DE102024125311B3 - Inverter and method for controlling an electric motor, as well as working machine - Google Patents
Inverter and method for controlling an electric motor, as well as working machineInfo
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Abstract
Es ist ein Wechselrichter zum Ansteuern eines Elektromotors, vorzugsweise eines Elektromotors einer Arbeitsmaschine, offenbart, wobei der Wechselrichter einen Wechselrichtereingang (4), eine Wechselrichterausgang (5), eine Wechselrichtersteuereinheit (9) und eine Wechselrichterausgangsstufe (8) umfasst. Dabei ist die Wechselrichtersteuereinheit (9) zum Erzeugen von mindestens einem Steuersignal und zum Ausgeben des mindestens einen Steuersignals an die Wechselrichterausgangsstufe (8) ausgebildet, wobei das mindestens eine Steuersignal eine Steuersignalfrequenz (fst) aufweist. Die Wechselrichterausgangsstufe (8) ist dazu ausgebildet, basierend auf von der Wechselrichtersteuereinheit (9) empfangenen Steuersignalen aus mindestens einer an dem Wechselrichtereingang (4) anliegenden Wechselrichtereingangsspannung mindestens eine Wechselrichterausgangsspannung zu erzeugen und an den Wechselrichterausgang (5) zum Ansteuern des Elektromotors (3) auszugeben. Zudem weist die Wechselrichtersteuereinheit (9) einen Stromwerteingang (10) auf, der zum Empfangen eines Momentanstromwert ausgebildet ist, wobei der Momentanstromwert für einen an den Elektromotor (3) abgegebenen Momentanstrom repräsentativ ist. Die Wechselrichtersteuereinheit (9) ist dazu ausgebildet, basierend auf einen in den Stromwerteingang (10) eingegebenen Momentanstromwert die Steuersignalfrequenz (fst) des mindestens einen Steuersignals anzupassen, wobei die Wechselrichterausgangsspannung durch eine ein- oder mehrphasige, zeitlich veränderliche Spannung gebildet ist und die Wechselrichtersteuereinheit (9) dazu ausgebildet ist, innerhalb einer Periode der Wechselrichterausgangsspannung mehrere Anpassungen der Steuersignalfrequenz (fst) vorzunehmen.
Es ist zudem eine entsprechende Arbeitsmaschine sowie ein entsprechendes Verfahren offenbart.
An inverter for controlling an electric motor, preferably an electric motor of a machine, is disclosed, wherein the inverter comprises an inverter input (4), an inverter output (5), an inverter control unit (9), and an inverter output stage (8). The inverter control unit (9) is configured to generate at least one control signal and to output the at least one control signal to the inverter output stage (8), wherein the at least one control signal has a control signal frequency (f st ). The inverter output stage (8) is configured to generate at least one inverter output voltage from at least one inverter input voltage applied to the inverter input (4) based on control signals received from the inverter control unit (9) and to output it to the inverter output (5) for controlling the electric motor (3). Furthermore, the inverter control unit (9) has a current input (10) configured to receive an instantaneous current value, wherein the instantaneous current value is representative of an instantaneous current delivered to the electric motor (3). The inverter control unit (9) is configured to adjust the control signal frequency ( fst ) of the at least one control signal based on an instantaneous current value input to the current input (10), wherein the inverter output voltage is formed by a single-phase or multi-phase, time-varying voltage, and the inverter control unit (9) is configured to perform several adjustments of the control signal frequency (fst) within one period of the inverter output voltage.
Furthermore, a corresponding machine and a corresponding method are disclosed.
Description
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Wechselrichter und ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors, vorzugsweise eines Elektromotors einer Arbeitsmaschine, sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.The present disclosure relates to an inverter and a method for controlling an electric motor, preferably an electric motor of a working machine, as well as a corresponding working machine.
Arbeitsmaschinen, wie Pumpen, Verdichter, Rührwerke, Hebezeuge, Fluidenergiemaschinen, Förderanlagen oder dergleichen, weisen häufig einen Elektromotor auf, der die Arbeitsmaschine antreibt. Derartige Elektromotoren werden regelmäßig von einem Wechselrichter angesteuert, der eine oder mehrere Wechselspannungen mit veränderlicher Amplitude und/oder veränderlicher Frequenz erzeugt und an den Elektromotor ausgibt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein magnetisches Drehfeld in einem Stator des Elektromotors erzeugt werden, das einen Rotor des Elektromotors in Bewegung versetzt. Durch Kombination eines Elektromotors mit einem Wechselrichter entstehen Antriebe, die flexibel gesteuert und geregelt werden können.Machines such as pumps, compressors, agitators, hoists, fluid power machines, conveyor systems, and the like often incorporate an electric motor to drive the machine. These electric motors are typically controlled by an inverter, which generates one or more alternating voltages with variable amplitude and/or frequency and outputs them to the electric motor. This can, for example, generate a rotating magnetic field in the stator of the electric motor, which in turn sets the rotor in motion. By combining an electric motor with an inverter, drives are created that can be flexibly controlled and regulated.
Derartige Wechselrichter weisen üblicherweise einen Wechselrichtereingang, einen Wechselrichterausgang, eine Wechselrichtersteuereinheit und eine Wechselrichterausgangsstufe auf. Die Wechselrichtersteuereinheit erzeugt mindestens ein Steuersignal und gibt das mindestens eine Steuersignal an die Wechselrichterausgangsstufe aus. Dabei weist das Steuersignal / jedes der Steuersignale eine Steuersignalfrequenz auf. Die Wechselrichterausgangsstufe erzeugt unter Nutzung des von der Wechselrichtersteuereinheit empfangenen Steuersignals bzw. der von der Wechselrichtersteuereinheit empfangenen Steuersignale aus mindestens einer an dem Wechselrichtereingang anliegenden Wechselrichtereingangsspannung mindestens eine Wechselrichterausgangsspannung und gibt die mindestens eine Wechselrichterausgangsspannung über den Wechselrichterausgang an den Elektromotor aus. Bei mehreren Wechselrichterausgangsspannungen können diese ein mehrphasiges Spannungssystem bilden, beispielsweise ein Drehstromsystem.Such inverters typically have an inverter input, an inverter output, an inverter control unit, and an inverter output stage. The inverter control unit generates at least one control signal and outputs this signal to the inverter output stage. Each control signal has a specific frequency. Using the control signal(s) received from the inverter control unit, the inverter output stage generates at least one inverter output voltage from at least one inverter input voltage applied to the inverter input and outputs this voltage to the electric motor via the inverter output. Multiple inverter output voltages can form a multi-phase voltage system, such as a three-phase system.
Die Wechselrichterausgangsstufe weist meist mehrere Leistungshalbleiter auf, die bei der Erzeugung der Wechselrichterausgangsspannung eine wichtige Rolle spielen. Das mindestens eine Steuersignal definiert dann, wie die Halbleiterschaltelemente geschaltet werden, sodass die Schalthäufigkeit der Halbleiterschaltelemente mit der Steuersignalfrequenz korreliert. In zumindest einigen Wechselrichtertopologien können Steuersignale aus der Wechselrichtersteuereinheit direkt (eventuell unter Zwischenschaltung von Treibern oder sonstiger Verstärkerstufen) zum Ansteuern der Leistungshalbleiter genutzt werden. In anderen Wechselrichtertopologien werden die Steuersignale noch geeignet aufbereitet.The inverter output stage typically includes several power semiconductors that play a crucial role in generating the inverter output voltage. At least one control signal then defines how the semiconductor switching elements are activated, such that the switching frequency of the semiconductor switching elements correlates with the control signal frequency. In at least some inverter topologies, control signals from the inverter control unit can be used directly (possibly via drivers or other amplifier stages) to control the power semiconductors. In other inverter topologies, the control signals are further processed.
Das Festlegen der Steuersignalfrequenz des mindestens einen Steuersignals ist keine triviale Aufgabe. Eine niedrige Steuersignalfrequenz, beispielsweise im Bereich unterhalb weniger Kilohertz, bietet häufig den Vorteil, dass die Schaltverluste der Leistungshalbleiter niedrig bleiben. Denn die Schaltverluste sind üblicherweise annähernd proportional zu der Steuersignalfrequenz. Andererseits können dabei aber recht ausgeprägte Abweichungen des Motorstroms von einem idealen Verlauf und nicht unerhebliche Oberschwingungsanteile entstehen, was im Elektromotor regelmäßig zu erhöhten Verlusten und einem ungleichmäßigen Drehmoment führt. Zudem kann eine akustische Emission mit deutlich wahrnehmbaren Anteilen im hörbaren Bereich entstehen. Eine höhere Steuersignalfrequenz, beispielsweise oberhalb von 10 Kilohertz, bietet den Vorteil, dass der Motorstrom näher bei einem idealen Verlauf liegen und der Oberschwingungsanteil in der Wechselrichterausgangsspannung reduziert werden kann. Dies reduziert üblicherweise die Drehmomentwelligkeit und die Verluste im Elektromotor. Allerdings erhöhen sich damit auch die Schaltverluste in der Wechselrichterausgangsstufe. Es ist ersichtlich, dass diese gegenläufigen Anforderungen nicht gleichzeitig erfüllt werden können.Determining the control signal frequency of at least one control signal is not a trivial task. A low control signal frequency, for example in the range below a few kilohertz, often offers the advantage of keeping the switching losses of the power semiconductors low. This is because switching losses are usually approximately proportional to the control signal frequency. On the other hand, this can lead to pronounced deviations of the motor current from an ideal curve and significant harmonic content, which regularly results in increased losses and uneven torque in the electric motor. Furthermore, acoustic emissions with clearly perceptible components in the audible range can occur. A higher control signal frequency, for example above 10 kilohertz, offers the advantage that the motor current is closer to an ideal curve and the harmonic content in the inverter output voltage can be reduced. This usually reduces torque ripple and losses in the electric motor. However, this also increases the switching losses in the inverter output stage. It is evident that these conflicting requirements cannot be met simultaneously.
