DE102011083753A1

DE102011083753A1 - Vorrichtungen und Verfahren zur adaptiven Harmonischenreduzierung

Info

Publication number: DE102011083753A1
Application number: DE102011083753A
Authority: DE
Inventors: Navid Zargari; Zhongyuan Cheng; Yuan Xiao
Original assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Current assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-04-05
Also published as: CN102447399A; CN102447399B; US8471514B2; US20120081061A1

Abstract

Energieumwandlungssysteme mit aktiven Vorschaltumwandlern, beispielsweise Motorantrieben und Energieerzeugungssystemen für verteilte Energiequellen, sind mit einer adaptiven Harmonischenminimierung für an das Netz angeschlossene Umwandler für eine minimierte oder reduzierte gesamte harmonische Verzerrung in dem Leitungsstromspektrum, einschließlich des Quellenharmonischen-Stromspektrums und des von dem an das Netz angeschlossenen Umwandlers eingetragenen Stromspektrums, das der Leitungsseite zugewiesen wird, versehen.

Description

Hintergrund
Motorantriebe und andere Formen von Energieumwandlungssystemen wandeln elektrische Energie von einer Form in eine andere um und können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie z. B. zum Antreiben eines Elektromotors unter Verwendung von Energie, die von einer Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselstrom-Eingangsquelle kommt und umgewandelt wird, zum Umwandeln von Wechselstrom von einem windbetriebenen Generator zwecks Energieeinspeisung in ein Netz etc. Energieumwandler können mehrere Stufen für unterschiedliche Arten von Umwandlungsanwendungen umfassen, wie z. B. Wechselstrom-/Gleichstrom-/Wechselstrom-Antriebe (AC/DC/AC) für Elektromotoren mit einem pulsweitenmodulierten (PWM) aktiven Stromquellengleichrichter, bei dem Wechselstrom-Eingangsenergie selektiv umgeschaltet wird, um eine Wechselstrom-Ausgangsbusspannung zu erzeugen, von der ein Verbraucher mittels einer PWM-gesteuerten Inverterstufe angetrieben wird. Dieser Umwandlertyp ist insbesondere geeignet zum Antreiben von Elektromotoren bei industriellen Anwendungen, bei denen eine drehzahlveränderliche Steuerung bei unterschiedlichen Motorlastsituationen erforderlich ist. Die Steuerung von Harmonischen bei solchen Energieumwandlungssystemen ist eine ständige Herausforderung, insbesondere, wenn eine aktive Eingangsumwandlerstufe als Übergangsstelle zu dem Versorgungsnetz verwendet wird. Herkömmliche Methoden an die Steuerung des Harmonischenspektrums umfassen die Verwendung von vorbestimmten Gleichrichter-Zündwinkeln für die selektive Harmonischeneliminierung (SHE) sowie das Vorsehen von auf der Hardware basierenden Eingangsfilterschaltungen am Gleichrichtereingang. Diese Techniken haben bisher jedoch nur zu einem eingeschränkten Erfolg bei der Steuerung der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) geführt, und Eingangsfilterschaltungen sind teuer. Es besteht daher immer noch Bedarf an verbesserten Motorantrieben und Steuertechniken für die Harmonischen bei Motorantrieben und anderen umschaltbaren Energieumwandlungssystemen.
Übersicht
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenlegung werden nun in einer Übersicht zusammengefasst, um ein besseres Verständnis der Offenlegung zu ermöglichen, wobei diese Übersicht keinen ausführlichen Überblick darstellt und nicht dazu dient, bestimmte Elemente der Offenlegung aufzuzeigen oder den Umfang der Offenlegung darzulegen. Der Hauptzweck dieser Übersicht ist vielmehr, vor der detaillierten Beschreibung, die später folgt, bestimmte Konzepte der Offenlegung in vereinfachter Form darstellen. Die vorliegende Offenlegung betrifft Pulsweitenmodulation-Umschalttechniken für an das Netz angeschlossene Umwandler, wie z. B. Gleichrichter, bei denen die Zündwinkel-Umschaltsteuerung zum Durchführen einer selektiven Harmonischenreduzierung sowie zum Reduzieren der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) in dem gesamten Leitungsstromspektrum, einschließlich dem Quellenstromspektrum und dem Stromspektrum des an das Netz angeschlossenen Umwandlers, das der Leitungsseite zugewiesen wird, angewendet wird. Der Netz-Umwandler kann ein Gleichrichter in einem Motorantrieb sein, der hauptsächlich Energie von dem Netz oder dem Generator zu dem Motor überträgt, oder ein Inverter in einem verteilten Energieerzeugungssystem, das Energie von den verteilten Energiequellen, beispielsweise fotovoltaischen Zellen oder Windturbinen, an das Netz überträgt.
Es wird ein Energieumwandlungssystem offengelegt, wie z. B. bei bestimmten Ausführungsformen ein Motorantrieb oder ein verteiltes Energieverteilungssystem mit einem aktiven Gleichrichter, das ein Eingangsfilter und Umschaltvorrichtungen aufweist, die mittels Gleichrichter-Umschaltsteuersignalen betrieben werden, um entsprechende Wechselstrom-Eingangsknotenpunkte selektiv mit Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkten zu koppeln. Der Umwandler umfasst ferner eine Gleichstrom-Zwischenschaltung, die mit den ersten und zweiten Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkten des Gleichrichters gekoppelt sind, sowie einen Inverter zum Umwandeln des Gleichstroms von der Zwischenschaltung zwecks Lieferung von Energie zu einem Verbraucher, wie z. B. einem Motor bei bestimmten Ausführungsformen. Bei bestimmten Ausführungsformen ist der Gleichrichter ein Stromquellen-Gleichrichter, und die Zwischenschaltung weist mindestens eine Induktivität auf. Bei anderen Ausführungsformen ist der Gleichrichter ein Spannungsquellenumwandler, wie z. B. ein 2-Stufen oder Mehrstufen-Spannungsquellen-Gleichrichter. Ein Umschaltsteuersystem ist vorgesehen, das ein Gleichrichter-Steuerbauteil mit einem Umschaltwinkelgenerator und einer PWM-Steuereinrichtung aufweist. Der Umschaltwinkelgenerator berechnet einen Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln im Wesentlichen in Echtzeit zumindest teilweise entsprechend einem Signal oder einem Wert, das/der Quellenharmonische am Gleichrichter-Wechselstromeingang anzeigt, und entsprechend der Gleichrichter-Eingangsfilter-Übertragungsfunktion. Die PWM-Steuereinrichtung liefert pulsweitenmodulierte Gleichrichter-Umschaltsteuersignale entsprechend einem Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln von dem Winkelgenerator zum Umwandeln von elektrischer Wechselstrom-Eingangsenergie zwecks Lieferung von geregeltem Gleichstrom zu der Gleichstrom-Zwischenschaltung.
Bei bestimmten Ausführungsformen berechnet der Umschaltwinkelgenerator die Umschaltwinkel zumindest teilweise entsprechend mindestens einer zu reduzierenden oder zu eliminierenden Harmonischen und entsprechend einem gewünschten maximalen Wert der gesamten harmonischen Verzerrung (THD).
Bei bestimmten Ausführungsformen berechnet der Winkelgenerator ein Quellenstrom- oder -spannungsspektrum entsprechend einem gemessenen oder ermittelten Quellenstrom oder einer Quellenspannung, berechnet ein Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum und wendet die Eingangsfilter-Übertragungsfunktion auf das Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum an, um das Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum der Leitungsseite zuzuweisen zwecks Erhalt eines zugewiesenen Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrums. Der Winkelgenerator berechnet bei diesen Ausführungsformen ein gesamtes Leitungsstrom- oder -spannungsspektrum als Summe des Quellenstrom- oder -spannungsspektrums und des zugewiesenen Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrums, erstellt ein Gleichungssystem zumindest teilweise auf der Basis des gesamten Leitungsstrom- oder -spannungsspektrums und löst das Gleichungssystem zwecks Erhalts des Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln. Bei bestimmten Implementierungen erstellt der Winkelgenerator das Gleichungssystem zumindest teilweise entsprechend der (den) zu reduzierenden oder zu eliminierenden Harmonischen und entsprechend dem gewünschten THD-Wert.
