DE102021205550A1 - Method and device for determining at least one state variable of an intermediate circuit capacitor of an inverter and for operating an inverter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Zustandsgröße eines Zwischenkreiskondensators (15) eines Wechselrichters (15), wobei ein Eingangsstrom (i0) an einem Zwischenkreis hochfrequent erfasst wird, wobei Ausgangsströme (ia, ib, ic) an Ausgängen von Halbbrücken (A,B,C) des Wechselrichters (10) hochfrequent erfasst werden, wobei ein Kondensatorstrom (iZK) als Zustandsgröße des Zwischenkreiskondensators (15) ausgehend von dem erfassten Eingangsstrom (i0) und den erfassten Ausgangsströmen (ia, ib, ic) bestimmt und bereitgestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (10) sowie jeweils zugehörige Vorrichtungen (1, 50).The invention relates to a method for determining at least one state variable of an intermediate circuit capacitor (15) of an inverter (15), with an input current (i0) being detected at high frequency in an intermediate circuit, with output currents (ia, ib, ic) at the outputs of half bridges (A, B, C) of the inverter (10) are detected at high frequency, with a capacitor current (iZK) being determined and provided as a state variable of the intermediate circuit capacitor (15) based on the detected input current (i0) and the detected output currents (ia, ib, ic). The invention also relates to a method for operating an inverter (10) and associated devices (1, 50).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen mindestens einer Zustandsgröße eines Zwischenkreiskondensators eines Wechselrichters. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Wechselrichters.The invention relates to a method and a device for determining at least one state variable of an intermediate circuit capacitor of an inverter. Furthermore, the invention relates to a method and a device for operating an inverter.
Bei einem Pulswechselrichter, beispielsweise einem dreiphasigen Zweipunktwechselrichter, mit Gleichspannungszwischenkreis hängen Oberschwingungen bezüglich Strom und Spannung des Zwischenkreiskondensators von einer Schaltfrequenz (welche auch als Taktfrequenz bezeichnet werden kann) der Pulsdauer-Modulation ab. Die Oberschwingungen sinken hierbei, näherungsweise linear, mit einer zunehmenden Schaltfrequenz. Der Zwischenkreiskondensator lässt sich bezüglich seiner Verlustmechanismen durch einen effektiv wirksamen Serienwiderstand modellieren. Ein Zwischenkreisstrom ist mittelwertfrei und durch Oberschwingungen überlagert. Um die Verlustleistung in dem Zwischenkreiskondensator zu ermitteln, muss ein Kondensatoreffektivstromwert gebildet werden. Dieser sieht u.a. eine Quadrierung des zeitlichen Stromverlaufs vor, was verdeutlicht, dass große Amplituden der Oberschwingungen deutliche Verlustanteile erzeugen. Mit steigender Schaltfrequenz des Pulswechselrichters nehmen die Oberschwingungsverluste des Zwischenkreiskondensators und somit dessen Erwärmung ab.In a pulse-controlled inverter, for example a three-phase two-level inverter, with a DC voltage intermediate circuit, harmonics with regard to the current and voltage of the intermediate circuit capacitor depend on a switching frequency (which can also be referred to as clock frequency) of the pulse duration modulation. The harmonics decrease in this case, approximately linearly, with an increasing switching frequency. With regard to its loss mechanisms, the intermediate circuit capacitor can be modeled by an effectively effective series resistance. An intermediate circuit current has no mean value and is overlaid with harmonics. In order to determine the power loss in the intermediate circuit capacitor, a capacitor effective current value must be formed. Among other things, this provides for a squaring of the current curve over time, which makes it clear that large amplitudes of the harmonics produce significant losses. With increasing switching frequency of the pulse-controlled inverter, the harmonic losses of the intermediate circuit capacitor and thus its heating decrease.
Mit einer Zunahme der Schaltfrequenz erhöhen sich jedoch, näherungsweise linear, die Schaltverluste von getakteten Leistungshalbleitern des Pulswechselrichters. Seit kurzem sind Leistungshalbleiter in Silizium-Carbid-Technik (SiC) verfügbar, welche die folgenden vorteilhaften Eigenschaften aufweisen: Die Leistungshalbleiter können deutlich schnellere Schaltvorgänge (-100 kHz) umsetzen und generieren hierdurch geringere Schaltverluste. Somit kann bei einer gleichen mittleren Verlustleistung eine deutlich größere Schaltfrequenz gewählt werden. Die Leistungshalbleiter halten darüber hinaus (im Vergleich zu Si-MOSFETs oder IGBTs (~175°C)) deutlich größere interne Sperrschichttemperaturen aus (~300°C). Eine größere interne Sperrschichttemperatur ermöglicht gegenüber der Außentemperatur / einem Kühlsystem einen größeren Temperaturgradienten, wodurch das Abführen einer größeren Verlustleistung vereinfacht und verbessert ist.With an increase in the switching frequency, however, the switching losses of clocked power semiconductors of the pulse-controlled inverter increase, approximately linearly. Power semiconductors in silicon carbide technology (SiC) have recently become available, which have the following advantageous properties: The power semiconductors can implement significantly faster switching processes (-100 kHz) and thus generate lower switching losses. A significantly higher switching frequency can thus be selected for the same average power loss. The power semiconductors also withstand (compared to Si-MOSFETs or IGBTs (~175°C)) significantly higher internal junction temperatures (~300°C). A larger internal junction temperature enables a larger temperature gradient compared to the outside temperature/a cooling system, which simplifies and improves the dissipation of a larger power loss.
