DE19530029A1

DE19530029A1 - Method for reducing mains system harmonics when controlling electrical motors

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Publication number: DE19530029A1
Application number: DE19530029A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl Ing Grundwuermer; Josef Dr Ing Poeppel
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Wilo GmbH
Priority date: 1995-08-16
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: FR2738689B1; DE19530029C2; FR2738689A1

Abstract

The electrical motor (4) is controlled by a control stage (3, 6, 16) supplied from a d.c. link circuit (2) containing a buffer capacitor (C). The d.c. link is supplied from a rectifier (1) connected to an a.c. system. In synchronism with the a.c. system frequency (fNetz) the control stage briefly interrupts the operation of the motor during the time the capacitor is being charged. During this period the motor can act as a generator and feed back an additional charging current to the capacitor. The electrical motor can be an induction motor with a frequency converter as the control stage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Netzoberwellen bei der Ansteuerung von elektrischen Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for reducing network harmonics when controlling electrical machines according to the generic term of claim 1.

Es ist bekannt, Induktionsmotoren zur Drehzahlsteuerung mittels Schaltstu fen anzusteuern, die aus einem Frequenzumrichter, dem ein Gleichspan nungszwischenkreis mit einem Glättungskondensator vorgeschaltet ist, und einem an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen Gleichrichter aufge baut sind. Bei direkter Gleichrichtung der Netzspannung wird nur bei Errei chen der Ladespannung des Glättungskondensators Energie nachgeführt. So entsteht periodisch ein hoher Spitzenstrom zu Zeiten hoher Netzspannung. Dies führt zu starken Netzoberwellen, da nicht wie bei einem ohmschen Verbraucher eine sinusförmige Stromentnahme erfolgt.It is known to use induction motors for speed control by means of a switching stage fen control from a frequency converter, which is a DC voltage intermediate circuit is connected upstream with a smoothing capacitor, and a rectifier connected to an AC network are building. In the case of direct rectification of the mains voltage, the Chen tracked the charging voltage of the smoothing capacitor energy. So periodically a high peak current occurs at times of high mains voltage. This leads to strong mains harmonics, since it is not like an ohmic one Consumer takes a sinusoidal current draw.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, daß die europäische Kommission für Normung eine Europa-Norm 60555 geschaffen hat, welche die Obergren zen für die Belastung des Stromversorgungsnetzes mit Oberwellen vorgibt.In this context it is important that the European Commission for standardization has created a European standard 60555, which the upper limits zen for harming the power supply network.

Zur Verringerung solcher Oberwellen ist es bekannt, Oberwellenfilter einzu setzen. Diese müssen jedoch eine Tiefpaß- oder Bandpaßcharakteristik ho her Güte und Flankensteilheit aufweisen, um alle, insbesondere auch die ersten Oberwellen sicher zu dämpfen. Dazu müssen jedoch Kondensatoren und Spulen mit hohen Werten und entsprechend großem Volumen einge setzt werden, die zudem teuer sind und daher nur für Spezialanwendungen zu verwenden sind. To reduce such harmonics, it is known to use harmonic filters put. However, these must have a low-pass or band-pass characteristic ho have goodness and steepness to all, especially the dampen the first harmonics. However, this requires capacitors and coils with high values and a correspondingly large volume which are also expensive and therefore only for special applications are to be used.

Des weiteren ist es bekannt, zur Reduzierung von Oberwellen einen Lei stungsfaktor (Powerfactor)-controller auf Basis eines "Step-Up"-Reglers ein zusetzen. Entscheidender Nachteil ist, daß dazu ein Schaltnetzteil bzw. zu diesem ein Hochleistungsschalter notwendig ist, welcher den Frequenzum richter versorgt, wodurch der Umrichterwirkungsrad wesentlich verschlech tert wird. Zusätzlich bedeutet das Schaltnetzteil ein zweites Leistungsteil und verlangt damit mehr Bauraum sowie eine bessere Kühlung, des weite ren treten vermehrt Funkstörungen auf, die einen erhöhten Störaufwand erfordern. Aufgrund dieser Tatsachen erweisen sich Leistungsfaktor controller für einfache Anwendungen, wie z. B. Waschmaschinen, Fließbän der, Pumpen, insbesondere Heizungspumpen etc., als zu teuer.It is also known to use a lei to reduce harmonics power factor controller based on a "step-up" controller clog. The decisive disadvantage is that a switching power supply or this a high-performance switch is necessary, which changes the frequency supplied by the rectifier, as a result of which the converter efficiency wheel deteriorates considerably is tert. In addition, the switching power supply means a second power section and thus requires more space and better cooling, the wide one Radio interference occurs increasingly, which means increased interference require. Based on these facts, performance factors prove to be controller for simple applications such as B. washing machines, assembly lines the, pumps, especially heating pumps, etc., as too expensive.