Nach weiteren Aspekten der Offenlegung ist vorgesehen: ein Energieumwandlungssystem, wie z. B. ein Motorantrieb, das einen aktiven Gleichrichter mit einem Eingangsfilter und Umschaltvorrichtungen aufweist, die mittels Gleichrichter-Umschaltsteuersignalen betrieben werden, sowie eine Gleichstrom-Zwischenschaltung, die mit den ersten und zweiten Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkten des Gleichrichters gekoppelt sind, und ein Inverter zum Umwandeln von Gleichstrom von der Zwischenschaltung zwecks Lieferung von Energie zu einem Verbraucher. Der Antrieb umfasst ferner ein Umschaltsteuersystem mit einem Gleichrichter-Steuerbauteil, das eine Tabelle, in der eine Vielzahl von Sätzen von Gleichrichter-Umschaltwinkeln gespeichert ist, und eine PWM-Steuereinrichtung aufweist. Die PWM-Steuereinrichtung wählt einen der Umschaltwinkelsätze zumindest teilweise entsprechend einem Signal oder einem Wert, das/der Quellenharmonische an dem Wechselstromeingang des Gleichrichters anzeigt, und liefert PWM-Gleichrichter-Umschaltsteuersignale zum Umwandeln von elektrischer Wechselstrom-Eingangsenergie zwecks Lieferung von geregeltem Gleichstrom zu der Gleichstrom-Zwischenschaltung.
Weitere Aspekte der Offenlegung schaffen Verfahren zum Berechnen eines Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln zwecks Erzeugung von pulsweitenmodulierten Gleichrichter-Umschaltsteuersignalen in einem Energieumwandlungssystem. Das Verfahren umfasst das Erstellen eines Gleichungssystems zumindest teilweise auf der Basis eines Strom- oder Spannungsspektrums des Energieumwandlungssystems, einer oder mehrerer zu reduzierender oder zu eliminierender Harmonischen und eines gewünschten THD-Werts sowie das Lösen des Gleichungssystems zum Erhalten eines Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln, wobei der Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln bei bestimmten Ausführungsformen in Echtzeit gelöst wird.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird das Gleichungssystem zumindest teilweise entsprechend einem gesamten Leitungsstrom- oder -spannungsspektrum erstellt, das ein Quellenstrom- oder -spannungsspektrum und ein Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum umfasst, welches der Leitungsseite zugewiesen wird.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Berechnen eines Quellenstrom- oder -spannungsspektrums entsprechend einem gemessenen oder ermittelten Quellenstroms oder Quellenspannung, das Berechnen eines Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrums entsprechend einem gemessenen Gleichrichter-Gleichstrom oder -spannung und das Anwenden der Gleichrichter-Eingangsfilter-Übertragungsfunktion auf das Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum, um das Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum der Leitungsseite zuzuweisen, sowie das Berechnen eines gesamten Leitungsstrom- oder -spannungsspektrums als Summe des Quellenstrom- oder -spannungsspektrums und des zugewiesenen Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrums, wobei das Gleichungssystem zumindest teilweise entsprechend dem gesamten Leitungsstrom- oder -spannungsspektrum erstellt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die nachstehende Beschreibung und die Zeichnungen legen bestimmte erläuternde Implementierungen der Offenlegung detailliert dar, welche für verschiedene beispielhafte Weisen bezeichnend sind, auf die die verschiedenen Prinzipien der Offenlegung ausgeführt werden können. Die dargestellten Beispiele sind jedoch keine vollständige Beschreibung der zahlreichen möglichen Ausführungsformen der Offenlegung. Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Offenlegung werden in der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen dargelegt, für die gilt:
1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Motorantriebs mit variabler Frequenz vom Typ des Stromquellenumwandlers mit einer PWM-Umschaltsteuerung zur adaptiven Harmonischeneliminierung nach einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Offenlegung;
2 zeigt eine grafische Darstellung eines beispielhaften PWM-Umschaltmusters, das in dem in 1 gezeigten Gleichrichter verwendet wird, mit verschiedenen Umschaltwinkeln, die entsprechend den verschiedenen Techniken der vorliegenden Offenlegung zum selektiven Eliminieren oder Reduzieren von bestimmten Harmonischen und zum Steuern von THD ermittelt werden;
3 zeigt eine Tabelle mit beispielhaften Umschaltwinkelsätzen in der in 1 gezeigten Gleichrichter-Steuereinrichtung mit Zündwinkelsätzen, die den verschiedenen Harmonischenbedingungsbereichen entsprechen;
4 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Darstellung eines beispielhaften Verfahrens für die Gleichrichter-PWM-Steuerung einschließlich einer Echtzeit-Umschaltwinkelberechnung nach der Offenlegung;
5 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Darstellung eines beispielhaften Verfahrens für die Gleichrichter-PWM-Steuerung unter Verwendung von Umschaltwinkeln aus einer Tabelle entsprechend den Quellenharmonischenbedingungen nach der Offenlegung;
6 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Darstellung eines beispielhaften Verfahrens zum Berechnen von Gleichrichter-Umschaltwinkeln nach der Offenlegung; und
7 und 8 zeigen grafische Darstellungen beispielhafter Spektren, die mittels herkömmlicher bzw. adaptiver SHE-Techniken erhalten worden sind.
Detaillierte Beschreibung
Mehrere Ausführungsformen oder Implementierungen werden nachstehend in Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen durchgehend zum Bezeichnen gleicher Elemente verwendet werden und wobei die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabgerecht gezeichnet sind.
Energieumwandler werden zusammen mit Gleichrichter-SHE-Steuersystemen und Verfahren offengelegt, bei denen Zünd- oder Umschaltwinkel in Echtzeit berechnet werden oder vorbestimmt und in einer Tabelle gespeichert werden zwecks Auswahl entsprechend Harmonischenbedingungen am Umwandlereingang. Die PWM-Umschaltsteuerung des Gleichrichters erfolgt auf eine Weise, bei der ein selektives Eliminieren oder Reduzieren einer oder mehr besonderer Harmonischen ermöglicht wird und ferner eine gesamte harmonische Verzerrung (THD) in einem interessierenden Harmonischenbereich gesteuert wird, wobei diese Ziele auf spezifische Quellenharmonischenbedingungen zugeschnitten sind. Diese Aspekte allein oder in Kombination bieten wesentliche Fortschritte gegenüber herkömmlichen Pulsweitensteuertechniken, insbesondere in Kombination mit einer auf der Hardware basierenden Eingangsleitungs-Filterschaltungsanordnung zum Liefern von Gleichstrom zum Antreiben eines Ausgangsinverters bei gleichzeitigem Steuern des Leitungs-Harmonischengehalts. Die Erfinder wissen, dass bei herkömmlichen programmierten Umschaltmustertechniken, wie z. B. selektive Harmonischeneliminierung (SHE), typischerweise ein Satz von vorberechneten Umschaltwinkeln zum Auslösen von auf einem Halbleiter basierenden Energieumschaltvorrichtungen eines Eingangs-Gleichrichters verwendet wird.
Das Ziel der SHE-Methoden ist das Steuern des Frequenzgehalts oder -spektrums, um idealerweise bestimmte Harmonische (z. B. 5., 7. etc.) zu eliminieren, wobei Harmonische höherer Ordnung durch Hinzufügen eines Tiefpassfilters zu dem Eingang unterdrückt werden. Die physische Größe der Filterschaltungsbauteile wird von der Resonanzfrequenz des Hardware-Filters bestimmt, die wiederum von dem SHE-Spektrum bestimmt wird. Beispielsweise ist die Resonanzfrequenz eines Eingangsfilters, das in Zusammenhang mit einem 7-Puls-SHE-Muster verwendet wird, typischerweise niedriger als 5 pu zum Steuern von Harmonischen höherer Ordnung. Die Filter-Resonanzfrequenz wird durch die Induktivität und die Kapazität des Filters eingestellt, wobei niedrigere Resonanzfrequenzen größeren Induktivitäten und Kapazitäten und dementsprechend höheren Kosten und einer größeren Größe entsprechen. Eine höhere Filterkapazität ruft ferner einen Blindfaktor hervor, der bei den meisten Anwendungen unerwünscht ist. SHE-Umschaltwinkel sind zuvor durch Lösen von Gleichungssystemen berechnet worden, welche von einer Fourieranalyse abgeleitet worden sind, wobei bestimmte Harmonische idealerweise durch Zwingen einiger Harmonischen auf null in dem Gleichungssatz eliminiert werden. Bei der herkömmlichen Herangehensweise werden die Gleichungen jedoch unter der Annahme eines idealen Gleichstrom-Zwischenkreises und einer von Harmonischen freien Quelle ohne Berücksichtigung der Hardware-Filtercharakteristiken erstellt. Das Hardware-Filter wird danach entsprechend dem mittels der errechneten SHE-Zündwinkel erzeugten Spektrum konzipiert, wobei der Filter-Abstimmpunkt grundsätzlich niedriger ist als 5 pu.
