DE102006006960B4

DE102006006960B4 - Verfahren und Elektro-Gerät

Info

Publication number: DE102006006960B4
Application number: DE102006006960.9A
Authority: DE
Inventors: Claus Völler; Heinrich Berg-Rothermund
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2026-02-15
Also published as: DE102006006960A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Elektrogeräts, das ein Umrichter, ein Wechselrichter, ein Rückspeisegerät oder ein andere Leistungshableiterschalter umfassendes Gerät ist,wobei das Elektrogerät pulsweitenmoduliert betriebene Leistungselektronik umfasst,abhängig von der Temperatur, insbesondere Temperatur der Leistungsbauelemente, Leistungshalbleiter oder Kühlkörper,eine konstante PWM-Frequenz oder eine mischgetaktete PWM-Frequenz verwendet wird,wobei bei der Mischtaktung:in einer ersten Zeitspanne eine erste PWM-Frequenz verwendet wird undin einer zweiten Zeitspanne eine zweite PWM-Frequenz verwendet wird, die sich von der ersten unterscheidet,wobei die Zeitspannen ganzzahlige Vielfache sind einer Grund-Periode,wobei die Zeitspannen aufeinander folgen in sich wiederholender Abfolgewobei die Zeitspannen kleiner sind als eine thermische Zeitkonstante einer Schicht oder Komponente eines Leistungshalbleiterschalters der Leistungselektronikwobei die Grund-Periode einem Timer der Software des Gerätes zugeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dass- unterhalb eines ersten Temperaturwerts eine erste PWM-Frequenz verwendet wird- oberhalb eines zweiten Temperaturwerts eine zweite PWM-Frequenz verwendet wird- zwischen erstem und zweitem Temperaturwert eine Mischtaktung verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Elektro-Gerät
Aus der DE 102 48 375 C2 ist ein Verfahren zur Stromerfassung bei Umrichtern bekannt. Die im Rhythmus der Pulsweitenmodulations-Frequenz, also PWM-Frequenz, erfassten Stromwerte werden zur Regelung der Drehzahl und/oder des Drehmoments des vom Umrichter versorgten Elektromotors verwendet.
Aus der 5 bis 9 klar, dass pro PWM-Periode ein Stromwert erfassbar ist. Es genügt bei manchen Anwendungen auch, nur je einen Stromwert pro jeder zweiten, dritten oder vierten PWM-Periode zu erfassen.
Die Dauer der PWM-Periode ist bei manchen Umrichtern nur als Ganzzahliges Vielfaches einer Grund-Periode ausführbar. Beispielsweise ist Software- oder Hardware-bedingt ein Timer mit dieser Grund-Periode eingestellt, auf den die gesamte Software und die Stromerfassung ausrichtet.
Aus der US 5 068 777 A ist als nächstliegender Stand der Technik ein pulsweitenmoduliert betriebener Wechselrichter bekannt, der eine Temperaturkompensation aufweist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine geringere und/oder angenehmere Geräuschemission zu erreichen bei Elektro-Geräten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1 oder 3 und bei dem Elektro-Gerät nach den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass es zum Betreiben eines Elektrogeräts vorgesehen ist, wobei dieses pulsweitenmoduliert betriebene Leistungselektronik umfasst,
wobei in einer ersten Zeitspanne eine erste PWM-Frequenz verwendet wird und in einer zweiten Zeitspanne eine zweite PWM-Frequenz verwendet wird, die sich von der ersten unterscheidet.
Von Vorteil ist dabei, dass die Geräuschemission geringer und angenehmer ist als bei Verwendung nur einer Frequenz. Die Zeitspannen sind dabei derart dimensionierbar, dass die Schaltverluste der Leistungshalbleiterschalter trotzdem gering bleiben.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden in weiteren Zeitspannen weitere PWM-Frequenzen verwendet werden. Von Vorteil ist dabei, dass die Geräuschemission noch angenehmer ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung folgen die Zeitspannen aufeinander in sich wiederholender Abfolge. Von Vorteil ist dabei, dass sich nur innerhalb der Zeitspannen Schwingungen Eigenschwingungen von Komponenten aufbauen können. Durch ein zügiges Abwechseln werden also nur geringe Amplituden bei den Eigenschwingungen oder Schwingungen von Geräte-Komponenten erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zeitspannen kleiner als eine thermische Zeitkonstante einer Schicht oder Komponente eines Leistungshalbleiterschalters der Leistungselektronik. Von Vorteil ist dabei, dass die Temperatur sich nur geringfügig ändert beim Wechseln der PWM-Frequenzen. Somit ist die Änderung der mechanischen Spannungen zwischen Teilbereichen des Leistungshalbleiters, wie Halbleiterschichten, Bonds, Gehäuse und dergleichen, zueinander gering und somit die Standzeit des Gerätes hoch.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zeitspannen ganzzahlige Vielfache einer Grund-Periode. Von Vorteil ist dabei, dass die Regelungssoftware entsprechend einfach und schnell entsprechend der Erfindung ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Grund-Periode einem Timer der Software des Gerätes zugeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass Geräte, deren Betriebs- und/oder Steuerungs- und/oder Regelungssoftware derart aufgebaut ist, dass ein Timer vorgesehen ist, wobei in dem von diesem vorgegebenen Rhythmus Werte bestimmt werden, wie beispielsweise Strommesswerte oder dergleichen. Die Grund-Periode ist allerdings nur mit großem Aufwand änderbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Gerät ein Umrichter, ein Wechselrichter, ein Rückspeisegerät oder ein anderes Leistungshableiterschalter umfassendes Gerät. Von Vorteil ist dabei, dass die Erfindung auf verschiedenartige Geräte anwendbar ist, wenn diese pulsweitenmoduliert angesteuerte Halbleiterschalter umfassen, wobei die PWM-Frequenz bei diesem Gerätetyp im Stand der Technik konstant ist. Mittels der Erfindung werden dann zwei oder mehr Frequenzen in abwechselnder Folge verwendet, wobei im jeweiligen Einzel-Zeitintervall die Frequenz konstant bleibt.
Wichtige Merkmale bei dem Elektrogerät sind, dass es pulsweitenmoduliert betreibbare Leistungselektronik umfasst, wobei das Gerät derart gestaltet ist, dass es mit verschiedenen PWM-Frequenzen betreibbar ist, insbesondere in einer derart schnellen Abfolge, also Mischtaktung, dass die Mischtaktperiodendauer kleiner ist als eine thermische Zeitkonstante. Von Vorteil ist dabei, dass die Auswirkungen der mechanischen Spannungen oder deren Änderungen verringerbar sind. Insbesondere ist der Wechsellastbetrieb verringerbar und die Standzeit somit erhöhbar.
Wesentliche Merkmale bei dem weitere Verfahren zum Betreiben eines Elektrogeräts sind, dass es pulsweitenmoduliert betriebene Leistungselektronik umfasst,
wobei abhängig von der Temperatur, insbesondere Temperatur der Leistungsbauelemente, Leistungshalbleiter oder Kühlkörper, eine konstante PWM-Frequenz oder eine mischgetaktete PWM-Frequenz verwendet wird.
Vorteiligerweise ist somit stets das optimale Verfahren ausführbar, um einerseits die Schaltverluste und andererseits die Geräusche zu minimieren.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird

- unterhalb eines ersten Temperaturwert eine erste PWM-Frequenz verwendet
- oberhalb eines zweiten Temperaturwert eine zweite PWM-Frequenz verwendet
- zwischen erstem und zweitem Temperaturwert eine Mischtaktung verwendet.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird Mischtaktung aus der ersten und zweiten PWM-Frequenz hergestellt. Insbesondere wird für eine erste Einzel-Zeitspanne die erste PWM-Frequenz und für eine zweite Einzel-Zeitspanne die zweite PWM-Frequenz verwendet, wobei erste und zweite Einzel-Zeitspannen periodisch stets abwechselnd aufeinander folgen. Von Vorteil ist dabei, dass das Taktverhältnis temperaturabhängig veränderbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Periodendauer der Mischtaktung größer als die PWM-Periodendauer der ersten PWM-Frequenz, insbesondere gleich oder größer als das Doppelte der ersten PWM-Frequenz. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Mischtaktung aus mehr als zwei PWM-Frequenzen zusammengesetzt. Von Vorteil ist dabei, dass eine sehr angenehme leise Geräuschbildung erreichbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren schematisch gezeichnet. Dabei ist eine Mischtaktung im Verhältnis 3 zu 4 gezeigt. In einem ersten Zeitintervall, nämlich dem längeren, ist dabei eine PWM-Frequenz von 16 kHz und in einem zweiten Zeitintervall, nämlich dem kürzeren, ist eine PWM-Frequenz von 8 kHz vorgesehen.

