BRUNOTTE, Christoph (Naturbadstr. 76, Erlangen, 91056, DE)
KAHLEN, Klemens (Hermann-Strebel-Str. 48, Nürnberg, 90411, DE)
TISCHMACHER, Hans (Heuchlinger Hauptstr. 18, Lauf, 91207, DE)
BAUER, Franz (Bussardweg 16, Herzogenaurach, 91074, DE)
BRUNOTTE, Christoph (Naturbadstr. 76, Erlangen, 91056, DE)
KAHLEN, Klemens (Hermann-Strebel-Str. 48, Nürnberg, 90411, DE)
TISCHMACHER, Hans (Heuchlinger Hauptstr. 18, Lauf, 91207, DE)
Patentansprüche
1. Umrichter
- mit Leistungshalbleiterschaltern, - mit einem Ansteuerschaltkreis (4) der zur Modulation mit Leistungshalbleiterschaltern verbunden ist und durch die Modulation Modulationsprodukte in einem ersten Frequenzband (FB 1 ) , in einem zweiten Frequenzband (FB 2 ) und in einem zwischen dem ersten Frequenzband (FB 1 ) und dem zweiten Frequenzband (FB 2 ) ausgebildetes
Zwischenfrequenzband (ZFB) erzeugt, wobei die Modulationsprodukte in dem Zwischenfrequenzband (ZFB) gegenüber den Modulationsprodukten in dem ersten Frequenzband (FB 1 ) und den Modulationsprodukten in dem zweiten Fre- quenzband (FB 2 ) reduziert sind, und
- mit einem mit den Leistungshalbleiterschaltern verbundenen Filter (1), der einen Resonanzbereich (R), einen Durchlassbereich (P) für eine von dem Ansteuerschaltkreis (4) erzeugte Grundschwingung und einen Dämpfungs- bereich (D) aufweist, wobei der Resonanzbereich (R) im Bereich des Zwischenfrequenzbandes (ZFB) ausgebildet ist.
2. Umrichter nach Anspruch 1, bei dem der Ansteuerschaltkreis (4) zur Erzeugung einer Raumzeigermodulation und/oder einer
Pulsmustermodulation ausgebildet ist.
3. Umrichter nach Anspruch 2, bei dem der Ansteuerschaltkreis (4) zur Umschaltung zwischen Raumzeigermodulation und PuIs- mustermodulation in Abhängigkeit von einem Aussteuergrad (a) und/oder einer Grundschwingungsfrequenz (f G s) ausgebildet ist .
4. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Filter (1) einen Tiefpass, insbesondere einen LC-Tiefpass
2. Ordnung, aufweist.
5. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gleichrichter (3) , mit einem mit dem Gleichrichter (3) verbundenen Zwischenkreis und - mit einem mit dem Zwischenkreis und dem Filter (1) verbundenen Wechselrichter (2), der die Leistungshalbleiterschalter aufweist, und wobei das Filter (1) Anschlüsse zur Verbindung mit einem elektromotorischen Antrieb (5) aufweist.
6. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Filter zwischen dem Wechselrichter und einem speisenden Drehstromnetz geschaltet ist.
7. Verfahren zur Steuerung eines Umrichters mit Leistungshalbleiterschaltern, mit einem mit den Leistungshalbleiterschaltern verbundenen Filter (1) und mit einem Ansteuerschaltkreis (4), der zur Modulation mit den Leistungshalbleiterschaltern verbunden ist, wobei durch die Modulation - eine Grundschwingung mit einer Grundschwingungsfrequenz (f GS ) in einem Durchlassbereich (P) des Filters (1) erzeugt wird,
Modulationsprodukte in einem ersten Frequenzband (FB 1 ) , in einem zweiten Frequenzband (FB 2 ) und in einem zwi- sehen dem ersten Frequenzband (FB 1 ) und dem zweiten
Frequenzband (FB 2 ) ausgebildeten Zwischenfrequenzband (ZFB) erzeugt werden, die Modulationsprodukte in dem Zwischenfrequenzband (ZFB) gegenüber den Modulationsprodukten in dem ersten Frequenzband (FB 1 ) und den Modulationsprodukten in dem zweiten Frequenzband (FB 2 ) reduziert werden, das Zwischenfrequenzband (ZFB) in einem Resonanzbereich (R) einer Resonanzfrequenz (f res ) des Filters (1) zwischen dem Durchlassbereich (P) und einem Dämpfungsbe- reich (D) des Filters (1) erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als Modulation eine Raumzeigermodulation und/oder eine Pulsmustermodulation erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Modulation durch unterschiedliche Pulsmuster in Abhängigkeit von dem Aussteuerungsgrad (a) und/oder der Grundschwingungsfrequenz (f GS ) erfolgt, wobei jedes Pulsmuster in einem Aussteuerungsgradbereich und/oder in einem Grundschwingungsfrequenz- bereich das Zwischenfrequenzband (ZFB) mit reduzierten Modulationsprodukten im Resonanzbereich (R) des Filters (1) erzeugt .