1 zeigt ein beispielhaftes Energieumwandlungssystem 100, das einen Motorantrieb 110 vom Typ eines Stromquellenumwandlers (CSC) aufweist, der einen Motorverbraucher 120 antreibt. Obwohl dieses in Zusammenhang mit einem Umwandler 110 vom Typ einer Stromquelle mit einem LF-Eingangsfilter 112 und einem C-Ausgangsfilter 113 gezeigt ist, sind andere Ausführungsformen möglich, bei denen ein Umwandler 110 vom Typ einer Spannungsquelle mit einem CL- oder LCL-Eingangsfilter 112 und mit oder ohne ein LC-Ausgangsfilter 113 verwendet wird. Bei bestimmten Ausführungsformen weist das Umwandlungssystem 100 einen Stromquellen-Gleichrichter und eine Zwischenschaltung mit einer oder mehreren Induktivitäten auf. Bei bestimmten Ausführungsformen ist das Energieumwandlungssystem 100 ein verteiltes Energieerzeugungssystem, bei dem der Gleichrichter ein an das Netz angeschlossener Stromquellenumwandler ist und die Zwischenschaltung mindestens eine Induktivität aufweist, oder der Gleichrichter kann ein 2-stufiger oder mehrstufiger an das Netz angeschlossener Spannungsquellenumwandler sein, und die Zwischenschaltung weist mindestens eine Kapazität auf.
Der Antrieb 110 weist einen Gleichrichter 110a mit einer Wechselstrom-Eingangsschaltung 104 auf, die ein Gleichrichter-Eingangsfilter 112 umfasst, das mit einer Dreiphasen-Wechselspannungsquelle 111 gekoppelt ist, welche Eingangsenergie zu dem Antrieb 110 liefert, und der Antrieb 110 wandelt die Eingangsenergie um, um Motorstrom i_m zum Antreiben eines Motorverbrauchers 120 zu liefern, der Phasenwicklungen mit dazugehörigen Induktivitäten Lm aufweist und mit einem Umwandlerausgang 114 gekoppelt ist. Der Antrieb 110 ist von Typ eines Stromquellenumwandler (CSC), wobei eine Filterschaltung 112 mit der Wechselstrom-Energiequelle 111 verbunden ist. Obwohl diese Beispiele mit einem Dreiphasen-Eingang 104 gezeigt sind, können andere Ausführungsformen einen Einphasen-Wechselstromeingang oder einen Mehrphaseneingang aufweisen, der zum Empfangen von drei oder mehr Phasen vorgesehen ist. Der in 1 gezeigte CSC-Antrieb 110 liefert ein- oder mehrphasige Wechselstrom-Ausgangsenergie mit variabler Frequenz und variabler Amplitude an Ausgangsanschlüsse 114 zum Antreiben eines Wechselstrom-Motorverbrauchers 120, der bei dem dargestellten Beispiel Dreiphasenwicklungen aufweist. Der Ausgang 114 kann bei anderen Ausführungsformen ein Einphasen-Wechselstromausgang sein, oder er kann jede geeignete Anzahl von Phasen aufweisen, und er kann einen anderen Verbraucher als einen Motor antreiben, wie z. B. ein Energieversorgungsnetz in einem Windenergiesystem. Der dargestellte Motorantrieb 110 weist sowohl Eingangsfilterkondensatoren Ci in dem Eingangsfilter 112 sowie Ausgangsfilterkondensatoren Cm in einer Ausgangsfilterschaltung 113 auf. Die Eingangsfilterkondensatoren Ci sind zwischen entsprechenden Eingangsphasenleitungen A, B und C und einem neutralen Eingangsknotenpunkt gekoppelt. Die Ausgangskondensatoren Cm sind einzeln zwischen einer entsprechenden Ausgangsphasenleitung U, V und W und einem neutralen Ausgangsknotenpunkt gekoppelt. Bei bestimmten Ausführungsformen kann entweder einer oder können beide der Eingangs- oder Ausgangsfilterkondensatarsätze wegfallen. Die neutralen Eingangs- und Ausgangsknotenpunkte können bei bestimmten Ausführungsformen potenzialfrei sein, oder es können einer oder beide der neutralen Knotenpunkte mit der Masse der Eingangsenergiequelle oder einer anderen Masse gekoppelt sein. Bei weiteren möglichen Ausführungsformen können die neutralen Knotenpunkte direkt oder über eine Impedanz ohne Zuweisung zu einer Systemmasse miteinander gekoppelt sein. Bei dem dargestellten Beispiel ist der Knotenpunkt geerdet.
Der Antrieb 110 umfasst einen Gleichrichter 110a, der die Wechselstrom-Eingangsenergie über einen Eingang 112 von der Quelle 111 empfängt, sowie eine Gleichstrom-Zwischenschaltung 130 mit einem Gleichstrom-Zwischenkreis (Leitungsdrossel) mit oberen und unteren Wicklungen WA und WB, die zwischen dem Gleichrichter 110a und einem Ausgangsinverter 110b gekoppelt sind. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Gleichstrom-Zwischenkreis eine einfache Gleichstrom-Zwischenkreis-Induktivität oder eine Gleichtaktdrossel mit Wicklungen in jedem der oberen und unteren Gleichstromwege sein, wie es bei dem dargestellten Beispiel der Fall ist. Bei anderen Ausführungsformen kann eine einfache Zwischenkreis-Induktivität in nur einem der oberen und unteren Gleichstrompfade vorgesehen sein. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Antrieb 110 ein Spannungsquellenumwandler-Antrieb mit einer in der Schaltung 130 erzeugten Zwischen-Gleichstrombusspannung mit einer Kapazität (ein oder mehrere Kondensatoren) sein, die zwischen den oberen und unteren Gleichstromzweigen geschaltet ist. Der dargestellte Antrieb 110 bietet eine Eingangsfilterung mit Induktivitäten Li in jeder Eingangsphase und zwischen den Eingangsleitungen A, B, C und dem neutralen Eingangsknotenpunkt gekoppelten Eingangsfilterkondensatoren Ci. Der Gleichrichter 110a ist ein Stromquellen-Gleichrichter (CSR), der über die Zwischen-Gleichstromschaltung 130 mit einem Stromquelleninverter (CSI) 110b gekoppelt ist, und ein oder mehrere Isolierbauteile (z. B. nicht gezeigte Transformatoren) können wahlweise in dem Antrieb 110 vorgesehen sein. Der Ausgang 114 liefert über Leitungen U, V und W elektrische Wechselstrom-Ausgangsenergie zu dem Motorverbraucher 120 und weist die Filterschaltung 113 mit den zwischen dem Verbraucher 120 und dem neutralen Ausgangsknotenpunkt gekoppelten Ausgangskondensatoren Cm auf.
Der Gleichrichter 110a ist ein aktiver Umschalt-Stromquellen-Gleichrichter (CSR) mit Umschaltvorrichtungen S1–S6, der zwischen dem Eingang 112 und der Gleichstromschaltung 130 gekoppelt ist und entsprechend einer Vielzahl von Gleichrichter-Umschaltsteuersignalen 142a arbeitet, die von einem Gleichrichter-Steuerbauteil 144a eines Umschaltsteuersystems 140 geliefert werden. Bei Betrieb wird die Wechselstrom-Eingangsenergie von den Gleichrichter-Umschaltern S1–S6 umgeschaltet, um einen Zwischenkreis-Gleichstrom Idc in der Zwischenschaltung 130 zu erzeugen. Der beispielhafte Inverter 110b ist ein Stromquelleninverter (CSI), der zwischen der Gleichstromschaltung 130 und den Phasenleitungen U, V und W des Ausgangs 114 gekoppelte Umschaltvorrichtungen S7–S12 aufweist. Die Inverter-Umschalter S7–S12 werden gemäß entsprechender Umschaltsteuersignale 142b von einem Inverter-Steuerbauteil 144b des Umschaltsteuersystems 140 betätigt, um Gleichstrom von der Gleichstromschaltung 130 selektiv umzuwandeln zwecks Lieferung der Wechselstrom-Ausgangsenergie zum Antreiben des Motorverbrauchers 120.
In der Gleichstrom-Zwischenschaltung (Link/Zwischenkreis) 130 verbindet die Gleichstrom-Zwischenkreis-Drossel oder -Induktivität die Umschalter des Gleichrichters 110a und des Inverters 110b und bildet zwischen diesen vorwärts und rückwärts führende Strompfade. Die erste Wicklung WA der Zwischenkreis-Drossel ist in einem vorwärts führenden oder positiven Gleichstrompfad gekoppelt und weist ein erstes Ende P1, das mit den oberen Gleichrichter-Umschaltern S1–S3 verbunden ist, und ein zweites Ende P2 auf, das mit den oberen Inverter-Umschaltern S7–S9 verbunden ist. Die zweite (untere) Wicklung WB ist in einem negativen oder rückwärts führenden Gleichstrompfad gekoppelt und weist ein erstes Ende N1, das mit den unteren Gleichrichter-Umschaltern S4–S6 verbunden ist, sowie ein zweites Ende N2 auf, das mit den unteren Inverter-Umschaltern S10–S12 verbunden ist.