Zur Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren ist es bekannt, hierzu puls breitenmodulierte Gleichstrom-Motorsteuerungen einzusetzen, wobei mit Taktfrequenzen bis über 100 kHz gearbeitet werden kann. Auch bei solchen Motorsteuerungen wird ein Gleichstromwandler über einen Zwischenkreis mit einem Glättungskondensator gespeist, der über einen Gleichrichter von einem Wechselspannungsnetz versorgt wird. Auch eine solche Anordnung führt zu Stromoberwellen in der Netzwechselspannungsquelle und muß deshalb ebenfalls der o. g. Europa-Norm genügen.For speed control of DC motors, it is known to pulse to use wide-modulated DC motor controls, with Clock frequencies up to over 100 kHz can be worked. Even with such Motor controls become a DC converter via an intermediate circuit fed with a smoothing capacitor, which via a rectifier from an AC network is supplied. Such an arrangement too leads to current harmonics in the mains AC voltage source and must therefore also the above. European standards are sufficient.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein einfaches und kosten günstiges Verfahren zur Verringerung von Netzoberwellen bei der eingangs genannten Art von Ansteuerungen von elektrischen Maschinen anzugeben.The object of the invention is therefore to make it simple and cost-effective favorable method for reducing mains harmonics at the beginning Specify the type of controls mentioned for electrical machines.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruches 1 gelöst. Hiernach wird synchron zur Netzfrequenz der Wechsels pannungsquelle die Ansteuerendstufe derart angesteuert, daß im Zeitbe reich der Aufladung des Pufferspeichers die elektrische Maschine abgeschal tet wird. Dies führt zu einer Minderung der Stromamplitude aus der Wech selspannungsquelle während der Aufladephase, da dieser Zeitbereich einen steilen Stromanstieg aufweist, der für die Oberwellen im Netz verantwort lich ist.This object is achieved by the characterizing features of the patent Proverb 1 solved. After that, the change is synchronized with the network frequency Voltage source, the drive output stage controlled in such a way that in the time the electrical machine was switched off when the buffer storage tank was charged is tested. This leads to a reduction in the current amplitude from the change voltage source during the charging phase, since this time range has a steep current rise, which is responsible for the harmonics in the network is.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung arbeitet die elektrische Maschine während der Abschaltung als Generator, wobei die An steuerendstufe derart ausgebildet ist, daß der im Generatorbetrieb erzeug te Strom als Ladestrom dem Pufferspeicher zugeführt wird. Somit wird die elektrische Maschine als Energiezwischenspeicher unter Ausnutzung der Trägheit sowie der gespeicherten Energie der elektromagnetischen Felder eingesetzt, um damit die Stromamplitude weiter zu vermindern und die Steilheit der Schaltflanken beim Schalten des Gleichrichters zu reduzieren. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Stromoberwellen in dem Wechselspannungsnetz.In a particularly advantageous development of the invention, the electrical machine during the shutdown as a generator, the An control output stage is designed such that it generates in generator mode te current is fed as charging current to the buffer memory. Thus the electrical machine as an energy intermediate storage using the Inertia and the stored energy of the electromagnetic fields used to further reduce the current amplitude and the To reduce the steepness of the switching edges when switching the rectifier. This leads to a further reduction in the current harmonics in the AC network.