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der Raumzeigermodulation und der Pulsmustermodulation in Abhängigkeit von einem Aussteuergrad (a) und/oder der Grundschwingungsfrequenz (f G s) umgeschaltet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zwischen der Raum- zeigermodulation und der Pulsmustermodulation bei einem Aussteuerungsgrad von 0,3 bis 0,5 umgeschaltet wird. |
Beschreibung
UMRICHTER MIT REDUZIERTEN OBERWELLEN
Die Erfindung betrifft einen Umrichter und ein Verfahren zur Steuerung eines Umrichters.
Hochtourige Synchronmaschinen erfordern selbst in zweipoliger Bauweise Speisefrequenzen von 1000 Hz und höher. Als Speise- einheiten finden dabei beispielsweise spannungseinprägende, zwei- oder dreiphasige Pulswechselrichter Verwendung, die beispielsweise nach dem Unterschwingungsverfahren arbeiten können .
Bei der Raumzeigermodulation oder auch bei Modulationsarten mit dreieckförmigem Trägersignal (Unterschwingungs-Verfahren) enthalten die bereitgestellten Spannungen neben der gewünschten Grundschwingung Oberschwingungen mit den Frequenzen
f a = μ fschalt ± n f GS .
Dabei ist f GS die Frequenz der Grundschwingung, f SC h a i t die Pulsfrequenz und μ, η sind ganzzahlige, positive Ordnungszahlen. Die Anteile in der Ausgangsspannung mit den Frequen- zen f a , die zusätzlich zur Grundschwingung aufgrund der Modulation entstehen, werden als Modulationsprodukte bezeichnet.
Durch die höheren Frequenzanteile der Spannungen im Bereich der Pulsfrequenz und darüber treten ebenfalls höherfrequente Anteile in den Leiterströmen auf. Diese durch höhere Frequenzanteile bewirkten Verzerrungsströme erzeugen zusätzliche Stromwärme- und Eisenverluste in der Maschine.
In der Literatur, beispielsweise in der EP 1035642 Al werden zahlreiche Verfahren beschrieben mit denen es bei drehzahlvariablen Antrieben möglich ist, die Oberschwingungsströme zu reduzieren bzw. niederfrequente Anteile zu vermeiden. Bei den
Modulationsverfahren werden beispielsweise einzelne Schalter im Wechselrichter für bestimmte Winkelbereiche der Grundschwingung nicht geschaltet (Flat-Top-Modulation) und es entstehen geringere mittlere Schaltverluste, als wenn jeder Schalter mit Pulsfrequenz betrieben wird.
Ein anderes Verfahren arbeitet mit optimierten Pulsmustern. Hier wird das Oberschwingungsverhalten direkt beeinflusst, indem z.B. bestimmte Spannungsharmonische eliminiert oder der quadratische Oberschwingungsstromeffektivwert minimiert werden. Dies geschieht dadurch, dass aus den Fourier-Koeffizien- ten der Wechselrichterausgangsspannung unter Berücksichtigung der Pulszahl und des Modulationsgrades iterativ Schaltwinkel für ein Pulsmuster mit Viertelschwingungssymmetrie bestimmt werden, die zur Elimination der gewünschten Harmonischen führen .
Eine weitere Möglichkeit die Verzerrungsströme klein zu halten bietet bei gleicher Zwischenkreisspannung U z der Drei- Punkt-Wechselrichter. Mit ihm lässt sich im Gegensatz zum
Zwei-Punkt-Wechselrichter eine dreistufige Modulation durchführen, so dass während einer Halbschwingung der Grundfrequenz die Ausgangsspannung nicht nur zwei (U z , 0 ; -U z , 0) sondern drei verschiedene Spannungswerte (U z , U z /2, 0; -U z , -U z /2, 0) annehmen kann.
Bei hochtourigen Antrieben mit konstanter Drehzahl, d.h. konstanter Grundschwingungs- und konstanter Pulsfrequenz, werden Filter, z.B. Saugkreise, zur Reduktion der Modulationspro- dukte verwendet.