Die Gleichrichter- und Inverter-Umschaltvorrichtungen S1–S12 können Umschaltvorrichtungen vom Typ jedes geeigneten steuerbaren elektrischen Umschalters (z. B. SGCTs, IGCTs, GTOs, Thyristoren, IGBTs etc.) sein, die entsprechend einem geeigneten Typ oder einer geeigneten Form von Schaltschema oder -schemata, wie z. B. Phasensteuerung, Pulsweitenmodulation etc., in einem offenen Regelkreis oder in einem geschlossenen Regelkreis gesteuert werden. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die Umschaltvorrichtungen S7–S12 des Inverters 110b zwangskommutierte Vorrichtungen, die ohne Beschränkung SGCTs, IGBTs oder GTOs aufweisen, und die Umschaltvorrichtungen S1–S6 des Gleichrichters 110a können zwangskommutierte Vorrichtungen, wie z. B. die oben genannten, oder Leitungskommutierte Vorrichtungen sein, wie z. B. Thyristoren. Dabei können Thyristorvorrichtungen für die Inverter-Umschaltvorrichtungen S7–S12 in Form von zwangskommutierten Vorrichtungen mit einer zusätzlichen Schaltungsanordnung, die der Vorrichtungsauslöseschaltung hinzugefügt ist, verwendet werden.
Der Gleichrichter 110a und der Inverter 110b arbeiten unter der Steuerung des Umschaltsteuersystems 140, das einen oder mehrere Prozessoren und einen dazugehörigen Speicher sowie Eingangs-/Ausgangsschaltungen (I/O) mit einer Treiberschaltungsanordnung zum Erzeugen von Umschaltsteuersignalen 142 zum selektiven Betätigen der Umschaltvorrichtungen S1–S12 aufweisen kann, obwohl getrennte Umschaltsteuersysteme verwendet werden können, die beispielsweise Verbindungen und Informationen gemeinsam nutzen, um den koordinierten Betrieb des Gleichrichters 110a und des Inverters 110b zu vereinfachen. Das Umschaltsteuersystem 140 weist bei diesen Ausführungsformen ein Inverter-Steuerbauteil 144b auf, das die Inverter-Umschaltsteuersignale 142b liefert, damit bewirkt wird, dass der Inverter 110b selektiv Gleichstrom von der Gleichstrom-Zwischenschaltung 130 umwandelt, um entsprechend einem oder mehreren Sollwerten 141, wie z. B. einer gewünschten Motordrehzahl, -drehmoment etc., elektrische Wechselstrom-Energie dem Wechselstromausgang 114 zuzuweisen. Das Umschaltsteuersystem 140 und dessen Bauteile 144 können als jede geeignete Hardware, vom Prozessor ausgeführte Software, vom Prozessor ausgeführte Firmware, programmierbare Logik oder Kombinationen daraus implementiert sein, die als geeignete Steuereinrichtung oder Regler wirksam sind, durch die der Motor 120 entsprechend einem oder mehreren Profil(en) oder Sollwert(en) 141 gesteuert wird, ganz gleich, ob es sich dabei um Signale und/oder digitale Werte, im offenen oder geschlossenen Regelkreis oder Kombinationen daraus handelt.
Bei Betrieb liefert ferner ein Gleichrichter-Steuerbauteil 144a der Steuereinrichtung 140 die Gleichrichter-Umschaltsteuersignale 142a, damit bewirkt wird, dass der Gleichrichter 110a elektrische Wechselstrom-Eingangsenergie umwandelt, um einen geregelten Gleichstrom Idc zu der Gleichstromschaltung 130 zu liefern, Dabei kann die Gleichrichter-Steuereinrichtung 144a ein oder mehrere Rückführsignale oder -werte 118a, wie z. B. einen gemessenen Gleichstromwert von dem Gleichrichter 110a, der den Ist-Zwischenkreis-Gleichstrom Idc und/oder die Zwischenkreis-Gleichspannung darstellt, verwenden. Der Zwischenkreis-Gleichstrom Idc von dem Gleichrichter 110a liefert Eingangsstrom zur Umwandlung durch den Inverter 110b, wobei die beispielhafte Invertersteuerung 144b ein gewünschtes Zwischenkreis-Gleichstromsignal oder -wert als einen Regelsollwert zu der Gleichrichter-Steuereinrichtung 144a liefern kann. Auf diese Weise liefert der Gleichrichter 110a den von dem Inverter 110b benötigten Gleichstrom, und die Gleichrichter-Steuereinrichtung 144a kann auch andere Steuerfunktionen implementieren, wie z. B. eine Blindleistungskompensation, wobei die Invertersteuereinrichtung 144b die erforderliche Motorsteuerfunktion des Antriebs 110 entsprechend einem oder mehreren Sollwerten oder -signalen 141 durchführt.
Der Antrieb 110 kann ferner ein Rückführsystem 118 mit einem oder mehreren Fühlerelementen aufweisen, die dazu vorgesehen sind, ein oder mehrere Rückführsignale und/oder -werte 118a zu liefern, die die elektrischen Bedingungen am Eingang 112, dem Gleichrichter 110a, der Gleichstrom-Zwischenschaltung 130, dem Inverter 110b, dem Ausgangsfilter 113 und/oder am Ausgang 114 anzeigen. Das Umschaltsteuersystem 140 kann ein oder mehrere Sollwerte oder gewünschte Werte 141 und ein oder mehrere Rückführsignale oder -werte 118a von dem Rückführsystem 118 erhalten, mit denen ein oder mehrere Ziele der Motorsteuerung mit geschlossenem Regelkreis bei normalem Motorantriebsbetrieb erreicht werden. Rückführsignale oder -werte für die Steuerfunktionen können auf Signalen und/oder Werten 118a von dem Rückführsystem 118, gemessenen Eingangswerten (z. B. Leitungsspannungen, -ströme, Neutralspannungen, -ströme etc.) und anderen Informationen, Daten etc. basieren, die in jeder geeigneten Form auftreten können, wie z. B. als elektrisches Signal, digitale Daten etc., und die von jeder geeigneten Quelle kommen können, wie z. B. einem oder mehreren Sensoren, einem externen Netzwerk, Umschaltern, einer dem System 100 zugehörigen Benutzerschnittstelle oder einer anderen (anderen) geeigneten Quelle(n). Die Rückführschaltung 118 liefert (ein) Rückführsignal(e) oder -wert(e) von dem Gleichrichter 110a, der Gleichstromschaltung 130 und/oder dem Inverter 110b zu der Steuereinrichtung 140 und kann von geeigneten Tachometern oder anderen Sensoren gemessene Motordrehzahlwerte und/oder erfasste Werte, aus denen Motordrehzahl, -drehmoment, Strom und/oder Spannung etc. von der Steuereinrichtung 140 ermittelt werden können, liefern. Dabei können sensorlos erfasste Motordrehzahl-Rückführwerte intern von der Steuereinrichtung 140 über geeignete Motormodelle auf der Basis der Rückführsignale oder -werte 118a selbst für Systeme erzeugt werden, die keine direkten Motordrehzahl-Messsensoren aufweisen.
Wie in 2 gezeigt, weist die Gleichrichter-Steuereinrichtung 144a eine PWM-Steuereinrichtung 150 auf, die pulsweitenmodulierte Gleichrichter-Umschaltsteuersignale 142 entsprechend einem Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln zu den Umschaltern S1–S6 des Gleichrichters 110a liefert. 2 zeigt eine grafische Darstellung 200 eines beispielhaften adaptiven 9-Puls-SHE-PWM-Umschaltmusters 202, das in der in 1 gezeigten Gleichrichter-Steuereinrichtung 144b mit verschiedenen Umschaltwinkeln (einschließlich Winkel θ_x,1–θ_x,18 aus einer Tabelle 160 oder von einem Echtzeit-Winkelgenerator 152) beim Steuern der Betätigung der Gleichrichter-Umschalter S1–S6 verwendet wird, damit bewirkt wird, dass der Gleichrichter 110a elektrische Wechselstrom-Eingangsenergie umwandelt, um geregelte Gleichspannung zu der Gleichstrom-Zwischenschaltung 130 zu liefern. Bei der dargestellten 9-Puls-Implementierung liefert die PWM-Steuereinrichtung ein Pulsmuster für die selektive Verbindung der Eingangsanschlüsse an die Gleichstrom-Leitungspfade der Zwischenschaltung 130 in beiden Halbzyklen der Wechselstrom-Eingangsperioden (z. B. liefert die Wechselstromquelle 111 sinusförmige Eingangsenergie bei 60 Hz, wie bei einem Beispiel in gestrichelter Linie in 2 gezeigt), wobei die Umschaltwinkel θ_x,1–θ_x,18 direkt dem Umschaltwinkelsatz entnommen sind. Obwohl ein 9-Puls-Muster zur Erläuterung des Prinzips verwendet wird, ist die tatsächliche Anzahl der Pulse nicht auf 9 beschränkt.
