DE112004001647B4

DE112004001647B4 - Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers

Info

Publication number: DE112004001647B4
Application number: DE112004001647T
Authority: DE
Inventors: Olaf Lerwe
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2024-08-12
Also published as: DE112004001647T5; WO2005022731A3; GB2405754A; GB0320622D0; WO2005022731A2

Abstract

Anordnung (1) zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers (11) und/oder umgekehrt, insbesondere zum Zweck von Lieferung elektrischer Leistung an eine Hochleistungsanwendung (7), z. B. zu einem Antriebsmotor eines Bahnfahrzeugs oder zu einer Maschine eines industriellen Vorganges, wobei der Umformer (11) mindestens ein elektrisches oder elektronisches Ventil (32) zum wiederholten Unterbrechen und Schließen einer elektrischen Verbindung und dadurch zum Betreiben des Umformers (11) aufweist und wobei die Anordnung folgendes aufweist: – eine Steuervorrichtung (20), die ausgestaltet ist, den Betrieb des Umformers (11) zu steuern, wobei die Steuervorrichtung (20) ausgestaltet ist, wiederholt Steuersignale zum Umformer (11) auszugeben, um mindestens ein Ventil (32) ein- und auszuschalten; – einen Steuersignalausgang zur Ausgabe der Steuersignale; – einen Detektionssignaleingang zum Empfangen eines Detektionssignals von einer Detektionsvorrichtung (3), wobei das Detektionssignal einen Betriebszustand einer elektrischen Leitung (5) auf der Primärseite des Umformers (11) repräsentiert; und ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers und umgekehrt. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers und/oder umgekehrt. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung im Bereich der Stromlieferung an eine Hochleistungsanwendung wie einem Antriebsmotor eines Bahnfahrzeuges oder einer Maschine in einem industriellen Vorgang (wie einem Motor eines Prüfstandes) verwendet werden.
Der Gebrauch von Stromumformern, die mit einem Wechselstromnetz verbunden sind, ist bekannt und dient der Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom. Auch ist es bekannt, Gleichstrom in Wechselstrom umzuformen und elektrische Leistung in ein Wechselstromnetz einzuspeisen. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Umformer dieser Art beschränkt. Stattdessen kann es sich beim Umformer um einen Gleichstrom/Gleichstrom-Stromumformer, einen Spannungsumsetzer (Direktumrichter) oder um einen Wechselrichter handeln, um ein paar zu nennen.
Ein Wechselstromnetz und die Ausstattung, die mit dem Netz verbunden ist, stellen ein komplexes System mit Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen dar. Insbesondere Umformer werden oft mit Induktivitäten und/oder Kapazitäten kombiniert. Es ist bekannt, diese Elemente an der Seite des Umformers anzuordnen, die mit dem Wechselstromnetz (zum Beispiel an der Primärseite) verbunden ist. Das System unterliegt in jedem Fall elektromagnetischen Schwingungsprozessen und umfasst oft mehr als eine Resonanzfrequenz. Außerdem hängt/hängen die Resonanzfrequenz(en) von dem tatsächlichen Betriebszustand des Systems ab. Eine Resonanzfrequenz zum Beispiel ändert sich üblicherweise mit der elektrischen Last und/oder mit der Ausstattung, die mit dem Wechselstromnetz verbunden ist. Ferner ändern sich auch Schwingungsdämpfungseigenschaften.
Besonders in Bahnnetzen ist die Situation noch komplexer, da mindestens einige der Vorrichtungen, die mit der Wechselstromversorgung verbunden sind, sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegen (und dabei ihre Schwingungseigenschaften ändern) und sich auch durch das Aussenden von elektromagnetischen Wellen gegenseitig beeinflussen können.
Es ist bekannt, Stromumformer durch wiederholtes An- und Ausschalten elektrischer und/oder elektronischer Ventile zu betreiben, wodurch elektrische Verbindungen zwischen der Primär und der Sekundärseite des Umformers verbunden oder getrennt werden.
Eine Steuervorrichtung, die ausgestaltet ist, den Betrieb des Umformers zu steuern, kann bereitgestellt werden. Dabei gibt die Steuervorrichtung zur Ein- und Ausschaltung eines Ventils wiederholt Steuersignale zum Umformer aus. Die Steuersignale können Pulsweitenmodulationssignale (PWM-Steuerungssignale) sein. Ferner kann die Steuervorrichtung ein Detektionssignal verwenden, das beim Gebrauch einer Detektionsvorrichtung (zum Beispiel eines Stromsensors zur Messung eines Stroms, der durch eine Verbindungsleitung auf der Primärseite des Umformers fließt) erzeugt wird. Im Allgemeinen gesprochen repräsentiert das Detektionssignal einen Betriebszustand der elektrischen Leitung, zum Beispiel auf der Primärseite des Umformers.
Industrielle Energieversorgungsnetze oder Bahnenergieversorgungsnetze umfassen – neben einer Basiswechselstromfrequenz – Oberschwingungsfrequenzen. Insbesondere werden mindestens einige der entsprechenden Oberschwingungsfrequenzen durch den Betrieb des Umformers oder durch andere mit dem Netz verbundene Umformer erzeugt. Besonders die fünfte, siebte, elfte und dreizehnte Oberschwingungsfrequenz kommen vor. Jede elektrische Last, die direkt mit dem Netz oder mit einer Sekundärseite des Umformers verbunden ist, sollte auf den Betrieb trotz Oberschwingungsfrequenzen vorbereitet werden. Besonders im Hinblick auf die Tatsache, dass elektrische Energie dissipiert wird, wenn Drosselspulen oder elektromagnetische Wicklungen bereitgestellt werden (wie zum Beispiel passive Filterstromkreise an der Primär- und Sekundärseite des Umformers), sollten die Amplituden der Oberschwingungsfrequenzen gedämpft oder die Oberschwingungsfrequenzen selbst beseitigt werden. Ferner kann der Betrieb der Steuervorrichtung des Umformers aufgrund von Oberschwingungsfrequenzen gestört oder sogar unmöglich gemacht werden.