Aus der DE 103 23 218 Al ist ein Hochspannungsumrichter bekannt, dessen Ausgang auf einen Mittelfrequenztransformator geschaltet ist. Ein nach dem Mittelfrequenztransformator ge- schalteter Umrichter, besteht in der DE 103 23 218 Al aus einem Eingangsstromrichter, einem Gleichspannungs-Zwischenkreis und einem Pulswechselrichter. Ebenfalls ist in der
DE 103 23 218 Al ein Verfahren zur Ansteuerung des Hochspannungsumrichters erläutert.
In vielen Anwendungen werden Pulsumrichter mit Filter einge- setzt. Dies betrifft insbesondere rückspeisefähige Anordnungen zur Speisung eins Gleichspannungszwischenkreises etwa aus einem dreiphasigen Netz oder auch Anordnungen zur Speisung einer Drehfeldmaschine wie z.B. ein Asynchronmotor oder auch ein fremderregter bzw. permanenterregter Synchronmotor. Die Sinusfilter werden beispielsweise eingesetzt, um die Wicklungsbeanspruchung des Motors oder auch die EMV-Beeinflussung (EMV - elektromagnetische Verträglichkeit) gering zu halten.
Filter können eine ausgeprägte Resonanz bei einer Resonanz- frequenz aufweisen. Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz können das Filter passieren. Oberhalb der Resonanzfrequenz werden je nach Abstand zur Resonanzfrequenz die Spannungsanteile mehr oder minder gedämpft.
Im Bereich der Resonanz erfolgt eine starke überhöhung. Die überhöhung ist abhängig von der Dämpfung des Filters. In der Regel sind die Filter nur schwach gedämpft, weil die Verluste im Filter mit der Dämpfung steigen. Je schwächer aber die Dämpfung ist, umso größer ist die Resonanzüberhöhung. Daher muss jede Anregung im Bereich der Resonanzüberhöhung minimiert werden. Die Auslegung des Filters erfolgt durch Wahl der Resonanzfrequenz des Filters derart, dass die Grundschwingung im Durchlassbereich (also unterhalb der Resonanzfrequenz) des Filters liegt. Modulationsprodukte in der Um- richterspannung liegen ausschließlich oberhalb der Resonanzfrequenz und werden somit herausgefiltert. Die Resonanzfrequenz liegt daher oberhalb der Grundschwingung und unterhalb der durch die Modulation erregten Modulationsprodukte. Für diese Resonanzfrequenz werden entsprechend große Spulen und Kondensatoren verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Umrichter und ein Verfahren zur Steuerung des Umrichters anzugeben, wobei ein Sinusfilter des Umrichters in seinen Abmessungen möglichst reduziert werden soll.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch den Umrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Demzufolge ist ein Umrichter vorgesehen. Ein Umrichter kann beispielsweise als 2-Punkt-, 3-Punkt- oder Multilevel-Wech- selrichter ausgeführt sein. Ein Umrichter kann beispielsweise ein Hochspannungsumrichter zur Stromversorgung von Schienen- fahrzeugen sein. Weiterhin kann der Umrichter zur Stromversorgung von stationären Einrichtungen aus einem Hochspannungsnetz verwendet werden. Beispielsweise kann der Umrichter Bestandteil eines so genannten HGü-Systems (Hochspannung- Gleichstrom-übertragung) sein.
Der erfindungsgemäße Umrichter weist eine Anzahl von vorzugsweise abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern auf. Derartige abschaltbare Leistungshalbleiter sind beispielsweise ein GTO (Gate Turn-Off Thyristor), ein IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) , ein IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) oder ein HV-MOSFET (Hochvoltfeldeffekttransistor) .
Weiterhin weist der Umrichter einen Ansteuerschaltkreis auf, der zur Modulation mit den Leistungshalbleiterschaltern ver- bunden ist. Der Ansteuerschaltkreis kann dabei analog und/oder digital ausgebildet sein. Der Ansteuerschaltkreis ist für Funktionen des Umrichters ausgebildet und eingerichtet und kann beispielsweise aus elektronischen Einzelbauelementen aufgebaut oder auch in einer Anzahl von Halbleiter- chips integriert sein. Beispielsweise kann ein Elektromotor durch Veränderung der Modulation variabel gesteuert werden.
Hierzu werden die Leistungshalbleiterschalter für die Modulation entsprechend angesteuert.
