Steuerverfahren für einen selbstgeführten, mehrphasigen Stromrichter

Die Erfindung betri f ft ein Steuerverfahren zur Erzeugung von Spannungen zwischen Phasenanschlüssen eines selbstgeführten Stromrichters , wobei einem nullsystemfreien Sollspannungssystem ein Nullsystem überlagert wird, wobei in einem ersten Schritt die Phase mit der betraglich größten Spannung des nullsystemfreien Sollspannungssystem als relevante Phase ermittelt wird . Ferner betri f ft die Erfindung eine Steuervorrichtung und einen selbstgeführten Stromrichter .

Die Spannungen an den Phasenanschlüssen eines mehrphasigen Stromrichters lassen sich mit Hil fe von Spannungssystemen, beispielsweise unter Zuhil fenahme von Raumzeigern, beschreiben . Die Spannung einer Phase ist dabei die Spannung, die zwischen einer Phase und dem Sternpunkt anliegt . Ziel der Regelung ist es , dass ein vorgegebenes Sollspannungssystem durch Schalthandlungen der abschaltbaren Halbleiter des selbstgeführten Stromrichters als Spannungen zwischen den Phasenanschlüssen anliegt .

Zur Erzielung einer im Vergleich zu einer Zwischenkreisspannung des Stromrichters hohen Ausgangsspannung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einem nullsystemfreien Sollspannungssystem ein Nullsystem, auch als Common-Mode-Spannung bezeichnet , zu überlagern . Durch diese addierte Nullspannung wird der Nullpunkt ( Sternpunkt ) zusätzlich belastet . Das Nullsystem wird bei der Dimensionierung eines Common-Mode-Filters berücksichtigt , welches zur Reduzierung der Gleichtaktschwin- gungen häufig eingesetzt wird .

Ein bekanntes Nullsystem ist die Supersinusmodulation, die auch als Raumzeigermodulation bezeichnet wird . Dabei wird zur Erhöhung einer erzielbaren Ausgangsspannung dem nullsystem- freien Sollspannungssystem ein Nullsystem mit einer gegenüber der Grundfrequenz drei fachen Frequenz überlagert .

Des Weiteren ist die Flat-Top Modulation bekannt , bei der neben der Erhöhung der Ausgangsspannung eine Reduktion der Schaltverluste des Stromrichters möglich ist .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein Steuerverfahren zur Erzeugung von Spannungen zwischen Phasenanschlüssen eines selbstgeführten Stromrichters zu verbessern .

Diese Aufgabe wird durch ein Steuerverfahren zur Erzeugung von Spannungen zwischen Phasenanschlüssen eines selbstgeführten Stromrichters mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Weiter wird diese Aufgabe durch eine Steuervorrichtung für einen selbstgeführten Stromrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst . Diese Aufgabe wird ferner durch einen selbstgeführten Stromrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst .

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben .

Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde , dass die Belastung des Nullpunktes bzw . des Sternpunktes dadurch reduzieren lässt , wenn das Nullsystem eine geringe Amplitude aufweist , keine Sprünge im zeitlichen Verlauf und in der ersten Ableitung des zeitlichen Verlaufs aufweisen .

Dazu wird vorgeschlagen, dass das Nullsystem durch das betragsmäßig größte Segment des mehrphasigen, insbesondere des dreiphasigen, Spannungssystems mit negativem Vorzeichen gebildet wird .

Auf einfache Weise lässt sich das Nullsystem dadurch erzeugen, dass betrachtet wird, welche Spannung des nullsystemfreien Sollspannungssystems betraglich am größten ist . Die Phase mit der betragsmäßig größten Spannung wird als relevan- te Phase bezeichnet . Die Spannung des Nullsystems wird so gewählt , dass die Spannung, die sich für die relevante Phase aus dem nullspannungsbehafteten Spannungssystem, d . h . der Überlagerung von nullsystemfreien Sollspannungssystem und Nullsystem, ergibt , konstant bleibt , solange diese Phase die betragsmäßig größte Spannung aufweist . Mit anderen Worten wird, sobald die relevante Phase wechselt , da die betref fende Phase die betragsmäßig größte Spannung aufweist , die Spannung der relevanten Phase dadurch konstant gehalten, dass die Di fferenz der Spannung zwischen dem augenblicklichen Wert und dem Wert zum Wechsel zeitpunkt als negative Spannung des Nullsystems verwendet wird .