Es ist bekannt, passive Filterkreise an der Primärseite des Umformers bereitzustellen, um die Oberschwingungsfrequenzen auszufiltern. Ferner können aktive Filterkreise mit dem Umformer kombiniert werden. Beide Praktiken benötigen zusätzlichen Platz und führen zu Ausgaben. Außerdem können sich die Eigenschaften von Filterkreisen während ihrer Betriebszeit ändern.
Die Frequenzen der Resonanzschwingungen im Netz sind typischerweise deutlich höher als die fünfte und die siebte Oberschwingungsfrequenz einer Basisfrequenz von 50 oder 60 Hz, aber könnten im Bereich der elften oder dreizehnten Oberschwingungsfrequenz liegen. In der Praxis können die Amplituden der Resonanzfrequenzen bis zu 20% der Amplitude der Basisfrequenz steigen. Jeder Filter sollte die Oberschwingungsfrequenzen ausfiltern, aber gleichzeitig Signale bei der Resonanzfrequenz durchlassen.
Da die Genauigkeit der passiven Filterkreise gering ist und da die Werte der Resonanzfrequenzen sich mit der Zeit grundlegend andern können (wie oben erwähnt), können passive Filterkreise nicht zur Ausfilterung von Oberschwingungsfrequenzen verwendet werden, besonders nicht bei Stromversorgungsnetzen der Bahn.
DE 100 32 447 A1 beschreibt eine Filterstruktur, die in die Steuervorrichtung eines Umformers eingebaut werden kann und den Betrieb des Umformers beeinflussen kann. So können Frequenzsignale aus dem Strom, der durch die Eingangsleitung an der Primärseite des Umformers fließt, beseitigt werden. Nach einer spezifischen Ausführung wird der Eingangsstrom analysiert und die Steuersignale werden angepasst, um zusätzliche Spannungen hervorzurufen, die in einer Dämpfung der Oberschwingungsfrequenzen des Eingangsstroms resultieren.
Die Filterstruktur ist besonders für industrielle Energieversorgungsnetze von Nutzen, bei denen Resonanzschwingungen mit variierenden Frequenzen und Amplituden (wie es bei Stromversorgungsnetzen der Bahn vorkommen kann) normalerweise nicht vorkommen. Darüber hinaus benötigt die Filterstruktur eine vergleichsweise große Menge an Computerressourcen (zum Beispiel Rechenzeit einer zentralen Verarbeitungseinheit).
DE 36 38 945 C2 beschreibt eine Einrichtung zur Regelung einer über einen Wechselrichter gespeisten Drehfeldmaschine, wobei der dem Wechselrichter eingangsseitig zugeführte Gleichstrom einen Bandpassfilter zur Filterung einer zu vermindernden Störfrequenz zugeleitet und über einen Regler gegenphasig zum Drehmoment-Sollwert addiert wird.
DE 103 23 502 A1 , die nicht vorveröffentlicht ist, beschreibt eine Einrichtung zur Unterdrückung von Störströmen bestimmter Frequenzen in Stromversorgungseinrichtungen mit einem Spannungssteller. Ein Signal, das einen Strom durch die Stromversorgungseinrichtung repräsentiert, wird in einem Rückführungszweig über einen Analog/Digital-Wandler und für jede unerwünschte Frequenz über ein digitales Filter mit einer bestimmten Übertragungsfunktion sowie einen Regler geführt und negativ auf das Solleingangssignal des Spannungsstellers aufgeschaltet. Die spezielle Übertragungsfunktion besteht aus einem Quotienten, wobei im Zähler sowie im Nenner als Summand das Quadrat einer komplexen Variablen z und als weiterer Summand das Produkt der komplexen Variablen z mit einer Kosinusfunktion vorkommt.
DE 100 50 947 A1 beschreibt eine Einrichtung zur netzseitigen Regelung einer Zwischenkreisspannung, um unerlaubte Netzwirkungen von Harmonischen der Netzspannung auf den Zwischenkreis zu vermindern bzw. zu beseitigen. Die Einrichtung weist u. a. eine dynamische Filtereinrichtung auf. Ferner regelt eine Netzstromregeleinrichtung einen DC-Anteil im Netzstrom aus, indem er durch geeignete Filterung kompensiert wird. Die dynamische Filtereinrichtung befindet sich am Eingang der Einrichtung zur netzseitigen Regelung einer Zwischenkreisspannung, filtert die geradzahlige Harmonische der Grundschwingung aus der Zwischenkreisspannung und subtrahiert diese dann vom Istwert der Zwischenkreisspannung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers und umgekehrt bereitzustellen, die während des Umformerbetriebs im Stande ist, ungewollte Schwingungen (insbesondere Oberschwingungsfrequenzen) zu dämpfen und/oder zu vermeiden.
Ein weiteres Ziel ist es, ein entsprechendes Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers und umgekehrt bereitzustellen, so dass ungewollte Schwingungen gedämpft und/oder vermieden werden.
Die Vorrichtung und/oder das Verfahren sollte(n) insbesondere an Hochleistungsanwendungen wie Antriebsmotoren bei Bahnfahrzeugen oder wie Maschinen in industriellen Vorgängen angepasst werden.
Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Filterstruktur bereitzustellen, die stabil und im Hinblick auf wenigstens eine zu filternde Frequenz präzise ist und die vorzugsweise wenig Aufwand benötigt (insbesondere Rechenzeit und -ressourcen)
Es wird eine Anordnung zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers und/oder umgekehrt vorgeschlagen, wobei der Umformer mindestens ein elektrisches oder elektronisches Ventil zum wiederholten Unterbrechen und Schließen einer elektrischen Verbindung und dadurch zum Betreiben des Umformers aufweist, und wobei die Anordnung folgendes aufweist:

– eine Steuervorrichtung, die daran angepasst ist, den Betrieb des Umformers zu steuern, wobei die Steuervorrichtung daran angepasst ist, Steuersignale zum Umformer auszugeben, um mindestens ein Ventil ein- und auszuschalten;
– ein Steuersignalausgang zur Ausgabe der Steuersignale;
– ein Detektionssignaleingang zum Empfangen eines Detektionssignals von einer Detektionsvorrichtung, wobei das Detektionssignal einen Betriebszustand einer elektrischen Leitung auf der Primärseite des Umformers repräsentiert; und
– eine Filtervorrichtung zum Filtern des Detektionssignals, wobei die Filtervorrichtung daran angepasst ist, die Ausgabesignale der Steuervorrichtung zu beeinflussen;

Es wird weiter vorgeschlagen, ein Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers und/oder umgekehrt bereitzustellen, wobei

– ein Detektionssignal, das auf der Primärseite des Umformers ein Betriebszustand einer elektrischen Leitung repräsentiert, durch die Durchführung eines Filterungsprozesses gefiltert wird;
– das gefilterte Detektionssignal zur Steuerung des Umformerbetriebs genutzt wird; und
– der Filterungsprozess den Einsatz mindestens eines Kammfilters umfasst.

Das elektrische oder elektronisches Ventil kann jede steuerbare Vorrichtung oder jedes steuerbare Element sein, die/das zum Schließen (Einschalten) und zum Unterbrechen (Ausschalten) einer elektrischen Verbindung, zum Beispiel einer elektrischen Verbindung zwischen der Wechselstrom- und der Gleichstromseite eines Umformers, angepasst ist. Dies beinhaltet den Fall, in dem eine erste Verbindung geschlossen wird und eine zweite Verbindung durch den gleichen Betätigungsprozess geöffnet wird. Das Ventil kann zum Beispiel ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ein GTO (Gate Turn-Off thyristor) sein.
Vorzugsweise wird der Betrieb des Umformers durch Impulssignale gesteuert, wobei die Impulssignale die Ausschaltung von mindestens einem Ventil bewirken. Insbesondere können Pulsweitenmodulationssignale (PWM) verwendet werden, wobei die Weite der PWM-Steuersignale unterschiedlich ist.
Die Steuervorrichtung kann eine separate Vorrichtung zur Steuerung des Umformerbetriebs sein. Allerdings wird es vorgezogen, dass die Steuervorrichtung Teil einer Steuerausstattung ist, die daran angepasst, weitere Funktionen wie die Steuerung anderer Vorrichtungen eines Bahnzugfahrzeuges verrichten. Die Steuervorrichtung oder wenigstens ein Teil davon kann durch Hard- und/oder Software implementiert werden. In jedem Fall kann es logische und/oder physikalische Einheiten zur Verrichtung einer oder mehr als einer der Funktionen der Steuervorrichtung geben. Der Kammfilter zum Beispiel kann eine der logischen Einheiten sein und durch Software implementiert sein, die zur Steuerung eines Betriebs einer zentralen Verarbeitungseinheit der Steuervorrichtung verwendet wird.
Vorzugsweise ist die Filtervorrichtung daran angepasst, Digitalsignale (digitale Filter) zu verarbeiten. Das digitale Eingangssignal kann durch das Abtasten eines analogen Signals erhalten werden, insbesondere eines Spannungssignals, das den Strom repräsentiert, der durch die elektrische Leitung auf der Primärseite des Umformers fließt.
Ein digitaler Kammfilter kann durch die folgende Gleichung definiert werden: y(n) = x(n) + gf·x(n – N) – gb·y(n – M), in der n eine Indexvariable (von ganzen Zahlen) einer Folge von Abtastwerten (zum Beispiel 20, 50 oder jede andere Anzahl von Abtastwerten können in Betracht gezogen werden, so dass 0 ≤ n ≤ 20 oder 50), wobei y(n) der Filterausgang des Indexes n ist, in der x(n) der Filtereingang des Indexes n (des Abtastwertes) ist, in der gf ein erster Filterparameter (der als Verstärkungsfaktor eines Vorwärtskoppelungs-Terms interpretiert werden kann) ist, in der gb ein zweiter Filterparameter (der als ein Verstärkungsfaktor eines Rückkopplungs-Terms interpretiert werden kann) und in der N und M positive ganze Zahlen sind (die als Verzögerungswerte interpretiert werden können). Da die Verarbeitung des digitalen Kammfilters von der Abtastfrequenz abhängt (oder von dem Zeitintervall zwischen aufeinander folgenden Abtastwerten), ist die Abtastfrequenz ein anderer Parameter des Filters.
8 der begleitenden Zeichnungen zeigt die Impulsantwort eines Beispiels für einen digitalen Kammfilter, in der gf = 0,125, gb = 0,729, N = 3 und M = 5 sind. Die Werte entlang der X-Achse sind diskrete Zeitwerte (Abtastwerte). Die Amplitude A der Impulsantwort variiert entlang des y-Achse des Diagramms. Das präzise und selektive Verhalten des Kammfilters kann man deutlich erkennen.
Folglich ist es möglich, eine geeignete Reihe von Parameter zu definieren, die es der Filtervorrichtung ermöglichen, eine spezifische Frequenz oder eine Mehrzahl von spezifischen Frequenzen, zum Beispiel die fünften, die siebten, die elften und/oder die dreizehnten Oberschwingungsfrequenzen der Basisfrequenz eines Wechselstromenergieversorgungsnetzes auf der Primärseite des Umformers zu filtern. Das präzise und selektive Verhalten hat den Vorteil, dass der Filter nicht auf die Resonanzfrequenzen reagiert, die an der Primärseite des Umformers vorkommen könnten und/oder die nahe an der/den zu filternden Frequenz oder Frequenzen liegen könnten. Es ist schwer oder nahezu unmöglich, solche Resonanzfrequenzen zu vermeiden und/oder zu kompensieren. Außerdem ist es nicht die Aufgabe der Steuerung des Umformers, dass Resonanzfrequenzen ausgefiltert oder kompensiert werden, da ihr Vorhandensein andere Gründe als den Umformerbetrieb hat. Ein weiterer Vorteil eines digitalen Kammfilters ist seine hohe Stabilität.
Wahlweise oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Anwendung kann der Kammfilter zu anderen Zwecken eingesetzt werden. Er kann zum Beispiel dazu verwendet werden, das Vorkommen mindestens einer Frequenz zu ermitteln, die für spezifische Zwecke wie Signalisierung in Bahnstromversorgungsnetzen vorbehalten ist. Im Falle solcher Vorkommnisse, können spezielle Maßnahmen (zum Beispiel die Reduzierung der Umformerleistung oder dessen Ausschalten) ergriffen werden.
Vorzugsweise ist der Kammfilter ein digitaler Filter und ist so angepasst, dass er Filtereingangswerte und/oder Filterausgangswerte einer beschränkten Anzahl einer Folge von aufeinander folgenden Rechenschritten verwendet. In jedem Rechenschritt wird ein einziger Filterausgangsmomentanwert berechnet.
Insbesondere werden bei der Berechnung des Filterausgangsmomentanwertes nur die Filtereingangs- und/oder Filterausgangswerte der letzten drei, vorzugsweise zwei, Rechenschritten verwendet.
Selbstverständlich kann der Ausgangswert von anderen Größen abhängen, wie zum Beispiel von Parametern und/oder konstanten Werten.
Der Kammfilter ist durch die folgende Gleichung charakterisiert: H(z) = a1·[1 – z^–2]/[1 – b1·z^–1 + b2·z^–2] in der a1, b1 und b2 die Parameter des Kammfilters bedeuten, in der z eine komplexe Variable ist, die diskreten Zeitwerten entspricht, in der H(z) die Übertragungsfunktion bezeichnet (die z-transformierte des Filterausgangssignals geteilt durch die z-transformierte des Filtereingangswertes), in der z^–n den z-Wert bedeutet, der dem n-ten diskreten Zeitwert vor dem Momentanzeitwert entspricht und in der n eine positive ganze Zahl (n = 1 und n = 2 in obigen Beschreibung) ist.