Die Modulation erzeugt hierzu ein Nutzsignal mit einer Grund- Schwingung, das beispielsweise für eine Dreiphasendrehfeld- maschine sinusförmig sein kann. Weiterhin erzeugt die Modulation insbesondere durch die schaltende Arbeitsweise der Leistungshalbleiterschalter Modulationsprodukte mit einem charakteristischen Spektrum.
Die Modulationsprodukte werden in einem ersten Frequenzband, in einem zweiten Frequenzband und in einem zwischen dem ersten Frequenzband und dem zweiten Frequenzband ausgebildeten Zwischenfrequenzband erzeugt. Dabei sind die Modulationspro- dukte in dem Zwischenfrequenzband gegenüber den Modulationsprodukten in dem ersten Frequenzband und den Modulationsprodukten in dem zweiten Frequenzband durch eine entsprechende Ausbildung der Modulation reduziert. Die Reduktion ist dabei vorzugsweise der Faktor 10 oder größer.
Den Leistungshalbleiterschaltern ist ein Filter, beispielsweise ein Sinusfilter, nachgeschaltet. Beispielsweise ist das Filter zwischen die Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters und einem Elektromotor geschaltet um Signalan- teile auszufiltern, so dass diese nicht zum Elektromotor gelangen. Ebenso kann das Filter zwischen einem Wechselrichter und einem speisenden Drehstromnetz geschaltet werden.
Das Filter weist einen Resonanzbereich um eine Resonanzfre- quenz des Filters, einen Durchlassbereich für die von dem Ansteuerschaltkreis erzeugte Grundschwingung und einen Dämpfungsbereich auf. Insbesondere weist der Resonanzbereich eine Resonanzüberhöhung auf, die durch eine nur geringe Dämpfung des Filters bedingt ist. Beispielsweise ist das Filter eine LC-Tiefpass 2. Ordnung.
Der Resonanzbereich ist im Bereich des Zwischenfrequenzbandes ausgebildet. Beispielsweise passieren Modulationsprodukte im ersten Frequenzband, welches Frequenzen unterhalb des Zwischenfrequenzbandes betrifft, das Filter im Durchlassbereich. Hingegen werden Modulationsprodukte im zweiten Frequenzband durch das Filter im Dämpfungsbereich ausgefiltert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ansteuerschaltkreis zur Anwendung einer Raumzeigermodulation oder ei- ner Pulsmustermodulation mit optimierten Pulsmustern ausgebildet. Bevorzugt ist der Ansteuerschaltkreis sowohl zu einer Raumzeigermodulation als auch zur Anwendung von optimierten Pulsmustern einer Pulsmustermodulation ausgebildet und kann beispielsweise zwischen diesen Modulationsarten wechseln. Be- vorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Ansteuerschaltkreis zur Umschaltung zwischen Raumzeigermodulation und Pulsmustermodulation in Abhängigkeit von einem Aussteuergrad und/oder der Grundschwingungsfrequenz ausgebildet ist. Beispielsweise schaltet der Ansteuerschaltkreis bei Erreichen eines Aussteu- ergrades von 0,45 (bezogen auf Vollblock) von der Raumzeigermodulation zur Pulsmustermodulation um.
Vorteilhafterweise weist das Filter eine Tiefpasscharakteristik auf. Der Tiefpass ist vorzugsweise nicht durch einen zusätzlichen Widerstand bedämpft und vorteilhafterweise als LC-Tiefpassfilter zweiter Ordnung ausgebildet. Die Induktivität des LC-Tiefpassfilters weist dabei typischerweise auch einen ohmschen Impedanzanteil auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter einen Gleichrichter, einen mit dem Gleichrichter verbundenen Zwischenkreis und einen mit dem Zwischenkreis und dem Filter verbundenen Wechselrichter auf. Der Wechselrichter weist wiederum die Leistungshalbleiterschalter auf, die über das FiI- ter und dessen Anschlüsse mit einem elektromotorischen Antrieb verbunden sind. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung
sieht vor, dass das Filter zwischen dem Wechselrichter und einem speisenden Drehstromnetz geschaltet ist.
Zur Lösung der Verfahrensaufgäbe ist ein Verfahren zur Steue- rung eines Umrichters vorgesehen. Der Umrichter ist zur Modulation eines Motorstromes und/oder einer Motorspannung ausgebildet. Durch die Modulation wird eine Grundschwingung in einem Durchlassbereich des Filters erzeugt. Bei der Modulation entstehen Modulationsprodukte in einem ersten Frequenzband, in einem zweiten Frequenzband und in einem zwischen dem ersten Frequenzband und dem zweiten Frequenzband ausgebildeten Zwischenfrequenzband.