Die Energie wird dabei in den Wicklungen von Stator und/oder Rotor (in Ab hängigkeit des Maschinentyps) als elektromagnetische Felder gespeichert. Außerdem kann insbesondere bei elektrischen Maschinen mit hohen Lasten die Trägheit von Rotor und bewegter Last ausgenutzt werden. Bei Pumpen antrieben wirken die strömenden Medien (beispielsweise Wasser, Öl etc.) als zusätzliches Trägheitsmoment. Bei entsprechend hoher Trägheit hat dabei das verwendete Verfahren keinen Einfluß auf die Drehzahl des Motors. Wohl kann bei hochdynamischen Prozessen oder solchen mit extrem genauen Drehzahlanforderungen die Drehzahlvariation über ein zulässiges Maß hin ausgehen, jedoch ist dies für die meisten Anwendungen, wie Heizungspum pen, Waschmaschinen, Fließbänder usw., nicht erforderlich.The energy is in the windings of the stator and / or rotor (in Ab dependency of the machine type) as electromagnetic fields. In addition, especially with electrical machines with high loads the inertia of the rotor and moving load can be exploited. For pumps the flowing media (e.g. water, oil etc.) act as drives additional moment of inertia. With a correspondingly high inertia the method used does not affect the speed of the engine. Well can be used for highly dynamic processes or those with extremely precise processes Speed requirements the speed variation beyond a permissible level run out, however, for most applications, such as heating pumps pen, washing machines, assembly lines, etc., not required.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als elek trische Maschine ein Induktionsmotor (Asynchronmotor) verwendet, dessen zugehörige Ansteuerendstufe als Frequenzumrichter ausgebildet ist. Vor zugsweise wird die Synchronfrequenz derart moduliert, daß im Zeitbereich der Aufladung des Pufferspeichers die Synchronfrequenz erniedrigt und ansonsten erhöht wird. Je nach der Art der Modulation der Synchronfre quenz im Zeitbereich der Aufladung kann die Geschwindigkeit des umlau fenden Feldes im Ständer des Motors gleich oder langsamer als die Motor drehzahl sein. Im erstgenannten Fall wird durch den Induktionsmotor kein Strom aus dem Zwischenkreis entnommen, wodurch die Stromamplitude aus der Wechselspanungsquelle während dieser Aufladephase erniedrigt wird. Eine weitere Erniedrigung eines solchen Aufladespitzenstromes sowie eine Verbreiterung des Aufladestromimpulses wird im zweitgenannten Fall erzielt, da dann die übersynchrone Drehzahl des Motors zu einer Rückspei sung von der im Induktionsmotor gespeicherten Energie in den Pufferspei cher, in der Regel ein Glättungskondensator, führt.In a further advantageous development of the invention, the elec trical machine uses an induction motor (asynchronous motor), the associated control output stage is designed as a frequency converter. Before preferably the synchronous frequency is modulated such that in the time domain the charging of the buffer memory lowers the synchronous frequency and otherwise is increased. Depending on the type of modulation of the synchronous frequency quenz in the time range of charging can change the speed of umlau field in the stator of the motor is the same or slower than the motor speed. In the former case, the induction motor does not Current drawn from the intermediate circuit, causing the current amplitude decreased from the AC voltage source during this charging phase becomes. A further reduction in such a charging peak current and a broadening of the charging current pulse is in the second case achieved because then the oversynchronous speed of the motor to a feedback solution of the energy stored in the induction motor in the buffer tank cher, usually a smoothing capacitor.

Bei dieser Weiterbildung der Erfindung kann in vorteilhafter Weise zur Mo dulation der Synchronfrequenz ein mit dem Stromverlauf im Gleichstrom zwischenkreis oder im Wechselspannungsnetz synchronisiertes periodisches Modulationssignal mit einer zur Stromamplitude oder zum Strommittelwert im Gleichstromzwischenkreis oder im Wechselspannungsnetz proportionale Amplitude erzeugt werden.In this further development of the invention, Mo dulation of the synchronous frequency with the current curve in direct current Intermediate circuit or periodic synchronized in the AC network Modulation signal with a current amplitude or current average proportional in the DC link or in the AC network Amplitude are generated.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als elek trische Maschine ein Gleichstrommotor verwendet, wobei der den Motor steuern den Ansteuerendstufe ein Steuersignal zugeführt wird, das mittels eines mit dem Stromverlauf im Gleichstromzwischenkreis oder im Wech selspannungsnetz synchronisierten, periodischen Modulationssignales mit einer zur Stromamplitude oder zum Strommittelwert im Gleichstromzwi schenkreis oder im Wechselspannungsnetz proportionalen Amplitude mo duliert wird.In another advantageous development of the invention, the elec tric machine uses a DC motor, which is the motor control the control output stage, a control signal is supplied, which means one with the current in the DC link or alternating voltage-synchronized, periodic modulation signals with one to the current amplitude or to the mean current value in the direct current circuit or in the AC voltage proportional amplitude mo is dulated.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Ansteuerung eines solchen Gleichstrom motors durch eine Pulsweltenmodulation, wobei das Steuersignal ein PWM- Steuersignal für die Ansteuerendstufe darstellt und von einem PWM- Modulator erzeugt wird, dem zur Einstellung des Gleichstrommotors auf einen bestimmten Arbeitspunkt ein PWM-Sollwert-Signal zugeführt wird, das mittels des Modulationssignals moduliert ist.Such a direct current is advantageously controlled motors by pulse world modulation, the control signal being a PWM Represents control signal for the control output stage and from a PWM Modulator is generated to set the DC motor on a PWM setpoint signal is supplied to a specific operating point is modulated by means of the modulation signal.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausfüh rungsbeispielen dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:In the following, the method according to the invention is to be explained using tion examples are illustrated and explained. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer frequenzvariablen Steuerung eines Induktionsmotors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 is a block diagram of a frequency variable control of an induction motor for performing the method according to the invention,

Fig. 2a ein Zeit-Frequenz-Diagramm zur Erläuterung der Wirkungswei se der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, Fig. 2a shows a time-frequency diagram for explaining the Wirkungswei se of the circuit of Fig. 1,

Fig. 2b ein Zeit-Drehzahl-Diagramm des Induktionsmotors nach Fig. 1, FIG. 2b shows a time-speed diagram of the induction motor according to Fig. 1,

Fig. 3a ein Zeit-Spannungs-/Strom-Diagramm des Gleichstromzwi schenkreises einer Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik, Fig. 3a shows a time-voltage / current diagram of a circuit arrangement Gleichstromzwi's circle according to the prior art,

Fig. 3b ein Zeit-Spannungs-/Strom-Diagramm des Gleichstromzwi schenkreises der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, FIG. 3b is a time-voltage / current diagram of the circuit arrangement 1 Gleichstromzwi's circle according to FIG.