Zu praktischen Zwecken kann die Übertragungsfunktion in die Zeitdomäne zurücktransformiert werden und die folgende Gleichung zur Berechnung des Filterausgangsmomentanwertes verwendet werden: O(t) = a1·[I(t) – I(t^–2)] + b1·O(t^–1) – b2·O(t^–2) in der O(t) der Ausgangswert des Filters ist und von dem diskreten Zeitwert t abhängig ist, in der I(t) der Eingangswert des Filters ist und von der Zeit t abhängig ist und in der O(t^–n) und I(t^–n) den Ausgangs- oder Eingangswert bedeuten, die dem n-ten Rechenschritt vor dem momentanen Rechenschritt entsprechen. In anderen Worten: der Ausgangswert jedes Rechenschrittes ist nur vom Eingangsmomentanwert I(t), dem Eingangswert I(t^–2) des zweitletzten Rechenschrittes vor dem gegenwärtigen Rechenschritt und von den Ausgangswerten O(t^–1), O(t^–2) der zwei letzten Rechenschritte vor dem gegenwärtigen Rechenschritt abhängig. Insbesondere ist I(t) ein Eingangswert, der dem gemessenen Leitungsstrom auf der Primärseite des Umformers entspricht.
Ein Vorteil dieser am meisten vorgezogenen Ausführung der Erfindung liegt in der Tatsache, dass Kalkulationen leicht und mit besonders wenig Aufwand durchgeführt werden können. Die Rechenzeit für ein wiederholtes Berechnen des Filterausgangsignals ist kurz. Eine rekursive Kalkulation ist nicht nötig. Deshalb kann diese Aufgabe von einer Verarbeitungseinheit der Steuervorrichtung durchgeführt werden, ohne andere Aufgaben zu verzögern. Ferner wird im Vergleich zu Kammfiltern im Allgemeinen viel weniger Speicherplatz gebraucht, um das digitale Filter durchzuführen. Nur ein vorhergehender Eingangswert, zwei vorhergehende Ausgangswerte und ein Eingangsmomentanwert werden zur Berechnung des Ausgangswertes verwendet. Ferner ist es möglich, eine Reihe von Filterparametern für den Kammfilter zu verwenden, wobei eine kleine Änderung der Parameter nicht zu bedeutenden Änderungen im Filterungverhalten des Kammfilters führt. In der Praxis wurde einer Genauigkeit, die durch die Verwendung digitaler Binärzahldarstellungen von 12 Bits der Parameter a1, b1 und b2 erhalten werden kann, nachgewiesen, dass sie ausreichte.
Wie schon vorher angemerkt, hängt das Filtrierverhalten des digitalen Kammfilters von den Zeitintervallen zwischen den Abtastwerten und der Eingangsvariable ab. Deswegen kann ein Eingangssignal des Kammfilters durch Abtasten des Detektionssignals erhalten werden. Mindestens einer der Parameter a1, b1 und b2 ist auf die Abtastfrequenz eingestellt und/oder hängt von dieser ab. Während der ganzen Lebenszeit des Umformers oder über eine Zeitspanne hinweg sollten die Abtastfrequenz und mindestens einer der Parameter a1, b1 und b2, der auf die Abtastfrequenz eingestellt ist und/oder von ihr abhängt, konstant gehalten werden.
Mindestens einer der Parameter a1, b1 und b2 kann so gewählt werden, dass der Kammfilter auf selektive Filterung einer spezifischen Frequenz eingestellt ist, insbesondere einer Oberschwingungsfrequenz einer Basiswechselstromfrequenz eines Wechselstroms, der durch eine elektrische Leitung auf der Primärseite des Umformers fließt.
Insbesondere wird eine Vielzahl von Kammfiltern kombiniert, wobei ein erster Kammfilter darauf eingestellt wird, mindestens eine spezifische Frequenz, die sich von mindestens einer spezifischen Frequenz eines zweiten Kammfilters unterscheidet, selektiv zu filtern. Zum Beispiel kann der erste Kammfilter daran angepasst sein, die fünfte Oberschwingungsfrequenz einer Basiswechselstromversorgungsnetzfrequenz zu filtern und der zweite Kammfilter kann daran angepasst sein, die siebte Oberschwingungsfrequenz der Basisfrequenz zu filtern.
Die Vielzahl der Kammfilter kann parallel zueinander angeordnet sein, d. h. dass das gleiche Eingangssignal von den Kammfiltern genutzt werden kann. Das Ausgangssignal kann addiert oder anderweitig kombiniert werden. Da die Rechenzeit und der Aufwand zur Berechnung des Ausgangssignals gering sind, können alle Ausgangssignale der verschiedenen Kammfilter innerhalb desselben Arbeitszyklus von derselben Kalkulationsvorrichtung (zum Beispiel von demselben Mikroprozessor) berechnet werden.
Die Parameter b1 und b2 können so definiert sein, dass sie von einer (insbesondere nominalen) Basiswechselstromfrequenz eines Wechselstroms, der durch die elektrische Leitung auf der Primärseite des Umformers fließt, abhängen. Zusätzlich oder wahlweise können die Parameter b1 und b2 so definiert sein, dass sie von einer vorherbestimmten Genauigkeit der selektiven Filterung einer spezifischen Frequenz abhängen. Ferner können die Parameter a1 und b1 so definiert sein, dass sie von einer spezifischen Frequenz abhängen, die gefiltert werden soll, insbesondere einer Oberschwingungsfrequenz einer Basiswechselstromfrequenz eines Wechselstroms, der durch eine elektrische Leitung auf der Primärseite des Umformers fließt.
Nach einer spezifischen Ausführung können die Parameter b1 und b2 durch die folgende Gleichungen festgesetzt, definiert und/oder berechnet werden: b1 = 2·exp(–c·T)·cos(ωx·T) b2 = 2·exp(–2·c·T) in der c = 2·π·f0/(2·Q) und in der Q = f0/Δf sind.
In den Gleichungen bedeutet „exp” die natürliche exponentiale Funktion und „cos” die Kosinusfunktion, T ist das Zeitintervall zwischen den Abtastwerten der Eingangsvariablen des Filters, f0 ist eine Basisfrequenz (insbesondere die nominale Basisfrequenz des Wechselstromversorgungsnetzes, zum Beispiel 50 oder 60 Hz), ωx = 2·π·fx, worin fx die zu filternde Frequenz (insbesondere eine Oberschwingungsfrequenz der Basisfrequenz) und der Selektivitätswert Δf bestimmt den Grad des selektiven Filters der spezifischen Frequenz.
Vorzugsweise kann der Selektivitätswert Δf kleiner gewählt werden als 30 Hz. In Tests, die sich auf den Fall der Nutzung des Umformers zur Lieferung von elektrischer Energie zu einem Antriebsmotor eines Bahnfahrzeuges bezogen, wurden gute Resultate für den Selektivitätswert Δf im Intervall zwischen 18 Hz und 22 Hz, insbesondere 20 Hz, erzielt. Zum Beispiel kann die Basisfrequenz f0 60 Hz sein (wie es für typische Bahnstromversorgungsnetze der Fall ist), so dass Q = 3 ist.
Wenn mehr als eine Oberschwingungsfrequenz derselben Basisfrequenz filtriert werden soll, brauchen der Selektivitätswert Δf und die Basisfrequenz f0 nur einmal und für alle definiert werden. Der Parameter b1 verbleibt, um getrennt für die verschiedenen Oberschwingungsfrequenzen berechnet zu werden.
Besonders in diesem Fall ist der Parameter a1 fast unabhängig vom Selektivitätswert Δf, der Basisfrequenz f0 und der Oberschwingungsfrequenz fx. Parameter a1 hängt hauptsächlich von der Abtastrate ab. Er kann dazu verwendet werden, das Ausgangsfiltersignal einzustellen und dabei zu gewährleisten, dass das Ausgangssignal eine Wirkung auf die darauf folgende Signalverarbeitung ausübt. Auf der anderen Seite sollte der Parameter a1 nicht zu hoch gewählt werden, da unsteuerbare Anregungen des Filters vorkommen könnten. Innerhalb eines vergleichsweise großen Spielraums für die Ausgangssignalintensität kann der Parameter a1 variiert werden. In anderen Worten: Der Parameter a1 kann einfach als ein Verstärkungsfaktor interpretiert werden.
Wie man aus der den Parameter b1 definierenden Gleichung ersehen kann, hängt dieser von der zu filternden Frequenz ab. Im Gegensatz dazu ist der Parameter b2 von der spezifischen zu filternden Frequenz unabhängig. Dieser Parameter ist von der Basisfrequenz f0, von dem Selektivitätswert Δf und von der Abtastrate abhängig.

