DE112014004715T5

DE112014004715T5 - Einrichtung und Verfahren zum Verringern von Oberschwingungen

Info

Publication number: DE112014004715T5
Application number: DE112014004715.5T
Authority: DE
Inventors: Firuz Zare
Original assignee: Danfoss Power Electronics AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: US10122165B2; EP2860864A1; US20160197473A1; CN105493370A; DE112014004715B4; CN105493370B; WO2015056122A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung werden Systeme und Verfahren zum Verringern von Oberschwingungen zum Beispiel bei Verwendung eines AC-AC-Umwandlers (52) zum Treiben einer Last (10), wie z B. eines Motorantriebs, geschaffen. Bei einer ersten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Lasttreiberschaltungen vorgesehen (52a–52c), die jeweils Strom aus einer 3-Phasen-Versorgung (2) entnehmen und eine AC-Last treiben, wobei jede der Lasttreiberschaltungen einen 3-Phasen-Gleichrichter aufweist, wobei die Gleichrichter der Lasttreiberschaltungen so gesteuert werden (54), dass die Gleichrichtung der AC-Versorgung mittels der Lasttreiberschaltungen gestaffelt ist. Bei einer zweiten Ausführungsform umfasst eine Lasttreiberschaltung eine elektronische Induktivität, die so ausgeführt ist, dass sie den DC-Zwischenkreis so steuert, dass der Strom, der von der Lasttreiberschaltung aus der AC-Versorgung (2) entnommen wird, ein gestuftes Profil aufweist. Die erste und die zweite Ausführungsform können kombiniert werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Verringern von Oberschwingungen in Energieversorgungssystemen, die zum Beispiel beim Treiben von nichtlinearen Lasten hervorgerufen werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine ideale AC-Energiequelle ist sinusförmiger Natur. Nichtlineare Lasten (wie z. B. Gleichrichter und Motorantriebe) tragen unterschiedliche Frequenzen in eine Energieversorgung ein. Diese unterschiedlichen Frequenzen werden Oberschwingungen genannt.
1 zeigt ein System, das generell mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, bei dem eine Last (wie z. B. ein Motor) unter der Steuerung eines Inverters getrieben wird. Das System 1 umfasst eine 3-Phasen-AC-Energiequelle 2, einen 3-Phasen-Gleichrichter 4, einen DC-Zwischenkreis-Abschnitt 6, einen Inverter 8 und eine Last 10. Der DC-Zwischenkreis-Abschnitt 6 weist einen DC-Zwischenkreis-Kondensator 12 auf. Eine erste Induktivität 14 ist zwischen einem ersten Ausgang des Gleichrichters 4 und einem ersten Anschluss des DC-Zwischenkreis-Kondensators 12 geschaltet. Eine zweite Induktivität 15 ist zwischen einem zweiten Ausgang des Gleichrichters 4 und einem zweiten Anschluss des DC-Zwischenkreis-Kondensators 12 geschaltet. Die Induktivitäten 14, 15 (die auf der DC-Seite des Gleichrichters 4 vorgesehen sind) werden manchmal als DC-Drosseln bezeichnet.
Wie auf dem Sachgebiet bekannt ist, wird die AC-Versorgungsspannung, die von der AC-Energiequelle 2 zur Verfügung gestellt wird, in eine DC-Spannung umgewandelt, welche über den DC-Zwischenkreis-Kondensator 12 auftritt. Der Inverter 8 wandelt das DC-Signal an dem DC-Zwischenkreis-Kondensator in ein steuerbares AC-Signal zum Treiben der Last 10 um (wobei dieses AC-Signal typischerweise hinsichtlich Amplitude, Phase und Frequenz steuerbar ist). Somit stellt das System 1 einen steuerbaren AC-AC-Umwandler zum Treiben der Last 10 bereit.
Sowohl der Gleichrichter 4 als auch der Inverter 8 sind nichtlineare Lasten. Entsprechend kann das System 1 beträchtliche Oberschwingungsströme hervorrufen, die in die AC-Versorgung 2 eingetragen werden. Die Induktivitäten 14 und 15 werden bereitgestellt, um eine Rückführung höherer Frequenzkomponenten (d. h. Oberschwingungen) zu der AC-Versorgung 2 zu verringern.