Wie weiter in 1 gezeigt, weist bei bestimmten Ausführungsformen die Steuereinrichtung 144a einen Umschaltwinkelgenerator 152 auf, der die Umschaltwinkel im Wesentlichen in Echtzeit zumindest teilweise auf der Basis eines oder mehrerer Signale oder Werte 118a, die Quellenharmonische am Wechselstromeingang 112 des Gleichrichters 110a anzeigen, und einer Übertragungsfunktion 154 des Gleichrichter-Eingangsfilters 112 berechnet. Der Winkelgenerator 152 berechnet bei bestimmten Ausführungsformen den Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln im Wesentlichen in Echtzeit zumindest teilweise auf der Basis der rückgeführten Signale 118a, die die Informationen der Quellenharmonischen enthalten, mindestens einer zu reduzierenden oder zu eliminierenden Harmonischen und einem gewünschten THD-Wert 158, der vorbestimmt und in dem Umschaltsteuersystem 140 gespeichert sein kann oder der als ein Signal oder Wert von einer externen Quelle erhalten werden kann.
Wie in 3 gezeigt, weist bei anderen Ausführungsformen die Gleichrichter-Steuereinrichtung 144a eine Umschaltwinkelsatz-Tabelle 160 auf, in der eine Vielzahl von Sätzen von Gleichrichter-Umschaltwinkeln gespeichert sind, die in einem Speicher der Steuereinrichtung 144a oder an anderer Stelle in dem Umwandler 110 gespeichert sein können oder die in einem separaten System gespeichert sein können, auf das die PWM-Steuereinrichtung 150 zugreifen kann. 3 zeigt eine beispielhafte Winkelsatz-Tabelle 160 mit Zündwinkelsatzen, die einer ganzzahligen Anzahl N von Quellenharmonischen-Bedingungsbereichen entsprechen. In den Tabelleneinträgen 160 sind auch eine oder mehrere Variable berücksichtigt, die die PWM-Steuereinrichtung 150 beim Auswählen eines bestimmten Winkelsatzes θ_x,1–θ_x,18 verwendet. Beispielsweise ist die dargestellte Tabelle 160 in N Abschnitte unterteilt, von denen jeder Winkelsätze θ_x,1–θ_x,18 aufweist, die beispielsweise im Hinblick auf eine oder mehrere spezifische Harmonische und/oder die gesamte harmonische Verzerrung eines vorgegebenen Harmonischenbereichs (z. B. 2. bis 40. Harmonische) einem von N Bereichen von Harmonischenbedingungen am Wechselstromeingang 112 entsprechen (z. B. wie von dem Rückführsystem 118 gemessen oder wie mittels separater Messungen oder Schätzungen ermittelt). Bei diesem Beispiel weist jeder Abschnitt weitere Unterteilungen für bestimmte Gleichrichter-Verzögerungswinkel und Motordrehzahlen auf. Bei Betrieb empfängt die PWM-Steuereinrichtung 150 Rückführinformationen 118a von dem Rückführsystem bezüglich der wesentlichen Quellenharmonischen zum aktuellen Zeitpunkt sowie Gleichrichter-Verzögerungswinkel und aktuelle Motordrehzahl, und sie verwendet diese zum Indizieren der Tabelle 160 zwecks Erhalts des geeigneten Umschaltwinkelsatzes θ_x,1–θ_x,18. Die Einträge der Tabelle 160 können über einen vorgesehenen Winkelgenerator 152 unter Verwendung von von dem Rückführsystem 118 kommenden Eingangsharmonischen-Messwerten 118a berechnet werden, oder sie können separat von dem Umwandler 110 mittels eines externen Umschaltwinkelgenerators 152 unter Verwendung der Eingangsfilter-Übertragungsfunktion 154, des gewünschten THD-Werts 158 und der Informationen über die Quellenharmonischenbedingungen berechnet werden, wobei die daraus resultierenden Sätze von Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,18 zwecks Speicherung in der Tabelle 160 zu dem Umwandler 110 geliefert werden.
Bei Betrieb erhält die PWM-Steuereinrichtung 150 den Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,18 von dem Umschaltwinkelgenerator 152 oder von der Tabelle 160 und erzeugt entsprechend die pulsweitenmodulierten Gleichrichter-Umschaltsteuersignale 142a als eine Reihe von Pulsen 200 (z. B. 2), damit bewirkt wird, dass der Gleichrichter 110a elektrische Wechselstrom-Eingangsenergie umwandelt, um geregelten Gleichstrom zu der Gleichstrom-Zwischenschaltung 130 zu liefern.
4 zeigt einen beispielhaften Prozess 400 für eine Gleichrichter-PWM-Steuerung mit einer Echtzeit-Umschaltwinkelberechnung nach der Offenlegung. Obwohl das beispielhafte Verfahren 400 und andere Verfahren der Offenlegung nachstehend als eine Reihe von Vorgängen und Maßnahmen dargestellt und beschrieben werden, ist die Offenlegung nicht durch die dargestellte Reihenfolge solcher Vorgänge und Maßnahmen eingeschränkt. Beispielsweise können einige Vorgänge in einer anderen Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Maßnahmen als den hier dargestellten und/oder beschriebenen eintreten, und es brauchen nicht alle dargestellten Schritte erforderlich zu sein, um einen Prozess nach der Offenlegung zu implementieren. Ferner können die Verfahren in Zusammenhang mit der oben beschriebenen Gleichrichter-Steuereinrichtung 144a sowie in Zusammenhang mit anderen nicht dargestellten Systemen implementiert werden. Bei 402 ermittelt der Umschaltwinkelgenerator 152 der Steuereinrichtung 144a beispielsweise Quellenharmonische entsprechend einem oder mehreren Rückführsignalen oder -werten 118a und berechnet bei 404 einen Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,9 beispielsweise entsprechend der Eliminierung ausgewählter Harmonischen (z. B. 5., 7. etc.) und entsprechend dem gewünschten THD-Wert 158, um die gesamte harmonische Verzerrung entsprechend einem Bereich von interessierenden Harmonischen bei oder unter einem bestimmten Schwellwert (gewünschtes Maximum) 158 aufrechtzuerhalten. Bei 406 liefert der Winkelgenerator 152 den Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,18 zu der Gleichrichter-PWM-Steuereinrichtung 150. Die PWM-Steuereinrichtung 150 liefert bei 408 aktualisierte Umschaltsteuersignale 142a zu den Gleichrichter-Umschaltern S1–S6 entsprechend dem aktualisierten Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,18 zum Betätigen des Gleichrichters 110a.
5 zeigt einen weiteren beispielhaften Prozess 500, bei dem Sätze von Umschaltwinkeln entsprechend Quellenharmonischenbedingungen aus einer Tabelle 160 erhalten werden. Bei 502 ermittelt beispielsweise die PWM-Steuereinrichtung 150 die Quellenharmonischen entsprechend einem oder mehreren Rückführsignalen oder -werten 118a. Die Quellenharmonischenbedingungen werden bei 504 dazu verwendet, einen entsprechenden Umschaltwinkelsatz θ_x,1–θ_x,18 aus der Winkelsatz-Tabelle 160 zu erhalten. Bei 506 liefert die PWM-Steuereinrichtung 150 pulsweitenmodulierte Gleichrichter-Umschaltsteuersignale 142a entsprechend dem ausgewählten Satz von Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,18 zu dem Gleichrichter 110a, damit bewirkt wird, dass der Gleichrichter 110a elektrische Wechselstrom-Eingangsenergie umwandelt, um geregelten Gleichstrom zu der Gleichstrom-Zwischenschaltung 130 zu liefern.