Es hat sich gezeigt , dass durch diese Bildung des Nullsystems die Spannung des Nullsystems stetig ist , also keine Sprünge aufweist . Darüber hinaus ist auch die zeitliche Ableitung der Spannung des Nullsystems stetig, also ohne Sprünge . Dadurch werden die Belastungen an Komponenten, die elektrisch mit den Phasenanschlüssen des selbstgeführten Stromrichters verbunden sind, deutlich reduziert . Durch den stetigen Zeitverlaufs sowohl vom Spannungsverlauf als auch von seinen Ableitungen werden beispielsweise Lagerströme an elektrischen Maschinen deutlich reduziert bzw . teilweise auch ganz verhindert . Das erhöht u . a . die Lebensdauer dieser stromrichtergespeisten elektrischen Maschinen . Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Flat-TopModulation wird zwar teilweise auch der Spannungswert einer Phase konstant gehalten . Dies geschieht j edoch mit dem Ziel einer Reduktion von Schaltvorgängen der Halbleiter . Im Allgemeinen entstehen gerade durch dieses Flat-Top Verfahren deutliche Sprünge in den Phasenspannungen und damit auch in deren Ableitungen .

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das vorgeschlagene Verfahren für ein nullsystemfreies Sollspannungssystem zu verwenden, das einen periodischen Spannungsverlauf mit einer Frequenz und einer Amplitude aufweist . Dabei können sich Frequenz und/oder Amplitude zeitlich ändern . Dann weist das nullsystemfreies Sollspannungssystem einen periodischen Spannungsverlauf mit einer Frequenz und einer Amplitude auf . Mit dieser Randbedingung wird sichergestellt , dass sich aus der Überlagerung des nullsystemfreien Sollspannungssystems und dem Nullsystem ein Signal , das über die Dauer von 1 / 6 der Periodendauer konstant ist .

Das Verfahren hat sich als vorteilhaft erwiesen, da das Nullsystem eine um etwa 20% geringe Amplitude in der 3 . Harmonischen im Vergleich zu bisher bekannten Methoden wie beispielsweise der Supersinusmodulation hat . Darüber hinaus ist es das Nullsystem mit der kleinstmöglichen Amplitude . Dies wird durch den konstanten Spannungsverlauf in der Spannung der relevanten Phase erreicht , die sich aus der Überlagerung des nullsystemfreien Sollspannungssystems mit dem Nullsystem ergibt . An den Stellen, an denen die relevante Phase wechselt , stellt der Stromrichter die größte Spannung zwischen zwei Phasen . Im Maximum des Betrags der Spannung der relevanten Phase ist die Amplitude des Nullsystem exakt so groß , dass diese maximale Spannung in der Phasenspannung beibehalten wird . Somit ist kein Verfahren möglich, das eine kleinere Amplitude im Nullsystem besitzt , ohne die maximal mögliche Ausgangsspannung des Stromrichters zu verkleinern .

Die Bestimmung des Nullsystems kann auf einfache Weise innerhalb der Steuervorrichtung durchgeführt werden, die zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet ist . Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung auch die Signale zur Ansteuerung der Halbleiter genieren . Des Weiteren ist es möglich, dass die Steuervorrichtung das nullsystemfreie Sollspannungssystem generiert oder über eine Datenschnittstelle zugeführt bekommt .

Das Steuerverfahren hat sich für mehrphasige Stromrichter als vorteilhaft erwiesen, die mindestens drei Phasen aufweisen . Durch einen dreiphasigen Stromrichter lassen sich Energien pendel frei austauschen, gleichzeitig sind die Verfahren der Spannungssysteme von Sollspannungssystem und Nullsystem für dreiphasige Systeme besonders einfach anwendbar . Dadurch lässt sich mit einem dreiphasigen Stromrichter die beschriebenen Vorteile für Standardkonfigurationen in einem dreiphasigen Antrieb auf einfache und kostengünstige Weise realisieren .