Die Verwendung von Induktivitäten zum Verringern von Oberschwingungen ist bekannt. Induktivitäten können jedoch groß und teuer sein, insbesondere wenn versucht wird, relativ niederfrequente Oberschwingungsströme zu filtern. Ferner können Induktivitäten bei höheren Strompegeln gesättigt werden. Es besteht weiterhin Bedarf an einem System, bei dem Oberschwingungsströme auf andere Weise verringert werden können.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die oben dargelegten Probleme behandelt. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind auf Motorantriebsanwendungen (wie z. B. die nachstehend beschriebenen Anwendungen) anwendbar. Die Prinzipien der Erfindung können jedoch auch auf viele andere Anwendungen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Induktionsheizung und Lichtbogenofensysteme, angewendet werden.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Lasttreiberschaltung (zum Beispiel zum Antreiben eines Motors) zur Verfügung gestellt, die umfasst:
einen Gleichrichter (wie z. B. einen 3-Phasen-Gleichrichter) mit einem Eingang, der mit einer AC-Versorgung (wie z. B. einer 3-Phasen-AC-Versorgung) gekoppelt ist; eine DC-Zwischenkreisstufe (mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Gleichrichters gekoppelt ist und typischerweise einen oder mehrere DC-Zwischenkreis-Kondensatoren aufweist, die eine DC-Zwischenkreis-Spannung aufrechterhalten); einen Inverter mit einem Eingang, der mit einem Ausgang der DC-Zwischenkreisstufe gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit einer Last gekoppelt ist, wobei der Inverter eine Ausgangsspannung der DC-Zwischenkreisstufe in ein Signal zum Treiben der Last (typischerweise unter der Steuerung eines Steuermoduls) umwandelt; und eine elektronische Induktivität (die zwischen dem Gleichrichter und der DC-Zwischenkreisstufe vorgesehen ist), die so ausgeführt ist, dass sie die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom der DC-Zwischenkreisstufe so steuert, dass der Strom, der von der Lasttreiberschaltung aus der AC-Versorgung entnommen wird, ein gestuftes Profil aufweist. Bei einer typischen Verwendung des Systems wird der DC-Zwischenkreis-Strom des (3-Phasen-)Gleichrichters (unter Verwendung der elektronischen Induktivität) gesteuert, um den Eingangsstrom des Gleichrichters zu steuern (d. h. des Stroms, der von dem Gleichrichter aus der AC-Versorgung entnommen wird).
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren, das das Steuern einer elektronischen Induktivität umfasst, die zwischen einem Gleichrichter und einer DC-Zwischenkreisstufe einer Lasttreiberschaltung so vorgesehen ist, dass die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom der DC-Zwischenkreisstufe so gesteuert werden, dass der Strom, der von der Lasttreiberschaltung aus einer 3-Phasen-AC-Versorgung entnommen wird, ein gestuftes Profil aufweist.
Bei vielen Ausführungsformen der Erfindung ist das gestufte Profil mathematisch äquivalent zu der Summe eines ersten, eines zweiten und eines dritten Impulses jeweils mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Phasenversatz. Insbesondere kann das gestufte Profil angegeben werden durch: Acos(n30) / nπ + Bcos(nα1) / nπ – Ccos(nα2) / nπ , wobei 30, α1 und α2 jeweils der erste, der zweite und der dritte Versatz sind. Es sei darauf hingewiesen, dass jede der Variablen A, B und C positiv oder negativ sein kann, so dass eine große Anzahl von Formen von gestuften Profilen durch die oben angegebene Formel beschrieben werden kann.
Bei vielen Ausführungsformen der Erfindung wird das gestufte Profil angegeben durch:
wobei I_dc1, I_dc2 und –I_dc2 die Amplituden des ersten, des zweiten und des dritten Impulses sind. Bei vielen Ausführungsformen der Erfindung sind die Variablen I_dc1 und I_dc2 beide positiv, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich; zum Beispiel kann eine von beiden (oder beide) Variablen negativ sein. Somit kann die Erzeugung des gestuften Profils sehr flexibel sein.
Durch mathematisches Ausdrücken der Oberschwingung ist es möglich, die Variablen der oben dargelegten Gleichungen so auszuwählen, dass spezielle Oberschwingungen verringert oder sogar eliminiert werden. Dies kann zum Verringern der Gesamt-Oberschwingungsverzerrung (total harmonic distortion – THD) verwendet werden, ohne dass große DC-Drosseln erforderlich sind.
Das gestufte Profil kann so geformt sein, dass bei einem Dreiphasensystem die Summe des gestuften Profils für jede der drei Phasen symmetrisch ist.
Das gestufte Profil kann einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweisen, wobei der erste und der zweite Abschnitt symmetrisch sind, der erste Abschnitt einen ersten Vorsprung und einen zweiten Vorsprung umfasst, wobei jeder Vorsprung eine Dauer θ aufweist, der erste Vorsprung zu einer Zeit β nach dem Beginn des Impulses startet, die Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Vorsprung 2β beträgt und die Zeit vom Ende des zweiten Vorsprungs bis zum Ende des Abschnitts des Impulses als β angegeben wird. Der zweite Abschnitt kann die Inverse des ersten sein (wodurch die Symmetrie des Impulses aufrechterhalten wird). Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung weisen der erste und der zweite Abschnitt des Impulses jeweils eine Dauer von 120 Grad auf, so dass 2β + θ = 60.
Die elektronische Induktivität kann so ausgeführt sein, dass mindestens eine Oberschwingungskomponente (wie z. B. die fünfte und/oder die siebte Oberschwingung) des Stroms, der aus der AC-Versorgung entnommen wird, eliminiert (oder minimiert) wird. Die elektronische Induktivität kann so ausgeführt sein, dass sie mehr als eine Oberschwingung minimiert oder eliminiert (obwohl das mathematisch nicht einfach ist).