Jedes der beiden Zeitintervalle ist ein Ganzzahliges Vielfaches der Grundperiode, die beispielsweise 250 µs beträgt.
In der 2 ist ein anderes Verhältnis dargestellt, wobei je zur Hälfte 8kHz und 16kHz gewählt sind.
Mit diesen Mischtaktungen ist ein geräuscharmer Betrieb erzielbar bei trotzdem geringer Verlustleistung der Leistungshalbleiterschalter des Gerätes, wie Umrichter, Wechselrichter Rückspeiseeinheit oder dergleichen.
Bei niedrigen Frequenzen sind die Schaltverluste der Leistungshalbleiterschalter am geringsten, jedoch sind bei diesen Frequenzen die Geräusche am meisten störend und unangenehm für das menschliche Ohr. Ebenso ist ein Geräusch, das bei der Verwendung von einer konstanten PWM-Frequenz erzeugt ist, unangenehm und störend.
Mittels des Mischbetriebs ist das Geräusch angenehmer und es werden Eigenschwingungen der Komponenten des Geräts weniger stark angeregt.
Vorzugsweise sind die Einzel-Zeitspannen t_8kHz und t_16kHz kürzer als die thermische Zeitkonstante der Leistungshalbleiter. Auf diese Weise ist Wechsellastbetrieb vermeidbar und somit die Standzeit der Leistungshalbleiter verlängerbar. Denn durch Temperaturhübe thermisch bedingte mechanische Spannungsänderungen wirken sich negativ auf die Standzeit aus. Um die Temperaturhübe also klein zu halten, sollten die Einzel-Zeitspannen kleiner sein als die thermische Zeitkonstante einer Schicht oder Komponente des Leistungshalbleiterschalters oder des Chip-Gehäuses der Leistungshalbleiterschalter.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung wird die beschriebene Mischtaktung temperaturabhängig verändert. Das heißt, dass die Einzelzeitintervalle abhängig gemacht werden von der dem Leistungshalbleiterschalter entsprechenden Temperatur. Der Wechsellastbetrieb bleibt durch die Mischtaktung verhindert. Das relative Verhältnis der Einzel-Zeitintervalle zueinander wird also als Funktion der Temperatur festgelegt. Somit wird bei zunehmender Temperatur, meist bewirkt durch zunehmende Belastung, das der niedrigeren Frequenz entsprechende Einzel-Zeitintervall verlängert gegenüber dem anderen Einzel-Zeitintervall.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung wird bei niedriger Temperatur, die einer sehr kleinen Auslastung entspricht, eine konstante hohe Frequenz, beispielsweise 16 kHz, angelegt. Erst wenn die Temperatur größer wird, beispielsweise bei zunehmender Auslastung, wird die oben beschriebene Mischtaktung aktiviert. Bei sehr großer Auslastung wird dann eine konstante niedrige Frequenz, beispielsweise 4 kHz, angelegt.
Bei diesem Verfahren werden also zumindest drei verschiedene Betriebsarten gekoppelt, die temperaturabhängig ausgewählt werden. Somit sind niedrige Schaltverluste und angenehme leise Geräusche beim Betrieb erreichbar.
Bezugszeichenliste

t16kHz: Einzel-Zeitspanne
t_8kHz: Einzel-Zeitspanne

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Elektrogeräts, das ein Umrichter, ein Wechselrichter, ein Rückspeisegerät oder ein andere Leistungshableiterschalter umfassendes Gerät ist, wobei das Elektrogerät pulsweitenmoduliert betriebene Leistungselektronik umfasst, abhängig von der Temperatur, insbesondere Temperatur der Leistungsbauelemente, Leistungshalbleiter oder Kühlkörper, eine konstante PWM-Frequenz oder eine mischgetaktete PWM-Frequenz verwendet wird, wobei bei der Mischtaktung: in einer ersten Zeitspanne eine erste PWM-Frequenz verwendet wird und in einer zweiten Zeitspanne eine zweite PWM-Frequenz verwendet wird, die sich von der ersten unterscheidet, wobei die Zeitspannen ganzzahlige Vielfache sind einer Grund-Periode, wobei die Zeitspannen aufeinander folgen in sich wiederholender Abfolge wobei die Zeitspannen kleiner sind als eine thermische Zeitkonstante einer Schicht oder Komponente eines Leistungshalbleiterschalters der Leistungselektronik wobei die Grund-Periode einem Timer der Software des Gerätes zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - unterhalb eines ersten Temperaturwerts eine erste PWM-Frequenz verwendet wird - oberhalb eines zweiten Temperaturwerts eine zweite PWM-Frequenz verwendet wird - zwischen erstem und zweitem Temperaturwert eine Mischtaktung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in weiteren Zeitspannen weitere PWM-Frequenzen verwendet werden.
Verfahren zum Betreiben eines Elektrogeräts, wobei das Elektrogerät pulsweitenmoduliert betriebene Leistungselektronik umfasst, abhängig von der Temperatur, insbesondere Temperatur der Leistungsbauelemente, Leistungshalbleiter oder Kühlkörper, eine konstante PWM-Frequenz oder eine mischgetaktete PWM-Frequenz verwendet wird, wobei - unterhalb eines ersten Temperaturwerts eine erste PWM-Frequenz verwendet wird - oberhalb eines zweiten Temperaturwerts eine zweite PWM-Frequenz verwendet wird - zwischen erstem und zweitem Temperaturwert eine Mischtaktung verwendet wird, wobei die Mischtaktung aus der ersten und zweiten PWM-Frequenz hergestellt wird, wobei für eine erste Einzel-Zeitspanne die erste PWM-Frequenz und für eine zweite Einzel-Zeitspanne die zweite PWM-Frequenz verwendet wird, wobei erste und zweite Einzel-Zeitspannen periodisch stets abwechselnd aufeinander folgen, wobei die Periodendauer der Mischtaktung größer ist als die PWM-Periodendauer der ersten PWM-Frequenz, insbesondere gleich oder größer als das Doppelte der ersten PWM-Frequenz.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischtaktung aus mehr als zwei PWM-Frequenzen zusammengesetzt ist.
Elektrogerät, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend pulsweitenmoduliert betreibbare Leistungselektronik, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät derart gestaltet ist, dass es mit verschiedenen PWM-Frequenzen betreibbar ist in einer derart schnellen Abfolge, also Mischtaktung, dass die Mischtaktperiodendauer kleiner ist als eine thermische Zeitkonstante der Leistungshalbleiter.