Beispiele für Parameterwerte werden in der folgenden Tabelle aufgelistet. Wie schon oben erwähnt, reicht eine Darstellung mit zwölf binären Ziffern, die den vier Dezimalziffern entspricht, aus:

Parameter a1	Parameter b1	Parameter b2	Abtastrate	Ordnung der Oberschwingungsfrequenz
0,015	–1,700	0,965	3,6 kHz	5
0,017	–1,460	0,965	3,6 kHz	7
0,030	–1,420	0,977	5,4 kHz	11
0,040	–1,217	0,977	5,4 kHz	13

Tabelle 1: Parameterwerte der verschiedenen Oberschwingungsfrequenzen

Für die elfte und dreizehnte Oberschwingungsfrequenz wurde eine höhere Abtastrate gewählt, da eine Abtastrate (und eine entsprechende Frequenz einer weiteren Verarbeitung der Abtastwerte) von 3,6 kHz nicht in einer präzisen Filterung und/oder Verarbeitung des Filterausgangs resultieren würde. Vorzugsweise wird die Verarbeitung der Abtastwerte bei mindestens der Frequenz der Abtastrate durchgeführt. Ferner wird es vorgezogen, dass die Abtastrate um einen Faktor von fünf bis zehn höher ist als die Basisfrequenz f0.
Das Ausgangssignal des Kammfilters kann auf verschiedene Weise genutzt werden. Insbesondere kann der Kammfilter so betrieben werden, dass er eine spezifische Frequenz aus dem Eingangssignal beseitigt oder dass er eine weite Bandbreite anderer Frequenzen aus dem Eingangssignal beseitigt und die spezifische Frequenz durchlässt.
Ein Ausgangssignal des Kammfilters, das mindestens eine zu filternde Frequenz darstellt, kann zum Beispiel dazu genutzt werden, den Steuerprozess des Umformerbetriebs direkt zu beeinflussen. D. h., dass das Ausgangssignal des Kammfilters als ein Eingangssignal der Steuereinheit der Steuervorrichtung genutzt werden kann. In diesem Fall ist ein anderes Eingangssignal der Steuereinheit das Detektionssignal. Mit dieser Ausführung kann die mindestens eine Frequenz vom Signal, das für die Steuereinheit Eingabe ist, beseitigt werden, wie z. B. durch Subtraktion des Kammfilterausgangssignals vom Detektionssignal.
Es wird vorgezogen, dass das Ausgangssignal des Kammfilters auf folgende Art und Weise verwendet wird: Der Kammfilter verarbeitet das Detektionssignal (oder ein vom Detektionssignal abgeleitetes Signal), und das Ausgangssignal des Kammfilters wird dann mit einem Ausgangssignal der Steuereinheit kombiniert. Diese Ausführung ermöglicht es, die Steuereinheit auf stabilere Art zu betreiben, da sie nicht vom Kammfilterausgangssignal beeinflusst wird. Sonst könnte es passieren, dass das Ausgangssignal des Kammfilters für Interferenzen anfällig ist oder zum Beispiel aufgrund einer Anregung des Kammfilters gestört werden könnte.
Die Filtervorrichtung kann einen Filter erster Ordnung beinhalten, wobei der Filter erster Ordnung in Reihe mit dem Kammfilter verbunden ist. Insbesondere ist ein Eingang des Filters erster Ordnung mit einem Signaleingang der Filtervorrichtung verbunden und ein Ausgang des Filters erster Ordnung direkt mit dem Eingang des Kammfilters verbunden. Diese Ausführung macht es weniger wahrscheinlich, dass der Kammfilter durch die Oberschwingungsfrequenzen der Kammfilterfrequenz, d. h. durch die Oberschwingungsfrequenzen der vom Kammfilter auszufilternden Frequenz angeregt wird. Im Falle des Ausfilterns von Oberschwingungsfrequenzen in einem Wechselstromversorgungsnetz (oder einer Verbindungsleitung zu einem Stromversorgungsnetz), kann der Filter erster Ordnung ein Tiefpassfilter sein, der eine Grenzfrequenz hat, die höher ist als die höchste Oberschwingungsfrequenz, die gefiltert werden soll (z. B. die dreizehnte Oberschwingungsfrequenz). Die Grenzfrequenz könnte zum Beispiel um eine Frequenzdifferenz von 4 bis 6 (idealerweise 5) mal des Selektivitätswerts Δf, der zuvor schon in Verbindung mit den Gleichungen oben definiert wurde, größer sein.
Wie schon zuvor erwähnt, könnte der Kammfilter daran angepasst sein, mindestens eine spezifische Frequenz zu filtern. Wenn diese spezifische Frequenz im Voraus bekannt ist, kann der Kammfilter einmal vor dem Betrieb vorbereitet und/oder eingestellt werden. Es ist allerdings wünschenswert, Frequenzen filtern zu können, die sich während des Betriebes ändern. Oberschwingungsfrequenzen zum Beispiel können sich aufgrund einer wechselnden Basisfrequenz ändern. In einer besonderen Ausführung wird mindestens eine Frequenz auf der Primärseite des Unformers erfasst (zum Beispiel durch die Analyse eines Stroms, der durch die elektrische Leitung auf der Primärseite fließt) und Filtriereigenschaften des Kammfilters werden so angepasst, dass er die erfasste Frequenz filtert. Insbesondere können die Parameter des oben genannten Kammfilters während des Umformerbetriebs eingestellt werden. In dieser Anordnung entspricht das einer Ausführung, die eine Frequenzdetektionsvorrichtung zur Erfassung eines Frequenzsignals umfasst. Ein Ausgang der Frequenzdetektionsvorrichtung wird mit einer Analysevorrichtung zur Analyse des Frequenzsignals und zur Bestimmung entsprechender Eigenschaften (insbesondere Parameter) des Kammfilters verbunden. Weiterhin kann eine Einstellungsvorrichtung, die mit der Analysevorrichtung kombiniert oder verbunden ist, zur Einstellung der Eigenschaften des Kammfilters zur Verfügung gestellt werden.
In einer spezifischen Ausführung kann die Detektionsvorrichtung, die zur Detektion des Stroms an der Primärseite des Umformers bereitgestellt wird, zur Detektion des Frequenzsignals verwendet werden. In anderen Worten, das normale Ausgangssignal der Detektionsvorrichtung kann analysiert werden, um die Filterungseigenschaften des Kammfilters einzustellen.
Ferner beinhaltet die vorliegende Erfindung:

– eine am Computer ladbare Datenstruktur, die daran angepasst ist, das Verfahren nach einer der Ausführungen, die in dieser Beschreibung beschrieben werden, durchzuführen, während die Datenstruktur auf einem Computer ausgeführt wird,
– ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm daran angepasst ist, das Verfahren nach einer der Ausführungen, die in dieser Beschreibung beschrieben werden, durchzuführen, während es am Computer ausgeführt wird,
– ein Computerprogramm, das Programmmittel zur Durchführung des Verfahrens nach einer der Ausführungen umfasst, die in dieser Beschreibung beschrieben werden, während das Computerprogramm am Computer oder in einem Computernetz ausgeführt wird,
– ein Computerprogramm, das Programmmittel nach dem vorhergehendem Anspruch umfasst, wobei die Programmmittel auf einem für einen Computer lesbaren Speichermedium gespeichert sind,
– ein Speichermedium, wobei eine Datenstruktur auf dem Speichermedium gespeichert ist und wobei die Datenstruktur daran angepasst ist, das Verfahren nach einer der Ausführungen, die in dieser Beschreibung beschrieben werden, auszuführen, nachdem sie in einen Haupt- und/oder Arbeitsspeicher eines Computers oder eines Computernetzes geladen worden ist, und
– ein Computerprogrammprodukt, das Programmcodemittel besitzt, wobei die Programmcodemittel auf einem Speichermedium zur Durchführung des Verfahrens nach einer der in dieser Beschreibung beschrieben Ausführungen gespeichert sind oder sein können, wenn die Programmcodemittel am Computer oder in einem Computernetz ausgeführt werden.