Die Lasttreiberschaltung kann ferner ein LC-Filter zwischen der AC-Versorgung und dem/jedem Gleichrichter umfassen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ferner ein System zur Verfügung gestellt, das eine Vielzahl von Lasttreiberschaltungen umfasst, wobei jede der Lasttreiberschaltungen Strom aus einer 3-Phasen-AC-Versorgung entnimmt und eine AC-Last treibt, wobei jede der Lasttreiberschaltungen umfasst: einen Gleichrichter (wie z. B. einen 3-Phasen-Gleichrichter) mit einem Eingang, der mit der AC-Versorgung koppelt ist; eine DC-Zwischenkreisstufe mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Gleichrichters gekoppelt ist (und typischerweise einen oder mehrere DC-Zwischenkreis-Kondensatoren aufweist, die eine DC-Zwischenkreis-Spannung aufrechterhalten); und einen Inverter mit einem Eingang, der mit einem Ausgang der DC-Zwischenkreisstufe gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit der jeweiligen Last gekoppelt ist, wobei der Inverter eine DC-Zwischenkreis-Spannung in ein Signal zum Treiben der jeweiligen AC-Last (typischerweise unter der Steuerung eines Steuermoduls) umwandelt, wobei: jede DC-Zwischenkreisstufe eine elektronische Induktivität aufweist, die so ausgeführt ist, dass sie die (Ausgangs-)Spannung und/oder den (Ausgangs-)Strom der DC-Zwischenkreisstufe steuert; und die Gleichrichter der Lasttreiberschaltungen so angeordnet sind, dass die Gleichrichtung zumindest einiger der Lasttreiberschaltungen gestaffelt ist (wodurch die Oberschwingungsverzerrung an der AC-Versorgung verringert wird). Somit kann die Zeitsteuerung der Vielzahl von Gleichrichtern so gestaffelt sein, dass die Summe der Ströme, die aus der AC-Versorgung entnommen werden, einen niedrigeren Oberschwingungsgehalt aufweist als der Strom, der aus jeder der parallelen Lasttreiberschaltungen entnommen wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren geschaffen, das das Steuern von Gleichrichtern einer Vielzahl von Lasttreiberschaltungen umfasst, die parallel angeordnet sind, so dass die Gleichrichtung zumindest einiger der Lasttreiberschaltungen gestaffelt ist, wobei jede der Lasttreiberschaltungen umfasst: einen Gleichrichter, eine DC-Zwischenkreisstufe, einen Inverter und eine elektronische Induktivität, wobei die elektronische Induktivität so ausgeführt ist, dass sie die Ausgangspannung und/oder den Ausgangsstrom der DC-Zwischenkreisstufe steuert. Das Verfahren kann ferner das Steuern der elektronischen Induktivität jeder der parallelen Lasttreiberschaltungen so umfassen, dass der Strom, der von dieser Lasttreiberschaltung aus einer AC-Versorgung entnommen wird, ein gestuftes Profil aufweist. In der Tat kann das Verfahren jedes der Merkmale des oben dargelegten Verfahrens umfassen.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung treibt jeder der Vielzahl von Invertern eine andere Last.
Jede elektronische Induktivität kann so gesteuert werden, dass im Wesentlichen Rechteckwellen-Stromimpulse von der jeweiligen Lasttreiberschaltung aus der AC-Versorgung entnommen werden.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung sind die Gleichrichterschaltungen von zumindest einigen der Vielzahl von Lasttreiberschaltungen thyristorbasierte (oder SCR-basierte) Gleichrichter, bei denen die Thyristoren (oder SCRs) gesteuert werden, um die gestaffelte Gleichrichtung zu bieten.
Die Erfindung kann ferner ein Steuermodul zum Steuern der elektronischen Induktivitäten (insbesondere zum Steuern der Zeitsteuerungen der Gleichrichterimpulse) umfassen. Das Steuermodul kann ein zentrales Steuermodul für sämtliche elektronischen Induktivitäten sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein separates Steuermodul für jede elektronische Induktivität vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können zumindest einige der elektronischen Induktivitäten mit anderen elektronischen Induktivitäten in Kommunikation stehen.
Somit ist eine Anzahl von Steuerverfahren für die elektronischen Induktivitäten möglich. Bei einer Ausführungsform ist eine feste Phasenverschiebung zwischen unterschiedlichen elektronischen Induktivitäten vorgesehen. Alternativ können die Phasenverschiebungen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen variabel sein. Die Phasenverschiebungen können einstellbar sein, um die Gesamt-THD zu verringern oder um die Größe einer oder mehrerer spezieller Oberschwingung(en) zu steuern. Die Phasenverschiebungswerte können auf Lastbedingungen und/oder Energiepegeln basieren, die in einer Lookup-Tabelle gespeichert sind.
Die elektronischen Induktivitäten können so ausgeführt sein, dass sie die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom der DC-Zwischenkreisstufe so steuern, dass der Strom, der von der Lasttreiberschaltung aus der AC-Versorgung entnommen wird, ein gestuftes Profil aufweist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden schematischen Zeichnungen näher erläutert, in denen:
1 ein dem Stand der Technik entsprechendes System zeigt, bei dem eine Last unter der Steuerung eines Inverters getrieben wird;
2 eine Schaltung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem eine Last unter der Steuerung eines Inverters getrieben wird;
3 ein Blockschaltbild eines Systems gemäß mit einem Aspekt der Erfindung ist, bei dem mehrere Lasten getrieben werden;
4 Ergebnisse einer Simulation der Schaltung von 3 zeigt;
5 ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, bei dem mehrere Lasten getrieben werden;
6 die Erzeugung eines Impulses gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 weitere Details des Impulses von 6 zeigt;
8 ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, bei dem eine Last unter der Steuerung eines Inverters getrieben wird; und
9 ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, bei dem mehrere Lasten getrieben werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
2 zeigt eine Schaltung, die generell mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, bei der einige der Prinzipien der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung inkorporiert sind.