Dabei wird in einem zweiten Schritt zur Bestimmung der Spannung des Nullsystems ein erster Wert dadurch bestimmt , dass die Spannungen der Phasen des nullsystemfreien Sollspannungssystem j eweils quadriert und anschließend addiert werden, daraus die Quadratwurzel gezogen wird und anschließend durch den Wert der Quadratwurzel aus zwei dividiert wird, wobei die Spannung des Nullsystems dadurch ermittelt wird, dass der erste Wert im Falle eines positiven Wertes der Spannung der relevanten Phase vom Wert der Spannung der relevanten Phase subtrahiert wird und im Falle eines negativen Wertes der Spannung der relevanten Phase zum Wert der Spannung der relevanten Phase addiert wird und in beiden Fällen anschließend das Vorzeichen gewechselt wird . Neben der Bestimmung des Nullsystems , indem die Spannung der relevanten Phase des nullspannungsbehafteten Spannungssystems , das sich aus Überlagerung von nullsystemfreien Sollspannungssystem und dem Nullsystem ergibt , durch Verwendung eines Nullsystems konstant gehalten kann diese Eigenschaft auch mittels Berechnung erreicht werden . Auch dazu ist es in einem ersten Schritt notwendig durch Vergleich der einzelnen Phasenspannungen des nullsystemfreien Sollspannungssystems die betraglich größte zu ermitteln . Die Phase mit der betraglich größten Spannung ist dann die relevante Phase . Die Spannung des Nullsystems ergibt sich dann zu

Dabei sind die Spannungen u _Li , u _L 2 und u _L s die Spannungen der Phasen des nullsystemfreien Sollspannungssystems , u _{re i} e ante Phas e die Spannung der relevanten Phase des nullsystemfreien Sollspannungssystems und u _N uiisystem die Spannung des Nullsystems . Somit steht der Steuervorrichtung auch eine Möglichkeit zur Verfügung, das Nullsystem zu berechnen . Dieses kann auf besonders einfache Weise zuverlässig in der Steuervorrichtung umgesetzt werden und ist unabhängig von der genauen Bestimmung des zeitlichen Wechsels der relevanten Phase .

Durch diese Bestimmung der Spannung des Nullsystems wird sichergestellt ,

- dass die Spannung der relevanten Phase des nullsystembehafteten Spannungssystems , das sich aus der Überlagerung von dem nullsystemfreien Sollspannungssystem und dem Nullsystem ergibt , konstant ist und

- dass der Verlauf der Spannung des Nullsystems über die gesamte Periodendauer stetig ist .

Die Bestimmung kann als Alternative zu der oben beschriebenen Berechnung auch auf folgendem Wege durchgeführt werden . Dabei wird vom Betrag der Spannung der relevanten Phase des nullsystemfreien Sollspannungssystems der erste Wert abgezogen . Dies ist der Betrag der Spannung des Nullsystem . Das Nullsystem bekommt das entgegengesetzte Vorzeichen der Spannung der relevanten Phase . Dies entspricht der Formel