Fig. 4 ein Schaltbild einer PWM-Motorsteuerung eines fremderregten Gleichstrommotors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 4 is a circuit diagram of a PWM motor control of a separately excited DC motor for performing the method according to the invention,

Fig. 5 Zeit-Spannungs-/Strom-Diagramme zur Darstellung der Funkti onsweise der Motorsteuerung nach Fig. 4, Fig. 5 time-voltage / current diagrams illustrating the functi onsweise the motor controller of FIG. 4,

Fig. 6 Zeit-Spannungs-/Strom-Diagramme zur Erläuterung der Funkti onsweise einer Motorsteuerung gemäß dem Stand der Tech nik, Fig. 6 time-voltage / current diagrams to explain the functi nik onsweise a motor controller according to the prior Tech,

Fig. 7 ein Frequenzspektrum des Zwischenkreisstromes gemäß Fig. 5, Fig. 7 shows a frequency spectrum of the intermediate circuit current in accordance with Fig. 5,

Fig. 8 ein Frequenzspektrum des Zwischenkreisstromes gemäß Fig. 6 und Fig. 8 is a frequency spectrum of the intermediate circuit current of Fig. 6 and

Fig. 9 ein weiteres Schaltbild einer PWM-Steuerung eines Indukti onsmotors an einem Einphasennetz zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens. Fig. 9 shows another circuit diagram of a PWM control of an induction motor on a single-phase network for carrying out the method according to the invention.

Nach Fig. 1 wird ein Induktionsmotor 4 (Drehstrom-Asynchronmotor) über einen Frequenzumrichter aus einem Wechselspannungsnetz gespeist. Dieser Frequenzumrichter ist aus einem Gleichrichter 1, einem Zwischenkreis 2 und einem Wechselrichter 3 aufgebaut. Die Netzspannung wird durch den Gleichrichter 1 gleichgerichtet und mittels eines Kondensators im Zwischenkreis 2 geglättet, der eine Zwischenkreisspannung U_z an den Wechselrichter 3 weiterleitet, der diese dann zerhackt und in die Ausgangsspannungen für die jeweiligen Phasen in der gewünschten Frequenz, die Synchronfrequenz f_syn, umwandelt.According to Fig. 1, an induction motor 4 is fed (asynchronous motor) via a frequency converter from an alternating voltage network. This frequency converter is constructed from a rectifier 1 , an intermediate circuit 2 and an inverter 3 . The mains voltage is rectified by the rectifier 1 and smoothed by means of a capacitor in the intermediate circuit 2 , which forwards an intermediate circuit voltage U _z to the inverter 3 , which then chops it up and converts it into the output voltages for the respective phases in the desired frequency, the synchronous frequency f _syn , converts.

Eine Steuereinheit 5 erzeugt ein Steuersignal U_f für den Wechselrichter 3 zur Einstellung der Synchronfrequenz f_syn, die bei konstanter Polpaarzahl die Drehzahl des Motors bestimmt. Aufgrund des Schlupfes liegt die Drehzahl des Läufers etwas unterhalb der synchronen Drehzahl. Dieser Steuereinheit 5 wird ein Sollwert n_soll der Motordrehzahl zugeführt und ferner wird in die ser Steuereinheit 5 der Stromverlauf bzgl. Phase und Strommittelwert bzw. maximaler Stromamplitude mittels eines in dem Zwischenkreis 2 angeord neten Widerstand R ausgewertet.A control unit 5 generates a control signal U _f for the inverter 3 for setting the synchronous frequency f _syn , which determines the speed of the motor with a constant number of pole pairs. Due to the slip, the speed of the rotor is slightly below the synchronous speed. This control unit 5 is _to n, a target value of the engine speed supplied, and further, the current waveform with respect. Phase and average current value and maximum current amplitude by means of a angeord Neten in the intermediate circuit 2 Resistance R is evaluated in the ser control unit 5.

Die Steuereinheit 5 bewirkt derart eine Modulation der Synchronfrequenz f_syn, daß phasengekoppelt zum Verlauf des Zwischenkreisstromes der Induk tionsmotor 4 zum Zeitpunkt des Einsetzens des Aufladestromes des als Puf ferspeicher wirkenden Zwischenkreiskondensators als Generator unter Aus nutzung der Trägheit sowie der gespeicherten Energie der elektromagneti schen Felder betrieben wird.The control unit 5 effects such a modulation of the synchronous frequency f _syn that phase-coupled to the course of the intermediate circuit current of the induction motor 4 at the time of the charging current of the intermediate circuit capacitor acting as a buffer buffer as a generator using the inertia and the stored energy of the electromagnetic fields operated becomes.