Die Schaltung 20 weist die 3-Phasen-AC-Versorgung 2, den 3-Phasen-Gleichrichter 4, den DC-Zwischenkreis-Kondensator 12, den Inverter 8 und die Last 10 auf, die oben mit Bezug auf das System 1 beschrieben worden sind. Die DC-Induktivitäten 14 und 15 entfallen jedoch, und eine elektronische Induktivität, die generell mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet ist, ist zwischen dem Gleichrichter 4 und dem DC-Zwischenkreis-Kondensator 12 vorgesehen.
Die elektronische Induktivität 22 (die per se bekannt ist) umfasst eine Induktivität 24, einen Schalter 26 und eine Diode 28. Der Schalter 26 wird typischerweise unter Verwendung eines Transistors (wie z. B. eines IGBT) implementiert. Die elektronische Induktivität kann wie gewünscht zum genauen Steuern von DC-Zwischenkreis-Spannung und -strom in einer Weise verwendet werden, die bei Verwendung eines Paars von DC-Induktivitäten nicht möglich ist. Insbesondere kann die elektronische Induktivität zum Steuern des DC-Zwischenkreis-Stroms verwendet werden, um den Strom zu steuern, der von dem Gleichrichter 4 aus der AC-Versorgung entnommen wird. Des Weiteren kann die elektronische Induktivität kleiner und (bei einigen Anwendungen) kostengünstiger ausgeführt sein als solche DC-Induktivitäten.
3 ist ein Blockschaltbild eines Systems, das generell mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist, bei dem eine erste Last 10a und eine zweite Last 10b parallel getrieben werden.
Die erste Last 10a wird von einer Schaltung getrieben, die die AC-Versorgung 2, einen 3-Phasen-Gleichrichter 4a, eine elektronische Induktivität 22a, einen DC-Zwischenkreis-Kondensator 12a und einen Inverter 8a umfasst. Auf im Wesentlichen gleiche Weise wird die zweite Last 10b von einer Schaltung getrieben, die die AC-Versorgung 2, einen 3-Phasen-Gleichrichter 4b, eine elektronische Induktivität 22b, einen DC-Zwischenkreis-Kondensator 12b und einen Inverter 8b umfasst. Somit werden sowohl die erste Last 10a als auch die zweite Last 10b von einer Schaltung getrieben, die der oben beschriebenen Schaltung 20 im Wesentlichen gleich ist.
4 zeigt Ergebnisse, die generell mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet sind, einer Simulation einer beispielhaften Verwendung der Schaltung von 3.
Die erste Zeile der Simulation 40 zeigt den Strom (der mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet ist), der von dem Gleichrichter 4a aus der AC-Versorgung entnommen wird. Wie auf dem Sachgebiet bekannt ist, entnimmt dann, wenn ein 3-Phasen-Diodengleichrichter in Zusammenhang mit einer AC-Energieversorgung verwendet wird, der Gleichrichter einen positiven Impuls von 120 Grad des 360-Grad-Zykus und einen negativen Impuls von 120 Grad des 360-Grad-Zyklus. Zwischen jedem positiven und negativen Impuls gibt es eine 60-Grad-Periode, bei der kein Strom von dem Rechteckwellen Stromimpuls aus der AC-Versorgung entnommen wird. Wie in 4 gezeigt ist, wird ein Rand des Stroms 42 aus einer frei wählbaren Referenzzeit 41 um eine Phase α₁ verschoben.
Die Form des Impulses in dem Strom 42 wird von der elektronischen Induktivität 22a bestimmt. Durch Steuern des Schaltens der elektronischen Induktivität 22a so, dass ein konstanter Strom von dem Gleichrichter 4a entnommen wird, wird der in 4 gezeigte Rechteckwellenimpuls 42 entnommen.
Die zweite Zeile der Simulation 40 zeigt den Strom (der mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnet ist), der von dem Gleichrichter 4b aus der AC-Versorgung entnommen wird. Wie bei dem Stromimpuls 42, entnimmt der Gleichrichter 4b einen positiven Impuls von 120 Grad des 360-Grad-Zykus und einen negativen Impuls von 120 Grad des 360-Grad-Zyklus. Wie in 4 gezeigt ist, wird ein Rand des Stroms 44 aus einer frei wählbaren Referenzzeit 41 um eine Phase α₂ verschoben. Der Gleichrichter 4b wird so gesteuert, dass der Impuls 44 relativ zu dem Impuls 42 verschoben wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Impuls 44 um 30 Grad relativ zu dem Impuls 42 verschoben (bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch andere Phasenverschiebungen verwendet werden).
Beide Stromimpulse 42 und 44 werden aus der AC-Versorgung 2 entnommen. Die dritte Zeile der Simulation 40 (die mit dem Bezugszeichen 46 bezeichnet ist) zeigt die Summe der Ströme 42 und 44, die aus der AC-Versorgung 2 entnommen werden. Der Strom 46 kann wie folgt ausgedrückt werden (wobei i_n der Strom 46 ist):
Es ist eindeutig, dass der Strom 46 sinusförmiger ist als die Ströme 42 und 44. Entsprechend weist der Strom 46 eine geringere Oberschwingungsverzerrung auf als die Ströme 42 und 44, die jeweils von den Gleichrichtern 4a und 4b entnommen werden.