Da die SiC-Leistungshalbleiter eine größere Sperrschichttemperatur tolerieren, ergibt sich die Möglichkeit einer stärkeren Überlastung/Überlastfähigkeit des Pulswechselrichters. Von Nachteil ist hier jedoch, dass sich der Zwischenkreiskondensator gleichzeitig über den Kondensatorstromeffektivwert erwärmt, aber im Vergleich zu den SiC-Leistungshalbleitern keine deutlich größere Temperatur toleriert. Bei SiC-Wechselrichtern ist somit der Zwischenkreiskondensator aufgrund der geringeren Temperaturtoleranz eine Schwachstelle. Der Kondensatorstromeffektivwert lässt sich nicht unmittelbar messen, da das Einbringen einer induktiven Messeinrichtung in Reihe zu dem Zwischenkreiskondensator zu negativen Resonanzeigenschaften in dem Zwischenkreis führt.Since the SiC power semiconductors tolerate a higher junction temperature, there is the possibility of a greater overload/overload capacity of the pulse-controlled inverter. The disadvantage here, however, is that the intermediate circuit capacitor simultaneously heats up via the effective value of the capacitor current, but does not tolerate a significantly higher temperature compared to the SiC power semiconductors. With SiC inverters, the intermediate circuit capacitor is a weak point due to the lower temperature tolerance. The effective value of the capacitor current cannot be measured directly, since the introduction of an inductive measuring device in series with the intermediate circuit capacitor leads to negative resonance properties in the intermediate circuit.
Aus B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA, 2016, S. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318, ist ein Verfahren zur Totzeitkompensation bekannt.From B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA, 2016, pp. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318, a method for dead time compensation is known.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen mindestens einer Zustandsgröße eines Zwischenkreiskondensators eines Wechselrichters zu schaffen.The invention is based on the object of creating a method and a device for determining at least one state variable of an intermediate circuit capacitor of an inverter.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by a method having the features of patent claim 1 and a device having the features of patent claim 9 . Advantageous configurations of the invention result from the dependent claims.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Zustandsgröße eines Zwischenkreiskondensators eines Wechselrichters zur Verfügung gestellt, wobei ein Eingangsstrom an einem Zwischenkreis hochfrequent erfasst wird, wobei Ausgangsströme an Ausgängen von Halbbrücken des Wechselrichters hochfrequent erfasst werden, wobei ein Kondensatorstrom als Zustandsgröße des Zwischenkreiskondensators ausgehend von dem erfassten Eingangsstrom und den erfassten Ausgangsströmen bestimmt und bereitgestellt wird.In particular, a method for determining at least one state variable of an intermediate circuit capacitor of an inverter is provided, with an input current at an intermediate circuit being detected at high frequency, with output currents at outputs of half bridges of the inverter being detected at high frequency, with a capacitor current as a state variable of the intermediate circuit capacitor based on the detected Input current and the detected output currents is determined and made available.
Ferner wird insbesondere eine Vorrichtung zum Bestimmen mindestens einer Zustandsgröße eines Zwischenkreiskondensators eines Wechselrichters geschaffen, umfassend eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, einen hochfrequent an einem Zwischenkreis erfassten Eingangsstrom zu empfangen, hochfrequent an Ausgängen von Halbbrücken des Wechselrichters erfasste Ausgangsströme zu empfangen, und einen Kondensatorstrom als Zustandsgröße des Zwischenkreiskondensators ausgehend von dem erfassten Eingangsstrom und den erfassten Ausgangsströmen zu bestimmen und bereitzustellen.Furthermore, in particular a device for determining at least one state variable of an intermediate circuit capacitor of an inverter is created, comprising a control device, wherein the control device is set up to receive an input current detected at high frequency in an intermediate circuit, to receive output currents detected at high frequency at outputs of half bridges of the inverter, and to determine and provide a capacitor current as a state variable of the intermediate circuit capacitor based on the detected input current and the detected output currents.
Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, mindestens eine Zustandsgröße des Zwischenkreiskondensators zu bestimmen. Dies erfolgt, indem ein Eingangsstrom eines Zwischenkreises hochfrequent erfasst wird. Der Eingangsstrom ist insbesondere ein Strom, der dem Zwischenkreis von außen, insbesondere von einer elektrischen Energiequelle, zugeführt wird. Weiter werden Ausgangströme von Halbbrücken hochfrequent erfasst. Die Ausgangsströme dienen hierbei insbesondere zum Speisen einer elektrischen Maschine. Das hochfrequente Erfassen der Ströme bedeutet insbesondere, dass die Ströme überabgetastet erfasst werden. Insbesondere bedeutet dies, dass eine Frequenz der Abtastung deutlich größer ist als eine Modulationsfrequenz des Wechselrichters, insbesondere um einen Faktor 10, 100 oder 1000 größer.The method and the device make it possible to determine at least one state variable of the intermediate circuit capacitor. This is done by detecting an input current of an intermediate circuit at high frequency. The input current is in particular a current that is supplied to the intermediate circuit from outside, in particular from an electrical energy source. Furthermore, output currents from half-bridges are recorded at high frequency. In this case, the output currents serve in particular to feed an electrical machine. The high-frequency detection of the currents means in particular that the currents are detected oversampled. In particular, this means that a sampling frequency is significantly greater than a modulation frequency of the inverter, in particular greater by a factor of 10, 100 or 1000.
Der Wechselrichter ist insbesondere als Pulswechselrichter ausgebildet. Beispielsweise kann der Wechselrichter ein dreiphasiger Zweipunktwechselrichter sein. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Topologien möglich. Der Wechselrichter dient insbesondere als Antriebsumrichter zum Speisen einer elektrischen Maschine.The inverter is designed in particular as a pulse-controlled inverter. For example, the inverter can be a three-phase two-level inverter. In principle, however, other topologies are also possible. The inverter is used in particular as a drive converter for feeding an electrical machine.
Die Ströme werden insbesondere mittels einer hierfür geeigneten Sensorik, insbesondere mittels Stromsensoren an dem Zwischenkreis bzw. an den Ausgängen bzw. Strängen der Halbbrücken, erfasst und bereitgestellt. Die hochaufgelöst erfassten Ausgangströme können insbesondere dazu verwendet werden, zu einer mittensynchronen Abtastung äquivalente Werte der Ausgangsströme bzw. Strangströme zu erzeugen. Durch das hochaufgelöste Erfassen kann insbesondere ein Rauschen in den äquivalenten Werten verbessert herausgefiltert werden, sodass insbesondere ein Signal-zu-Rauschverhältnis verbessert werden kann.The currents are recorded and provided in particular by means of a sensor system suitable for this purpose, in particular by means of current sensors on the intermediate circuit or on the outputs or strands of the half-bridges. The output currents recorded with high resolution can be used in particular to generate values of the output currents or phase currents that are equivalent to a center-synchronous sampling. As a result of the high-resolution detection, noise in the equivalent values in particular can be filtered out in an improved manner, so that in particular a signal-to-noise ratio can be improved.
Es ist in dieser Offenbarung stets nur ein Zwischenkreiskondensator genannt. Es kann jedoch grundsätzlich auch vorgesehen sein, dass der Zwischenkreis mehrere Zwischenkreiskondensatoren umfasst. Die jeweiligen Ausführungen gelten dann analog.Only one intermediate circuit capacitor is always mentioned in this disclosure. In principle, however, it can also be provided that the intermediate circuit comprises a plurality of intermediate circuit capacitors. The respective explanations then apply analogously.
Die Steuereinrichtung kann einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind. Die Steuereinrichtung umfasst insbesondere mindestens eine Recheneinrichtung und mindestens einen Speicher.The control device can be designed individually or combined as a combination of hardware and software, for example as program code that is executed on a microcontroller or microprocessor. However, it can also be provided that parts are designed individually or combined as an application-specific integrated circuit (ASIC) or field-programmable gate array (FPGA). In particular, the control device comprises at least one computing device and at least one memory.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die hochfrequent erfassten, insbesondere überabgetasteten, Ströme, und gegebenenfalls auch andere Größen, mittels eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes (FPGA) ausgewertet werden. Ein feldprogrammierbares Gatterfeld ermöglicht eine hochfrequente Signalerfassung und Signalverarbeitung. Hochfrequent soll hierbei insbesondere bedeuten, dass ein zugehöriger Frequenzbereich oberhalb einer Modulationsfrequenz einer Pulsdauermodulation des Pulswechselrichters liegt. Insbesondere bezeichnet hochfrequent eine um einen Faktor 10, bevorzugt um einen Faktor 100, besonders bevorzugt um einen Faktor 1000 größere Frequenz im Vergleich zu der Modulationsfrequenz. Ist eine Modulationsfrequenz beispielsweise 20 kHz, so ist eine Frequenz der Signalerfassung und Signalverarbeitung des feldprogrammierbaren Gatterfeldes beispielsweise 1 MHz. Durch die parallele Signalverarbeitung eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes kann dieses mit Vorteil hochfrequent (insbesondere -MHz) abgetastete Größen verarbeiten. Durch die hochfrequente Abtastung lassen sich Abtast- bzw. Aliasing-Effekte als Störgrößen im Signal reduzieren. Eventuelle Rauschanteile der Sensorik können im feldprogrammierbaren Gatterfeld digital gefiltert werden, sodass ein sehr großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis für die digitale Weiterverarbeitung