Wie in 6–8 gezeigt, schafft die Offenlegung ferner Verfahren zum Berechnen eines Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,18 zum Erzeugen von pulsweitenmodulierten Gleichrichter-Umschaltsteuersignalen 142a unter Anwendung einer adaptiven Harmonischeneliminierung in einem Energieumwandlungssystem 110. 6 zeigt einen beispielhaften Prozess 600 zum Berechnen von Gleichrichter-Umschaltwinkeln nach der Offenlegung, und 7 und 8 zeigen beispielhafte Spektren, die mittels herkömmlicher bzw. adaptiver SHE-Techniken erhalten worden sind. Diese Techniken können in Echtzeit oder im Wesentlichen in Echtzeit unter Verwendung des oben beschriebenen integrierten Umschaltwinkelgenerators 152 angewendet werden, und/oder die Prozesse können beispielsweise in Echtzeit oder offline in externe Systeme implementiert werden, um Umschaltwinkelsatz-Einträge zum Speichern in der in 1 gezeigten Steuereinrichtungstabelle 160 zu erzeugen. Die hier dargelegten adaptiven SHE-Methoden umfassen das Erstellen und Lösen eines Gleichungssystems, das teilweise oder ganz auf dem Strom- oder Spannungsspektrum des Energieumwandlungssystems, einer oder mehreren zu reduzierenden oder zu eliminierenden Harmonischen und einem minimierten THD-Wert basiert.
Die Techniken können zum Implementieren einer Minimierstrategie für die gesamten Harmonischen (Ohms) zwecks Vereinfachung der Reduzierung von THD angewendet werden, wobei vorteilhafterweise die Charakteristiken (z. B. Übertragungsfunktion) des Wechselstrom-Eingangsfilters 112 berücksichtigt werden. Obwohl mit herkömmlichen SHE-Techniken spezifische Harmonische in der Praxis aufgrund des Einflusses der Quellenharmonischenbedingungen und/oder des Einflusses des Eingangsfilters nicht vollständig eliminiert werden können, werden bei der Ohms-Methode diese Einflüsse in die Berechnung der Umschaltwinkelsätze θ_x,1–θ_x,18 mit einbezogen. Bestimmte Implementierungen beginnen mit einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) zwecks Erhalts der Ausdrücke von Harmonischenkomponenten. Das Signalspektrum wird dann durch Modifizieren der Harmonischenkomponenten entsprechend der Übertragungsfunktion 154 des Eingangsfilters 112 erhalten, um ein gewichtetes Spektrum zu erhalten, und die THD kann für die Minimierung für das gefilterte Signal neu berechnet werden. Der Prozess der Minimierung kann oder kann nicht mit zusätzlichen Einschränkungen gekoppelt sein, wie z. B. einem Satz Maxima für einige kritische Harmonische für das ausgewählte Filter 112.
7 zeigt ein Spektrum 700 eines SHE-gesteuerten Gleichrichters, der für einen 9-Puls-Betrieb vorgesehen ist, bei dem die 5., 7. und 11. Harmonische eliminiert werden, während Harmonische höherer Ordnung beträchtliche Amplituden aufweisen, die von dem SHE-Umschaltmuster nicht berücksichtigt werden. Für diese kann ein Eingangsfilter 112 (Tiefpass) verwendet werden, der Filter-Abstimmpunkt muss jedoch niedrig genug sein, um die Harmonischen höherer Ordnung wirksam zu unterdrücken. 7 zeigt ferner Übertragungsfunktionen zweier beispielhafter Eingangsfilter 112 zweiter Ordnung mit Resonanzfrequenzen von 4,4 pu bzw. 6,3 pu. Wie in 7 gezeigt, weist das 6,3 pu-Filter eine höhere Verstärkung (ungefähr das Doppelte der Verstärkung des 4,4 pu-Filters) für die Harmonischen höherer Ordnung auf, und eine Simulation dieses Beispiels zeigt, dass aufgrund einer unzureichenden Dämpfung für die Harmonischen höherer Ordnung die THD für das 6,3 pu-Filter höher ist als 5%. Gleichzeitig kann jedoch das 4,4 pu-Filter für die gewünschte THD um den Preis größerer und teurerer Induktivitäts- und Kapazitätsbauteile verwendet werden. Ferner werden bei der bestehenden SHE-Methode bestehende Quellenharmonische nicht berücksichtigt, und die Erfinder wissen, dass Quellenharmonische die Leitungsstrom-THD nach dem Filtern negativ beeinflussen können.
8 zeigt die Filterwellenformen und das Spektrum 800 eines beispielhaften 9-Puls-Musters, das mittels der Ohms-Technik erhalten wird, bei der der Gleichungssatz so modifiziert wird, dass die THD über einen Bereich von interessierenden Harmonischen (z. B. 2. bis 40. bei dem dargestellten Beispiel) auf oder unter einen gewünschten THD-Schwellwert 158 gezwungen wird, während weiterhin versucht wird, die 5., 7. und 11. Harmonische zu eliminieren oder zu reduzieren. Auf diese Weise wird durch Anwendung der Ohms-Technik die gesamte Harmonischenbedingung über die Möglichkeiten der herkömmlichen SHE-Methoden hinaus gesteuert, und es können ferner die Übertragungsfunktionscharakteristiken des Eingangsfilters 112 berücksichtigt werden. Wie in dem in 8 dargestellten Beispiel gezeigt, wird die 11. Harmonische nicht mehr vollständig eliminiert, sondern es werden die 13. bis 19. Harmonische reduziert, wodurch die gesamte harmonische Verzerrung in dem interessierenden Bereich reduziert wird. Dieses Muster ermöglicht die Verwendung eines 6,3 pu-Leitungseingangsfilters 112, wobei eine THD von 5% oder weniger erreicht wird. Das 6,3 pu-Filter wiederum benötigt nur ungefähr die Hälfte der Kapazität im Vergleich zu dem 4,4 pu-Filter, und somit ermöglicht es die Ohms-Technik, die Kosten und die Größe des Energieumwandlungssystems zu reduzieren.
Die adaptiven SHE-Techniken der vorliegenden Erfindung können durch Berechnung von Umschaltwinkelsätzen im Wesentlichen in Echtzeit auf der Basis von Rückmeldungen von Quellenharmonischenbedingungen 118a implementiert werden, und es ist ferner möglich, einen Teilsatz von unabhängigen Winkeln zwecks Erhalts eines Satzes von Winkeln θ_x,1– θ_x,18 für unterschiedliche Quellenharmonischen-Szenarien, wie in der oben genannten, in 3 dargestellten Tabelle 160 gezeigt, für eine intelligente Auswahl entsprechend den Quellenharmonischen zu berechnen. Die Winkelberechnung umfasst bei bestimmten Ausführungsformen das Lösen eines Gleichungssatzes für sämtliche oder einen Teilsatz von Zündwinkeln, wobei verbleibende Winkel (z. B. die nicht unabhängigen Winkel) durch Berechnungen auf der Basis der Wellenformsymmetrie erhalten werden. Beispiele für Faktoren, die möglicherweise die Umschaltwinkel beeinflussen können, umfassen vorher vorhandene Harmonische, die für das Filter wesentlich sind, Leitungsfilter-Resonanzfrequenz, Gleichrichter-Zündwinkel, Gleichstrom oder -spannung und Motordrehzahl, Da das Eingangsfilter 112 am empfindlichsten gegenüber den Harmonischen nahe seiner Abstimmfrequenz ist, sind die bereits vorhandenen Harmonischen, die bei bestimmten Implementierungen berechnet werden, diejenigen mit der beträchtlichsten Filterverstärkung, Diese Techniken können in vorteilhafter Weise für an das Netz angeschlossene PWM-Umwandler verwendet werden, um die THD-Leistung zu verbessern, und sie sind sowohl auf Stromquellen- als auch auf Spannungsquellen-PWM-Umwandler anwendbar.
Wie in 6 gezeigt, wird bei der Gleichrichter-Steuereinrichtung 144a ein Steuerbauteil 150 vom Typ der selektiven Harmonischeneliminierung (SHE) zum Erzeugen der Umschaltsteuersignale 142a verwendet. Mittels dieser Technik werden die PWM-Umschaltpunkte in der Ausgangswellenform wirksam so gesteuert, dass sie bei bestimmten Winkeln auftreten zum Steuern von Harmonischen und der gesamten harmonischen Verzerrung (THD). 6 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 600 zum Berechnen eines Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,18 zum Erzeugen von pulsweitenmodulierten Gleichrichter-Umschaltsteuersignalen 142a in einem Energieumwandlungssystem 110. Der Prozess 600 kann in Echtzeit (z. B. in dem On-Board-Winkelgenerator 152) oder offline ablaufen. Grundsätzlich umfasst die Technik 600 das Erstellen eines Gleichungssystems (z. B. bei 622) zumindest teilweise auf der Basis des Stromspektrums unter Berücksichtigung sowohl der Harmonischen von dem Gleichrichter als auch der Harmonischen von der Quelle, einer oder mehrerer zu reduzierenden oder zu eliminierenden Harmonischen und eines gewünschten THD-Werts 158, und das Lösen des Gleichungssystems (z. B. bei 624) zwecks Erhalts des Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,18. Bei bestimmten Ausführungsformen wird ein Gleichungssatz für einen Teilsatz der Winkel (z. B. unabhängige Winkel θ_x,1–θ_x,9 bei dem in 2 gezeigten Beispiel) gelöst, wobei verbleibende Winkel (z. B. abhängige Winkel θ_x,1–θ_x,18) bei 626 auf der Basis der Symmetrie der Wellenform 200 (2) gelöst werden.
Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform kann die Quellenspannung bei 601 (z. B. über das Rückführsystem 118) gemessen werden, und der interessierende Harmonischengehalt wird bei 602 berechnet, wobei die Eingangsfilter-Übertragungsfunktion 154 bei 604 angewendet wird, um den Quellenstrom zu ermitteln, oder der Quellenstrom kann stattdessen bei 605 (z. B. über das Rückführsystem 118) direkt gemessen werden, wobei der Harmonischengehalt bei 606 berechnet wird. Die kritischen Harmonischen werden bei 608 beispielsweise für den Quellenstrom berechnet, es wird ein Quellenstromspektrum für die kritischen Harmonischenkomponenten einschließlich des Grundschwingungsstroms erhalten, und zwar entsprechend dem gemessenen oder ermittelten Quellenstrom. Ferner wird der Gleichrichter-Gleichstrom (z. B. Idc in 1) oder die Gleichspannung (z. B. über das Rückführsystem 118) bei 612 gemessen, und es wird ein Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum (z. B. Fourier-Koeffizienten) bei 614 berechnet, und zwar entsprechend dem gemessenen Gleichrichter-Gleichstrom oder der Gleichspannung. Bei 616 wird die Eingangsfilter-Übertragungsfunktion 154 auf das Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum angewendet, um das Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum der Leitungsseite zuzuweisen und dadurch ein zugegewiesenes oder gewichtetes Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum zu erhalten. Bei 620 wird ein gesamtes Leitungsstrom- oder -spannungsspektrum als Summe des Quellenstrom- oder -spannungsspektrums und des zugewiesenen Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrums berechnet. Bei 622 wird das Gleichungssystem zumindest teilweise auf der Basis des gesamten Leitungsstrom- oder -spannungsspektrums erstellt bei Anwendung verschiedener Steuerungseinschränkungen, wie z. B. das Zwingen einer oder mehrerer interessierender Harmonischen (z. B. 3., 5., 11. oder andere nahe dem Eingangsfilter-Abstimmpunkt) auf Null oder einen anderen Maximalwert, und mit einem Wert für die gesamte harmonische Verzerrung für einen vorgegebenen interessierenden Bereich (z. B. wie oben in 7 und 8 gezeigt). Das Gleichungssystem wird dann bei 624 gelöst, um einen Teilsatz von unabhängigen Winkeln für den Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln θ_x,1–θ_x,18 zu ergeben zur Verwendung beim Steuern des PWM-Vorgangs des Umschalt-Gleichrichters 110a. Nicht unabhängige Winkel können bei 626 mittels der Wellenformsymmetrie erhalten werden.
In der folgenden Beschreibung werden Berechnungsaspekte des Prozesses 600 näher erläutert. Bei Annahme eines konstanten Gleichstrom-Zwischenkreises (Spannung oder Strom) und einer ungeraden Funktion y_pwm kann eine PWM-Wellenform als Fourier-Reihe ausgedrückt werden:
wobei v_pwm den Gleichrichter-Eingangsstrom für CSC oder die Gleichrichter-Eingangsspannung für VSC darstellt und α_n der Fourier-Koeffizient ist und berechnet werden kann als:
welche Funktionen unabhängiger Umschaltwinkel sind, die die PWM-Wellenform definieren. Bei herkömmlicher SHE werden bestimmte Gleichungssysteme dadurch erhalten, dass die Fourier-Koeffizienten auf Werte gleich spezifischen Werten gezwungen werden. Beispielsweise werden dann, wenn die 5. und die 7. Harmonische zu eliminieren sind, α₅ und α₇ auf Null gezwungen, und α₁ wird auf den Wert ma des Amplitudenmodulationsindex der Grundkomponente gezwungen. Eine ganze Zahl k von unabhängigen Winkeln wird grundsätzlich benötigt, um k unabhängige Gleichungen zu definieren, beispielsweise können mit drei unbekannten Winkeln β₁, β₂ und β₃ drei Gleichungen erhalten werden, um den Modulationsindex zu definieren und die 5. und die 7. Harmonische zu eliminieren:
oder um drei Harmonische (z. B. 5., 7. und 11.) mit festem Modulationsindex zu eliminieren:
Diese Gleichungen können für die Umschaltwinkel β₁, β₂ und β₃ gelöst werden.
Bei den adaptiven SHE- und Ohms-Techniken der vorliegenden Offenlegung werden eine oder mehrere zusätzliche Bedingungen berücksichtigt, einschließlich und ohne Einschränkung Quellenharmonische und Harmonische, die durch den Gleichrichter hervorgerufen worden sind. Bei Betrachtung des Filters 112 von dem Energiesystem ist die Übertragungsfunktion des Filters h₁ (nω), und die von den Quellenharmonischen hervorgerufenen Leitungsstromharmonische sind:
Bezüglich der von dem Gleichrichter hervorgerufenen Harmonischen ist bei Betrachtung des Filters 112 von dem Gleichrichter die Übertragungsfunktion h₂ (nω). Die von der PWM-Wellenform hervorgerufenen Harmonischen in dem Leitungsstrom können ausgedrückt werden als:
Der gesamte Leitungsstrom ist die Summe von:
wobei:
Für die Minimierung der gesamten Harmonischen (Ohms) unter der Annahme, dass 4 unabhängige Winkel vorhanden sind, die 5., 7. und 11. zu eliminieren sind sowie eine THD zu minimieren/reduzieren ist, wird das Gleichungssystem wie folgt angegeben:
wobei k die Ordnung der interessierenden Harmonischen ist und THD₀ der Wert 158 der zulässigen gesamten harmonischen Verzerrung (z. B. eingestellt entsprechend verwandter Standards oder anderer Nutzererfordernisse) ist. Der Winkelgenerator 152 (Echtzeit oder offline) kann dann die vorstehende Gleichung (9) lösen, damit sich ein Satz von Winkeln θ_x,1–θ_x,4 zur Verwendung beim Steuern des Gleichrichters 110a ergibt.
Die oben beschriebenen Beispiele dienen nur der Erläuterung verschiedener möglicher Ausführungsformen verschiedener Aspekte der vorliegenden Offenlegung, wobei äquivalente Änderungen und/oder Modifikationen für Kenner der Technik beim Lesen und Verstehen dieser Patentschrift und der beiliegenden Zeichnungen offensichtlich sind. Insbesondere hinsichtlich der von den oben beschriebenen Bauteilen (Baugruppen, Vorrichtungen, Systemen, Schaltungen und dergleichen) ausgeführten verschiedenen Funktionen beziehen sich, sofern nichts anderes angegeben ist, die zum Beschreiben solcher Bauteile verwendeten Ausdrücke (einschließlich ein Verweis auf eine ”Einrichtung”) auf sämtliche Bauteile, wie z. B. Hardware, vom Prozessor ausgeführte Software oder Kombinationen daraus, die die bestimmte Funktion des beschriebenen Bauteils ausführen (d. h. die diesem funktionell äquivalent sind), selbst wenn sie der offengelegten Struktur, die die Funktion bei den dargestellten Implementierungen der Offenlegung ausführt, strukturell nicht äquivalent sind. Ferner kann zwar ein bestimmtes Merkmal der Offenlegung in Bezug auf nur eine der verschiedenen Implementierungen offengelegt worden sein, ein solches Merkmal kann jedoch mit einem oder mit mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es gewünscht und für eine vorgegebene oder bestimmte Anwendung vorteilhaft sein kann. Ferner sind die Ausdrücke ”umfassend”, ”umfasst”, ”besitzend”, ”besitzt”, ”mit” oder Varianten davon, die in der detaillierten Beschreibung und/oder in den Patentansprüchen verwendet werden, auf die gleiche Weise einschließend wie der Ausdruck ”aufweisend”.