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das nullsystemfreie Sollspannungssystem durch einen sinus förmigen Verlauf der Spannungen der Phasen mit genau einer Frequenz und einer Amplitude gebildet , wobei der erste Wert dadurch ermittelt wird, dass die Amplitude mit der Quadratwurzel aus 3 multipli ziert und durch 2 dividiert wird . Mit anderen Worten weist bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das nullsystemfreie Sollspannungssystem einen sinus förmigen Verlauf mit genau einer Frequenz und einer Amplitude (ü) auf , wobei die Spannung des Nullsystems über die Gleichung bestimmt wird . Sobald Spannungsanteile mit einer anderen Frequenz als der Grundfrequenz im nullsystemfreien Sollspannungssystem vernachlässigbar sind, da diese eine Amplitude von weniger als 5% , insbesondere weniger als 1 % , der Amplitude der Grundschwingung aufweisen, kann die Berechnung des Nullsystems noch einmal vereinfacht werden . In diesem Fall weist das nullsystemfreie Sollspannungssystem einen sinus förmigen Verlauf mit genau einer Frequenz und einer Amplitude (ü) auf . Das Nullsystem ergibt sich dann zu wobei ü die Amplitude des nullsystemfreien Sollspannungssystems darstellt . Auf diese Weise wird die Berechnung noch einmal deutlich vereinfacht . Diese Vereinfachung ist zulässig, wenn es sich bei dem nullsystemfreien Sollspannungssystem um periodische Phasenspannungen mit sinus förmigem Verlauf und gleicher Amplitude und gleicher Frequenz handelt . In diesem Fall vereinfacht sich die Gleichung ( 1 ) zu ( 3 ) und liefert somit das gleiche Ergebnis . Mit anderen Worten kann die Gleichung ( 1 ) bei der gegebenen Randbedingung des sinus förmigen Verlaufs der Spannungen durch Gleichung ( 3 ) ersetzt werden, da diese dann immer zum gleichen Ergebnis führt .

Alternativ kann auch hier vom Betrag der Spannung der relevanten Phase des nullsystemfreien Sollspannungssystems der erste Wert abgezogen werden . Dies ist der Betrag der Spannung des Nullsystems . Das Nullsystem bekommt das entgegengesetzte Vorzeichen der Spannung der relevanten Phase . Dies entspricht der Formel

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung takten alle abschaltbaren Halbleiter des selbstgeführten Stromrichters . Durch das Takten aller Halbleiter wird erreicht , dass beliebige Spannungen in den einzelnen Phasen erzeugt werden können . Durch diesen Freiheitsgrad lassen sich auf einfache Art und Weise die Freiheitsgerade erreichen, dass der Verlauf der Spannung und die Ableitung aller Phasen stetig ist . Im Gegensatz dazu weist die bekannte Flat Top Modulation einen konstanten Spannungswert auf , der immer im Maximum oder Minimum der entsprechenden Phase liegt , um damit auf ein Takten des entsprechenden abschaltbaren Halbleiters verzichten zu können . Mit anderen Worten wird das Nullsystem dazu genutzt , auf Schalthandlungen der abschaltbaren Halbleiter zu verzichten . Dafür werden Spannungssprünge in Kauf genommen . Durch das vorgeschlagene Verfahren werden Spannungssprünge im Zeitverlauf der Spannung sowie in dessen Ableitung zuverlässig vermieden . Um dies zu gewährleisten, kann der Wert j eder einzelnen Phasenspannung beliebige Werte annehmen, die über das Takten, beispielsweise unter Anwendung einer Pulsweitenmodulation, der abschaltbaren Halbleiterschalter realisierbar sind . Mit anderen Worten wird in dieser Ausgestaltung durch das Takten der Halbleiter der stetige Spannungsverlauf und eine stetige Änderung des Spannungsverlaufs ermöglicht .

Durch das Takten aller abschaltbaren Halbleiter ist der Spannungswert j eder Phase betraglich kleiner als die im ein- oder ausgeschalteten Zustand erreichbaren 100% .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschreiben und erläutert . Es zeigen :

FIG 1 den zeitlichen Verlauf der Phasenspannungen des nullsystemfreien Sol Ispannungs systems , FIG 2 Zeitverläufe der Spannungen einer Phase , FIG 3 eine Berechnungsvorschri ft zur Bestimmung des Nullsystems ,

FIG 4 eine weitere Berechnungsvorschri ft zur Bestimmung des Nullsystems und FIG 5 den Aufbau eines dreiphasigen, selbstgeführten Stromrichters .