Ein mathematisches Modellieren der Schaltung 30 hat gezeigt, dass dann, wenn die Lasten 10a und 10b die gleiche Energie aus der AC-Versorgung 2 entnehmen und die Gleichrichter so gesteuert werden, dass sie identische Stromwellenformen aufweisen mit der Ausnahme einer Phasenverschiebung (z. B. einer 30-Grad-Phasenverschiebung), die Gesamt-Oberschwingungsverzerrung (THD) für das System 30 (das keine AC-Drossel auf der Eingangsseite der Gleichrichter aufweist) ungefähr 17 % für einen weiten Bereich von Lastschwankungen beträgt. Durch das Vorsehen einer 1-mH-AC-Drossel auf der Eingangsseite jedes Gleichrichters wird die THD auf ungefähr 6 % verringert. Obwohl eine Verallgemeinerung schwierig ist, kann die oben beschriebene dem Stand der Technik entsprechende Schaltung 1 eine THDi von 45 % oder sogar noch mehr aufweisen (obwohl dieser Wert stark von Variablen, wie z. B. Induktivitätsgrößen und Lastleistungen, abhängig ist). Somit kann das System 30 zum beträchtlichen Verringern der Oberschwingungsverzerrung verwendet werden.
Die oben beschriebene Gleichrichterschaltung 4 würde typischerweise unter Verwendung einer Diodenbrückenschaltung implementiert werden. Durch Ersetzen der Dioden in der Diodenbrückenschaltung durch siliziumgesteuerte Gleichrichter (silicon controlled rectifiers – SCRs) oder Thyristoren kann eine Gleichrichterschaltung erzeugt werden, bei der die Phase gesteuert werden kann. Entsprechend kann ein thyristorbasierter Gleichrichter zum Bieten der Phasenverschiebungsfunktionalität der oben beschriebenen 3-Phasen-Gleichrichter 4a und 4b verwendet werden.
Das oben beschriebene System 30 weist zwei Lasten auf, die parallel arbeiten und die so gesteuert werden, dass die Oberschwingungsverzerrung verringert wird. Es ist offensichtlich, dass die Prinzipien der Erfindung auf jede Anzahl von Lasten angewendet werden können. 5 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild eines Systems, das generell mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist, bei dem die AC-Versorgung zum Treiben von drei Lasten (die oben beschriebenen Lasten 10a und 10b und eine dritte Last 10c) verwendet wird. Das System 50 umfasst einen ersten AC-AC-Umwandler 52a (der den Gleichrichter 4a, die elektronische Induktivität 22a, den DC-Zwischenkreis-Kondensator 12a und den Inverter 8a, die oben beschrieben worden sind, enthält), der die erste Last 10a treibt, und einen zweiten AC-AC-Umwandler 52b (der den Gleichrichter 4b, die elektronische Induktivität 22b, den DC-Zwischenkreis-Kondensator 12b und den Inverter 8b, die oben beschrieben worden sind, enthält), der die zweite Last 10c treibt. Ein dritter AC-AC-Umwandler 52c ist zum Treiben der dritten Last 10c vorgesehen.
Das System 50 umfasst des Weiteren ein Steuermodul 54, das zum Steuern der relativen Phasen der AC-AC-Umwandler 52a, 52b und 52c verwendet wird.
Das System 50 kann so ausgeführt sein, dass es eine feste Phasenverschiebung zwischen den AC-AC-Umwandlern aufweist (zum Beispiel kann der zweite AC-AC-Umwandler 52b eine Phasenverschiebung von 15 Grad relativ zu dem ersten AC-AC-Umwandler 52a aufweisen und kann der dritte AC-AC-Umwandler 52c eine Phasenverschiebung von 30 Grad relativ zu dem ersten AC-AC-Umwandler aufweisen). Durch Vorsehen eines Steuermoduls 54 ist es jedoch möglich, unterschiedliche Phasenverschiebungen zu definieren oder sogar variable Phasenverschiebungen zu ermöglichen, und zwar in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Systems 50.
Zum Beispiel kann in dem Fall, in dem die Lasten 10a, 10b und 10c beträchtlich unterschiedliche Ströme entnehmen, die optimale Phasenverschiebung zwischen den AC-AC-Umwandlern zum Maximieren der THD-Verringerung nicht 15 Grad betragen. Das System 50 ist ausreichend flexibel, um in der Lage zu sein, die Phasenverschiebung zum Maximieren der THD-Verringerung einzustellen oder die Größe einer ausgewählten Oberschwingung zu steuern.
Das System 50 umfasst das Vorsehen eines zentralen Steuermoduls 54. Dies ist nicht bei sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung unbedingt erforderlich. In dem Fall, in dem eine dynamische Einstellung der Phasenverschiebung nicht erforderlich ist, kann die Phasenverschiebung voreingestellt werden, so dass kein Steuermodul nötigt sein kann. Ferner umfasst eine alternative Ausführungsform der Steuerung, dass die AC-AC-Umwandlermodule miteinander statt über das zentrale Steuermodul 54 kommunizieren. Ein Fachmann kennt viele Steuerungsanordnungen, die vorgesehen sein können. Zum Beispiel das Verwenden von willkürlich gewählten Phasenverschiebungswerten für mehrfach unabhängige Treibersysteme oder das Verwenden von Phasenverschiebungswerten, die auf der Basis von Lastbedingungen und/oder Energiepegeln unter Verwendung einer Lookup-Tabelle bestimmt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf dem Vorsehen von mehreren parallelen Einheiten zum Verringern der Oberschwingungsverzerrung, die in eine Energieversorgung eingetragen wird. Dieser Effekt wird durch Summieren von Rechteckimpulsen erreicht, die gestaffelt sind, um die Gesamt-Oberschwingungskomponente des summierten Impulses zu verringern.