Insbesondere kann der Computer oder der in einem der Absätze zuvor genannte Teil des Computernetzes durch den Gebrauch einer Verarbeitungseinheit, insbesondere einer zentralen Verarbeitungseinheit der Steuervorrichtung verwirklicht werden. Wenigstens der Filterungsprozess kann von dem Computer oder dem Computernetz durchgeführt werden. Das Computerprogrammprodukt soll als ein Produkt verstanden werden, das eine verkäufliche und handelbare Ware ist.
Im Folgenden werden die bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen und durch Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen schematisch:
1 eine Anordnung zur Bereitstellung elektrischer Energie für eine elektrische Last, wobei eine Steuervorrichtung einen Umformerbetrieb steuert;
2 eine spezifische Ausführung einer Filtervorrichtung, die Teil der Steuervorrichtung von 1 sein kann;
3 eine beispielhafte Konstruktion des Umformers von 1;
4 Vorrichtungen und Einheiten, die zur Verarbeitung des Detektionssignals eines in 1 gezeigten Stromdetektors verwendet werden;
5 eine weitere Ausführung einer Filtervorrichtung, die Teil der Steuervorrichtung von 1 sein kann;
6 eine Ausführung einer Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung von Ausgangssignalen der Filtervorrichtung und einer in 1 gezeigten Steuervorrichtung;
7 eine Anordnung einer Vielzahl von Filtervorrichtungen; und
8 ein Diagramm, das eine Impulsantwort eines Kammfilters veranschaulicht.
1 zeigt eine Anordnung mit einem Umformer 11 und einer Steuervorrichtung 20. Der Stromumformer 11 ist mit einem Wechselstromversorgungsnetz 1 verbunden, das mit dem Stromumformer 11 durch eine Wechselstromverbindung 5 verbunden ist. Auf einer Gleichstromseite ist der Stromumformer 11 durch eine Gleichstromverbindung 8 mit einer elektrischen Belastung verbunden.
Die Gleichstromverbindung 6 kann zum Beispiel einen Gleichstromzwischenkreis umfassen. Besonders in diesem Fall kann ein Wechselrichter zum Wechselrichten des Gleichstroms in einen Wechselstrom bereitgestellt werden. Dieser Wechselstrom wird dann genutzt, um die elektrische Last 7 (z. B. eine elektrische Maschine) zu betreiben. Wie in 3 gezeigt, kann der Gleichstromzwischenkreis 12 eine erste 13a und eine zweite 13b Gleichstromverbindungsleitung und (nicht gezeigt) weitere Elemente und/oder Vorrichtungen wie einen Filterkreis und/oder mindestens einen Kondensator umfassen.
Wahlweise kann der Stromumformer 11 an seiner Gleichstromseite mit einem Gleichstromnetz wie etwa einem Gleichstromnetz zum Transport elektrischer Energie zu leichten Bahnfahrzeugen wie Straßenbahn- oder U-Bahnzüge verbunden sein. Die Verbindung des Gleichstromnetzes kann durch den Gleichstromzwischenkreis 12 verwirklicht werden.
Eine beispielhafte Konstruktion des Umformers 11, der in der in 1 gezeigten Anordnung gezeigt wird, wird nun in Bezugnahme auf 3 beschrieben. Der Umformer 11 ist ein Stromumformer, der zwei parallele Pfade umfasst, die die erste 13a und die zweite 13b Gleichstromverbindungsleitung des Gleichstromzwischenkreis 12 verbinden. Jeder der zwei Pfade umfasst eine Brücke 31a, 31b mit jeweils zwei elektronischen Ventilen 32a, 32b oder 32c, 32d (zum Beispiel GTOs oder IGBTs, die in Reihe miteinander verbunden sind. In jedem Fall ist eine der elektrischen Verbindungen der Wechselstromverbindung 5 mit einem Verbindungspunkt zwischen den zwei elektronischen Ventilen 32a, 32b oder 32c, 32d verbunden. Ferner ist in jedem Fall eine Diode 33a, 33b, 33c, 33d antiparallel mit den elektronischen Ventilen 32a, 32b, 32c, 32d verbunden. Eingangssignalleitungen der elektronischen Ventile 32a, 32b, 32c, 32d zum Empfang von PWM-Signalen wurden in 3 weggelassen. Die Eingangssignalleitungen können mit dem Steuersignalausgang der in 1 gezeigten Steuervorrichtung 20 verbunden werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in Verbindung mit 1 und 3 beschriebenen spezifischen Ausführungen beschränkt. Der Stromumformer kann zum Beispiel auch ein Gleichstrom/Gleichstrom-Umformer oder ein Wechselstrom/Wechselstrom-Direktumrichter sein.
Die Anordnung der 1 und/oder anderer Ausführungen können weitere Elemente und/oder Vorrichtungen umfassen. Obwohl ein Filterungsprozess von der in 1 zweiter unten mehr ins Detail gehend beschrieben) gezeigten Steuervorrichtung 20 durchgeführt werden kann, kann ein zusätzlicher Filterkreis bereitgestellt werden, zum Beispiel an der Wechselstromseite des Stromumformers 11.
In der Anordnung von 1 ist ein Stromsensor 3 zur Messung eines durch die Wechselstromverbindung 5 fließenden Stroms bereitgestellt. In Hochleistungsanwendungen wie Bahnziehfahrzeugen zum Beispiel kann die Stromsensorfunktion auf dem Prinzip der Stromerfassung durch Auswertung des magnetischen Feldes, das durch den Stromfluss hervorgerufen wird, basieren. Ein Beispiel für so einen Stromsensor 3 und eine entsprechende Anordnung zur Verarbeitung des Sensorsignals wird in 4 gezeigt. Der Stromsensor 3 erzeugt ein Stromsignal, das dem Strom entspricht, der durch die Wechselstromverbindung 5 fließt. Eine Signalleitung zur Ausgabe des Sensorsignals ist mit dem Strom-/Spannungswandler 41 zur Umformung des Stromsignals in ein Spannungssignal verbunden. Der Strom-/Spannungswandler 41 ist zur Filterung des Spannungssignals mit einem Filter 43 verbunden, um störende Signalteile zu beseitigen. Ein Ausgang des Filters 43 ist mit einem Eingang eines Verstärkers 45 zur Verstärkung des Spannungssignals verbunden. Ein Ausgang des Verstärkers 45 ist mit einem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 47 zur Digitalisierung des Spannungssignals verbunden. Das digitalisierte Signal kann zur digitalen Datenverarbeitung genutzt werden, die von einem Computer einer wie insbesondere in 1 gezeigten Steuervorrichtung 20 durchgeführt wird.
Wie 1 zeigt, umfasst die Steuervorrichtung 20 eine Eingangseinheit 40 zum Empfang eines Eingangssignals vom Stromsensor 3. Wenigstens einige oder alle Vorrichtungen 41, 43, 45, 47 der in 4 gezeigten Anordnung können zum Beispiel Teile der Eingangseinheit 40 sein. Ein vorzugsweise digitaler Ausgang der Einganseinheit 40 zur Ausgabe von digitalen Signalen wird mit einem Eingang einer Filtervorrichtung 50 und mit einem Eingang einer Hauptsteuereinheit 21 verbunden. Die Filtervorrichtung 50 kann einen digitalen Signalprozessor umfassen. Ein Ausgang der Filtervorrichtung 50 ist zur Verarbeitung und Kombinierung von Signalen und zur Ausgabe von Steuersignalen an den Umformer 11 mit einem ersten Eingang einer Verarbeitungseinheit 4 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 4 ist mit einem Signaleingang des Umformers 11 verbunden.
Eine Werteinstellungsvorrichtung 8 zur Einstellung des gewünschten Wertes eines Steuerprozesses, der durch die Hauptsteuereinheit 21 durchgeführt wird, ist mit einem Eingang der Hauptsteuereinheit 21 verbunden. Ein Ausgang der Hauptsteuereinheit 21 ist mit einem Eingang der Verarbeitungseinheit 4 verbunden.
Wie in 2 gezeigt, kann die Filtervorrichtung 50 einen Tiefpassfilter 52 umfassen, dessen Ausgang mit einem Eingang der Kammfiltereinheit 54 verbunden ist. Ferner, wie in 5 gezeigt, kann ein Ausgang der Kammfiltereinheit 54 mit einem Regler verbunden sein, zum Beispiel ein a P-(Proportional-) oder PI-(Proportional- und Integral-)Regler, der eine Reglereinheit 55 und eine Kombinierungseinheit 53 zur Kombinierung von Signalen auf einer Eingangsseite der Reglereinheit 55 des Reglers umfasst. Ein Ausgang der Reglereinheit 55 kann mit der Verarbeitungseinheit 4 verbunden werden.