Claims

Energieumwandlungssystem (110), das umfasst: einen Gleichrichter (110a), der umfasst: eine Wechselstrom-Eingangsschaltung (104) mit einem Gleichachter-Eingangsfilter (112) und einer Vielzahl von Wechselstrom-Eingangsknotenpunkten zum Empfangen von elektrischer Wechselstrom-Eingangsenergie, einen Gleichstromausgang mit ersten und zweiten Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkten, und eine Vielzahl von Gleichrichter-Umschaltvorrichtungen (S1–S6), die einzeln zwischen einem der Wechselstrom-Eingangsknotenpunkten und einem der ersten und zweiten Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkten gekoppelt sind, wobei die Gleichrichter-Umschaltvorrichtungen (S1–S6) einzeln zum selektiven Koppeln des entsprechenden Wechselstrom-Eingangsknotenpunkts mit dem entsprechenden Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkt gemäß einem entsprechenden Gleichrichter-Umschaltsteuersignal (142a) vorgesehen sind; eine Gleichstrom-Zwischenschaltung (130), die erste und zweite Gleichstrompfade aufweist, welche mit den ersten und zweiten Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkten des Gleichrichters (110a) gekoppelt sind; einen Inverter (110b), der einen Wechselstromausgang (114) mit einer Vielzahl von Wechselstrom-Ausgangsknotenpunkten zum Liefern von Energie zu einem Verbraucher (120) aufweist, wobei der Inverter (110b) zum Umwandeln von Gleichstrom von der Zwischenschaltung (130) zwecks Lieferung von elektrischer Wechselstrom-Ausgangsenergie zu dem Verbraucher (120) vorgesehen ist; und ein Umschaltsteuersystem (140) mit einem Gleichrichter-Steuerbauteil (144a), das umfasst: einen Umschaltwinkelgenerator (152), der zum Berechnen eines Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9) im Wesentlichen in Echtzeit zumindest teilweise auf der Basis mindestens eines Signals oder Werts (118a) vorgesehen ist, das/der Quellenharmonische an dem Wechselstromeingang des Gleichrichters (110a) anzeigt, und einer Übertagungsfunktion (154) des Gleichrichter-Eingangsfilters (112), und eine PWM-Steuereinrichtung (150), die den Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9) von dem Umschaltwinkelgenerator (152) empfängt und die zum Liefern von pulsweitenmodulierten Umschaltsteuersignalen (142a) zu dem Gleichrichter (110a) entsprechend dem Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9) vorgesehen ist, um zu bewirken, dass der Gleichrichter (110a) elektrische Wechselstrom-Eingangsenergie umwandelt zwecks Lieferung von geregeltem Gleichstrom zu der Gleichstrom-Zwischenschaltung (130).
Energieumwandlungssystem (110) nach Anspruch 1, bei dem der Umschaltwinkelgenerator (152) zum Berechnen des Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9) vorgesehen ist, und zwar im Wesentlichen in Echtzeit zumindest teilweise auf der Basis von: mindestens einer zu reduzierenden oder zu eliminierenden Harmonischen; und einem gewünschten Wert (158) der gesamten harmonischen Verzerrung.
Energieumwandlungssystem (110) nach Anspruch 2, bei dem der Umschaltwinkelgenerator (152) zum Berechnen des Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9) im Wesentlichen in Echtzeit vorgesehen ist, und zwar durch: Berechnen (608) eines Quellenstrom- oder -spannungsspektrums entsprechend einem gemessenen oder ermittelten Quellenstrom oder Quellenspannung; Berechnen (614) eines Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrums entsprechend einem gemessenen Gleichrichter-Gleichstrom oder einer gemessenen Gleichrichter-Gleichspannung (Idc); Anwenden (616) der Übertragungsfunktion (154) des Gleichrichter-Eingangsfilters (112) auf das Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrum zum Zuweisen des Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrums zu der Leitungsseite zwecks Erhalts eines zugegewiesenen Eingangsstrom- oder -spannungsspektrums; Berechnen (620) eines gesamten Leitungsstrom- oder -spannungsspektrums als Summe des Quellenstrom- oder -spannungsspektrums und des zugegewiesenen Gleichrichter-Eingangsstrom- oder -spannungsspektrums; Erstellen (622) eines Gleichungssystems zumindest teilweise auf der Basis des gesamten Leitungsstrom- oder -spannungsspektrums; Lösen (624) des Gleichungssystems zum Erhalten des Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9).
Energieumwandlungssystem (110) nach Anspruch 3, bei dem der Umschaltwinkelgenerator (152) zum Erstellen (622) des Gleichungssystems zumindest teilweise auf der Basis mindestens einer zu reduzierenden oder zu eliminierenden Harmonischen und des gewünschten Werts (158) der gesamten harmonischen Verzerrung vorgesehen ist.
Energieumwandlungssystem (110) nach Anspruch 4, bei dem der Gleichrichter (110a) ein Stromquellen-Gleichrichter ist und bei dem die Zwischenschaltung (130) mindestens eine Induktivität aufweist.
Energieumwandlungssystem (110) nach Anspruch 2, bei dem der Gleichrichter (110a) ein Stromquellen-Gleichrichter ist und bei dem die Zwischenschaltung (130) mindestens eine Induktivität aufweist.
Energieumwandlungssystem (110) nach Anspruch 1, bei dem das Energieumwandlungssystem ein Motorantrieb ist und bei dem die Vielzahl von Wechselstrom-Ausgangsknotenpunkten des Inverters Energie zu einem Motorverbraucher (120) liefert.
Energieumwandlungssystem (110), das umfasst: einen Gleichrichter (110a), der umfasst: eine Wechselstrom-Eingangsschaltung (104) mit einem Gleichrichter-Eingangsfilter (112) und einer Vielzahl von Wechselstrom-Eingangsknotenpunkten zum Empfangen von elektrischer Wechselstrom-Eingangsenergie, einen Gleichstromausgang mit ersten und zweiten Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkten, und eine Vielzahl von Gleichrichter-Umschaltvorrichtungen (S1–S6), die einzeln zwischen einem der Wechselstrom-Eingangsknotenpunkten und einem der ersten und zweiten Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkten gekoppelt sind, wobei die Gleichrichter-Umschaltvorrichtungen (S1–S6) einzeln zum selektiven Koppeln des entsprechenden Wechselstrom-Eingangsknotenpunkts mit dem entsprechenden Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkt gemäß einem entsprechenden Gleichrichter-Umschaltsteuersignal (142a) vorgesehen sind; eine Gleichstrom-Zwischenschaltung (130), die erste und zweite Gleichstrompfade aufweist, welche mit den ersten und zweiten Gleichstrom-Ausgangsknotenpunkten des Gleichrichters (110a) gekoppelt sind; einen Inverter (110b), der einen Wechselstromausgang (114) mit einer Vielzahl von Wechselstrom-Ausgangsknotenpunkten zum Liefern von Energie zu einem Verbraucher (120) aufweist, wobei der Inverter (110b) zum Umwandeln von Gleichstrom von der Zwischenschaltung (130) zwecks Lieferung von elektrischer Wechselstrom-Ausgangsenergie zu dem Verbraucher (120) vorgesehen ist; und ein Umschaltsteuersystem (140) mit einem Gleichrichter-Steuerbauteil (144a), das umfasst: eine Umschaltwinkelsatz-Tabelle (160) zum Speichern einer Vielzahl von Sätzen von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9), und eine PWM-Steuereinrichtung (150), die zum Auswählen eines der Sätze von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9) zumindest teilweise auf der Basis mindestens eines Signals oder Werts (118a), das/der Quellenharmonische an dem Wechselstromausgang des Gleichrichters (110a) anzeigt, vorgesehen ist und die zum Liefern von pulsweitenmodulierten Gleichrichter-Umschaltsteuersignalen (142a) zu dem Gleichrichter (110a) entsprechend dem ausgewählten Satz von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9) vorgesehen ist, um zu bewirken, dass der Gleichrichter (110a) elektrische Wechselstrom-Eingangsenergie umwandelt zwecks Lieferung von geregeltem Gleichstrom zu der Gleichstrom-Zwischenschaltung (130).
Verfahren (600) zum Berechnen eines Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9) zum Erzeugen von pulsweitenmodulierten Gleichrichter-Umschaltsteuersignalen (142a) in einem Energieumwandlungssystem (110), wobei das Verfahren (600) umfasst: Erstellen (622) eines Gleichungssystems zumindest teilweise auf der der Basis von: einem Stromspektrum des Energieumwandlungssystems, mindestens einer zu reduzierenden oder zu eliminierenden Harmonischen, und einem gewünschten Wert (158) der maximalen gesamten harmonischen Verzerrung, und Lösen des Gleichungssystems zum Erhalten des Satzes von Gleichrichter-Umschaltwinkeln (θ_x,1–θ_x,9).
Verfahren (600) nach Anspruch 9, bei dem das Gleichungssystem zumindest teilweise auf der Basis eines gesamten Leitungsstromspektrums, einschließlich eines Quellenstromspektrums und eines Gleichrichter-Eingangsstromspektrums, das der Leitungsseite zugewiesen wird, erstellt wird.