Der Erfinder hat festgestellt, dass die Oberschwingungskomponenten durch Formen der aus einer 3-Phasen-AC-Versorgung entnommenen Impulse selbst in Situationen verringert werden können, in denen ein einzelner Inverter und eine einzelne Last verwendet werden.
6 zeigt einen Impuls, der generell mit dem Bezugszeichen 62 bezeichnet ist, welcher bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus der 3-Phasen-AC-Quelle entnommen werden kann. Der Impuls 62 kann als Summe eines ersten Impulses 64, eines zweiten Impulses 66 und eines dritten Impulses 68, die auch in 7 gezeigt sind, modelliert sein.
Der erste Stromimpuls 64 (i_{n_1}) kann definiert sein als:
Der zweite Stromimpuls 66 (i_{n_2}) kann definiert sein als:
Der dritte Stromimpuls 68 (i_{n_3}) kann definiert sein als:
Der Gesamtimpuls 62 (i_n) ist einfach die Summe der Impulse 64, 66, und 68 und kann wie folgt ausgedrückt werden:
Der Impuls 62 ist flexibel und kann durch Steuern der Variablen I_dc1, I_dc2, α1 und α2 eingestellt werden.
Die Grund-Eingangsstrom-Größe und deren Oberschwingungen können aus der Gleichung i_n berechnet werden.
Durch mathematisches Ausdrücken spezieller Oberschwingungen ist es möglich, die Variablen der Gleichung (d. h. I_dc1, I_dc2, α1 und α2) so auszuwählen, dass die Oberschwingungen verringert (oder sogar eliminiert) werden können. Zum Beispiel können eine oder mehrere der 5. und der 7. Oberschwingung auf null verringert werden, wie nachstehend diskutiert wird. Durch Manipulieren der aus der AC-Versorgung entnommenen Stromimpulse zum Verringern der Oberschwingungen kann die Oberschwingungsverzerrung, die in die Energieversorgung eingetragen wird, verringert werden, ohne dass große DC-Induktivitäten erforderlich sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei dem oben beschriebenen Beispiel sowohl I_dc1 als auch I_dc2 positiv sind. Dies ist nicht unbedingt erforderlich. Zum Beispiel kann I_dc2 negativ sein. Dies ergibt eine größere Anzahl von Möglichkeiten zum Erzeugen der Stromwellenformen.
Die folgenden Gleichungen zeigen, dass wir in der Lage sein können, die 5. und die 7. Oberschwingung zu entfernen und den gewünschten Laststrom zu erzeugen. Die nichtlineare Gleichung sollte jedoch gelöst werden, um einen Referenzstrom für den DC-Strom zu ermitteln. Die erste Stufe ist das Ermitteln des Grundstromwerts aus der vorstehenden Gleichung.
Die anderen Gleichungen können auf der Basis einer Aufhebung von Oberschwingungen niedriger Ordnung definiert werden:
Das Lösen der ersten Gleichung (i₅) würde dazu führen, dass die fünfte Oberschwingung null ist. Das Lösen der zweiten Gleichung (i₇) würde dazu führen, dass die siebte Oberschwingung null ist. Das Lösen beider Gleichungen gleichzeitig (wenn dies mathematisch möglich ist) würde dazu führen, dass sowohl die fünfte als auch die siebte Oberschwingung null ist.
7 zeigt weitere Details des Impulses 62 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der in 7 gezeigte Impuls 62 ist so geformt, dass sichergestellt ist, dass Impulse in einem Dreiphasensystem (in dem drei Impulse um 120 Grad voneinander beabstandet vorgesehen sind) symmetrisch sind. Der in 7 gezeigte Impuls 62 führt zu gewissen mathematischen Einschränkungen, die beim Lösen der oben dargelegten Oberschwingungs-Gleichungen verwendet werden können.
Der gesamte positive Impuls 62 ist ein 120-Grad-Impuls. Dies ist ein Erfordernis des Gleichrichtungsprozesses, bei dem der Impuls zu verwenden ist (wie oben diskutiert worden ist). Der Impuls 62 weist eine gestufte Form mit zwei symmetrischen Vorsprüngen auf, die in 7 mit 72 und 73 bezeichnet sind. Wie in 7 gezeigt ist, ist die Zeit vom Beginn des Impulses bis zum Beginn des ersten Vorsprungs durch β angegeben, dauert jeder Vorsprung eine Zeit θ, ist die Zeit zwischen den zwei Vorsprüngen durch 2β angegeben und ist die Zeit vom Ende des zweiten Vorsprungs bis zum Ende des Impulses durch β angegeben.
Da der gesamte Impuls eine Dauer von 120 Grad aufweist, kann angegeben werden, dass: 120 = β + θ + β + β + θ + β = 4β + 2θ
Dies kann auf die folgende einfache Einschränkung der oben dargelegten Oberschwingungsaufhebungs-Gleichungen reduziert werden: 2β + θ = 60.
8 ist ein Blockschaltbild eines Systems, das generell mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnet ist, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das System 80 umfasst die AC-Versorgung 2, den 3-Phasen-Gleichrichter 4, die elektronische Induktivität 22, den DC-Zwischenkreis-Kondensator 12, den Inverter 8 und die Last 10, die oben mit Bezug auf das System 20 beschrieben worden sind. Ein Steuermodul 23 ist mit der elektronischen Induktivität 22 gekoppelt und wird zum Steuern von DC-Zwischenkreis-Spannung und -strom verwendet, so dass die gewünschte Impulsform (die oben mit Bezug auf 6 und 7 beschrieben worden ist) von dem Gleichrichter 4 aus der AC-Versorgung 2 entnommen wird. Durch Auswählen der Variablen I_dc1, I_dc2, α1 und α2 ist es möglich, eine oder mehrere Oberschwingungen (wie z. B. die fünfte und die siebte Oberschwingung, wie oben beschrieben worden ist) zu minimieren oder zu eliminieren.