Die Sollwertvorgabe n_soll bzgl. der Drehzahl führt zu einer bestimmten Syn chronfrequenz f_syn (d. h. zu einer bestimmten synchronen Drehzahl n_o), die gemäß Fig. 2a sinusförmig moduliert wird. Dabei sind außer der Sinusform auch andere Modulationsarten vorstellbar, wie beispielsweise sin²-Form, sin³- Form, Rechteckform, auch digitale Modulationsarten, wie CFFK sind denk bar. Der Modulationsgrad hängt von dem Strommittelwert bzw. der maxi malen Stromamplitude im Zwischenkreis ab. Die Modulationsspannung U_mod ergibt sich nach folgender Formel:N _should respect the set value. The rotation speed leads to a certain Syn chronfrequenz f _syn (ie, to a particular synchronous speed n _o), which according to FIG. 2a is modulated sinusoidally. In addition to the sinusoidal form, other types of modulation are also conceivable, such as sin²-shape, sin³-shape, rectangular shape, and digital modulation types such as CFFK are also conceivable. The degree of modulation depends on the average current value or the maximum current amplitude in the intermediate circuit. The modulation voltage U _mod results from the following formula:

U_mod = U_o · sin (2π · f_syn · t + A · sin 2π · 2f_Netz · t + ϕ),U _mod = U _o · sin (2π · f _syn · t + A · sin 2π · 2f _Netz · t + ϕ),

wobei U_o die unmodulierte Steuerspannung, f_syn die Synchronfrequenz, A der Modulationsgrad, f_Netz die Netzfrequenz, in der Regel 50 Hz, und ϕ die Phasenverschiebung bzgl. des Stromverlaufes im Zwischenkreis darstellt. where U _{o is} the unmodulated control voltage, f _{syn is} the synchronous frequency, A is the degree of modulation, f _{network is} the _network frequency, usually 50 Hz, and ϕ is the phase shift with respect to the current profile in the intermediate circuit.

Die Modulation der Synchronfrequenz f_syn wird derart synchronisiert, daß im Zeitpunkt des Stromnulldurchganges im Zwischenkreis die höchste Fre quenz, im Bereich des Strommaximums dagegen die niedrigste Frequenz ausgegeben wird. Je nach Modulationsgrad ist das umlaufende Feld im Strommaximum gleich oder langsamer als die Motordrehzahl. Im ersten Fall wird durch den Induktionsmotor keine Stromentnahme aus dem Zwischen kreis bewirkt, während im letzteren Fall die übersynchrone Drehzahl des Motors zu einer Rückspeisung der im Motor gespeicherten Energie in den Zwischenkreiskondensator führt.The modulation of the synchronous frequency f _syn is synchronized in such a way that the highest frequency, in the area of the current maximum, on the other hand, the lowest frequency is output in the intermediate circuit at the time of the current zero crossing. Depending on the degree of modulation, the rotating field in the current maximum is the same or slower than the motor speed. In the first case, the induction motor does not cause any current draw from the intermediate circuit, while in the latter case, the oversynchronous speed of the motor leads to the energy stored in the motor being fed back into the intermediate circuit capacitor.

Da im Bereich des Stromnulldurchganges die höchste Frequenz ausgegeben wird, wird der Induktionsmotor geringfügig beschleunigt, während er im Bereich des Strommaximums abgebremst wird. Somit schwankt die Dreh zahl des Motors um die synchrone Drehzahl n_o, wie dies in Fig. 2b darge stellt ist. Die dort bezeichneten Zeitspannen Δt₁ und Δt₂ bezeichnen die Zeit räume, wo der Induktionsmotor als Generator betrieben wird.Since the highest frequency is output in the area of the current zero crossing, the induction motor is accelerated slightly, while it is braked in the area of the current maximum. Thus, the speed of the motor fluctuates around the synchronous speed n _o , as shown in Fig. 2b Darge. The periods Δt₁ and Δt₂ denote the periods where the induction motor is operated as a generator.

Da die Stromentnahme phasengekoppelt mit dem Stromverlauf im Zwi schenkreis erfolgt, setzt der Aufladestrom des Zwischenkreiskondensators nicht abrupt ein, wie es in Fig. 3a gezeigt ist, sondern setzt gemäß Fig. 3b weich ein, mit einer gegenüber Fig. 3a geringeren Amplitude, was zu we niger und geringeren Netzoberwellen führt.Since the current draw is phase-coupled with the current profile in the intermediate circuit, the charging current of the intermediate circuit capacitor does not set in abruptly, as shown in FIG. 3a, but instead begins smoothly according to FIG. 3b, with a lower amplitude than FIG. 3a, which increases leads to less and lower harmonics.