bereitgestellt werden kann. Im Vergleich dazu ist ein Mikrocontroller (z.B. DSP) deutlich weniger geeignet, um hochfrequente Signale zu verarbeiten, da die erfassten Werte des DSP jeweils vom erfassenden internen Analog-Digital-Wandler (ADC) zum Prozessorkern transportiert und verarbeitet werden müssen, was zu signallaufzeitbedingten und vorverarbeitungsbedingten Verzögerungen beim Auswerten führt. Bei einem feldprogrammierbaren Gatterfeld stehen die erfassten Werte des ADC den Logikeinheiten stattdessen unmittelbar, das heißt in Echtzeit, zur Verfügung. Auch können mit feldprogrammierbaren Gatterfeldern kostengünstige ADCs ohne weitere Maßnahmen ausgewertet werden, welche einen hochfrequenten digitalen Datenstrom (Bitstrom) erzeugen können, z.B. Delta-Sigma-Wandler. Das feldprogrammierbare Gatterfeld ist insbesondere Teil eines System-on-Chip (SoC).In particular, it is provided that the high-frequency detected, in particular oversampled, currents, and possibly also other variables, are evaluated by means of a field-programmable gate array (FPGA). A field-programmable gate array enables high-frequency signal acquisition and signal processing. In this case, high-frequency should mean in particular that an associated frequency range is above a modulation frequency of a pulse duration modulation of the pulse-controlled inverter. In particular, high-frequency denotes a frequency that is higher by a factor of 10, preferably by a factor of 100, particularly preferably by a factor of 1000, compared to the modulation frequency. If a modulation frequency is 20 kHz, for example, then a frequency of the signal detection and signal processing of the field-programmable gate array is 1 MHz, for example. Due to the parallel signal processing of a field-programmable gate array, this can advantageously process high-frequency (in particular -MHz) sampled quantities. Due to the high-frequency sampling, sampling or aliasing effects can be reduced as disturbance variables in the signal. Any noise components of the sensors can be digitally filtered in the field-programmable gate array, so that a very high signal-to-noise ratio can be provided for further digital processing. In comparison, a microcontroller (e.g. DSP) is significantly less suitable for processing high-frequency signals, since the recorded values of the DSP have to be transported and processed by the internal analog-to-digital converter (ADC) to the processor core, which leads to propagation delay-related and delays in evaluation due to preprocessing. With a field-programmable gate array, the sensed values of the ADC are instead available to the logic units immediately, that is, in real time. Inexpensive ADCs that can generate a high-frequency digital data stream (bit stream), e.g. delta-sigma converters, can also be evaluated with field-programmable gate arrays without further measures. In particular, the field-programmable gate array is part of a system-on-chip (SoC).
Das feldprogrammierbare Gatterfeld kann insbesondere ein zur Laufzeit partiell (d.h. teilweise) umkonfigurierbares feldprogrammierbares Gatterfeld sein. Hierdurch ist das feldprogrammierbare Gatterfeld insbesondere updatefähig. Das Umkonfigurieren erfolgt insbesondere im Wege der partiellen Umkonfiguration, bei der nur ein Teil des Gatterfeldes zur Laufzeit umkonfiguriert bzw. umprogrammiert wird, andere Teile des Gatterfeldes jedoch ihre jeweilige Konfiguration bzw. Programmierung beibehalten. Das Umkonfigurieren wird insbesondere mittels einer Konfigurationssteuerung durchgeführt, welche das Umkonfigurieren durchführt und überwacht. Die Konfigurationssteuerung kann mittels eines DSPs oder der Steuereinrichtung der Vorrichtung bereitgestellt werden. Zum Umkonfigurieren des mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfelds können insbesondere Verfahren zur automatischen Codegenerierung eingesetzt werden, wie beispielsweise der „Xilinx System Generator for DSP“, welcher sowohl eine Quellcode-Modellierung als auch eine Funktionsanalyse automatisiert durchführen kann. Der „System Generator for DSP“ ermöglicht beispielsweise die Modellierung von FPGA-Funktionen in einer Matlab Simulink-Umgebung, sodass die Eigenschaften gegenüber weiteren Simulink-Funktionsblöcken getestet werden können. Durch die automatische Codegenerierung kann sichergestellt werden, dass sich das feldprogrammierbare Gatterfeld identisch zur Simulink-Modellierung verhält. Eine Konfiguration eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes umfasst insbesondere Anweisungen, mit denen das feldprogrammierbare Gatterfeld derart programmiert werden kann, dass mittels des programmierten (bzw. konfigurierten oder umkonfigurierten) Teils des feldprogrammierbaren Gatterfeldes eine bestimmte Funktionalität zur Datenverarbeitung bereitgestellt werden kann. Vorliegend umfasst eine solche Funktionalität insbesondere das Durchführen von Maßnahmen der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren.The field-programmable gate array can in particular be a field-programmable gate array that can be partially (ie partially) reconfigured at runtime. As a result, the field-programmable gate array can be updated in particular. The reconfiguration takes place in particular by way of partial reconfiguration, in which only part of the gate array is reconfigured or reprogrammed at runtime, but other parts of the gate array retain their respective configuration or programming. The reconfiguration is carried out in particular by means of a configuration control which carries out and monitors the reconfiguration. the Configuration control may be provided by a DSP or the device controller. Methods for automatic code generation can be used to reconfigure the at least one field-programmable gate field, such as the “Xilinx System Generator for DSP”, which can automatically carry out both source code modeling and a functional analysis. For example, the "System Generator for DSP" enables the modeling of FPGA functions in a Matlab Simulink environment so that the properties can be tested against other Simulink function blocks. The automatic code generation ensures that the field-programmable gate array behaves identically to Simulink modeling. A configuration of a field-programmable gate array includes, in particular, instructions with which the field-programmable gate array can be programmed in such a way that a specific functionality for data processing can be provided using the programmed (or configured or reconfigured) part of the field-programmable gate array. In the present case, such a functionality includes in particular the implementation of measures of the methods described in this disclosure.