In der Praxis wird die Steuersignalfrequenz daher in einen Bereich gelegt, bei dem die negativen Auswirkungen der Dimensionierung für alle beteiligten Komponenten des Wechselrichter-Elektromotor-Systems bzw. der Arbeitsmaschine möglichst gering sind und/oder sich vorgegebene Rahmenbedingungen des Betriebs erfüllen lassen, beispielsweise hinsichtlich abführbarer Wärme, maximaler Drehmomentwelligkeit, maximaler akustischen Emission, etc. Gebräuchliche Steuersignalfrequenzen liegen zwischen 2 und 16 Kilohertz. Bei diesen Frequenzen befinden sich regelmäßig die Verlustleistung im Wechselrichter, die Verlustleistung im Elektromotor, die Drehmomentwelligkeit, die akustische Emission und sonstige Kenngrößen in einem akzeptablen Bereich. Mehr als einen Kompromiss stellt diese Dimensionierung in der Praxis aber selten dar.In practice, the control signal frequency is therefore set in a range where the negative effects of the dimensioning on all components involved in the inverter-electric motor system or the driven machine are minimized and/or where predefined operating parameters can be met, for example, regarding heat dissipation, maximum torque ripple, maximum acoustic emission, etc. Common control signal frequencies lie between 2 and 16 kilohertz. At these frequencies, the power loss in the inverter, the power loss in the electric motor, the torque ripple, the acoustic emission, and other parameters are typically within an acceptable range. However, in practice, this dimensioning rarely represents more than a compromise.
Druckschrift
Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter, eine Arbeitsmaschine und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen ein effizienterer Betrieb des Elektromotors bzw. der Arbeitsmaschine ermöglicht wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Verlustleistung des Wechselrichter-Elektromotor-Systems reduziert werden kann.The present disclosure is based on the objective of providing an inverter, a driven machine, and a method that enable more efficient operation of the electric motor and the driven machine, respectively. It is advantageous if the power loss of the inverter-electric motor system can be reduced.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.This task is solved by the combinations of features in the dependent claims. Further embodiments are disclosed in the respective subclaims.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die vorliegende Offenbarung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically meaningful way (even across category boundaries, for example between method and apparatus) and reveal further embodiments. The description further characterizes and specifies the present disclosure, particularly in conjunction with the figures.
Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.It should also be noted that the conjunction “and/or” used herein, which stands between two characteristics and links them together, is always to be interpreted in such a way that in a first embodiment only the first characteristic can be present, in a second embodiment only the second characteristic can be present, and in a third embodiment both the first and the second characteristic can be present.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die vorliegende Offenbarung - trotz der nachfolgenden Verwendung des Begriffs „Wechselrichter" - nicht auf Einheiten beschränkt ist, die aus einer Gleichspannung eine oder mehrere Wechselspannungen erzeugt. Vielmehr ist die Ausgestaltung der Wechselrichtereingangsspannung für die vorliegende Offenbarung nicht ausschlaggebend. So kann die Wechselrichtereingangsspannung neben einer oder mehreren Gleichspannungen auch eine oder mehrere Wechselspannungen umfassen. Dies gilt für die Ansprüche entsprechend.It should further be noted that the present disclosure – despite the subsequent use of the term “inverter” – is not limited to units that generate one or more alternating voltages from a direct voltage. Rather, the configuration of the inverter input voltage is not decisive for the present disclosure. Thus, the inverter input voltage can comprise one or more direct voltages as well as one or more alternating voltages. This applies accordingly to the claims.
Es ist erkannt worden, dass ein effizienterer Betrieb dann möglich ist, wenn die Steuersignalfrequenz nicht als konstant angesetzt wird, sondern wenn die Steuersignalfrequenz in Abhängigkeit einer aktuellen Betriebssituation des Elektromotors angepasst wird. Als eine der wichtigsten Kenngrößen für die aktuelle Betriebssituation hat sich dabei der Momentanstrom erwiesen, der für die Einstellung der Steuersignalfrequenz Verwendung finden kann. Daher weist die Wechselrichtersteuereinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Stromwerteingang auf, in den ein Momentanstromwert eingegeben werden kann. Basierend auf einem empfangenen Momentanstromwert passt die Wechselrichtersteuereinheit dann die Steuersignalfrequenz nach vorgegebenen Regeln an. Auf diese Weise lässt sich eine Steuersignalfrequenz passend zu der momentanen Betriebssituation des Elektromotors festlegen. Dies kann die Effizienz des Wechselrichter-Elektromotor-System steigern. Da bei vielen Anwendungsszenarien hohe Ströme vorwiegend beim Anfahren oder Beschleunigen der Arbeitsmaschine und nicht als Dauerzustand auftreten, muss die Dimensionierung der Steuersignalfrequenz nicht alle möglichen Betriebssituationen gleichzeitig abdecken, sondern kann besser auf die jeweils aktuelle Betriebssituation angepasst werden.It has been recognized that more efficient operation is possible when the control signal frequency is not set to a constant, but rather adjusted according to the current operating condition of the electric motor. The instantaneous current has proven to be one of the most important parameters for the current operating condition and can be used to set the control signal frequency. Therefore, according to the present disclosure, the inverter control unit has a current input into which an instantaneous current value can be entered. Based on a received instantaneous current value, the inverter control unit then adjusts the control signal frequency according to predefined rules. In this way, a control signal frequency can be set that is appropriate to the current operating condition of the electric motor. This can increase the efficiency of the inverter-electric motor system. Since high currents occur primarily during start-up or acceleration of the machine in many application scenarios, and not as a continuous condition, the dimensioning of the control signal frequency does not need to cover all possible operating conditions simultaneously, but can be better adapted to the current operating condition.
Dabei ist von Bedeutung, dass der „Momentanstromwert“ nicht ein Durchschnittswert über eine oder mehrere Perioden einer Wechselrichterausgangsspannung ist. Vielmehr sollte der Momentanstromwert einen tatsächlich zu einem Zeitpunkt fließenden Strom widerspiegeln. Da sich bei einer Wechselrichterausgangsspannung auch der Momentanstromwert fortwährend ändert, dürfte dies bedeuten, dass relativ häufig ein neuer Momentanstromwert in den Stromwerteingang eingegeben werden sollte. „Relativ häufig“ bedeutet, dass während einer Periode einer Wechselrichterausgangsspannung mehrfach ein Momentanstromwert eingegeben wird. In einer Ausgestaltung werden pro Periode mindestens 5 Momentanstromwerte, in einer anderen Ausgestaltung mindestens 10 Momentanstromwerte und in einer weiteren Ausgestaltung mindestens 20 Momentanstromwerte in den Stromwerteingang eingegeben. Die Eingabe des Momentanstromwerts erfolgt vorzugsweise periodisch.It is important to note that the "instantaneous current value" is not an average value over one or more periods of an inverter output voltage. Rather, the instantaneous current value should reflect the actual current flowing at a given moment. Since the instantaneous current value also changes continuously with an inverter output voltage, this likely means that a new instantaneous current value should be entered into the current input relatively frequently. "Relatively frequently" means that an instantaneous current value is entered multiple times during one period of an inverter output voltage. In one embodiment, at least 5 instantaneous current values are entered into the current input per period, in another embodiment at least 10 instantaneous current values, and in yet another embodiment at least 20 instantaneous current values. The input of the instantaneous current value is preferably periodic.
Für den Momentanstromwert ist nicht von Bedeutung, wie dieser Wert gewonnen worden ist. Der Momentanstromwert sollte lediglich die tatsächliche Situation zu dem Zeitpunkt seiner Eingabe in den Stromeingang hinlänglich genau wiedergeben. Der Momentanstromwert kann beispielsweise aus einer Messung, einer Schätzung oder einer Ableitung aus anderen Größen, wie beispielsweise der Phasenverschiebung in Verbindung mit bekannten Motorparametern, stammen. Geeignete Möglichkeiten zum Ermitteln eines Momentanstromwerts sind aus der Praxis bekannt.The method used to obtain the instantaneous current value is irrelevant. The instantaneous current value should simply reflect the actual situation at the moment it is input to the current input with sufficient accuracy. The instantaneous current value can be derived, for example, from a measurement, an estimate, or from other quantities, such as the phase shift in conjunction with known motor parameters. Suitable methods for determining an instantaneous current value are well-established in practice.