Fig. 4 zeigt eine Motorsteuerung für einen fremderregten Gleichstrommo tor 4, der von einem Gleichstromwandler 6 gespeist wird. Dieser Gleich stromwandler 6 wird über einen Zwischenkreis 2 mit einem ebenfalls als Pufferspeicher wirkenden Zwischenkreiskondensator C und einem Gleich richter 1 aus einem Wechselspannungsnetz versorgt. Fig. 4 shows a motor controller for a separately excited DC motor 4 , which is fed by a DC converter 6 . This DC converter 6 is supplied via an intermediate circuit 2 with an intermediate circuit capacitor C also acting as a buffer memory and a rectifier 1 from an AC voltage network.

Der Gleichstrommotor 4 wird pulsweitengesteuert, wobei eine Steuerein heit 7 die PWM-Erzeugung vornimmt.The DC motor 4 is pulse width controlled, with a control unit 7 performing the PWM generation.

Zur Drehzahlregelung des Gleichstrommotors 4 ist ein Regelkreis vorgese hen, bestehend aus einem Tachogenerator 13, einer Drehzahlerfassung 11 zur Erzeugung eines Drehzahl-Istwertes, einem Drehzahlregler 12, dem ein Sollwert n_soll der Drehzahl zugeführt wird, einer Addierstufe 15, die einen entsprechenden Sollwert der Steuereinheit 7 zuführt.To control the speed of the DC motor 4 , a control circuit is provided, consisting of a tachometer generator 13 , a speed detector 11 for generating an actual speed value, a speed controller 12 to which a setpoint n _{should be} supplied with the speed, an adder 15 which has a corresponding setpoint Control unit 7 feeds.

Wird der Gleichstrommotor 4 in bekannter Weise pulsweitenmoduliert ge regelt, ergibt sich ein Strom- und Spannungsverlauf gemäß Fig. 6 im einge schwungenen Zustand des Gleichstrommotors. Dort zeigt Kurve 1 den Ver lauf des Stromes I_z im Zwischenkreis und Kurve 2 den Verlauf der Netzspan nung U_netz. Es ist zu erkennen, daß schmale und hohe Stromspitzen bis ca. 13 A auftauchen, die sehr starke Netzoberwellen darstellen. Eine entsprechen de Spektralanalyse dieser Stromspitzen zeigt Fig. 8, wonach die Höhe der einzelnen Frequenzanteile exponentiell stark von der niedrigsten Frequenz bis ca. 1 kHz abnimmt und bis ca. 3 kHz gleichmäßig auslaufen.If the DC motor 4 controls pulse width modulated in a known manner, there is a current and voltage curve according to FIG. 6 in the steady state of the DC motor. 1 shows the curve there Ver course of the current I _z in the intermediate circuit, and curve 2 the curve of the clamping voltage U mains _network. It can be seen that narrow and high current peaks up to approx. 13 A appear, which represent very strong mains harmonics. A corresponding spectral analysis of these current peaks is shown in FIG. 8, according to which the level of the individual frequency components decreases exponentially from the lowest frequency to approx. 1 kHz and runs out uniformly up to approx. 3 kHz.

Um die in Fig. 8 gezeigten hohen Frequenzanteile zu reduzieren, wird ge mäß Fig. 4 das für den Gleichstrommotor 4 erzeugte PWM-Signal mittels eines Modulationssignales moduliert, in dem eine entsprechende Modulati onsspannung U_mod mit negativem Vorzeichen auf einen PWM-Sollwert mit tels der Addierstufe 15 addiert und der Steuereinheit 7 zugeführt wird.In order to reduce the high frequency components shown in FIG. 8, the PWM signal generated for the direct current motor 4 is modulated according to FIG. 4 by means of a modulation signal, in which a corresponding modulation voltage U _mod with a negative sign on a PWM setpoint with means the adder 15 is added and the control unit 7 is supplied.

Die Modulationsart, im vorliegenden Fall sinusförmig, wird von einer Einheit 10 vorgegeben und das entsprechende Signal mittels einer Multipliziervor richtung 14 mit einem zur Stromamplitude oder zum Strommittelwert des Zwischenkreisstromes I_z des Zwischenkreises 2 proportionalen Stromsignales multipliziert. Da das Modulationssignal so erzeugt werden muß, daß zu Be ginn des steilen Anstieges der Stromspitzen (vgl. Fig. 6) keine Energie aus dem Zwischenkreis entnommen bzw. Energie aus dem Gleichstrommotor 4 in den Zwischenkreis 2 zurückgespeist werden soll, muß die Modulations spannung U_mod mit dem Stromverlauf im Zwischenkreis 2 synchronisiert werden. Hierzu liefert eine in den Zwischenkreis 2 geschaltete Stromerfas sungseinheit 8 ein Triggersignal an eine Synchronisationseinheit 9, die auf grund dieses Triggersignales die Phasenlage des Modulationssignales U_mod festlegt. In der Einheit 10 sind die Werte einer Sinuskurve in einer Tabelle abgelegt, so daß diese Werte nicht ständig schaltungsmäßig erzeugt werden müssen. The type of modulation, in the present case sinusoidal, is predetermined by a unit 10 and the corresponding signal is multiplied by means of a multiplier 14 by a current signal proportional to the current amplitude or to the mean current value of the intermediate circuit current I _{z of} the intermediate circuit 2 . Since the modulation signal has to be generated so as to Be beginning of the steep rise of the current spikes (see. Fig. 6) removed no energy from the intermediate circuit or energy to be fed back from the DC motor 4 in the intermediate circuit 2, the modulation must voltage U _mod can be synchronized with the current profile in the intermediate circuit 2 . For this purpose, provides a switched into the intermediate circuit 2 Stromerfas sungseinheit 8 a trigger signal to a synchronization unit 9 that this trigger signal defines _mod on the basis of the phase position of the modulation signal U. In unit 10 , the values of a sine curve are stored in a table, so that these values do not have to be continuously generated in terms of circuitry.