FIG 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungen u _Li , u _L 2 , u _L 3 zwischen dem j eweiligen Phasenanschluss 4 und einem nicht näher dargestellten Sternpunkt eines dreiphasigen, selbstgeführten Stromrichters 1 . Diese Spannungen werden auch als Spannung der Phase oder einfach Phasenspannung bezeichnet . Dieses Spannungssystem aus den Spannungen der Phasen ist , da es sich auf den Sternpunkt bezieht , nullsystemfrei . Es stellt gleichzeitig das nullsystemfreie Sollspannungssystem dar . In einem ersten Schritt bei der Bestimmung des Nullsystems wird die betraglich größte der Phasenspannungen u _Li , u _L 2 , u _L 3 ermittelt . Diese wird als relevante Phase bezeichnet . Im Bereich I ist die Spannung u _Li der ersten Phase die betraglich größte Spannung . Im Bereich I I ist die Spannung u _L 2 der zweiten Phase die betraglich größte Spannung . Im Bereich I I I ist die Spannung u _L s der dritten Phase die betraglich größte Spannung . Dieser j eweilige Abschnitt der Phasenspannung ist in dem zeitlichen Verlauf der j eweiligen Phasenspannung fett dargestellt . Somit ist der fett dargestellte Verlauf der Zeitverlauf der Spannung u _re ie ante Phas e der relevanten Phase . Das Nullsystem wird so gewählt , dass die Spannung der relevanten Phase des nullsystembehafteten Spannungssystem, also der Überlagerung von dem nullsystemfreien Sollspannungssystem und dem Nullsystem, konstant bleibt . Hervorgehoben ist dies durch die schraf fierten Bereiche . Mit anderen Worten bringt diese dargestellte Spannung u _Nu iisystem des Nullsystems durch Überlagerung mit der nullsystemfreien Sollspannung die Spannung des nullspannungsbehafteten Spannungssystems in der relevanten Phase auf einen konstanten Wert . Dieser Zusammenhang ist auch in der FIG 2 dargestellt . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird hinsichtlich der FIG 2 auf die Beschreibung zur FIG 1 sowie auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen . Dort ist im Winkelbereich von 60 bis 120 die erste Phase die relevante Phase . Die Spannung u _Li des nullsystemfreien Sollspannungssystems stellt einen sinus förmigen dar . Das Nullsystem ist so gewählt , dass die Spannung Ui des nullspan- nungsbehaf tete Spannungssystem in der ersten Phase konstant ist , solange diese erste Phase die relevante Phase ist . Darüber hinaus ist in FIG 2 auch noch die Spannung U12 zwischen den Anschlüssen der ersten und der zweiten Phase dargestellt . Diese Spannung wird auch als verkettete Spannung zwischen der ersten und der zweiten Phase bezeichnet . Es ist erkennbar, dass das Nullsystem keinen Einfluss auf diese verkettete Spannung an . Darüber hinaus ist aus der FIG 1 und der FIG 2 ersichtlich, dass der Verlauf der Spannung u _Nu iisystem des Nullsystem stetig ist . Darüber hinaus ist auch die Ableitung der Spannung u _Nu iisystem des Nullsystems stetig .

FIG 3 zeigt ein Schema zur Bestimmung der Spannung u _{Nu i} i _S ystem des Nullsystems . Dazu werden die Spannungen u _Li , u _L 2 , u _L 3 der einzelnen Phasen des nullsystemfreien Sollspannungssystems j eweils mittels eines Quadrierers 11 quadriert und addiert . Anschließend wird aus diesem Wert mittels eines ersten Berechnungselements 12 zum Ziehen eine Quadratwurzel die Wurzel aus diesem Wert gezogen . Anschließend erfolgt eine Multiplikation mittels eines zweiten Berechnungselementes 13 mit dem dargestellten Faktor . Dies ergibt den ersten Wert x . Parallel dazu wird aus den Spannungen u _Li , u _L 2 , u _L 3 der einzelnen Phasen die relevante Phase mit der betraglich größten Spannung bestimmt . I st das Vorzeichen der Spannung u _re ievante Phas e der relevanten Phase positiv, so wird der erste Wert x von der Spannung u _r ei e ante Phas e der relevanten Phase abgezogen, ist das Vorzeichen negativ, so wird der erste Wert zur Spannung Urei evante Phas e der relevanten Phase addiert . Zur Bestimmung der Spannung UNui i system des Nullsystems wird anschließend das Vorzeichen noch gewechselt . Dies entspricht einer Multiplikation mit dem Faktor ( - 1 ) .