Ebenfalls nicht von entscheidender Bedeutung ist, wie der Momentanstromwert repräsentiert ist. Der Momentanstromwert kann durch eine absolute Größe gebildet sein. Es ist aber auch denkbar, dass relative Größen genutzt werden, die beispielsweise einen Momentanstrom bezogen auf einen Nennstrom oder einen maximal zulässigen Strom darstellt. Es ist lediglich von Bedeutung, dass die Wechselrichtersteuereinheit einen eingegebenen Momentanstromwert korrekt interpretieren und die korrekten Rückschlüsse für das Einstellen der Steuersignalfrequenz ziehen kann.It is also not crucial how the instantaneous current value is represented. The instantaneous current value can be an absolute value. However, it is also conceivable that relative values are used, for example, representing an instantaneous current relative to a nominal current or a maximum permissible current. The only important factor is that the inverter control unit can correctly interpret an input instantaneous current value and draw the correct conclusions for setting the control signal frequency.
Für das Dimensionieren eines Zusammenhangs zwischen Momentanstromwert und Steuersignalfrequenz können folgende Überlegungen eine Rolle spielen.The following considerations can play a role in dimensioning a relationship between instantaneous current value and control signal frequency.
Die Schaltverluste in der Wechselrichterausgangsstufe berechnen sich - am Beispiel eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit Antiparalleldiode als Leistungshalbleiter in einer symmetrisch belasteten Zweipegeltopologie - vereinfacht nach:
Dabei beschreibt E..,EIN bzw. E...,AUS die Energie, die für das Ein- bzw. Ausschalten des IGBTs bzw. der Diode aufgewendet werden muss, fst die Steuersignalfrequenz und nIGBT die Anzahl der Leistungshaltleiter in der Wechselrichterausgangsstufe.In this context, E ..,ON and E ...,OFF describe the energy required to switch the IGBT or diode on or off, f is the control signal frequency, and n IGBT is the number of power conductors in the inverter output stage.
Damit sind die Schaltverluste proportional zu der Steuersignalfrequenz fst. Gleichzeitig sind die Ein- und Ausschaltenergien E...,EIN bzw. E...,AUS von dem jeweils fließenden Momentanstrom abhängig. Daher kann es sich anbieten, bei einem hohen fließenden Momentanstrom die Steuersignalfrequenz niedriger zu wählen. Für andere Leistungshalbleiter, andere Ansteuerverfahren und andere Topologien gelten teilweise andere Zusammenhänge, die aber dennoch von der Steuersignalfrequenz abhängen.Thus, the switching losses are proportional to the control signal frequency f <sub>st</sub> . Simultaneously, the switching energies E<sub>...,ON</sub> and E<sub>...,OFF</sub>, respectively, depend on the instantaneous current flowing at each stage. Therefore, it can be advantageous to choose a lower control signal frequency when the instantaneous current flowing at each stage is high. For other power semiconductors, other control methods, and other topologies, different relationships apply, but these still depend on the control signal frequency.
Andererseits entstehen bei der Erzeugung der Wechselrichterausgangsspannung Stromoberschwingungen, deren Anteile bei relativ niedrigen Steuersignalfrequenzen (beispielsweise bei 1 oder 2 Kilohertz) hoch und bei höheren Steuersignalfrequenzen (beispielsweise bei 16 Kilohertz) niedriger sind. Diese Oberschwingungen wirken sich in dem Elektromotor unterschiedlich aus. Zum einen erzeugen die Oberschwingungen Magnetfelder im Eisenkern, die Eisenverluste hervorrufen und damit den Eisenkern erwärmen. Zum anderen fließen die Stromoberschwingungen durch die Leitungen der Wicklungen und erzeugen dort ohmsche Verluste. Des Weiteren bewirken die Oberschwingungen Drehmomentwelligkeiten, die zu Schwingungsverlusten führen können. Gleichzeitig hängen auch die Stromoberschwingungen von dem an den Elektromotor abgegebenen Momentanstrom ab. Je höher der momentan an den Elektromotor abgegebene Momentanstrom ist, desto höher sind auch die Stromanteile in den Oberschwingungen. Insgesamt ist ein hoher Anteil an Oberschwingungen daher ungünstig, weshalb eine hohe Steuersignalfrequenz bei hohem Momentanstrom günstig sein kann.On the other hand, current harmonics are generated during the production of the inverter output voltage. Their proportions are high at relatively low control signal frequencies (e.g., 1 or 2 kilohertz) and lower at higher control signal frequencies (e.g., 16 kilohertz). These harmonics have different effects on the electric motor. Firstly, the harmonics generate magnetic fields in the iron core, causing iron losses and thus heating the core. Secondly, the current harmonics flow through the winding conductors, generating ohmic losses there. Furthermore, the harmonics cause torque ripple, which can lead to vibration losses. At the same time, the current harmonics also depend on the instantaneous current delivered to the electric motor. The higher the instantaneous current delivered to the electric motor, the higher the current components in the harmonics. Overall, a high proportion of harmonics is therefore undesirable, which is why a high control signal frequency at a high instantaneous current can be advantageous.
Dabei können die verschiedenen Auswirkungen der Steuersignalfrequenz bei dem Wechselrichter und dem Elektromotor unterschiedlich stark ausgeprägt sein, da sich beispielsweise die Wechselrichtertopologie, der Typ der Leistungshalbleiter, der Motortyp und dergleichen unterschiedlich auf die Verluste in den einzelnen Baugruppen des Wechselrichter-Elektromotor-Systems auswirken können. So kann es Wechselrichter-Elektromotor-Systeme geben, bei denen hohe Steuersignalfrequenzen bei einem hohem Momentanstrom unproblematisch sind, während bei anderen eine niedrige Steuersignalfrequenz bei einem hohen Momentanstrom zu bevorzugen ist. In einer Ausgestaltung werden daher bei „niedrigen“ Momentanstromwerten eine „hohe“ Steuersignalfrequenz gewählt und bei „hohen“ Momentanstromwerten eine „niedrige“ Steuersignalfrequenz. In einer anderen Ausgestaltung werden bei „niedrigen“ Momentanstromwerten eine „niedrige“ Steuersignalfrequenz gewählt und bei „hohen“ Momentanstromwerten eine „hohe“ Steuersignalfrequenz. Wichtig dabei ist, dass die Steuersignalfrequenz an den jeweiligen Momentanstromwert angepasst wird. Dies dürfte üblicherweise bedeuten, dass eine Vielzahl von Anpassungen der Steuersignalfrequenz pro Minute oder gar pro Sekunde durchgeführt wird.The effects of the control signal frequency on the inverter and the electric motor can vary considerably, as factors such as the inverter topology, the type of power semiconductors, the motor type, and others can influence the losses in the individual components of the inverter-electric motor system. For example, some inverter-electric motor systems may tolerate high control signal frequencies at high instantaneous currents without problems, while others may benefit from a lower control signal frequency at high instantaneous currents. In one configuration, a high control signal frequency is selected for low instantaneous current values, and a low control signal frequency for high instantaneous current values. Another configuration uses a low control signal frequency for low instantaneous current values and a high control signal frequency for high instantaneous current values. Crucially, the control signal frequency must be adjusted to the respective instantaneous current value. This typically means that numerous adjustments to the control signal frequency are made every minute or even every second.
