplituden und ihre Phasenlage hinreichend genau und zuverlässig zu erfassen .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Oberschwingung mit dem 25- fachen der Frequenz der Grundschwingung bestimmt und durch ein elektrisches Signal der Kompensationsvorrichtung verringert . Es hat sich gezeigt , dass eine derartige Frequenz als besonders störend wahrgenommen wird und somit eine Beseitigung dieser Geräusche besonders vorteilhaft ist . Zur Kompensation dieser Kraftwelle mit der räumlichen Ordnungs zahl 0 und einer Kreis frequenz 24di kann also z . B . eine zusätzliche Schwingung mit w2=25di eingeprägt werden . Die Phasenlage muss dann so eingestellt werden, dass sich durch Gegenphasigkeit eine Auslöschung der Oberschwingung ergibt .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur Steuerung oder Regelung eines elektrischen Antriebs mit einem Stromrichter wird die Oberschwingung im Bereich der Schalt frequenz und/oder im Bereich eines Viel fachen der Schalt frequenz des Stromrichters bestimmt . Der Bereich der Schalt frequenz eines speisenden Stromrichters ist meist der signi fikante Anteil der vorhandenen Oberschwingung, der Verluste und Geräusche erzeugt . Somit kann auf eine Suche des relevanten Frequenzbereichs verzichtet werden . Es werden mittels des Sensors nur Oberschwingungen mit Frequenzen im Bereich der Schalt frequenz oder im Bereich eines Viel fachen der Schalt frequenz bestimmt . Mit dem Bereich ist der Bereich definiert , der sich aus der Schalt frequenz bzw . eines Viel fachen abzüglich der Grundfrequenz bis zur Schalt frequenz bzw . eines Viel fachen plus Grundfrequenz ergibt . Auf diese Weise kann eine besonders einfache Ermittlung der Oberschwingung durchgeführt werden, da der zur analysierende Frequenzbereich entsprechend klein gewählt ist . Dies vereinfacht die Auswertung und die Bestimmung der zu kompensierenden Oberschwingung . Damit kann eine besonders rechenarme Kompensation auch mit einer einfachen Regelvorrichtung erzielt werden .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberschwingung im Bereich zwischen der ersten Frequenz und der Schalt frequenz bestimmt . In diesem Bereich kann insbesondere ein Gleichspannungs zwischenkreisstromrichter auf besonders einfache Weise Oberschwingungen kompensieren, ohne weitere Oberschwingungen dabei zu erzeugen . Oftmals entstehen aufgrund der Geometrie der elektrischen Maschine Oberschwingen in einem bestimmten Frequenzbereich . Dabei ist es vorteilhaft , für die Speisung dieser elektrischen Maschine einen Stromrichter vorzusehen, dessen Schalt frequenz oberhalb der entstehenden Oberschwingungen liegt . Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Schalt frequenz größer ist , als das 25 fache der maximalen ersten Frequenz , da sich mit die- ser Anordnung zum einen ein Stromrichter günstig herstellen lässt und gleichzeitig der Stromrichter für die Speisung als auch die Kompensation von Oberschwingungen nutzen lässt .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt das elektrische Signal eine der Versorgungsspannung überlagerten Spannung dar, wobei das elektrische Signal die Frequenz der Oberschwingung aufweist . Durch die Realisierung der Energiequelle durch den Stromrichter kann das Signal auf einfache Weise dadurch gebildet werden, dass der Versorgungsspannung eine Spannung zur Kompensation der Oberschwingung, die Kompensationsspannung, überlagert wird . Dies ist eine besondere einfache und kostengünstige Ausgestaltung, den Stromrichter zur Speisung und zur Kompensation zu nutzen .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberschwingung mittels des Sensors durch Variieren der Frequenz der Kompensationsspannung ermittelt . Dadurch kann für die Ermittlung der Frequenz für die Oberschwingung durch ein analytisches Verfahren verzichtet werden . Vielmehr kann durch ein experimentelles Verfahren durch die Erzeugung des Signals mit einer Frequenz die Wirkung auf die Oberschwingung beobachtet werden . Durch gezielte Variation bei dem Parameter Amplitude , Frequenz und Phasenlage der Kompensationsspannung kann die Oberschwingung unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Stellreserve möglichst weit , teilweise sogar vollständig beseitigt werden . Besonders vorteilhaft an diesem Verfahren ist , dass sich die Größen Amplitude , Frequenz und Phasenlage beim Signal der Kompensationsvorrichtung unabhängig voneinander vorgeben und variieren lassen . Somit lässt sich eine auftretende Oberschwingung schnell und aufwandswarm, da kein analytisches und konvergierendes Verfahren erforderlich ist , beseitigen lassen .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert . Es zeigen : FIG 1 bis FIG 3 Aus führungsbeispiele eines elektrischen Antriebs mit einer vorgeschlagenen Kompensationsvorrichtung
FIG 1 zeigt einen elektrischen Antrieb 10 . Dieser weist eine elektrische Maschine 2 auf , die von einer Energieversorgung 7 mit elektrischer Energie versorgt wird . Zur Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Maschine kann optional der elektrische Antrieb 10 einen Stromrichter 11 aufweisen . Zur Beseitigung von störenden Oberschwingungen an Klemmen 21 der elektrischen Maschine 2 , die zu unerwünschten Geräuschen oder elektrischen Verlusten führen, dient ein Kompensationsvorrichtung 1 . Dazu werden mit einem Sensor 4 die Oberschwingungen an den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 ermittelt bzw . bestimmt . In Abhängigkeit von diesen Messwerten wird durch die Energiequelle 3 ein elektrisches Signal erzeugt , das mindestens einer Oberschwingung entgegenwirkt .