Laut der in 6 gezeigten Ausführung umfasst die Verarbeitungseinheit 4 eine Kombinationsvorrichtung 61, dessen Eingangsseite mit der Hauptsteuereinheit 21 und mit der Filtervorrichtung 50 verbunden ist. Eine Ausgangsseite der Kombinationsvorrichtung 61 ist direkt mit einer Ausgangsvorrichtung 63 zur Ausgabe der Steuersignale zum Umformer 11 verbunden. Die Ausgangsvorrichtung 63 ist zum Beispiel ein Generator zur Erzeugung von PWM-Signalen.
Die Filtervorrichtung 50 kann eine Vielzahl von Kammfiltereinheiten 81 bis 84, die parallel zueinander angeordnet sind (7), umfassen. Insbesondere können anstatt der Kammfiltereinheit 54 von 2 und/oder 5 die Kammfiltereinheiten 81 bis 84 bereitgestellt werden. Jeder der Kammfiltereinheiten 81 bis 84 zum Beispiel kann daran angepasst werden, eine einzige sich von den Filterfrequenzen der anderen Kammfiltereinheiten unterscheidende Frequenz zu filtern. Die in 7 gezeigten vier Kammfiltereinheiten 81 bis 84 zu Beispiel können daran angepasst werden, die fünfte, siebte, elfte und dreizehnte Oberschwingungsfrequenz einer Basisfrequenz eines Stromversorgungsnetzes 1 zu filtern. Die Anzahl der Kammfiltereinheiten ist nicht auf vier beschränkt. Wenn die Anzahl zwei ist, kann zum Beispiel nur die fünfte und siebte Oberschwingungsfrequenz der Basisfrequenz gefiltert werden.
Im Folgenden wird der Betrieb der Steuervorrichtung 20 beschrieben. Während des Betriebs erzeugt der Umformer 11 Oberschwingungsfrequenzen, die eine Verzerrung des Leitungsstroms, der durch die Wechselstromverbindung 5 auf der Primärseite des Umformers 11 fließt, bewirken. Der Strom wird von einem Stromsensor 3 gemessen. Ein entsprechendes den Strom repräsentierendes Signal wird verarbeitet (Eingangseinheit 40) und der Hauptsteuereinheit 21 eingegeben. Laut der Einstellung der Werteinstellungsvorrichtung 8 steuert die Hauptsteuereinheit 21 den Betrieb des Umformers 11. Zum Beispiel kann das Ausgangssignal der Werteinstellungsvorrichtung 8 von der Spannung eines Zwischenkreislaufs auf der (Gleichstrom)Sekundärseite des Umformers 11 abhängen. Die Steuersignale, die von der Verarbeitungseinheit 4 ausgegeben werden, entsprechen dem Steuerbetrieb der Hauptsteuereinheit 21.
Theoretisch ist es möglich, die Filtervorrichtung 50 auszulassen und die Verstärkung der Hauptsteuereinheit 21 zu erhöhen, so dass jede relevante Abweichung des Umformerbetriebs vom gewünschten Betriebszustand vermieden werden kann. Insbesondere mag es erwünscht sein, dass der Strom, der durch die Wechselstromverbindung 5 fließt, eine sinusförmige Funktion der Zeit ist. Allerdings würde in der Praxis der erforderliche Verstärkungsfaktor in einem dramatisch unstabilen Steuerverhalten der Hauptsteuereinheit 21 resultieren.
Um dieses Problem zu lösen wird der Verstärkungsfaktor eingestellt, so dass das Steuerverhalten der Hauptsteuereinheit 21 im Bezug auf Schwankungen des Wechselstromversorgungsnetzes und im Bezug auf die Schwankungen der Last auf der Sekundärseite des Umformers stabil ist. Ferner wird die Filtervorrichtung 50 dazu genutzt, die vom Umformer 11 erzeugten Oberschwingungsfrequenzsignale zu kompensieren. Die Filtervorrichtung 50 empfängt das Eingangssignal, das dem Strom entspricht, der vom Stromsensor 3 gemessen wurde, und filtert die Frequenzkomponenten auf den gewünschten Oberschwingungsfrequenzen, z. B. die fünfte und siebte Oberschwingungsfrequenz (und/oder jede andere erwünschte Frequenz) heraus. Folglich gibt die Filtervorrichtung 50 ein Signal aus, das nur der/den erwünschten Frequenz oder Frequenzen (zum Beispiel Oberschwingungsfrequenzen) entspricht und das keine anderen Frequenzsignale enthält. Insbesondere ist die Basisfrequenz des Wechselstromenergieversorgungsnetzes am Ausgang der Filtervorrichtung 50 völlig beseitigt.
Im Falle der besten Betriebsart der Erfindung, kann das Filterungsverhalten der Filtervorrichtung 50 (oder von jeder ihrer Kammfiltereinheiten) durch die oben genannte Gleichung für die z-Transformation H(z) beschrieben werden. Entsprechende Parameter sind im Voraus gewählt worden und das Filterungsverhalten ist sehr genau und der/den erwünschten Frequenz oder Frequenzen nach selektiv.
Vorzugsweise sind alle Signale der Verarbeitungsschritte, der von der Filtervorrichtung 50 (und von der Hauptsteuereinheit 21) durchgeführt werden, digitale Signale. Die sinusförmige Funktion des Stroms, der durch die Wechselstromverbindung 5 fließt, wird durch eine Folge von aufeinanderfolgenden numerischen Werten, die den jeweiligen Amplituden an gleich weit entfernten Zeitpunkten entsprechen, dargestellt. Entsprechenderweise können die Oberschwingungsfrequenzen, die von der Kammfiltereinheit gefiltert werden, eine Folge von aufeinanderfolgenden numerischen Werten sein, die der jeweiligen Sinusfunktion mit der jeweiligen Oberschwingungsfrequenz entspricht. In Abhängigkeit von der Amplitude der Oberschwingungen auf der Primärseite eines Umformers 11, sind die numerischen Werte höher oder niedriger.
Es wird auch bevorzugt, das/die Ausgangsignal(e) der Filtervorrichtung 50 und das Ausgangssignal der Hauptsteuereinheit 21 als digitale Signale zu kombinieren vor der Erzeugung des Steuersignals, das zum Umformer 11 ausgegeben wird.
Wie in 5 gezeigt, wird der Ausgang der Kammfilters 54 (oder von jeder ihrer Kammfiltereinheiten 81 bis 84) zur Kombinierungsvorrichtung 53 übertragen und vom zusätzlichen Eingangswert subtrahiert (wie es durch den nach oben zeigenden Pfeil angedeutet ist). Dieser zusätzliche Eingangswert ist eine Konstante, vorzugsweise null, so dass das Vorzeichen des/r Signals/e geändert wird (ins minus oder ins plus). Das sich ergebende Signal (oder jedes der sich ergebenden Signale) ist Eingabe für die Steuereinheit 55 (oder für eine einzelne Steuereinheit einer Vielzahl von Steuereinheiten). Der integrierende Teil der Steuereinheit 55 wird (wenn zutreffend) in einer vollen Kompensierung der Oberschwingungsfrequenz in der Wechselstromverbindung 5 resultieren, auch wenn ein Offset vorliegt, der vom Stromsensor 3, von der Signalverarbeitung in der Steuervorrichtung 20 und/oder durch den Umformer hervorgerufen wird.
Das Ausgangssignal der Steuereinheit 55 (und, wenn zutreffend, der Steuereinheiten, die den anderen Kammfiltereinheiten entsprechen) wird zum Ausgangssignal der Hauptsteuereinheit 21 durch die Kombinationsvorrichtung 61 der Verarbeitungseinheit 4 hinzuaddiert. Dies wird vorzugsweise einfach durch das Addieren der entsprechenden numerischen Werte gemacht. Folglich werden die Steuersignale, die zum Betrieb des Umformers 11 genutzt werden, von dem/n Ausgangssignal(en) des/r Kammfiltereinheit(en) beeinflusst, so dass die Oberschwingungsfrequenz oder Oberschwingungsfrequenzen (oder jede andere zu filternde Frequenz) gedämpft oder beseitigt wird/werden.
Wahlweise kann/können die Steuereinheit 55 oder alle Steuereinheiten weggelassen und die Ausgangsignale der Kammfiltereinheit 54 oder aller Kammfiltereinheiten 81 bis 84 können mit dem Ausgangssignal der Hauptsteuereinheit 21 auf andere Weise kombiniert werden. Zum Beispiel können sie direkt von der Ausgabe der Hauptsteuereinheit subtrahiert werden.