Was hierbei „hoch“ oder „niedrig“ konkret bedeutet, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Eine der Faktoren dürfte die konkrete Ausgestaltung des Wechselrichter-Elektromotor-Systems darstellen. So kann beispielsweise der konkret verwendete Leistungshalbleiter in der Wechselrichterausgangsstufe über eine „hohe“ oder „niedrige“ Steuersignalfrequenz entscheiden. Ist der Leistungshalbleiter durch ein IGBT gebildet kann eine niedrige Steuersignalfrequenz wenige Kilohertz sein, beispielsweise 1 oder 2 Kilohertz, während eine hohe Steuersignalfrequenz bei 16 Kilohertz oder darüber liegt. Wird ein SiC-FET (Silicon Carbide Field Effect Transistor) als Leistungshalbleiter eingesetzt, können die Steuersignalfrequenzen deutlich höher liegen. So kann eine niedrige Steuersignalfrequenz im Bereich von 10 Kilohertz oder wenigen 10 Kilohertz liegen, während eine hohe Steuersignalfrequenz bei bis zu 100 Kilohertz und mehr liegen kann. Diese wenigen Beispiele zeigen, dass eine „niedrige“ oder „hohe" Steuersignalfrequenz von dem Leistungshalbleiter abhängen kann und dabei insbesondere die Leistungsfähigkeiten bei dem Schalten der Leistungshalbleiter und deren jeweiliger Verlustleistungen eine Rolle spielen können. Ähnliche Abhängigkeiten können auch bei anderen Aspekten der jeweils eingesetzten Technologie bestehen. Bei dem Momentanstrom kann der Nennstrom eine Referenz für einen „hohen“ oder „niedrigen“ Momentanstromwert bilden. So kann beispielsweise ein Bereich zwischen 80% und 100% des Nennstroms als ein hoher Momentanstrom und ein Bereich zwischen 0% und 20% des Nennstroms als niedriger Momentanstromwert angesehen werden. Diese Beispiele sollen eine Einordnung der Begriffe „hoch“ und „niedrig“ erleichtern, die Begriffe aber nicht auf die genannten Aspekte einschränken.What "high" or "low" specifically means in this context depends on various factors. One of these factors is likely the specific design of the inverter-electric motor system. For example, the specific power semiconductor used in the inverter output stage can determine whether the control signal frequency is "high" or "low." If the power semiconductor is an IGBT, a low control signal frequency can be a few kilohertz, for example, 1 or 2 kilohertz, while a high control signal frequency is 16 kilohertz or higher. If a SiC FET (Silicon Carbide Field Effect Transistor) is used as the power semiconductor, the control signal frequencies can be significantly higher. A low control signal frequency can be in the range of 10 kilohertz or a few tens of kilohertz, while a high control signal frequency can be up to 100 kilohertz or more. These few examples demonstrate that a "low" or "high" control signal frequency can depend on the power semiconductor, particularly its switching capabilities and respective power losses. Similar dependencies can exist for other aspects of the technology used. For instantaneous current, the rated current can serve as a reference for a "high" or "low" instantaneous current value. For example, a range between 80% and 100% of the rated current can be considered a high instantaneous current, and a range between 0% and 20% of the rated current a low instantaneous current value. These examples are intended to facilitate the understanding of the terms "high" and "low" but do not limit their application to the aspects mentioned.
Zwischen den Randwerten, also zwischen „niedriger“ und „hoher“ Steuersignalfrequenz können relativ beliebige Zwischenwerte bei Stromzwischenwerten angenommen werden. Dabei können verschiedenste Zusammenhänge gelten, beispielsweise ein linearer Zusammenhang. Wie auch immer ein Zusammenhang zwischen Momentanstromwert und Steuersignalfrequenz konkret definiert ist, sollten der Wechselrichtersteuereinheit eindeutige Regeln vorgegeben werden, wie eine Zuordnung erfolgen soll.Between the boundary values, i.e., between "low" and "high" control signal frequencies, relatively arbitrary intermediate current values can be assumed. Various relationships can apply, such as a linear relationship. However the relationship between instantaneous current value and control signal frequency is specifically defined, the inverter control unit should be given clear rules for how this assignment should be made.
Das mindestens eine „Steuersignal“ kann durch verschiedenste Signale gebildet sein. Wesentlich bei dem Steuersignal/den Steuersignalen ist, dass sie eine Steuersignalfrequenz aufweist/aufweisen und in der Wechselrichterausgangsstufe einen Einfluss auf die Erzeugung der Wechselrichterausgangsspannung hat/haben. Diese Anforderungen sind jedoch durch verschiedenste Signale erfüllbar. Ein derartiges Steuersignal kann dabei zum direkten Ansteuern von Leistungshalbleitern der Wechselrichterausgangsstufe ausgebildet sein, wobei eventuell ein Treiber oder sonstige Verstärker und/oder Impedanzwandler zwischengeschaltet sein können. Es ist aber auch denkbar, dass ein Steuersignal vor dem Ansteuern der Leistungshalbleiter noch umgeformt wird. Solange das Steuersignal eine Steuersignalfrequenz beinhaltet und die Steuersignalfrequenz einen Einfluss auf die Erzeugung der Wechselrichterausgangsspannung hat, kann ein derartiges Signal ein Steuersignal im Sinne der vorliegenden Offenbarung bilden.The at least one "control signal" can be formed by a wide variety of signals. The essential requirement for the control signal(s) is that they have a control signal frequency and influence the generation of the inverter output voltage in the inverter output stage. These requirements can be met by a wide variety of signals. Such a control signal can be designed to directly drive power semiconductors in the inverter output stage, possibly with the interposition of a driver or other amplifiers and/or impedance converters. It is also conceivable that a control signal is converted before driving the power semiconductors. As long as the control signal contains a control signal frequency and this frequency influences the generation of the inverter output voltage, such a signal can constitute a control signal within the meaning of this disclosure.
Die „Steuersignalfrequenz“ beschreibt allgemein den Kehrwert einer Periodenlänge des Steuersignals. Dabei beschreibt die Periodenlänge den zeitlichen Abstand, bis das Steuersignal wieder einen vergleichbaren Zustand erreicht, beispielsweise einen entsprechenden Nulldurchgang oder eine entsprechende steigende oder fallende Flanke. Dabei dürfte die Periodenlänge nicht konstant sein, sondern wird, insbesondere bei einer Anpassung der Steuersignalfrequenz, veränderlich sein. Bei derartigen Steuersignalen kann der (nicht konstante) zeitliche Abstand zwischen zwei benachbarten vergleichbaren Zuständen auch als Intervall bezeichnet werden, sodass die Steuersignalfrequenz der Kehrwert dieses Intervalls wäre. Die Steuersignalfrequenz hat einen Einfluss auf die Häufigkeit, mit der Leistungshalbleiter der Wechselrichterausgangsstufe geschaltet werden. Dabei kann die Steuersignalfrequenz direkt der Häufigkeit von Schaltereignissen entsprechen. Es kann aber auch sein, dass pro Periode des Steuersignals mehrere Schaltereignisse oder sogar pro Schaltereignis mehrere Perioden des Steuersignals liegen. In einer Ausgestaltung weisen bei mehreren Steuersignalen eines oder mehrere der Steuersignale unterschiedliche Steuersignalfrequenzen auf. In einer anderen Ausgestaltung weist bei mehreren Steuersignalen jedes Steuersignal dieselbe Steuersignalfrequenz auf. In der Praxis dürfte insbesondere diese Ausgestaltung für besonders einfache Steuerverhältnisse sorgen.The "control signal frequency" generally describes the reciprocal of the control signal's period. The period describes the time interval until the control signal reaches a comparable state again, such as a zero crossing or a rising or falling edge. The period is unlikely to be constant but will vary, particularly when the control signal frequency is adjusted. For such control signals, the (non-constant) time interval between two adjacent comparable states can also be called an interval, so the control signal frequency would be the reciprocal of this interval. The control signal frequency influences the frequency with which power semiconductors in the inverter output stage are switched. The control signal frequency can directly correspond to the frequency of switching events. However, it is also possible that there are multiple switching events per control signal period, or even multiple control signal periods per switching event. In one configuration, one or more of the control signals have different control signal frequencies. In another configuration, each control signal has the same control signal frequency. In practice, this design in particular should result in especially simple tax conditions.
Die vorliegende Offenbarung kann im Zusammenhang mit den verschiedensten Arbeitsmaschinen und Elektromotoren eingesetzt werden. Der Begriff „Arbeitsmaschine“ bezieht sich dabei auf ein Gesamtsystem, das elektrische und mechanische Komponenten umfassen kann. Dabei wandelt die Arbeitsmaschine eingegebene elektrische Energie in eine andere Energieform um, beispielsweise in Bewegungsenergie, Druck, kinetische Energie, etc.. Beispiele derartiger Arbeitsmaschinen sind Pumpen, Verdichter, Rührwerke, Hebezeuge, Fluidenergiemaschinen, Förderanlagen oder Ventilatoren. Beispiele möglicher Elektromotoren sind permanentmagnetisierte Synchronmaschine (PMSM), synchrone Reluktanzmaschinen (SRM), permanenterregte synchrone Reluktanzmaschinen (PMASynRM) oder Asynchronmaschinen (ASM). Diese Aufzählungen sind lediglich beispielhaft und nicht abschließend und sollen die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Beispiele beschränken. Von Bedeutung ist, dass in einen Wechselrichtereingang eingegebene elektrische Energie durch den Wechselrichter in den Elektromotor eingegeben und zum Antreiben der Arbeitsmaschine genutzt wird. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen von Arbeitsmaschinen sind jedoch Pumpen und Verdichter.The present disclosure can be used in connection with a wide variety of working machines and electric motors. The term "working machine" refers to a complete system that may include electrical and mechanical components. The working machine converts input electrical energy into another form of energy, such as kinetic energy, pressure, or other forms of energy. Examples of such working machines include pumps, compressors, agitators, hoists, fluid energy machines, conveyors, and fans. Examples of possible electric motors include permanent magnet synchronous machines (PMSM), synchronous reluctance machines (SRM), permanent magnet synchronous reluctance machines (PMASynRM), and asynchronous machines (ASM). This list The examples given are merely illustrative and not exhaustive, and are not intended to limit the present disclosure to these examples. It is important to note that electrical energy input to an inverter input is fed by the inverter into the electric motor and used to drive the working machine. Particularly preferred embodiments of working machines, however, are pumps and compressors.