Eine alternative Möglichkeit für die Berechnung für die Berechnung der Spannung u _Nu iisystem des Nullsystems zeigt FIG 4 . Im Falle sinus förmiger Spannungen der Phasen des nullsystemfreien Sollspannungssystems lässt sich die Bestimmung nach FIG 3 deutlich vereinfachen . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zur FIG 3 und die dort einge- führten Bezugs zeichen verwiesen . Der erste Wert x ergibt sich auf einfache Weise durch die Bestimmung der Amplitude ü des sinus förmigen Spannungsverlaufs mittels des Elements 16 zur Bestimmung der Amplitude . Die Amplitude ü muss nur noch mit dem dargestellten Faktor mittels des zweiten Berechnungselements 13 multipli ziert werden und es ergibt sich der erste Wert x .

Die weiteren Rechenschritte um ausgehend vom ersten Wert x zur Spannung u _Nu iisystem des Nullsystems zu gelangen, entsprechen denen der FIG 3 .

FIG 5 zeigt einen dreiphasigen, selbstgeführten Stromrichter 1 . Dieser weist abschaltbare Halbleiter 3 zur Erzeugung von Spannungen U12 , U23 , U31 zwischen Phasenanschlüssen 4 des selbstgeführten Stromrichters 1 auf . Die Spannungen u _Li , u _L 2 , U _L 3 der Phasen liegen dabei gegenüber einem nicht näher dargestellten Sternpunkt an . Angesteuert werden die abschaltbaren Halbleiter 3 durch die Steuervorrichtung 2 . Die Steuervorrichtung 2 übernimmt dabei auch die Berechnung des Nullsystems .

Zusammenfassend betri f ft die Erfindung ein Steuerverfahren zur Erzeugung von Spannungen U12 , U23 , U31 zwischen Phasenanschlüssen 4 eines selbstgeführten Stromrichters , wobei einem nullsystemfreien Sollspannungssystem ein Nullsystem überlagert wird, wobei in einem ersten Schritt die Phase mit der betraglich größten Spannung des nullsystemfreien Sollspannungssystem als relevante Phase ermittelt wird . Zur Verbesserung des Steuerverfahrens zur Erzeugung von Spannungen zwischen Phasenanschlüssen des selbstgeführten Stromrichters wird vorgeschlagen, dass in einem zweiten Schritt das Nullsystem derart gebildet wird, dass die Spannung u _re ievan- te phase+u _N uiisystem der relevanten Phase des nullsystembehafteten Spannungssystems , das sich aus der Überlagerung von dem nullsystemfreien Sollspannungssystem und dem Nullsystem ergibt , konstant ist und dass der Verlauf der Spannung u _Nu iisystem des Nullsystems über die gesamte Periodendauer stetig ist . Mit anderen Worten betri f ft die Erfindung zusammenfassend ein Steuerverfahren zur Erzeugung von Spannungen (U12 , U23 , U31 ) zwischen Phasenanschlüssen 4 eines selbstgeführten Stromrichters 1 , wobei einem nullsystemfreien Sollspannungssystem ein Nullsystem überlagert wird . Zur Verbesserung des Steuerverfahrens insbesondere hinsichtlich der Belastung eines an den Phasenanschlüssen des selbstgeführten Stromrichters angeschlossenen Verbrauchers wird vorgeschlagen, dass in einem ersten Schritt die Phase mit der betraglich größten Spannung des nullsystemfreien Sollspannungssystem als relevante Phase ermittelt wird, wobei in einem zweiten Schritt die Spannung u _Nu ii _S ystem des Nullsystems über die Gleichung bestimmt wird, wobei u _{relevante Phase} die Spannung der relevanten Phase ist und die Spannungen u _Li , u _L2 , u _L3 die Spannungen des nullsystemfreien Sollspannungssystems darstellen . Weiter betri f ft die Erfindung eine Steuervorrichtung 2 für einen selbstgeführten Stromrichter 1 , eingerichtet zur Durchführung eines derartigen Steuerverfahrens . Die Erfindung betri f ft ferner einen selbstgeführter Stromrichter 1 mit einer derartigen Steuervorrichtung 2 .