In diesem Aus führungsbeispiel wird die Oberschwingung anhand des Stroms mittels des Sensors 4 bestimmt . Dieser ist vorteilhafterweise als Stromsensor ausgebildet . Alternativ ist beispielsweise auch die Bestimmung der Oberschwingungen über die Spannung mit Hil fe eines Spannungswandlers zwischen den Phasen oder gegenüber einem Bezugspotential möglich . Die Messwerte des Sensors 4 werden an die Kompensationsvorrichtung 1 übertragen .
In diesem Aus führungsbeispiel ist die Energiequelle 3 als Spannungsquelle 31 ausgebildet . Diese ist in einer Reihenschaltung zu den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 angeordnet , so dass sich die Spannung der Energieversorgung 7 und die Spannung der Kompensationsvorrichtung 1 addieren und an den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 anliegen .
Der Stromrichter 11 kann zur Steuerung der elektrischen Maschine verwendet werden . Dieser kann die Drehzahl und/oder das Moment der elektrischen Maschine 2 steuern, regeln und/oder überwachen .
Dabei kann der Stromrichter 11 neben der Speisung des Motors mit der ersten Frequenz gleichzeitig auch die Aufgabe der Spannungsquelle 31 übernehmen . Mit anderen Worten weist der Stromrichter 11 die Spannungsquelle 31 der Kompensationsvorrichtung 1 auf , mit der ein Signal zur Kompensation einer Oberschwingung erzeugt wird . Alternativ kann eine Überlagerung der Versorgungsspannung und der Kompensationsspannung durch eine Anordnung erzielt werden, bei denen die Komponenten hintereinander zwischen der Energieversorgung 7 und der elektrischen Maschine 2 angeordnet sind .
Die Anordnung des Sensors 4 zwischen der Kompensationsvorrichtung 1 und der elektrischen Maschine 2 ist besonders vorteilhaft , weil die Kompensation bzw . Reduktion der Oberschwingungen geregelt werden kann . Wird der Sensor 4 alternativ zwischen der Energieversorgung 7 und der Kompensationsvorrichtung 1 angeordnet kann die Kompensation bzw . Reduktion der Oberschwingungen gesteuert erfolgen . Darüber hinaus können auch die Messwerte eines Messwerterfassers für die Regelung der elektrischen Maschine 2 gleichzeitig als Sensor 4 für die Kompensationsvorrichtung 1 genutzt werden . Die Messwerte können dabei direkt von dem Messwerterfasser an die Kompensationsvorrichtung 1 übermittelt werden oder von einer Regelbaugruppe des Stromrichters 11 an die Kompensationsvorrichtung 1 übermittelt werden .
FIG 2 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines vorgeschlagenen elektrischen Antriebs 10 mit der Kompensationsvorrichtung 1 . Auch in diesem Aus führungsbeispiel ist die Energiequelle 3 der Kompensationsvorrichtung 1 als Spannungsquelle 31 ausgebildet und in einer Reihenschaltung zu den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 angeordnet . Dabei erfolgt die Anbindung der Kompensationsvorrichtung 1 an die Verbindung zwischen Energieversorgung 7 und der elektrischen Maschine 2 über eine induktive Kopplung 33 mit Hil fe eines Trans formators . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zur FIG 1 sowie auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen . Insbesondere die Aussagen für die Anordnung des Sensors 4 und des Stromrichters 11 gelten auch für die Anordnung des Aus führungsbeispiels nach FIG 2 .
FIG 3 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines vorgeschlagenen elektrischen Antriebs 10 mit der Kompensationsvorrichtung 1 . In diesem Aus führungsbeispiel ist die Kompensationsvorrichtung 1 parallel zu den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 und auch parallel zu den Energieversorgung 7 angeordnet . Dabei addieren sich die Ströme der Energieversorgung 7 bzw . des Stromrichters 11 mit den Strömen der Kompensationsvorrichtung zu einem Gesamtstrom, der durch die elektrische Maschine 2 fließt . Damit fließt dieser Strom auch durch die Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 . Eine Oberschwingung im Strom von der Energieversorgung kann durch einen Strom der Kompensationsvorrichtung 1 mit gleicher Amplitude , gleicher Frequenz und einer Phasenverschiebung von 180 ° kompensiert werden . In diesem Aus führungsbeispiel weist die Kompensationsvorrichtung 1 ein Filter 5 auf . Dieses kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass es nur den Frequenzbereich der zu kompensierenden Oberschwingung durchlässt und für alle anderen Frequenzen, wie beispielsweise die Grundfrequenz , sperrt .