In Fig. 5 sind im eingeschwungenen Zustand die entsprechenden Phasen beziehungen sowie die Amplituden der elektrischen Größen Zwischenkreiss trom I_z (Kurve 1), Netzspannung U_Netz (Kurve 2) und Modulationsspannung U_mod (Kurve 3) gezeigt. Hieraus ist ersichtlich, daß der Nulldurchgang der Modulationsspannung U_mod früher einsetzt als der Zwischenkreisstrom I_z, der dem Aufladestrom aus dem Wechselspannungsnetz entspricht. Somit beginnt der Generatorbetrieb des Gleichstrommotors 4 schon vor dem Ein setzen des Zwischenkreisstromes I_z, also im Zeitbereich des Durchschaltens der Gleichrichterelemente des Gleichrichters 1. Im Bereich maximaler Ampli tude des Zwischenkreisstromes I_z nimmt auch die Modulationsspannung U_mod ihren maximalen Wert an. Somit läuft der Gleichstrommotor 4 mit ei ner um den Sollwert schwankenden Drehzahl.In FIG. 5 the respective phases (2 curve) and the modulation voltage U _mod (curve 3) are shown in the steady state relationships as well as the amplitudes of the electrical variables between Kreiss trom I _z (curve 1), mains voltage U _mains. From this it can be seen that the zero crossing of the modulation voltage U _{mod starts} earlier than the intermediate circuit current I _z , which corresponds to the charging current from the AC voltage network. Thus, the generator operation of the DC motor 4 begins even before the DC link current I _{z is set} , that is to say in the time range when the rectifier elements of the rectifier 1 are switched through. In the range of maximum amplitude of the intermediate circuit current I _z , the modulation voltage U _mod also assumes its maximum value. Thus, the DC motor 4 runs with egg ner around the setpoint fluctuating speed.

Die gemäß Fig. 5 gezeigten Stromspitzen des Zwischenkreisstromes I_z sind im Vergleich zu denjenigen gemäß Fig. 6 breiter und weisen nur noch eine Höhe von etwas über 5 A auf.The current peaks of the intermediate circuit current I _z shown in FIG. 5 are wider in comparison to those in accordance with FIG. 6 and have a height of just over 5 A.

Eine entsprechende Frequenzanalyse dieser Stromspitzen zeigt Fig. 7, wo nach gegenüber Fig. 8 die niederfrequenten Amplituden wesentlich ge ringer und die höherfrequenten Amplituden nahezu verschwunden sind. Damit ist gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren tatsächlich zu einer Verringerung von Netzoberwellen führt. Ferner wird durch das erfindungs gemäße Verfahren auch die eingangs erwähnte Europa-Norm 60555 erfüllt, die eine Meßdauer von über einer Minute im eingeschwungenen Zustand der Maschine festlegt. Die Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem annä hernd stationären Betrieb im Zeitbereich von 4,96 s bis 5 s nach dem Ein schalten.A corresponding frequency analysis of these current peaks is shown in FIG. 7, where, compared to FIG. 8, the low-frequency amplitudes are substantially lower and the higher-frequency amplitudes have almost disappeared. This shows that the method according to the invention actually leads to a reduction in network harmonics. Furthermore, the above-mentioned European standard 60555 is also met by the method according to the invention, which specifies a measurement duration of over one minute in the steady state of the machine. FIG. 5 shows a detail of a Annae hernd steady-state operation in the time domain of 4.96 s s switch to the A to 5.