Die Modulation erfolgt dabei derart, dass die Modulations- produkte in dem Zwischenfrequenzband gegenüber den Modulationsprodukten in dem ersten Frequenzband und den Modulationsprodukten in dem zweiten Frequenzband reduziert werden. Dabei kann das erste Frequenzband niedrigere Frequenzen als das Zwischenfrequenzband und das zweite Frequenzband höhere Fre- quenzen als das Zwischenfrequenzband umfassen.
Die Modulation erfolgt derart, dass das Zwischenfrequenzband in einem Resonanzbereich einer Resonanz des Filters zwischen dem Durchlassbereich und einem Dämpfungsbereich des Filters erzeugt wird. Aufgrund der reduzierten Modulationsprodukte im Zwischenfrequenzband wirken diese sich im Bereich der Resonanzüberhöhung nicht funktionsstörend auf den Umrichter aus. Bevorzugt erfolgt als Modulation eine Raumzeigermodulation und/oder einer Pulsmustermodulation.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist dabei vorgesehen, dass zwischen der Raumzeigermodulation und der Pulsmustermodulation in Abhängigkeit von einem Aussteuergrad und/oder der Grundschwingungsfrequenz umgeschaltet wird. Vorteilhaft- erweise wird zwischen der Raumzeigermodulation und der Pulsmustermodulation bei einem Aussteuerungsgrad von 0,3 bis 0,5 umgeschaltet .
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Modulation durch unterschiedliche Pulsmuster in Abhängigkeit von dem Aussteuerungsgrad und/oder der Grundschwingungsfre- quenz erfolgt. Vorzugsweise sind hierbei in Abhängigkeit von dem Aussteuerungsgrad und/oder der Grundschwingungsfrequenz eine Anzahl Aussteuerungsgradbereiche und/oder eine Anzahl Grundschwingungsfrequenzbereiche vorgesehen, die jeweils einem optimierten Pulmuster zugeordnet sind. Zwischen den Be- reichen wird in Abhängigkeit von dem Aussteuerungsgrad und/oder der Grundschwingungsfrequenz zwischen den unterschiedlichen Pulsmustern umgeschaltet. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass jedes Pulsmuster das Zwischenfrequenzband mit reduzierten Modulationsprodukten im Resonanzbereich des Filters erzeugt.
Im Folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
FIG 1 eine schematisches Blockschaltbild eines Umrichters mit einem Filter,
FIG 2 einen Schaltplan eines Filters, FIG 3 eine graphische Darstellung einer übertragungsfunktion eines Filters,
FIG 4 eine schematische Darstellung eines Frequenzspektrums einer Raumzeigermodulation,
FIG 5 ein schematisches Diagramm mit Amplituden von Modu- lationsprodukten in Abhängigkeit vom Aussteuerungsgrad,
FIG 6a eine schematische Darstellung eines Pulsmusters einer Pulsmustermodulation, und
FIG 6b eine schematische Darstellung eines Frequenzspekt- rums einer Pulsmustermodulation.
In der FIG 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Umrichters dargestellt. Der Umrichter ist an einem Netz mit der Netzspannung U N angeschlossen. Der Umrichter weist einen mit dem Netz verbundenen Gleichrichter 3 auf, der die Wechsel- Spannung U N des Netzes gleichrichtet und auf einen Zwischenkreis mit einer Zwischenkreisspannung U z abgibt. Die Zwi- schenkreisspannung U z wird durch einen Kondensator C z geglättet. Mit dem Zwischenkreis ist weiterhin ein dreiphasiger Wechselrichter 2 verbunden, der aus der Zwischenkreisspannung U z Motorspannungen erzeugt. Der Wechselrichter ist über ein Filter 1 daher mit dem Elektromotor 5 verbunden.
Weiterhin ist eine analoge und/oder digitale Steuereinheit 4 vorgesehen, die den Wechselrichter 2 zur Erzeugung der effek- tiven Wechselspannungen U R *, U 3 * und U τ * für den Elektromotor steuert. Zusätzlich zu einem Steuersignal U* kann die Steuereinheit 4 ebenfalls Messsignale, wie eine Drehzahl n oder effektive Wechselströme I R , I 3 oder I τ verarbeiten. Die Leitungsanzahl für die einzelnen Phasen ist für dieses Ausfüh- rungsbeispiel durch die Anzahl der Striche auf der Leitung jeweils angedeutet.