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass in dem Wechselrichter aufgrund von Schaltverzugszeiten auftretende Totzeiteffekte mittels einer Totzeitkompensation kompensiert werden. Dies erfolgt insbesondere mittels der Steuereinrichtung, insbesondere mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes der Steuereinrichtung. Die Totzeitkompensation versucht, einen Totzeiteffekt zu kompensieren. Der Totzeiteffekt tritt auf, weil es aufgrund von Schaltzeiten von Leistungshalbleitern des Pulswechselrichters zu einem Abbildungsfehler zwischen einer geschätzten aktuellen Spannung und einer realen Spannung kommt. Zum Kompensieren des Totzeiteffekts werden Schaltflanken von Leistungshalbleitern angepasst, das heißt, hinsichtlich eines Schaltzeitpunkts verschoben. Hierdurch können tatsächlich vorliegende aktuelle Ausgangs- bzw. Strangspannungen unter Berücksichtigung von den hochfrequent erfassten Ausgangs- bzw. Strangströmen präzise bestimmt, insbesondere geschätzt werden. Die Totzeitkompensation wird beispielsweise mittels des in B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, USA, 2016, S. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318, beschriebenen Verfahrens durchgeführt.In particular, it is provided that dead time effects occurring in the inverter due to switching delay times are compensated for by means of dead time compensation. This is done in particular by means of the control device, in particular by means of at least one field-programmable gate field of the control device. Dead time compensation attempts to compensate for a dead time effect. The dead time effect occurs because there is a mapping error between an estimated current voltage and a real voltage due to the switching times of power semiconductors in the pulse-controlled inverter. To compensate for the dead time effect, switching edges of power semiconductors are adjusted, that is, shifted in terms of a switching time. As a result, current output or phase voltages that are actually present can be precisely determined, in particular estimated, taking into account the high-frequency detected output or phase currents. The dead-time compensation is performed, for example, using the method described in B. Weber, T. Brandt and A. Mertens, Compensation of switching dead-time effects in voltage-fed PWM inverters using FPGA-based current oversampling, 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) , Long Beach, CA, USA, 2016, pp. 3172-3179, doi: 10.1109/APEC.2016.7468318.
Im Rahmen des Verfahrens kann der Kondensatorstrom iZK insbesondere wie folgt bestimmt werden (vgl. hierzu auch
Mit dem hochfrequent erfassten Eingangsstrom i0 ergibt sich dann aufgrund der Knotenpunktregel:
Mit Hilfe der bekannten Schaltzustände der Halbbrücken kann daher zu jedem Zeitpunkt t der Kondensatorstrom als Zustandsgröße aus dem erfassten Eingangsstrom und den erfassten Ausgangsströmen bestimmt werden.With the help of the known switching states of the half-bridges, the capacitor current can therefore be determined as a state variable from the detected input current and the detected output currents at any point in time t.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ausgehend von dem bestimmten Kondensatorstrom des Zwischenkreiskondensators ein Kondensatoreffektivstromwert als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird. Insbesondere kann der Kondensatoreffektivstromwert auf eine Modulationsperiode des Wechselrichters mit der Periodendauer T bezogen bestimmt werden. Der Kondensatoreffektivstromwert iZK,eff ist dann:
Grundsätzlich kann hierbei auch über mehrere Modulationsperioden gemittelt werden.In principle, it is also possible to average over several modulation periods.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Zwischenkreisspannung hochfrequent erfasst wird, wobei ausgehend von dem bestimmten Kondensatorstrom und der erfassten Zwischenkreisspannung ein effektiver Serienwiderstand des Zwischenkreiskondensators als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird. Hierdurch kann ein Maß für eine Verlustleistung in dem Zwischenkreiskondensator bestimmt bzw. geschätzt werden. Der Serienwiderstand ergibt sich mit der erfassten Zwischenkreisspannung uZK und dem bestimmten Kondensatorstrom iZK (für einen Zeitpunkt t) insbesondere zu:
Die Zwischenkreisspannung wird insbesondere mittels einer hierfür geeigneten Spannungssensorik erfasst.The intermediate circuit voltage is recorded in particular by means of a voltage sensor system suitable for this purpose.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ausgehend von dem bestimmten Kondensatoreffektivstromwert eine Verlustleistung des Zwischenkreiskondensators als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird. Hierdurch kann eine am Zwischenkreiskondensator auftretende Verlustleistung direkt bestimmt bzw. abgeschätzt werden. Die Verlustleistung PVerl wird insbesondere unter Berücksichtigung des bestimmten Serienwiderstandes des Zwischenkreiskondensators wie folgt bestimmt:
Alternativ hierzu kann die Verlustleistung PVerl (für einen Zeitpunkt t) auch wie folgt bestimmt werden:
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ausgehend von dem bestimmten effektiven Serienwiderstand eine Temperatur des Zwischenkreiskondensators als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird. Hierdurch kann eine Temperatur des Zwischenkreiskondensators bestimmt und bereitgestellt werden, sodass beispielsweise überwacht werden kann, ob der Zwischenkreiskondensator unterhalb eines Temperaturschwellenwertes betrieben wird oder nicht. Das Bestimmen der Temperatur kann beispielsweise mit Hilfe einer empirisch bestimmten und/oder simulierten Kennlinie erfolgen, in der Werte für den Serienwiderstand des Zwischenkreiskondensators verknüpft mit Temperaturwerten hinterlegt sind.In one specific embodiment, it is provided that a temperature of the intermediate circuit capacitor is determined and provided as a state variable, based on the determined effective series resistance. As a result, a temperature of the intermediate circuit capacitor can be determined and made available, so that it can be monitored, for example, whether the intermediate circuit capacitor is being operated below a temperature threshold value or not. The temperature can be determined, for example, with the aid of an empirically determined and/or simulated characteristic curve, in which values for the series resistance of the intermediate circuit capacitor linked to temperature values are stored.
Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Vorrichtung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.Further features for the configuration of the device result from the description of configurations of the method. The advantages of the device are in each case the same as in the embodiments of the method.
Ferner wird insbesondere auch ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters zur Verfügung gestellt, wobei ein Verfahren nach einer der vorangegangen beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt wird, wobei eine Betriebsstrategie des Wechselrichters unter Berücksichtigung der bestimmten mindestens einen Zustandsgröße gewählt und/oder angepasst wird. Hierdurch kann eine Betriebsweise des Wechselrichters ausgehend von der mindestens einen Zustandsgröße des Zwischenkreiskondensators verändert, insbesondere gesteuert oder geregelt, werden. Hierdurch kann ein Betrieb des Wechselrichters insbesondere im Hinblick auf eine Effizienz und eine Überlastfähigkeit verbessert werden.Furthermore, in particular a method for operating an inverter is also provided, with a method being carried out according to one of the previously described embodiments, with an operating strategy of the inverter being selected and/or adapted taking into account the determined at least one state variable. As a result, an operating mode of the inverter can be changed, in particular controlled or regulated, based on the at least one state variable of the intermediate circuit capacitor. As a result, operation of the inverter can be improved, in particular with regard to efficiency and overload capacity.
Es wird ferner insbesondere auch eine Vorrichtung zum Betreiben eines Wechselrichters geschaffen, umfassend eine Vorrichtung nach einer der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Steuereinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, eine Betriebsstrategie des Wechselrichters unter Berücksichtigung der bestimmten mindestens einen Zustandsgröße zu wählen und/oder anzupassen.In particular, a device for operating an inverter is also created, comprising a device according to one of the embodiments described above, the control device also being set up to select and/or adapt an operating strategy of the inverter taking into account the determined at least one state variable.
In einer weiterbildenden Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Wechselrichters ist vorgesehen, dass hierzu eine Schaltfrequenz des Wechselrichters unter Berücksichtigung der bestimmten Verlustleistung gewählt wird. Steigt eine Verlustleistung an, so wird eine Schaltfrequenz insbesondere erhöht, wodurch die Verlustleistung verringert werden kann.In a further development of the method for operating the inverter, it is provided that a switching frequency of the inverter is selected taking into account the determined power loss. If a power loss increases, then a switching frequency is increased in particular, as a result of which the power loss can be reduced.
In einer weiterbildenden Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Wechselrichters ist vorgesehen, dass die Schaltfrequenz des Wechselrichters derart gewählt wird, dass eine Gesamtverlustleistung aus einer Schaltverlustleistung von Leistungshalbleitern des Wechselrichters und der bestimmten Verlustleistung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist oder minimiert wird. Da die Abhängigkeiten von der Schaltfrequenz für die Verlustleistung der Leistungshalbleiter und des Zwischenkreiskondensators entgegengesetzt sind, wird eine Gesamtverlustleistung bestimmt. Durch Verändern der Schaltfrequenz kann dann ein Minimum der Gesamtverlustleistung erreicht werden.In a further development of the method for operating the inverter, it is provided that the switching frequency of the inverter is selected such that a total power loss from a switching power loss of power semiconductors of the inverter and the determined power loss of the intermediate circuit capacitor is or is minimized. Since the dependencies on the switching frequency for the power loss of the power semiconductors and the intermediate circuit capacitor are opposite, a total power loss is determined. A minimum of the total power loss can then be achieved by changing the switching frequency.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Bestimmen mindestens einer Zustandsgröße eines Zwischenkreiskondensators eines Wechselrichters; -
2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Ausführungsform der Vorrichtung aus1 ; -
3 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Ausführungsform eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Betreiben des Wechselrichters; -
4 ein schematisches Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung von Ausführungsformen der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren.