Ein optionales LC-Filter 82 ist auf der AC-Seite des Eingangsgleichrichters 4 zum Ausfiltern einer ausgewählten Oberschwingungsfrequenz vorgesehen. Zum Beispiel kann die Impulsform so gewählt werden, dass die fünfte und die siebte Oberschwingung verringert werden, wobei das LC-Filter so ausgewählt ist, dass es die elfte Oberschwingung verringert.
9 ist ein Blockschaltbild eines Systems, das generell mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet ist. Das System 90 kombiniert die Prinzipien des Systems 50 (bei dem die AC-AC-Umwandler-Phasen gestaffelt sind) und des Systems 80 (bei dem der von einem AC-Umwandler bereitgestellte Impuls geformt ist).
Das System 90 umfasst die 3-Phasen-AC-Versorgung 2, die erste Last 10a, die zweite Last 10b und die dritte Last 10c, die oben mit Bezug auf 5 beschrieben worden sind. Das System 50 umfasst einen ersten AC-AC-Umwandler 92a (der ein Beispiel des Gleichrichters 4, der elektronischen Induktivität 22, des Steuermoduls 23, des DC-Zwischenkreis-Kondensators 12 und des Inverters 8 enthält, die oben mit Bezug auf 8 beschrieben worden sind), der die erste Last 10a treibt, und einen zweiten AC-AC-Umwandler 52b (der ebenfalls ein Beispiel des Gleichrichters 4, der elektronischen Induktivität 22, des Steuermoduls 23, des DC-Zwischenkreis-Kondensators 12 und des Inverters 8 enthält, die oben beschrieben worden sind), der die zweite Last 10b treibt, und einen dritten AC-AC-Umwandler 52c (der ebenfalls ein Beispiel des Gleichrichters 4, der elektronischen Induktivität 22, des Steuermoduls 23, des DC-Zwischenkreis-Kondensators 12 und des Inverters 8 enthält, die oben beschrieben worden sind), der die dritte Last 10c treibt.
Das System 90 umfasst des Weiteren ein Steuermodul 94, das zum Steuern der relativen Phasen der AC-AC-Umwandler 52a, 52b und 52c verwendet wird und daher dem oben beschriebenen Steuermodul 54 im Wesentlichen gleich ist. Selbstverständlich kann das Steuermodul 94 entfallen und kann die Steuerfunktionalität auf jede geeignete Weise bereitgestellt werden (zum Beispiel unter Verwendung einer voreingestellten Funktionalität oder durch Ermöglichen, dass die verschiedenen AC-AC-Umwandler in der Lage sind, miteinander zu kommunizieren). Ferner sind in 9 zwar drei Lasten gezeigt, die Prinzipien der Erfindung können jedoch auf Systeme mit jeder Anzahl von Lasten angewendet werden.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können in vielen Situationen angewendet werden und sind flexibel. Zum Beispiel betrachte man ein Containerschiff mit vielen (vielleicht Hunderten von) Containern, die Kühlmodule aufweisen, welche von einem Motorantrieb gesteuert werden. Die Gleichrichter der verschiedenen Container können so angeordnet sein, dass sie bei unterschiedlichen Phasen arbeiten, um das Oberschwingungsrauschen zu verringern, das in die Energieversorgung eingetragen wird. Des Weiteren können einige oder sämtliche der Container so ausgeführt sein, dass sie die aus der Energieversorgung entnommenen Stromimpulse formen, um das Oberschwingungsrauschen weiter zu verringern. Ferner können ein oder mehrere Filteranordnungen vorgesehen sein, um das Oberschwingungsrauschen noch weiter zu verringern.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind nur beispielhaft dargelegt worden. Ein Fachmann erkennt viele Modifikationen, Veränderungen oder Ersetzungen, die durchgeführt werden können, ohne dass dadurch vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Zum Beispiel weisen zwar die Systeme, die oben mit Bezug auf 5 und 9 beschrieben worden sind, drei Lasten auf, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind jedoch auch auf Systeme anwendbar, die jede Anzahl von Lasten enthalten. Die Patentansprüche der vorliegenden Erfindung decken sämtliche solcher Modifikationen, Veränderungen oder Ersetzungen ab, die in das Wesen und den Schutzumfang der Erfindung fallen.

Claims

Lasttreiberschaltung, die umfasst: einen 3-Phasen-Gleichrichter mit einem Eingang, der mit einer 3-Phasen-AC-Versorgung gekoppelt ist; eine DC-Zwischenkreisstufe; einen Inverter mit einem Eingang, der mit einem Ausgang der DC-Zwischenkreisstufe gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit einer Last gekoppelt ist, wobei der Inverter eine Ausgangsspannung der DC-Zwischenkreisstufe in ein Signal zum Treiben der Last umwandelt; und eine elektronische Induktivität, die so ausgeführt ist, dass sie die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom der DC-Zwischenkreisstufe so steuert, dass der Strom, der von der Lasttreiberschaltung aus der AC-Versorgung entnommen wird, ein gestuftes Profil aufweist.