Der „Wechselrichter" kann prinzipiell alles umfassen, was zum Erzeugen einer Wechselrichterausgangsspannung zum Ansteuern eines Elektromotors aus einer Wechselrichtereingangsspannung benötigt wird. Dazu können Leistungshalbleiter, Filter, Verstärker, Treiber und Sicherheitsbeschaltung ebenso gehören wie Gleichrichter, Zwischenkreiskapazität, Netzfilter, Mikroprozessor, Speicher, DC/DC-Wandler für interne Versorgung, Strommesser, Spannungsmesser, Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle, etc. Auch diese Aufzählung ist weder als abschließend noch als beschränkend zu verstehen.The term "inverter" can, in principle, encompass everything required to generate an inverter output voltage for driving an electric motor from an inverter input voltage. This can include power semiconductors, filters, amplifiers, drivers, and safety circuitry, as well as rectifiers, DC link capacitors, mains filters, microprocessors, memory, DC/DC converters for internal power supply, ammeters, voltmeters, input/output interfaces, etc. This list is neither exhaustive nor limiting.
Vereinfacht dargestellt weist der Wechselrichter zumindest einen Wechselrichtereingang, einem Wechselrichterausgang, eine Wechselrichtersteuereinheit und eine Wechselrichterausgangsstufe mit den einleitend beschriebenen Funktionen auf. In den Wechselrichtereingang kann eine Wechselrichtereingangsspannung zur Versorgung des Wechselrichters und des anzusteuernden Elektromotors eingegeben werden. Diese „Wechselrichtereingangsspannung“ kann eine Gleichspannung, eventuell auch aus einem Gleichspannungszwischenkreis, oder eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung umfassen. Unter diesen mehrphasigen Wechselspannungen sei beispielhaft auf dreiphasigen Drehstrom verwiesen. Die an dem Wechselrichterausgang ausgegebene Wechselrichterausgangsspannung ist üblicherweise eine Wechselspannung, die Teil eines mehrphasigen Spannungssystems sein kann. Unter „Wechselspannung“ wird vorliegend allgemein eine Spannung mit nicht konstanter Amplitude verstanden, die uni- oder bipolar sein, veränderliche Frequenz und verschiedene Spannungsformen aufweisen kann. Dabei kann die Wechselspannung gleichwertfrei sein, kann jedoch auch einen Gleichwert ungleich Null aufweisen. In einigen Fällen wird angestrebt, die Wechselrichterausgangsspannung/en als annähernd sinusförmige Wechselspannung zu erzeugen. In anderen Fällen wird die Wechselrichterausgangsspannung/en als rechteckförmige Spannung/en erzeugt. Die Wechselrichterausgangsspannung kann jedoch auch dreieckförmig oder trapezförmig sein, um lediglich einige weitere denkbare Spannungsformen zu nennen. Es versteht sich, dass der Wechselrichtereingang und der Wechselrichterausgang auf jeweils einzugebende Wechselrichtereingangsspannung und die jeweils auszugebende Wechselrichterausgangsspannung angepasst sein sollten. Dies kann auch bedeuten, dass an dem Wechselrichtereingang bzw. ausgang weitere Beschaltung vorhanden ist, beispielsweise Filter für elektromagnetische Verträglichkeit, Überspannungsschutz oder Überstromschutz.In simplified terms, an inverter has at least one inverter input, one inverter output, one inverter control unit, and one inverter output stage with the functions described in the introduction. An inverter input voltage can be applied to the inverter input to supply the inverter and the electric motor being driven. This "inverter input voltage" can be a DC voltage, possibly from a DC link, or a single-phase or multi-phase AC voltage. Three-phase AC is one example of a multi-phase AC voltage. The inverter output voltage is typically an AC voltage, which can be part of a multi-phase voltage system. For the purposes of this discussion, "AC voltage" generally refers to a voltage with a non-constant amplitude, which can be unipolar or bipolar, have a variable frequency, and exhibit various waveforms. The AC voltage can be neutral or have a non-zero DC value. In some cases, the aim is to generate the inverter output voltage(s) as an approximately sinusoidal AC voltage. In other cases, the inverter output voltage(s) is generated as a rectangular voltage. However, the inverter output voltage can also be triangular or trapezoidal, to name just a few other possible voltage waveforms. It goes without saying that the inverter input and output should be matched to the respective input and output voltages. This may also mean that additional circuitry is present at the inverter input or output, such as filters for electromagnetic compatibility, overvoltage protection, or overcurrent protection.
Der Wechselrichter selbst kann verschiedenste Topologien aufweisen. Beispielhaft, jedoch nicht auf diese beschränkend, sei auf 2-Pegel-Wechselrichter, Multi-Pegel-Wechselrichter, weichschaltende Topologien mit Schaltpunkten im Spannungsnullpunkt (ZVS) oder weichschaltende Topologien mit Schaltpunkten im Stromnullpunkt (ZCS) hingewiesen. Prinzipiell kann die vorliegende Offenbarung mit allen diesen und mit weiteren Topologien eingesetzt werden.The inverter itself can have a wide variety of topologies. Examples, but not limited to, include 2-level inverters, multi-level inverters, soft-switching topologies with switching points at zero voltage (ZVS), and soft-switching topologies with switching points at zero current (ZCS). In principle, the present disclosure can be used with all these and other topologies.
Die Wechselrichterausgangsstufe kann einen oder mehrere Leistungshalbleiter umfassen, die unterschiedlich verschaltet sein können. Es können ein oder mehrere Wechselrichterzweige als Halb- oder Vollbrücke genutzt werden. Der/die Leistungshalbleiter kann/können auf verschiedenste Weise gebildet sein. Üblich sind verschiedene Ausgestaltungen von Transistoren, insbesondere MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), SiC-FET (Silicon Carbide Field Effect Transistor) und GaN-FET (Gallium Nitride Field Effect Transistor). Auch die Ansteuerung der Transistoren kann verschiedentlich sein und kann auf die jeweils verwendete Modulationsart angepasst sein. Lediglich beispielhaft, nicht abschließend oder beschränkend sei auf die Verwendung der Raumzeigermodulation, der Sinusmodulation und der diskontinuierlichen (Flat Top) Modulation hingewiesen.The inverter output stage can comprise one or more power semiconductors, which can be connected in various configurations. One or more inverter branches can be used as a half-bridge or full-bridge. The power semiconductor(s) can be formed in a variety of ways. Various transistor designs are common, in particular MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), SiC-FET (Silicon Carbide Field Effect Transistor), and GaN-FET (Gallium Nitride Field Effect Transistor). The transistor control can also vary and can be adapted to the specific modulation type used. Space vector modulation, sine wave modulation, and discontinuous (flat-top) modulation are mentioned here as examples only, without being exhaustive or limiting.
Entsprechend unterschiedlich kann die „Wechselrichtersteuereinheit“ ausgebildet sein. Die Wechselrichtersteuereinheit kann zur Steuerung wichtiger Funktionen des Wechselrichters eingesetzt werden und/oder Bestandteil eines Regelkreises sein. Im letztgenannten Fall wirkt die Wechselrichtersteuereinheit direkt oder indirekt bei einer Regelung mit. Wichtige Aufgabe der Wechselrichtersteuereinheit ist es, Steuersignale zu erzeugen und auszugeben, die die Wechselrichterausgangsstufe zum Erzeugen und Ausgeben der Wechselrichterausgangsspannung veranlassen.The inverter control unit can be designed in a variety of ways. It can be used to control important functions of the inverter and/or be part of a control loop. In the latter case, the inverter control unit participates directly or indirectly in the control process. A key task of the inverter control unit is to generate and output control signals that instruct the inverter output stage to generate and output the inverter output voltage.
Der Wechselrichter kann auf verschiedene Weisen implementiert sein. So ist der Wechselrichter in einer Ausgestaltung vollständig durch Hardware implementiert. In einer anderen Ausgestaltung ist der Wechselrichter durch eine Kombination aus Hardware und Software implementiert, was insbesondere eine Anpassung der Steuersignalfrequenz an Momentanstromwerte flexibler gestaltet. Die Hardware kann dabei Leistungshalbleiter, Verstärker, Sensoren, Analog-Digital-Wandler, Filter (beispielsweise Hochpass-, Tiefpass-, Bandpassfilter), Prozessor/en (beispielsweise Mikrocontroller, digitaler Signalprozessor oder ASIC (Application Specific Integrated Circuit)) und/oder eine programmierbare Logikschaltung (beispielsweise einen FPGA (Field Programmable Gate Array) oder CPLD (Complex Programmable Logic Device)) umfassen. Ferner kann ein oder mehrere Speicher vorhanden sein, beispielsweise RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory) oder Flash-Speicher, auf den andere Hardware-Komponenten zugreifen können. Software kann die jeweiligen Komponenten des Wechselrichters steuern. Je nach Implementierung des Wechselrichters können auch die unterschiedlichen Einheiten unterschiedlich ausgebildet sein.The inverter can be implemented in various ways. In one design, the inverter is implemented entirely in hardware. In another design, the inverter is implemented through a combination of hardware and software, which allows for, in particular, an adaptation of... The adjustment of the control signal frequency to instantaneous current values is made more flexible. The hardware can include power semiconductors, amplifiers, sensors, analog-to-digital converters, filters (e.g., high-pass, low-pass, band-pass filters), processor(s) (e.g., microcontrollers, digital signal processors, or ASICs (application-specific integrated circuits)), and/or a programmable logic circuit (e.g., an FPGA (field-programmable gate array) or CPLD (complex programmable logic device)). Furthermore, one or more memory modules can be present, such as RAM (random access memory), ROM (read-only memory), or flash memory, which other hardware components can access. Software can control the individual components of the inverter. Depending on the inverter implementation, the different units can also be configured differently.