Des Weiteren ist der Stromrichter 11 in diesem Aus führungsbeispiel vorhanden . Alternativ kann auf diesen verzichtet werden, indem die elektrische Maschine 2 direkt mit der Energieversorgung 7 verbunden ist . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 sowie auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen . Insbesondere die Aussagen für die Anordnung des Sensors 4 und des Stromrichters 11 gelten auch für die Anordnung des Aus führungsbeispiels nach FIG 2 .
Zusammenfassend betri f ft die Erfindung eine Kompensationsvorrichtung 1 für eine elektrische Maschine 2 . Zur Verbesserung eines elektrischen Antriebs wird vorgeschlagen, dass die Kompensationsvorrichtung 1 eine Energiequelle 3 aufweist , wobei die Energiequelle eingerichtet ist , in Abhängigkeit von Messwerten eines Sensors 4 zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung ein elektrisches Signal , insbesondere eine Spannung oder einen Strom, zu erzeugen, das der Oberschwingung entgegenwirkt . Die Erfindung betri f ft weiter einen elektrischen Antrieb 10 , aufweisend eine derartige Kompensationsvorrichtung 1 , eine elektrische Maschine 2 und einen Sensor zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung an Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 , wobei die Kompensationsvorrichtung 1 mit den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 verbunden ist . Ferner betri f ft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer derartigen Kompensationsvorrichtung 1 oder eines derartigen elektrischen Antriebs 10 , wobei mindestens eine Oberschwingung an den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 bestimmt wird, wobei mittels der Kompensationsvorrichtung 1 ein elektrisches Signal erzeugt wird, das der Oberschwingung an den Anschlussklemmen 21 der elektrischen Maschine 2 entgegenwirkt .

Claims

Patentansprüche
1. Kompensationsvorrichtung (1) für eine elektrische Maschine (2) , wobei die Kompensationsvorrichtung (1) eine Energiequelle (3) aufweist, wobei die Energiequelle (3) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Messwerten eines Sensors (4) zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung oder einen Strom, zu erzeugen, das der Oberschwingung entgegenwirkt.
2. Kompensationsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Kompensationsvorrichtung (1) ein Filter (5) , insbesondere ein Bandpassfilter, aufweist.
3. Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Energiequelle (3) als Stromrichter (11) ausgebildet ist, wobei der Stromrichter (11) mit einer elektrischen Maschine (2) verbindbar ist, wobei der Stromrichter (11) eingerichtet ist, eine Versorgungsspannung mit einer ersten Frequenz zur Speisung der elektrischen Maschine (2) zu erzeugen.
4. Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3, wobei der Stromrichter (11) als Gleichspannungszwischenkreisstromrichter ausgebildet ist, wobei der Stromrichter (11) ausgebildet ist, als Signal eine Spannung bereitzustellen, die der Versorgungspannung überlagert ist.
5. Elektrischer Antrieb (10) , aufweisend eine Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, eine elektrische Maschine (2) und einen Sensor zur Bestimmung von mindestens einer Oberschwingung, insbesondere einer Oberschwingung des Stroms oder der Spannung, an Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) , wobei die Kompensationsvorrichtung (1) mit den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) verbunden ist.
6. Elektrischer Antrieb (10) nach Anspruch 5, wobei der elektrische Antrieb (10) einen Stromrichter (11) gemäß Anspruch 3 umfasst, wobei die Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) mit dem Stromrichter (11) verbunden sind .
7. Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Kompensationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder eines elektrischen Antriebs (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei mindestens eine Oberschwingung, insbesondere eine Oberschwingung des Stroms und/oder der Spannung, an den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) bestimmt wird, wobei mittels der Kompensationsvorrichtung (1) ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung oder ein Strom, erzeugt wird, das der Oberschwingung an den Anschlussklemmen (21) der elektrischen Maschine (2) entgegenwirkt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Oberschwingung mit dem 25-fachen der Frequenz der Grundschwingung bestimmt wird und durch ein elektrisches Signal der Kompensationsvorrich- tung (1) verringert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Oberschwingung im Bereich einer Schalt frequenz und/oder im Bereich eines Vielfachen der Schalt frequenz des Stromrichters (11) bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Oberschwingung im Bereich zwischen der ersten Frequenz und der Schalt frequenz bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das elektrische Signal eine der Versorgungsspannung überlagerten Spannung darstellt, wobei das elektrische Signal die Frequenz der Oberschwingung aufweist .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Oberschwingung mittels des Sensors (4) durch Variieren der Frequenz der Kompensationsspannung ermittelt wird.
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