Zur Erzeugung der effektiven Wechselspannungen U R *, U 3 * und U τ * wird eine Modulation genutzt, die von der Steuereinheit 4 durch Ansteuerung von Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters 2 bewirkt wird. Hierzu schaltet die Steuereinheit 4 die Leistungshalbleiterschalter mit einer konstanten oder variablen Schaltfrequenz mit Pulsen, die sich durch eine Raumzeigermodulation oder Pulsmustermodulation ergeben. Die Erfindung ist dabei nicht auf den rein beispielhaften Aufbau eines Umrichters gemäß FIG 1 beschränkt, sondern wird lediglich bevorzugt mit diesem Aufbau verwendet.
Ein Ausführungsbeispiel eines Filters 1 ist in FIG 2 als Tiefpass zweiter Ordnung dargestellt, indem ein Filterkondensator C F mit einer Filterspule L F verbunden ist. Eine ü- bertragungscharakteristik (Ausgangssignalamplitude zu Ein-
gangssignalamplitude U a /U e ) eines derartigen Tiefpasses ist in FIG 3 in einem Diagramm dargestellt. Das eingesetzte Sinusfilter 1 hat eine ausgeprägte Resonanzfrequenz f res . Signale mit Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz f res in ei- nem Durchlassbereich P können das Sinusfilter 1 passieren, hingegen werden Signale für Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz f res in einem Dämpfungsbereich D mit zunehmenden Abstand zur Resonanzfrequenz f res zunehmend abgeschwächt.
In einem Resonanzbereich R um die Resonanzfrequenz f res erfolgt aufgrund der geringen Dämpfung des Filters 1 eine Signalüberhöhung. Vorzugsweise wird dabei jede Anregung im Resonanzbereich R vermieden. Der Resonanzbereich R zur Resonanzüberhöhung hat eine gewisse, vom Filter abhängige Bandbreite. Die Auslegung des Filters 1 und hier besonders die Wahl der Resonanzfrequenz f res erfolgt so, dass die (frequenzvariable) Grundschwingungsfrequenz f GS im Durchlassbereich P, also unterhalb der Resonanzfrequenz f res liegt. Hingegen sollen möglichst viele Störfrequenzen im Dämpfungsbereich D sein.
Die Modulationsart ist entscheidend für das am Umrichter-Ausgang erzeugte Spektrum der Modulationsprodukte. Dabei können die Raumzeigermodulation verwendet werden und/oder offline optimierte Pulsmuster zum Einsatz kommen.
FIG 4 zeigt so genannte Modulationsprodukte, die durch eine Raumzeigermodulation entstehen. Die Raumzeigermodulation wird vorzugsweise bei kleinen Aussteuergraden a eingesetzt. Bei kleinen Aussteuergraden a ist die Grundschwingungsfrequenz f GS ebenfalls klein.
Die Höhe der einzelnen Modulationsprodukte hängt wesentlich vom Aussteuerungsgrad a ab. In den Ausgangsspannungen sind bei einer gegebenen Grundschwingungsfrequenz f GS Seitenhar- monische um Vielfache der Schaltfrequenz f SC h a i t ~ i- m Weiteren Pulsfrequenz genannt - enthalten. Dies ist beispielhaft in
FIG 4 lediglich für die Pulsfrequenz f SC h a i t un d die doppelte Pulsfrequenz 2 • f SC h a i t dargestellt. Aufgrund der Beziehung
f a = μ fschalt ± n fGS
entstehen weiterhin die Seitenharmonische in Abhängigkeit von der Grundschwingungsfrequenz f GS . Weiterhin können Seitenharmonische der Grundschwingung auftreten. Vielfache der Grundschwingung (5., 7., 11., 13., ...) treten beispielsweise im übersteuerungsbereich der Raumzeigermodulation auf. Beispielhaft ist für die maximale Grundfrequenz f max die 5. und 7. Seitenharmonische dargestellt. Die dargestellten Amplituden u v der Modulationsprodukte sind in der FIG 4 jedoch nur zur Erläuterungszwecken eingezeichnet und entsprechen selten der Realität. Die Pulsfrequenz 2 • f SC h a i t weist zum Beispiel bei einem Dreipunkt-Wechselrichter üblicherweise keine signifikante Amplitude bei kleinen Aussteuerungen auf.