Die Wechselrichterausgangsspannung wird durch eine ein- oder mehrphasige, zeitlich veränderliche Spannung gebildet und die Wechselrichtersteuereinheit ist dazu ausgebildet, innerhalb einer Periode der Wechselrichterausgangsspannung mehrere Anpassungen der Steuersignalfrequenz (fst) innerhalb einer Periode der Wechselrichterausgangsspannung vorzunehmen. In einer Ausgestaltung ist die Wechselrichtersteuereinheit dazu ausgebildet, innerhalb einer Periode der Wechselrichterausgangsspannung eine Mindestanzahl von Anpassungen der Steuersignalfrequenz vorzunehmen, wobei die Mindestanzahl von Anpassungen vorzugsweise mindestens 5, weiter bevorzugter Weise mindestens 10, besonders bevorzugterweise mindestens 20 ist. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass vor jeder Anpassung ein aktueller Momentanstromwert in den Stromeingang eingegeben oder aus einem oder mehreren vorherigen Momentanstromwerten (beispielsweise durch Extrapolation oder Abschätzung aus einer der vorhergehenden Perioden) berechnet wird. Bei mehrphasigen Spannungssystemen kann in der Regel davon ausgegangen werden, dass jede der Wechselrichterausgangsspannungen eine identische Periodenlänge aufweist. Durch eine Mindestanzahl von Anpassungen der Steuersignalfrequenz während einer Periode der Wechselrichterausgangsspannung kann eine gute Adaption an den jeweils fließenden Momentanstrom erreicht werden. Durch Nutzen von mindestens 5 Anpassungen kann eine gute Adaption bei gleichzeitig überschaubarem Ressourcenbedarf erreicht werden. Bei einer Mindestanzahl von 10 oder mehr Anpassungen kann genauer auf den momentan fließenden Strom eingegangen werden. Bei einer Mindestanzahl von 20 oder mehr Anpassungen kann noch genauer auf den momentan fließenden Strom eingegangen werden.The inverter output voltage is generated by a single- or multi-phase, time-varying voltage, and the inverter control unit is configured to perform multiple adjustments of the control signal frequency (f <sub>st</sub> ) within one period of the inverter output voltage. In one embodiment, the inverter control unit is configured to perform a minimum number of adjustments of the control signal frequency within one period of the inverter output voltage, wherein the minimum number of adjustments is preferably at least 5, more preferably at least 10, and particularly preferably at least 20. It can be assumed that, prior to each adjustment, a current instantaneous current value is input into the current input or calculated from one or more previous instantaneous current values (for example, by extrapolation or estimation from one of the preceding periods). In multi-phase voltage systems, it can generally be assumed that each of the inverter output voltages has an identical period length. A good adaptation to the instantaneous current can be achieved by making a minimum number of adjustments to the control signal frequency during one period of the inverter output voltage. Using at least 5 adjustments allows for good adaptation while maintaining manageable resource requirements. With a minimum of 10 or more adjustments, the adaptation to the instantaneous current can be more precise. With a minimum of 20 or more adjustments, the adaptation to the instantaneous current can be even more precise.
In einer Ausgestaltung ist die Wechselrichtersteuereinheit dazu ausgebildet, die Steuersignalfrequenz bei einem sich zeitlich ändernden Momentanstromwert anzupassen, wobei eine Anpassung der Steuersignalfrequenz vorzugsweise in Stufen erfolgt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass ein seit der letzten Anpassung der Steuersignalfrequenz unveränderlicher Momentanstromwert auch keine erneute Anpassung der Steuersignalfrequenz erfordert. Entsprechendes gilt, wenn sich der Momentanstromwert um weniger als einen vordefinierbaren Schwellwert verändert hat. In dieser Ausgestaltung wird eine Anpassung dann vorgenommen, wenn sich der Momentanstromwert zeitlich verändert hat. Das Anpassen in Stufen bietet den Vorteil, dass die Anzahl der Veränderungen geringgehalten werden kann. Dabei kann nach Veränderung des Momentanstromwerts um eine vordefinierte Schwelle die Steuersignalfrequenz um eine vordefinierte Stufe verändert werden. Dabei kann die Größe der Stufe von Rahmenbedingungen abhängen, beispielsweise dem aktuell fließenden Momentanstrom.In one embodiment, the inverter control unit is configured to adjust the control signal frequency in response to a changing instantaneous current value, preferably in steps. It is assumed that an instantaneous current value that has remained unchanged since the last adjustment of the control signal frequency does not require further adjustment. The same applies if the instantaneous current value has changed by less than a predefined threshold. In this embodiment, an adjustment is made when the instantaneous current value has changed over time. Adjusting in steps offers the advantage of minimizing the number of changes. After the instantaneous current value changes by a predefined threshold, the control signal frequency can be adjusted by a predefined step. The size of this step can depend on external factors, such as the current instantaneous current.
In einer Ausgestaltung ist die Wechselrichtersteuereinheit dazu ausgebildet, eine Anpassung der Steuersignalfrequenz gleichsinnig oder gegensinnig zu einer zeitlichen Änderung des Momentanstromwerts vorzunehmen. Eine gleichsinnige Änderung bedeutet, dass bei einem steigenden Momentanstromwert die Steuersignalfrequenz erhöht bzw. bei einem sinkenden Momentanstrom die Steuersignalfrequenz reduziert wird. Eine gegensinnige Anpassung bedeutet, dass bei einem steigenden Momentanstromwert die Steuersignalfrequenz reduziert bzw. bei einem sinkenden Momentanstrom die Steuersignalfrequenz erhöht wird. Dabei beziehen sich die Veränderungen jeweils auf vorhergehende Werte, insbesondere die unmittelbar vorhergehenden Werte. Eine gleichsinnige Anpassung kann sich bei Wechselrichter-Elektromotor-Systemen anbieten, bei denen die Schaltverluste in der Wechselrichterausgangsstufe unproblematischer gegenüber den Auswirkungen von Oberschwingungen bzw. Drehmomentwelligkeit im Elektromotor sind. Eine gegensinnige Anpassung kann bei Wechselrichter-Elektromotor-Systemen anbieten, bei denen eine Reduktion von Schaltverlusten bei hohen Strömen vorteilhafter als eine Reduktion von Stromoberschwingungen ist.In one embodiment, the inverter control unit is configured to adjust the control signal frequency in the same or opposite direction to changes in the instantaneous current value. An adjustment in the same direction means that the control signal frequency is increased when the instantaneous current value increases and decreased when the instantaneous current value decreases. An adjustment in the opposite direction means that the control signal frequency is decreased when the instantaneous current value increases and increased when the instantaneous current value decreases. These changes are always relative to previous values, particularly the immediately preceding values. An adjustment in the same direction can be advantageous in inverter-electric motor systems where the switching losses in the inverter output stage are less problematic than the effects of harmonics or torque ripple in the electric motor. An adjustment in the opposite direction can be advantageous in inverter-electric motor systems where reducing switching losses at high currents is more beneficial than reducing current harmonics.
In einer Ausgestaltung ist die Wechselrichtersteuereinheit dazu ausgebildet, eine Anpassung der Steuersignalfrequenz derart vorzunehmen, dass eine zeitliche Änderung des Momentanstromwerts mit einer zeitlichen Änderung der Steuersignalfrequenz einen linearen, quadratischen, polynomialen, exponentiellen, hyperbolischen oder sonstigen funktionalen Zusammenhang aufweist. Das Nutzen eines definierten Zusammenhangs zwischen einer zeitlichen Änderung des Momentanstromwerts und einer zeitlichen Änderung der Steuersignalfrequenz ermöglicht definierte und reproduzierbare Anpassungen der Steuersignalfrequenz. Dabei kann die Anpassung der Steuersignalfrequenz vorab berechnet und in einem Speicher abgelegt worden sein. Auf diese Weise kann eine minimale Belastung der Rechenressourcen bei der Wechselrichtersteuereinheit erreicht werden. Die Anpassung der Steuersignalfrequenz kann auch jeweils bei Bedarf neu berechnet werden. Dies bietet sich an, wenn die Wechselrichtersteuereinheit über ausreichende Rechenressourcen, aber über nur begrenzte Speicherkapazität verfügt. Welcher Zusammenhang konkret genutzt wird, hängt von den jeweiligen Gegebenheiten des konkreten Wechselrichter-Elektromotor-Systems ab.In one embodiment, the inverter control unit is configured to adjust the control signal frequency such that a change in the instantaneous current value exhibits a linear, quadratic, polynomial, exponential, hyperbolic, or other functional relationship with a change in the control signal frequency. Utilizing a defined relationship between a change in the instantaneous current value and a change in the control signal frequency enables defined and reproducible adjustments of the control signal frequency. The control signal frequency adjustment can be pre-calculated and stored in memory. This minimizes the load on the inverter control unit's processing resources. Alternatively, the control signal frequency can be recalculated as needed. This is advantageous when the inverter control unit has sufficient processing resources but limited memory capacity. The specific method used depends on the individual characteristics of the inverter-electric motor system.