Lasttreiberschaltung nach Anspruch 1, wobei das gestufte Profil mathematisch äquivalent ist zu der Summe eines ersten, eines zweiten und eines dritten Impulses jeweils mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Phasenversatz.
Lasttreiberschaltung nach Anspruch 2, wobei das gestufte Profil angegeben ist durch: Acos(n30) / nπ + Bcos(nα1) / nπ – Ccos(nα2) / nπ , wobei 30, α1 und α2 jeweils der erste, der zweite und der dritte Versatz sind.
Lasttreiberschaltung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das gestufte Profil angegeben ist durch:
wobei I_dc1, I_dc2 und –I_dc2 die Amplituden des ersten, des zweiten und des dritten Impulses sind.
Lasttreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gestufte Profil so geformt ist, dass bei einem Dreiphasensystem die Summe des gestuften Profils für jede der drei Phasen symmetrisch ist.
Lasttreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gestufte Profil einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste und der zweite Abschnitt symmetrisch sind, der erste Abschnitt einen ersten Vorsprung und einen zweiten Vorsprung umfasst, wobei jeder Vorsprung eine Dauer θ aufweist, der erste Vorsprung zu einer Zeit β nach dem Beginn des Impulses startet, die Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Vorsprung 2β beträgt und die Zeit vom Ende des zweiten Vorsprungs bis zum Ende des Abschnitts des Impulses durch β angegeben ist.
Lasttreiberschaltung nach Anspruch 6, wobei der erste und der zweite Abschnitt des Impulses jeweils eine Dauer von 120 Grad aufweist, so dass 2β + θ = 60.
Lasttreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Induktivität so ausgeführt ist, dass mindestens eine Oberschwingung des aus der AC-Versorgung entnommenen Stroms eliminiert wird.
System, das eine Vielzahl von Lasttreiberschaltungen umfasst, wobei jede der Lasttreiberschaltungen Strom aus einer 3-Phasen-AC-Versorgung entnimmt und eine AC-Last treibt, wobei jede der Lasttreiberschaltungen umfasst: einen 3-Phasen-Gleichrichter mit einem Eingang, der mit der AC-Versorgung gekoppelt ist; eine DC-Zwischenkreisstufe mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Gleichrichters gekoppelt ist; und einen Inverter mit einem Eingang, der mit einem Ausgang der DC-Zwischenkreisstufe gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit der jeweiligen Last gekoppelt ist, wobei der Inverter eine DC-Zwischenkreis-Spannung in ein Signal zum Treiben der jeweiligen AC-Last umwandelt, wobei: jede DC-Zwischenkreisstufe eine elektronische Induktivität aufweist, die so ausgeführt ist, dass sie die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom der DC-Zwischenkreisstufe steuert; und die Gleichrichter der Lasttreiberschaltungen so angeordnet sind, dass die Gleichrichtung zumindest einiger der Lasttreiberschaltungen gestaffelt ist.
System nach Anspruch 9, wobei jeder der Vielzahl von Invertern eine andere Last treibt.
System nach Anspruch 9 oder 10, wobei jede elektronische Induktivität so gesteuert wird, dass im Wesentlichen Rechteckwellen-Stromimpulse von der jeweiligen Lasttreiberschaltung aus der AC-Versorgung entnommen werden.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Gleichrichter zumindest einiger der Vielzahl von Lasttreiberschaltungen thyristorbasierte Gleichrichter sind, bei denen die Thyristoren gesteuert werden, um die gestaffelte Gleichrichtung zu bieten.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das ferner ein Steuermodul zum Steuern der elektronischen Induktivitäten umfasst.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei zumindest einige der elektronischen Induktivitäten mit anderen elektronischen Induktivitäten in Kommunikation stehen.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei jede der Lasttreiberschaltungen eine Lasttreiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.
Verfahren, das das Steuern einer elektronischen Induktivität umfasst, die so zwischen einem 3-Phasen-Gleichrichter und einer DC-Zwischenkreisstufe einer Lasttreiberschaltung vorgesehen ist, dass die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom der DC-Zwischenkreisstufe so gesteuert werden, dass der Strom, der von der Lasttreiberschaltung aus einer 3-Phasen-AC-Versorgung entnommen wird, ein gestuftes Profil aufweist.
Verfahren, das das Steuern von Gleichrichtern einer Vielzahl von Lasttreiberschaltungen umfasst, die parallel angeordnet sind, so dass die Gleichrichtung zumindest einiger der Lasttreiberschaltungen gestaffelt ist, wobei jede der Lasttreiberschaltungen umfasst: einen 3-Phasen-Gleichrichter, eine DC-Zwischenkreisstufe, einen Inverter und eine elektronische Induktivität, wobei die elektronische Induktivität so ausgeführt ist, dass sie die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom der DC-Zwischenkreisstufe steuert.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Steuern der elektronischen Induktivität jeder der parallelen Lasttreiberschaltungen so umfasst, dass im Wesentlichen Rechteckwellen-Stromimpulse von der jeweiligen Lasttreiberschaltung aus der AC-Versorgung entnommen werden.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Steuern der elektronischen Induktivität jeder der parallelen Lasttreiberschaltungen so umfasst, dass der Strom, der von dieser Lasttreiberschaltung aus einer 3-Phasen-AC-Versorgung entnommen wird, ein gestuftes Profil aufweist.