Berechnungsdaten der Modulationsprodukte sind für die Drei- punkt-Wechselrichtertechnik in FIG 5 dargestellt. Dabei ist in Gruppen zusammengefasst die Summe der Amplituden aller Seitenharmonischen für die einfache Pulsfrequenz fs, die zweifache Pulsfrequenz 2fs, die dreifache Pulsfrequenz 3fs, die vierfache Pulsfrequenz 4fs und die fünffache Pulsfrequenz 5fs für eine Raumzeigermodulation eines Dreipunkt-Wechselrichters dargestellt. Zum Vergleich ist ebenfalls die Amplitude der Grundschwingung dargestellt. Der Verlauf aller Summen der Amplituden ist bezüglich eines Aussteuerungsgrades a graphisch dargestellt.
Dabei zeigt sich, dass bis etwa zu dem Aussteuerungsgrad von a = 0,45 die Summe der Amplituden der Seitenharmonischen zur zweifachen Pulsfrequenz 2fs sehr gering sind. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die einfache Pulsfrequenz f SC h a i t un d die dreifache Pulsfrequenz 3 f SCha i t weit auseinander liegen, so dass im Resonanzbereich R nur geringe Harmonische vorhanden sind und dadurch die Anregung des Filters 1 gering ist.
Somit passiert ein Teil des Spektrums das Sinusfilter 1 - hier die einfache Pulsfrequenz f SC h a i t un d deren Seitenharmo ¬ nische - ein anderer Teil wird durch das Filter 1 herausgefiltert (3 fschalt/ 4 fschalt ...).
Der Resonanzbereich R des Filters 1 gemäß den Figuren 2 und 3 wird daher für dieses Ausführungsbeispiel mit der Raumzeigermodulation derart abgestimmt, dass der Resonanzbereich R in einem Zwischenfrequenzband im Bereich der zweifachen PuIs- frequenz 2fs ausgebildet ist. Ein erstes Frequenzband im Bereich der einfachen Pulsfrequenz fs ist dabei im Durchlassbereich P des Filters 1 ausgebildet. Ein zweites Frequenzband beginnt im Bereich der dreifachen Pulsfrequenz 3fs, umfasst alle weiteren Vielfachen der Pulsfrequenz und ist daher im Dämpfungsbereich D des Filters 1 ausgebildet.
Hierdurch werden die Vorteile erzielt, dass eine kleine Schaltfrequenz gewählt werden kann, so dass Schaltverluste in den Leistungshalbleiterschaltern reduziert sind. Zugleich kann ein Filter klein und leicht ausgebildet werden, da man aufgrund der höheren Resonanzfrequenz f res mit einer kleineren Spuleninduktivität L F auskommt. Die hierdurch erzielte Gewichts- und Platzersparnis ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung des Umrichters. Zugleich ist der Span- nungsabfall der Grundschwingung an der Filterdrossel L F klein, so dass bis zum Motor eine geringere Dämpfung durch den induktiven Anteil der Drossel L F auftritt und die Effektivität des Umrichters vergrößert ist, so dass ein vergrößertes Kippmoment des Elektromotors erzielt wird. Es wird zu- dem erzielt, dass der kapazitive Grundschwingungsstrom im
Filterkondensator C F gering ist, wodurch die Gefahr der übererregung reduziert ist, die bei relativ kleinen Drehzahlen schon erreicht werden könnte.
Alternativ zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel könnte insbesondere bei der Zweipunkt-Wechselrichtertechnik die Re-
sonanz f requenz f res auch al s f SCha i t << f res << 2 f schalt oder auch al s 2 f schalt << fres << 3 f schalt gewählt werden .
In einer ersten Ausführungsvariante wird ausschließlich die Raumzeigermodulation verwendet. Hingegen ist in einer zweiten Ausführungsvariante ausschließlich eine Pulsmustermodulation vorgesehen .
Insbesondere bei größeren Aussteuergraden bzw. Grundschwin- gungen werden vorteilhafterweise offline optimierte Pulsmuster einer Pulsmustermodulation eingesetzt. Bei Anwendung optimierter Pulsmuster entstehen ungeradzahlige, nicht durch drei teilbare Vielfache der Grundschwingungsfrequenz f GS . Durch Anwendung von Optimierungskriterien können die PuIs- muster derart bestimmt werden, dass bestimmte Harmonische in den Modulationsprodukten nicht enthalten sind.