In einer Ausgestaltung ist die Wechselrichtersteuereinheit dazu ausgebildet, mindestens eine Verlustkenngröße zu empfangen und die Steuersignalfrequenz derart anzupassen, dass eine durch die Verlustkenngröße repräsentierte Verlustleistung reduziert und/oder minimiert wird. Auf diese Weise kann ein besonders effektiver Betrieb des Wechselrichters, des Elektromotors und/oder der Arbeitsmaschine insgesamt erreicht werden. Dabei kann die Verlustkenngröße prinzipiell durch alles gebildet sein, was für eine Verlustleistung repräsentativ ist. Hierzu seien beispielhaft eine durch den Elektromotor momentan aufgenommene Wirkleistung, eine momentan vorhandene Blindleistung, Leistungsanteile in Oberschwingungen oder eine Welligkeit des Drehmoments genannt.In one embodiment, the inverter control unit is configured to receive at least one loss parameter and adjust the control signal frequency such that the power loss represented by this parameter is reduced and/or minimized. This allows for particularly efficient operation of the inverter, the electric motor, and/or the driven machine as a whole. In principle, the loss parameter can be anything representative of power loss. Examples include the active power currently consumed by the electric motor, the reactive power currently present, power components in harmonics, or torque ripple.
In einer Ausgestaltung bilden die Wechselrichterausgangsspannungen ein mehrphasiges Spannungssystem, wobei jede der Phasen des mehrphasigen Spannungssystems zum Ansteuern eines Motorphasenanschlusses ausgebildet ist, wobei der Stromwerteingang dazu ausgebildet ist, einen Momentanstromwert zu empfangen, der repräsentativ für die Summe der Beträge von Momentanströmen in allen Phasen ist, und wobei die Wechselrichtersteuereinheit zum Anpassen der Steuersignalfrequenz für alle Phasen gemeinsam ausgebildet ist. Eine derartige Herangehensweise bietet sich insbesondere für Wechselrichtertopologien an, bei denen die Steuersignale für jede der Wechselrichterausgangsspannungen eine identische Steuersignalfrequenz aufweisen. Hierzu gehören beispielsweise regelmäßig die weitverbreiteten H-Brücken. Die Summe der Beträge der Momentanströme bietet ein gutes Maß für den Stromfluss durch die Wechselrichterausgangsstufe in den Elektromotor.In one embodiment, the inverter output voltages form a multiphase voltage system, wherein each phase of the multiphase voltage system is configured to drive a motor phase connection, wherein the current input is configured to receive an instantaneous current value that is representative of the sum of the magnitudes of the instantaneous currents in all phases, and wherein the inverter control unit is configured to adjust the control signal frequency for all phases. Such an approach is particularly suitable for inverter topologies in which the control signals for each of the inverter output voltages have an identical control signal frequency. Commonly used H-bridges are examples of this. The sum of the magnitudes of the instantaneous currents provides a good measure of the current flow through the inverter output stage into the electric motor.
In einer Ausgestaltung bilden die Wechselrichterausgangsspannungen eine mehrphasiges Spannungssystem, wobei jede der Phasen des mehrphasigen Spannungssystem zum Ansteuern eines Motorphasenanschlusses ausgebildet ist, wobei der Stromwerteingang dazu ausgebildet ist, einen Momentanstromwert für jede der Phasen zu empfangen, und wobei die Wechselrichtersteuereinheit zum Anpassen der Steuersignalfrequenz für die jeweils zu einem Momentanstromwert gehörige Phase ausgebildet ist. Diese Herangehensweise ist bei Wechselrichtertopologien anwendbar, bei denen jede Wechselrichterausgangsspannung mit einem unabhängig einstellbaren Steuersignal erzeugt werden kann und insbesondere die mehrere Steuersignale unterschiedliche Steuersignalfrequenzen aufweisen können. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders flexible Anpassung der Steuersignalfrequenz.In one embodiment, the inverter output voltages form a multiphase voltage system, wherein each phase of the multiphase voltage system is configured to drive a motor phase connection, wherein the current input is configured to receive an instantaneous current value for each phase, and wherein the inverter control unit is configured to adjust the control signal frequency for the phase corresponding to each instantaneous current value. This approach is applicable to inverter topologies in which each inverter output voltage can be generated with an independently adjustable control signal, and in particular, where the multiple control signals can have different control signal frequencies. This embodiment allows for particularly flexible adjustment of the control signal frequency.
In einer Ausgestaltung umfasst der Wechselrichter zusätzlich mindestens ein Strommessgerät, wobei das Strommessgerät kommunizierend mit dem Stromwerteingang verbunden ist und wobei das Strommessgerät zum Messen eines Momentanstromwerts und zum Eingeben des erfassten Momentanstromwerts in den Stromwerteingang ausgebildet ist. Hierdurch kann ein Momentanstromwert auf einfache und ressourcenschonende Art und Weise gewonnen und in die Wechselrichtersteuereinheit eingegeben werden.In one embodiment, the inverter additionally includes at least one current measuring device, wherein the current measuring device is communicatively connected to the current input and wherein the current measuring device is configured to measure an instantaneous current value and to input the measured instantaneous current value into the current input. This allows an instantaneous current value to be obtained in a simple and resource-efficient manner and entered into the inverter control unit.
In einer Ausgestaltung misst das Strommessgerät einen Momentanstromwert für jedes Wechselrichterausgangsspannung und/oder einen Momentanstromwert aus einem Zwischenkreis des Wechselrichters. Durch Messen des Momentanstromwerts für jede Wechselrichterausgangsspannung kann ein detailliertes Bild der Stromaufnahme des Elektromotors gewonnen werden. Das Messen eines Momentanstromwerts ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Summe der Beträge der Momentanströme zur Anpassung der Steuersignalfrequenz herangezogen wird.In one embodiment, the current meter measures an instantaneous current value for each inverter output voltage and/or an instantaneous current value from an intermediate circuit of the inverter. By measuring the instantaneous current value for each inverter output voltage, a detailed picture of the electric motor's current consumption can be obtained. Measuring an instantaneous current value is particularly advantageous when the sum of the instantaneous current values is used to adjust the control signal frequency.
In einer Ausgestaltung umfasst die Wechselrichterausgangsstufe mehrere Leistungshalbleiter und sind die Steuersignale jeweils dazu ausgebildet, einen der mehreren Leistungshalbleiter direkt anzusteuern, wobei die Steuersignale vorzugsweise durch pulsweitenmodulierte Signale gebildet sind. Auf diese Weise hat die Beeinflussung der Steuersignalfrequenz einen besonders eindeutigen und reproduzierbaren Einfluss auf die Wechselrichterausgangsspannung. Bei der Nutzung von pulsweitenmodulierten Signalen ist dies besonders einfach.In one embodiment, the inverter output stage comprises several power semiconductors, and the control signals are each configured to directly control one of the several power semiconductors, with the control signals preferably being pulse-width modulated signals. In this way, influencing the control signal frequency has a particularly clear and reproducible effect on the inverter output voltage. This is especially simple when using pulse-width modulated signals.