Das im Zusammenhang mit Fig. 4 erläuterte Pulsweitenmodulationsverfah ren kann nicht nur zur Steuerung von Gleichstrommotoren, sondern auch zur Steuerung von Drehstrommotoren eingesetzt werden, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Der einzige Unterschied zur Schaltungsanordnung nach Fig. 4 besteht darin, daß der Gleichspannungswandler 6 durch einen Puls wechselrichter 16 ersetzt ist, der aus der von dem Zwischenkreis 2 geliefer ten Gleichspannung ein Drehspannungssystem variabler Frequenz liefert. Auch bei dieser Motorsteuerung wird eine Modulationsspannung U_mod er zeugt und auf den PWM-Sollwert aufaddiert, der zu einem PWM-Steuersignal U_PWM führt, der die dem Motor 4 zugeführten Pulsmuster derart moduliert, daß dieser während der Aufladephase des Zwischenkreiskondensators C als Generator arbeitet, und somit Energie in den Zwischenkreis liefert.The pulse width modulation process explained in connection with FIG. 4 can be used not only for controlling DC motors, but also for controlling three-phase motors, as shown in FIG. 9. The only difference to the circuit arrangement according to FIG. 4 is that the DC-DC converter 6 is replaced by a pulse inverter 16 , which supplies a three-phase voltage system of variable frequency from the DC voltage supplied by the intermediate circuit 2 . Also in this motor control, a modulation voltage U _mod is generated and added to the PWM setpoint, which leads to a PWM control signal U _PWM , which modulates the pulse pattern supplied to the motor 4 in such a way that it works as a generator during the charging phase of the intermediate circuit capacitor C. , and thus supplies energy to the DC link.

Ansonsten entspricht die Funktionsweise dieser Schaltung derjenigen nach Fig. 4.Otherwise, the mode of operation of this circuit corresponds to that according to FIG. 4.

Die in den Ausführungsbeispielen beschrieben Zwischenkreiskondensatoren stellen Pufferspeicher dar, deren Funktion auch von Akkumulatoren über nommen werden können.The intermediate circuit capacitors described in the exemplary embodiments represent buffers, whose function is also from accumulators can be taken.

In den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1, 4 und 9 wird zur Syn chronisierung als auch zur Erfassung des Stromes der Gleichstromzwischen kreis 2 herangezogen. Eine solche Stromerfassung kann auch auf der Wech selspannungsseite des Gleichrichters 1 durchgeführt werden.In the exemplary embodiments according to FIGS . 1, 4 and 9, the direct current intermediate circuit 2 is used for the synchronization as well as for the detection of the current. Such a current detection can also be carried out on the AC voltage side of the rectifier 1 .

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei allen elektrischen Maschinen zur Anwendung kommen, die aus einem Gleichstromzwischenkreis versorgt werden, insbesondere auch Synchronmotoren, Schrittmotoren und Reluk tanzmotoren.The method according to the invention can be used in all electrical machines Application come from a DC link be, in particular synchronous motors, stepper motors and reluk dance motors.

Claims

1. A method for reducing mains harmonics when driving an electric machine ( 4 ) operated as a motor by means of a driving output stage ( 3 , 6 , 16 ) connected to the electric machine ( 4 ), which is provided by a DC voltage intermediate circuit containing a buffer memory (C) ( 2 ) is fed, which in turn is supplied via a rectifier ( 1 ) connected to an AC voltage source, characterized in that the control output stage ( 3 , 6 , 16 ) is controlled in synchronism with the mains frequency (f _mains ) of the AC voltage source in such a way that in Time range of charging the buffer memory (C) from the AC voltage source of the motor operation of the electrical machine ( 4 ) is briefly interrupted.

2. The method according to claim 1, characterized in that during the charging of the buffer memory (C) from the AC voltage source, the elec trical machine ( 4 ) works as a generator and via the control output stage ( 3 , 6 , 16 ) an additional charging current to the buffer memory (C ) feeds.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that an induction motor (asynchronous motor) is used as elec trical machine ( 4 ) and the drive output stage ( 3 , 16 ) is designed as a frequency converter.

4. The method according to claim 3, characterized in that the synchronous frequency (f _syn ) for controlling the induction motor ( 4 ) is modulated such that the syn chron frequency (f _syn ) lowers and otherwise increases in the time range of charging the buffer memory (C) becomes.

5. The method according to claim 4, characterized in that for modulating the synchronous frequency (f _syn ) with the current profile in the intermediate circuit ( 2 ) or in the AC network, periodic modulation voltage (U _mod ) with a current amplitude or current average in the intermediate circuit ( 2 ) or in the AC voltage proportional amplitude tude is generated.

6. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a DC motor is used as elec trical machine ( 4 ) and that the control output stage ( 6 ) controlling the DC motor is supplied with a control signal (U _PWM ), which by means of a current flow in Intermediate circuit ( 2 ) or synchronized in the AC network, periodic modulation voltage (U _mod ) is modulated with an amplitude proportional to the current amplitude or to the current mean value in the intermediate circuit ( 2 ) or in the AC network.

7. The method according to claim 6, characterized in that a pulse width modulation is used to control the DC motor ( 4 ) and that a PWM modulator ( 7 ) is provided for generating the control signal (U _PWM ) for the control output stage ( 6 ) to set the direct current motor ( 6 ) to a certain operating point, a PWM setpoint signal is supplied, this PWM setpoint signal being modulated by means of the modulation voltage (U _mod ).