Ein Pulsmuster einer Pulsmustermodulation ist beispielhaft in der FIG 6a dargestellt. Die zugehörige FIG 6b zeigt, dass das Pulsmuster durch entsprechende Optimierungskriterien derart abgestimmt ist, dass im Resonanzbereich R der Filterresonanzfrequenz f res nur sehr geringe Amplituden der Modulationsprodukte auftauchen. Demzufolge weist auch die Pulsmustermodulation ein Zwischenfrequenzband ZFB auf, in dem die Modulati- onsprodukte gegenüber einem ersten, niederfrequenteren Frequenzband FB 1 und einem zweiten, höherfrequenteren Frequenzband FB 2 deutlich reduziert sind, wobei dieses Zwischenfrequenzband ZFB auf den Resonanzbereich R abgestimmt ist. Daher werden im ersten Frequenzband FB 1 und im zweiten Frequenzband FB 2 , also oberhalb und unterhalb des Resonanzbereichs R Harmonische zugelassen.
Selbstverständlich können auch bei kleinen Aussteuerungsgraden bzw. bei kleineren Grundschwingungen optimierte Pulsmus- ter einer Pulsmustermodulation verwendet werden. Wird für eine hohe Stromqualität die Pulsfrequenz f schalt etwa konstant
gehalten, steigt die Pulszahl P und damit der Umfang der Tabellen .
Das Zwischenfrequenzband ZFB, das durch entsprechende Opti- mierung von Harmonischen der Modulationsprodukte freigehalten werden kann, hängt wesentlich von der zur Verfügung stehenden Pulsfrequenz f SC h a i t a b • Das freigehaltene Zwischenfrequenzband ZFB kann bei gegebener Grundschwingungsfrequenz f GS ermittelt werden aus :
P ~ fschalt / fGS
Bei Anwendung optimierter Pulsmuster entstehen ungeradzahlige, nicht durch drei teilbare Vielfache der Grundschwingung als Harmonische im Ausgangsspektrum als Modulationsprodukte:
u a = ∑ u v mit v = 6 - ± l; n = l, 2 ...
Mit P Schaltwinkel pro Viertelperiode hat man prinzipiell P Freiheitsgrade bei der Optimierung, wobei ein Freiheitsgrad für die Grundschwingungsfrequenz f GS verwendet werden muss. Mit den verbliebenen Freiheitsgraden können dann P - I Harmonische aus dem Spektrum durch Optimierung "entfernt" werden. Dies entspricht etwa dem Frequenzband:
f G s • [ 6 • ( P - 1 ) ± 1 ] / 2 « 3 • P • f GS = 3 • f schalt
Da nicht immer Lösungen gefunden werden, ist es praxisnah, das Zwischenfrequenzband ZFB, das im Wesentlichen frei von
Modulationsprodukten gehalten werden kann, mit 2 • f SCha i t abzuschätzen. Die Figuren 6a und 6b zeigen beispielhaft eine Zweigspannung eines Ausgangs des Wechselrichters 2 und das Frequenzspektrum mit den Modulationsprodukten für einen Drei- punkt-Wechselrichter für ein optimiertes Pulsmuster bei P = 15, f GS = 20 Hz, a = 0,4 und f res = 400 Hz.
In einer dritten Ausführungsvariante sind das erste Ausführungsbeispiel und das zweite Ausführungsbeispiel vorteilhaft kombiniert, indem bei einem kleinen Aussteuerungsgrad, vorzugsweise bei einem Aussteuerungsgrad von a = 0,4 von der Raumzeigermodulation auf die Pulsmustermodulation für höhere Aussteuerungsgrade a umgeschaltet wird. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Oberschwingungsströme im Umrichter reduziert werden, so dass der Umrichter geringer belastet wird. Durch die Kombination beider Modulationsverfahren ge- lingt eine Abdeckung des gesamten Aussteuerbereichs mit Modulationsverfahren, die der Anforderung genügen, dass in dem Zwischenfrequenzband ZFB keine signifikanten Modulationsprodukte auftreten, die in Zusammenwirkung mit der Resonanzüberhöhung des Filters 1 zu einer Funktionsbeeinträchtigung des Umrichters oder eines betriebenen Elektromotors führen. Das Zwischenfrequenzband ZFB kann hierdurch so gewählt werden, dass für vergleichsweise kleine Pulsfrequenzen f SC h a i t hohe Filterresonanzfrequenzen f res erzielt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die verschiedenen Ausführungsbeispiele der FIG 1 bis 6b beschränkt, da der ihr zu Grunde liegende Grundgedanke auf alle Umrichter, insbesondere mit Raumzeigermodulation und/oder Pulsmustermodulation anwendbar ist .