-
1 a schematic representation of an embodiment of the device for determining at least one state variable of an intermediate circuit capacitor of an inverter; -
2 a schematic representation to clarify the embodiment of the device1 ; -
3 a schematic representation to illustrate an embodiment of a Ver driving and a device for operating the inverter; -
4 a schematic flowchart to illustrate embodiments of the methods described in this disclosure.
In
Das feldprogrammierbare Gatterfeld 4 umfasst mehrere Module 4-x, die unterschiedliche Funktionen ausführen, wie nachfolgend erläutert wird.The field-
Gezeigt ist ferner ein Wechselrichter 10, der im Beispiel als dreiphasiger Zweipunktwechselrichter ausgebildet ist, sowie eine Sensorik 12. Die Sensorik 12 umfasst Stromsensoren 12-1, 12-2, 12-3, 12-4 und einen Analog-Digital-Wandler 12-5. Die Sensorik 12 kann auch Teil der Vorrichtung 1 sein.Also shown is an
Weiter ist eine elektrische Maschine 20 gezeigt, die von dem Pulswechselrichter 10 über drei Stränge 11-1, 11-2, 11-3 gespeist wird. Zum Speisen erzeugt der Pulswechselrichter 10 in an sich bekannter Weise ein Drehfeld und wird hierzu von dem Modul 4-1 angesteuert. Insbesondere stellt das Modul 4-1 eine Modulationssteuerung bereit.An
Mittels der Sensorik 12 werden der Eingangsstrom i0 und die Ausgangsströme ia, ib, ic von Halbbrücken des Wechselrichters 10 hochfrequent erfasst, von der Steuereinrichtung 2 empfangen und von dem Modul 4-2 verarbeitet. Insbesondere werden der Eingangsstrom i0 und die Ausgangsströme ia, ib, ic überabgetastet mit einer Abtastfrequenz erfasst, die um einen Faktor 10, 100 oder sogar 1000 über einer Modulationsfrequenz des Pulswechselrichters 10 liegt.The input current i 0 and the output currents i a , ib , ic of half-bridges of the
Zur Verdeutlichung der Ströme i0, ia, ib, ic ist in der
Ausgehend von dem hochfrequent erfassten Eingangsstrom i0 und den hochfrequent erfassten Ausgangsströmen ia, ib, ic bestimmt die Steuereinrichtung 2 einen Kondensatorstrom iZK als Zustandsgröße des Zwischenkreiskondensators 15 und stellt diesen bereit. Das Bestimmen des Kondensatorstroms iZK kann beispielsweise mittels des Moduls 4-2 (
Es kann vorgesehen sein, dass ausgehend von dem bestimmten Kondensatorstrom iZK des Zwischenkreiskondensators 15 ein Kondensatoreffektivstromwert iZK,eff als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird.It can be provided that, based on the determined capacitor current i ZK of the
Es kann vorgesehen sein, dass eine Zwischenkreisspannung uZK (
Es kann vorgesehen sein, dass ausgehend von dem bestimmten Kondensatoreffektivstromwert iZK,eff eine Verlustleistung PVerl des Zwischenkreiskondensators 15 als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird.Provision can be made for a power loss P Verl of the
Es kann vorgesehen sein, dass ausgehend von dem bestimmten effektiven Serienwiderstand RS eine Temperatur TZK des Zwischenkreiskondensators 15 als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird. Dies kann beispielsweise in einem Modul 3-1 des Digitalen Signalprozessors 3 erfolgen, wobei hierzu eine empirisch und/oder durch Simulation erzeugte Kennlinie 25 verwendet wird, in der Werte des effektiven Serienwiderstands RS verknüpft mit Werten der Temperatur TZK des Zwischenkreiskondensators 15 hinterlegt sind. Die Werte werden dann nach Bedarf aus der Kennlinie 25 abgerufen.Provision can be made for a temperature T ZK of the
In der
Es kann vorgesehen sein, dass hierzu eine Schaltfrequenz f (
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schaltfrequenz f (
Dies ist schematisch in der
In der
In einer Maßnahme 100a wird ein Eingangsstrom an einem Zwischenkreis hochfrequent erfasst.In a
In einer Maßnahme 100b werden Ausgangsströme an Ausgängen von Halbbrücken des Wechselrichters hochfrequent erfasst.In a
In einer Maßnahme 101 wird ein Kondensatorstrom als Zustandsgröße des Zwischenkreiskondensators ausgehend von dem erfassten Eingangsstrom und den erfassten Ausgangsströmen bestimmt und bereitgestellt.In a
Es kann vorgesehen sein, dass in einer Maßnahme 102 ausgehend von dem bestimmten Kondensatorstrom des Zwischenkreiskondensators ein Kondensatoreffektivstromwert als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird.It can be provided that in a
Es kann ferner vorgesehen sein, dass in einer Maßnahme 100c eine Zwischenkreisspannung hochfrequent erfasst wird, wobei ausgehend von dem bestimmten Kondensatorstrom und der erfassten Zwischenkreisspannung in einer Maßnahme 103 ein effektiver Serienwiderstand des Zwischenkreiskondensators als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird.Provision can also be made for an intermediate circuit voltage to be detected at high frequency in a
Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass in einer Maßnahme 104 ausgehend von dem bestimmten Kondensatoreffektivstromwert eine Verlustleistung des Zwischenkreiskondensators als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird.In a further development, provision can be made for a power loss of the intermediate circuit capacitor to be determined and provided as a state variable in a
Ebenfalls weiterbildend kann vorgesehen sein, dass in einer Maßnahme 105 ausgehend von dem bestimmten effektiven Serienwiderstand eine Temperatur des Zwischenkreiskondensators als Zustandsgröße bestimmt und bereitgestellt wird.Likewise in a further development, provision can be made for a temperature of the intermediate circuit capacitor to be determined and provided as a state variable in a
Es kann vorgesehen sein, dass in einer Maßnahme 106 eine Betriebsstrategie des Wechselrichters unter Berücksichtigung der bestimmten mindestens einen Zustandsgröße gewählt und/oder angepasst wird. Hierdurch wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters bereitgestellt.Provision can be made for an operating strategy of the inverter to be selected and/or adapted in a
Es kann in Maßnahme 106 vorgesehen sein, dass hierzu eine Schaltfrequenz des Wechselrichters unter Berücksichtigung der bestimmten Verlustleistung gewählt wird.It can be provided in
Weiterbildend kann in Maßnahme 106 vorgesehen sein, dass die Schaltfrequenz des Wechselrichters derart gewählt wird, dass eine Gesamtverlustleistung aus einer Schaltverlustleistung von Schaltelementen des Wechselrichters und der bestimmten Verlustleistung des Zwischenkreiskondensators minimiert ist oder minimiert wird.In a further development, measure 106 can provide for the switching frequency of the inverter to be selected in such a way that a total power loss from a switching power loss of switching elements of the inverter and the determined power loss of the intermediate circuit capacitor is or is minimized.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Verfahren bzw. die Verfahren wiederholt ausgeführt werden, sodass die mindestens eine Zustandsgröße fortlaufend bestimmt wird und/oder die Betriebsstrategie des Wechselrichters unter Berücksichtigung der bestimmten mindestens einen Zustandsgröße fortlaufend gewählt und/oder angepasst wird.Provision can in particular be made for the method or methods to be carried out repeatedly, so that the at least one state variable is continuously determined and/or the operating strategy of the inverter is continuously selected and/or adapted taking into account the determined at least one state variable.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Steuereinrichtungcontrol device
- 33
- Digitaler SignalprozessorDigital signal processor
- 3-13-1
- Modulmodule
- 44
- feldprogrammierbares Gatterfeldfield-programmable gate array
- 4-x4x
- Modulmodule
- 1010
- Wechselrichterinverter
- 11-x11-x
- Strangstrand
- 1212
- Sensoriksensors
- 12-x12-x
- Stromsensorcurrent sensor
- 12-512-5
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 1515
- Zwischenkreiskondensatorintermediate circuit capacitor
- 2020
- elektrische Maschineelectric machine
- 2525
- Kennliniecurve
- 3030
- Schaltverlustleistung der LeistungshalbleiterSwitching power loss of the power semiconductors
- 3232
- Gesamtverlustleistungtotal power dissipation
- 5050
- Vorrichtung (zum Betreiben des Wechselrichters)Device (to operate the inverter)
- 100-106100-106
- Maßnahmen der VerfahrenMeasures of the procedures
- A, B, CA, B, C
- Halbbrückehalf bridge
- CZKCZK
- Zwischenkreiskapazitätintermediate circuit capacity
- ff
- Schaltfrequenzswitching frequency
- i0i0
- Eingangsstrominput current
- ia, ib, icia, ib, ic
- Ausgangstromoutput current
- iZKiZK
- Kondensatorstromcapacitor current
- iZK,effiZK,eff
- KondensatoreffektivstromwertCapacitor RMS Current Value
- PP
- Leistungperfomance
- PVerlPexit
- Verlustleistung des ZwischenkreiskondensatorsPower loss of the intermediate circuit capacitor
- RSRS
- Serienwiderstandseries resistance
- TZKTZK
- Temperatur (Zwischenkreiskondensator)temperature (intermediate circuit capacitor)
- uZKuZK
- Zwischenkreisspannungintermediate circuit voltage
Claims (10)
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Also Published As
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EP4348815A1 (en) | 2024-04-10 |
WO2022253546A1 (en) | 2022-12-08 |
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