Claims

Anordnung (1) zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers (11) und/oder umgekehrt, insbesondere zum Zweck von Lieferung elektrischer Leistung an eine Hochleistungsanwendung (7), z. B. zu einem Antriebsmotor eines Bahnfahrzeugs oder zu einer Maschine eines industriellen Vorganges, wobei der Umformer (11) mindestens ein elektrisches oder elektronisches Ventil (32) zum wiederholten Unterbrechen und Schließen einer elektrischen Verbindung und dadurch zum Betreiben des Umformers (11) aufweist und wobei die Anordnung folgendes aufweist: – eine Steuervorrichtung (20), die ausgestaltet ist, den Betrieb des Umformers (11) zu steuern, wobei die Steuervorrichtung (20) ausgestaltet ist, wiederholt Steuersignale zum Umformer (11) auszugeben, um mindestens ein Ventil (32) ein- und auszuschalten; – einen Steuersignalausgang zur Ausgabe der Steuersignale; – einen Detektionssignaleingang zum Empfangen eines Detektionssignals von einer Detektionsvorrichtung (3), wobei das Detektionssignal einen Betriebszustand einer elektrischen Leitung (5) auf der Primärseite des Umformers (11) repräsentiert; und – eine Filtervorrichtung (50) zum Filtern des Detektionssignals, wobei die Filtervorrichtung (50) ausgestaltet ist, die Ausgabesignale der Steuervorrichtung (20) zu beeinflussen; wobei die Filtervorrichtung (20) einen Kammfilter (54) aufweist, wobei der Kammfilter (54) durch die folgende Gleichung gekennzeichnet ist: H(z) = a1·[1 – z^–2]/[1 – b1·z^–1 + b2·z^–2] wobei a1, b1 und b2 Parameter des Kammfilters (54) bezeichnen, in der z eine komplexe Variable ist, die diskreten vom Kammfilter (54) zu verarbeitenden Zeitsignalen entspricht, wobei b1 und b2 ungleich null sind, wobei H(z) die Übertragungsfunktion des Kammfilters (54) bezeichnet, wobei z^–n den z-Wert bezeichnet, der dem n-ten diskreten Zeitwert vor dem momentanen Zeitwert entspricht und wobei n eine positive ganze Zahl ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Filtervorrichtung (50) einen Filter erster Ordnung (52) aufweist und wobei der Filter erster Ordnung (52) in Reihe mit dem Kammfilter (54) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anordnung die Detektionsvorrichtung (3) enthält und wobei die Detektionsvorrichtung (3) einen Stromsensor (3) aufweist, der so angeordnet ist, dass er einen Strom einer elektrischen Verbindung (5) auf der Primärseite des Umformers (11) misst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anordnung den Umformer (11) enthält und wobei der Umformer (11) ein Wechselstrom/Gleichstrom-Stromumformer ist, der ausgestaltet ist, einen Wechselstrom in einen Gleichstrom und/oder umgekehrt umzuformen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Primärseite des Umformers (11) eine Seite eines elektrischen Energieversorgungsnetzes (1), insbesondere eines Wechselstromnetzes ist.
Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite eines Umformers (11) und/oder umgekehrt, insbesondere zum Zweck von Lieferung elektrischer Leistung an eine Hochleistungsanwendung (7), z. B. zu einem Antriebsmotor eines Bahnfahrzeugs oder zu einer Maschine eines industriellen Prozesses, wobei der Umformer (11) mindestens ein elektrisches oder elektronisches Ventil (32) zum wiederholten Unterbrechen und Schließen einer elektrischen Verbindung und dadurch zum Betreiben des Umformers (11) aufweist und wobei – ein Detektionssignal, das auf der Primärseite des Umformers (11) einen Betriebszustand einer elektrischen Leitung (5) repräsentiert, durch die Durchführung eines Filterungsprozesses gefiltert wird; – das gefilterte Detektionssignal zur Steuerung des Betriebes des Umformers (11) genutzt wird; und – der Filterungsprozess mindestens teilweise von einem Kammfilter (54) durchgeführt wird, wobei der Kammfilter (54) durch die folgende Gleichung gekennzeichnet ist: H(z) = a1·[1 – z^–2]/[1 – b1·z^–1 + b2·z^–2] wobei a1, b1 und b2 Parameter des Kammfilters (54) bezeichnen, in der z eine komplexe Variable ist, die diskreten vom Kammfilter (54) zu verarbeitenden Zeitsignalen entspricht, wobei b1 und b2 ungleich null sind, wobei H(z) die Übertragungsfunktion des Kammfilters (54) bezeichnet, wobei z^–n den z-Wert bezeichnet, der dem n-ten diskreten Zeitwert vor dem momentanen Zeitwert entspricht und wobei n eine positive ganze Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Kammfilter (54) ein digitaler Filter ist und so ausgestaltet ist, dass er Filtereingangs- und/oder Filterausgangssignale von nur vier, vorzugsweise drei, aufeinanderfolgenden Rechenschritten verwendet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Eingangssignal des Kammfilters (54) durch Abtasten des Detektionssignals erhalten wird und wobei mindestens einer der Parameter a1, b1 und b2 auf eine Frequenz der Abtastung eingestellt wird und/oder von dieser Frequenz abhängt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Frequenz der Abtastung und mindestens einer der Parameter a1, b1 und b2, der auf die Frequenz der Abtastung eingestellt ist oder von ihr abhängt, über eine Zeitspanne hinweg konstant gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei mindestens einer der Parameter a1, b1 und b2 so gewählt wird, dass der Kammfilter (54) auf selektive Filterung einer spezifischen Frequenz eingestellt wird, insbesondere einer Oberschwingungsfrequenz einer Basiswechselstromfrequenz eines Wechselstroms, der durch die elektrische Leitung (5) auf der Primärseite des Umformers (11) fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, worin eine Mehrzahl von Kammfiltern (54) kombiniert wird und wobei ein erster Kammfilter (54) darauf eingestellt wird, mindestens eine spezifische Frequenz, die sich von mindestens einer spezifischen Frequenz eines zweiten Kammfilters unterscheidet, selektiv zu filtern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Parameter b1 und b2 so definiert werden, dass sie von einer Basiswechselstromfrequenz eines Wechselstroms, der durch eine elektrische Leitung (5) auf der Primärseite des Umformers (54) fließt, abhängen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Parameter b1 und b2 so definiert werden, dass sie von einer vorherbestimmten Genauigkeit, der selektiven Filterung einer spezifischen Frequenz abhängen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei der Parameter b1 so definiert ist, dass er von einer spezifischen zu filternden Frequenz abhängt, insbesondere einer Oberschwingungsfrequenz einer Wechselstromfrequenz eines Wechselstroms, der durch die elektrische Leitung (5) auf der Primärseite des Umformers (11) fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei der Filterungsprozess durch die Verarbeitung von digitalen Signalen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei das gefilterte Detektionssignal mit einem Ausgangssignal einer Steuervorrichtung (20) kombiniert wird, wobei die Steuervorrichtung (20) ausgestaltet ist, den Betrieb des Umformers (11) zu steuern, und wobei die kombinierten Signale dazu verwendet werden, Steuersignale, insbesondere Pulsweitenmodulationssignale, zur Steuerung des Betriebs des Umformers (11) zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei das Detektionssignal einem Wechselstrom entspricht, der durch die elektrische Leitung (5) auf der Primärseite des Umformers (11) fließt.
Computerprogramm, wobei das Computerprogramm ausgestaltet ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche durchzuführen, während das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
Speichermedium, wobei eine Datenstruktur auf dem Speichermedium gespeichert ist und wobei die Datenstruktur ausgestaltet ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, auszuführen, nachdem sie in einen Haupt- und/oder Arbeitsspeicher eines Computers oder eines Computernetzes geladen worden ist.