In einer Ausgestaltung ist die Wechselrichtersteuereinheit dazu ausgebildet, die Steuersignalfrequenz basierend auf einer Nominalfrequenz eine Frequenzanpassung vorzunehmen, wobei eine Anpassung vorzugsweise als prozentualer Anteil der Nominalfrequenz erfolgt. Die Nominalfrequenz bildet dann eine Referenz für die Veränderung der Steuersignalfrequenz. Dabei kann diese Referenz verschiedentlich genutzt werden. In einer Weiterbildung ist die Nominalfrequenz eine Mittenfrequenz, um die herum sich das Steuersignal befindet, beispielsweise in einem Band von x% unterhalb bis x% oberhalb dieser Nominalfrequenz. Hierbei ist x in einer Weiterbildung kleiner oder gleich 50, in einer anderen Weiterbildung kleiner oder gleich 25 und in einer weiteren Weiterbildung kleiner oder gleich 10. In einer anderen Weiterbildung liegt die Nominalfrequenz am unteren oder oberen Ende eines Bands, in dem die Steuersignalfrequenz angepasst wird. So kann die Steuersignalfrequenz beispielsweise zwischen x% und 100% liegen, wobei x<100, oder zwischen 100% und x%, wobei x>100. In einer noch weiteren Weiterbildung ist die Nominalfrequenz eine Frequenz, die die Steuersignalfrequenz nicht annehmen wird. Diese Frequenz könnte beispielsweise eine maximal zulässige Frequenz für den Wechselrichter sein. Die Steuersignalfrequenz könnte dann beispielsweise zwischen 30% und 80% der Nominalfrequenz liegen. Das Nutzen eines prozentualen Anteils der Nominalfrequenz bietet den Vorteil, dass die Variationsbreite der Steuersignalfrequenz mit der Nominalfrequenz mitskaliert.In one embodiment, the inverter control unit is configured to perform frequency adjustment of the control signal frequency based on a nominal frequency, wherein the adjustment is preferably made as a percentage of the nominal frequency. The nominal frequency then forms a reference The reference frequency for changing the control signal frequency can be used in various ways. In one approach, the nominal frequency is a center frequency around which the control signal is located, for example, within a band from x% below to x% above this nominal frequency. Here, x is less than or equal to 50 in one approach, less than or equal to 25 in another, and less than or equal to 10 in yet another. In another approach, the nominal frequency lies at the lower or upper end of a band within which the control signal frequency is adjusted. Thus, the control signal frequency could, for example, be between x% and 100%, where x < 100, or between 100% and x%, where x > 100. In yet another approach, the nominal frequency is a frequency that the control signal frequency will not reach. This frequency could, for example, be a maximum permissible frequency for the inverter. The control signal frequency could then, for example, be between 30% and 80% of the nominal frequency. Using a percentage of the nominal frequency offers the advantage that the range of variation of the control signal frequency scales with the nominal frequency.
In einer Ausgestaltung ist die Wechselrichtersteuereinheit dazu ausgebildet, zusätzlich zu der Frequenzanpassung basierend auf dem Momentanstromwert eine Anpassung der Nominalfrequenz vorzunehmen, wobei die Anpassung der Nominalfrequenz vorzugsweise basierend auf einer mittleren Stromaufnahme des Elektromotors, einer Temperatur, einer elektromagnetischen Emission und/oder einer akustischen Emission erfolgt. Auf diese Weise lassen sich weitere Rahmenbedingungen in die Anpassung der Steuersignalfrequenz einbeziehen. So kann beispielsweise bei einer hohen mittleren Stromaufnahme die Nominalfrequenz so verändert werden, dass die Verlustleistung weiter reduziert wird, beispielsweise durch Absenken der Nominalfrequenz. Zusätzlich zu der Anpassung der Steuersignalfrequenz im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann damit ein besonders effektiver Betrieb des Wechselrichter-Elektromotor-Systems erreicht werden. Entsprechend könnte bei einer zu hohen elektromagnetischen Emission in einem Frequenzbereich die Nominalfrequenz mit niedriger Frequenz (beispielsweise 10 oder 100 Hertz) variiert werden, um das Störspektrum zu spreizen. Eine zu hohe akustische Emission kann durch Erhöhung der Nominalfrequenz und/oder durch Vermeiden von Resonanzbereichen reduziert werden.In one embodiment, the inverter control unit is configured to adjust the nominal frequency in addition to adjusting it based on the instantaneous current value. This nominal frequency adjustment is preferably based on the average current draw of the electric motor, temperature, electromagnetic emissions, and/or acoustic emissions. This allows for the inclusion of further parameters in the control signal frequency adjustment. For example, in the case of a high average current draw, the nominal frequency can be modified to further reduce power loss, for instance, by lowering the nominal frequency. In addition to adjusting the control signal frequency as described in this disclosure, this enables particularly efficient operation of the inverter-electric motor system. Similarly, if electromagnetic emissions are too high in a certain frequency range, the nominal frequency could be varied at a lower frequency (e.g., 10 or 100 Hertz) to spread the interference spectrum. Excessive acoustic emissions can be reduced by increasing the nominal frequency and/or by avoiding resonance ranges.
In einer Ausgestaltung ist der Elektromotor Teil einer Arbeitsmaschine, die Arbeitsmaschine durch eine Pumpe oder einen Verdichter gebildet und der Wechselrichter zum Ansteuern des Elektromotors der Pumpe bzw. des Verdichters ausgebildet.In one embodiment, the electric motor is part of a working machine, the working machine is formed by a pump or a compressor, and the inverter is designed to control the electric motor of the pump or compressor.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
-
1 ein Blockdiagramm mit Funktionsblöcken eines Ausführungsbeispiels eines Wechselrichters gemäß der vorliegenden Offenbarung, -
2 Diagramme mit beispielhaften Verläufen eines idealisierten dreiphasigen Motorstroms, eines realen Motorstroms sowie einer Abweichung des realen Motorstroms von einem idealisierten Motorstrom, jeweils für eine Steuersignalfrequenz von 2 Kilohertz und 16 Kilohertz, -
3 ein Diagramm mit einem beispielhaften Spektrum einer Abweichung eines realen Motorstroms von einem idealisierten Motorstrom bei einer Steuersignalfrequenz von 2 Kilohertz und 16 Kilohertz, -
4 ein Diagramm mit einem idealisierten dreiphasigen Motorstrom, einer Summe der Beträge der Motorströme und einer angepassten Steuersignalfrequenz und -
5 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ansteuern eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
-
1 a block diagram with functional blocks of an embodiment of an inverter according to the present disclosure, -
2 Diagrams showing exemplary curves of an idealized three-phase motor current, a real motor current, and a deviation of the real motor current from an idealized motor current, each for a control signal frequency of 2 kilohertz and 16 kilohertz. -
3 a diagram showing an exemplary spectrum of the deviation of a real motor current from an idealized motor current at a control signal frequency of 2 kilohertz and 16 kilohertz, -
4 a diagram with an idealized three-phase motor current, a sum of the magnitudes of the motor currents and an adapted control signal frequency and -
5 a flowchart of an embodiment of a method for controlling an electric motor according to the present disclosure.
In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.In the different figures, parts that are equivalent in function are always provided with the same reference symbols, so that they are usually only described once.
Die
In
Im oberen Teil der
Beim Nutzen dieser Anpassung der Steuersignalfrequenz fst kann mehrfach pro Periode T der Wechselrichterausgangsspannung ein Momentanstromwert eingegeben und dann die Steuersignalfrequenz angepasst werden. Denkbar wäre beispielsweise bei jedem Minimum bzw. jedem Maximum der Summe der Strombeträge eine Anpassung vorzunehmen. Dann würden 12-mal ein Momentanstromwert eingegeben und 12-mal eine Anpassung der Steuersignalfrequenz vorgenommen. Denkbar ist aber auch, dass jeweils auch zwischen jedem Minimum und jedem Maximum eine Momentanstromwert eingegeben wird. Dann würden 24 Anpassungen vorgenommen. Es ist erkennbar, dass dies beliebig erweitert werden kann. Zudem ist nicht zwingend eine zeitliche Abhängigkeit zwischen dem Eingeben des Momentanstromwerts bzw. dem Anpassen der Steuersignalfrequenz erforderlich. Vielmehr kann diese Anpassung vollständig unabhängig von besonderen Zeitpunkten des Verlaufs des Stroms in den Elektromotor erfolgen, beispielsweise 32- oder 50-mal pro Periode T. Die Anzahl muss auch nicht zwingend eine natürliche Zahl sein. Es ist erkennbar, dass eine kontinuierliche Anpassung der Steuersignalfrequenz fst, wie in
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.Regarding further advantageous embodiments, reference is made to the general part of the description and to the attached claims to avoid repetition.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.Finally, it should be expressly pointed out that the exemplary embodiments described above serve only to illustrate the claimed teaching, but do not limit it to these exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Wechselrichterinverter
- 22
- Energieversorgungsnetzenergy supply network
- 33
- Elektromotorelectric motor
- 44
- WechselrichtereingangInverter input
- 55
- WechselrichterausgangInverter output
- 66
- Gleichrichter / EingangsfilterRectifier / Input filter
- 77
- ZwischenkreisIntermediate circle
- 88
- WechselrichterausgangsstufeInverter output stage
- 99
- WechselrichtersteuereinheitInverter control unit
- 1010
- StromwerteingangCurrent value input
- 1111
- Strommessgerätpower meter
Claims (14)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE102024125311.8A DE102024125311B3 (en) | 2024-09-04 | 2024-09-04 | Inverter and method for controlling an electric motor, as well as working machine |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE102024125311.8A DE102024125311B3 (en) | 2024-09-04 | 2024-09-04 | Inverter and method for controlling an electric motor, as well as working machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=97834066
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Country Status (1)
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Citations (3)
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| DE69003777T2 (en) * | 1989-08-23 | 1994-04-07 | Mitsubishi Electric Corp | Pulse width modulated inverter with temperature compensation. |
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| DE102022125169A1 (en) * | 2021-12-20 | 2023-06-22 | GM Global Technology Operations LLC | POWER CONVERTER SWITCHING FREQUENCY CONTROL SYSTEMS AND POWER CONVERTER SWITCHING FREQUENCY CONTROL METHODS |
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2024
- 2024-09-04 DE DE102024125311.8A patent/DE102024125311B3/en active Active
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