DE102014217269A1 - Circuit arrangement for feeding a load and method for its operation - Google Patents
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Abstract
Zum Schaffen einer drehmoment- bzw. kraftunterbrechungsfreie Stern-Dreieck-Umschaltung für eine Asynchronmaschine wird eine Schaltungsanordnung (100; 200; 300) zum Speisen einer ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem bildenden Last (110) aus einer im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichteten ersten Energiequelle (101) oder aus der ersten und einer im wesentlichen zum Liefern einer zweiten Gleichspannung eingerichteten zweiten Energiequelle (201) mit einer die vorgegebene Phasenzahl aufweisenden Mehrphasenspannung vorgeschlagen, umfassend eine erste Umrichterstufe (114) zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl erster Anschlüsse (U, V, W) der Last aus der ersten Energiequelle und eine zweite Umrichterstufe (115) zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse (X, Y, Z) der Last aus der ersten oder der zweiten Energiequelle, wobei die erste und die zweite Umrichterstufe dazu eingerichtet sind, zum Speisen der Last die ersten und zweiten Anschlüsse der Last wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Ringschaltung zu verbinden.In order to provide a star-delta switch for an asynchronous machine without torque, circuitry (100, 200, 300) for feeding a load (110) forming an open multiphase system having a predetermined number of phases is provided to substantially provide a first one DC voltage-configured first energy source (101) or from the first and a substantially provided for supplying a second DC voltage second energy source (201) proposed with the predetermined phase number polyphase voltage, comprising a first converter stage (114) for supplying a matching with the predetermined phase number Number of first terminals (U, V, W) of the load from the first energy source and a second converter stage (115) for supplying a number of second terminals (X, Y, Z) corresponding to the predetermined number of phases of the load from the first or the second energy source , where the first and the second converter stage are adapted to connect the first and second terminals of the load optionally to a star connection or a ring circuit for feeding the load.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Speisen einer Last. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Schaltungsanordnung. The invention relates to a circuit arrangement for feeding a load. The invention further relates to a method for operating such a circuit arrangement.
Stand der Technik State of the art
In Antriebssträngen moderner Elektro- und Hybridfahrzeuge werden heute permanentmagneterregte Synchronmaschinen aufgrund ihrer hohen erreichbaren Drehmomente und Wirkungsgrade sowie kleinen benötigten Bauräume gegenüber Asynchronmaschinen bevorzugt. Ständige und plötzliche Preisschwankungen zur Herstellung darin eingesetzter Permanentmagnete benötigter Seltenerdrohmaterialien beschränken jedoch eine langfristige Entwicklungsstrategie einer Serienproduktion dieser Maschinen. Es ist daher wünschenswert, anstelle der permanentmagneterregten Synchronmaschinen die einfacheren und kostengünstigeren Asynchronmaschinen einzusetzen. In drive trains modern electric and hybrid vehicles today permanent magnet synchronous machines are preferred due to their high achievable torques and efficiencies and small space requirements compared with asynchronous machines. However, constant and sudden price fluctuations for the production of rare earth raw materials used therein permanent magnets limit a long-term development strategy of mass production of these machines. It is therefore desirable to use the simpler and less expensive asynchronous machines instead of the permanent magnet synchronous machines.
Zum Ausschöpfen mit Asynchronmaschinen erreichbarer Drehmomente in allen Drehzahlbereichen ist im Betrieb eine Stern-Dreieck-Umschaltung notwendig, da eine Asynchronmaschine bei geringen Drehzahlen wegen ihrer in Sternschaltung höheren Ströme ein höheres Drehmoment aufweist als in Dreieckschaltung. Jedoch werden in der Sternschaltung die Drehmomentanforderungen für höhere Drehzahlen nicht erreicht. Bei der Dreieckschaltung steht dagegen nicht genug Drehmoment im Konstantflussbereich bei niedrigen Drehzahlen zur Verfügung. In order to exploit torques that can be achieved with asynchronous machines in all speed ranges, a star-delta changeover is necessary during operation, since an asynchronous machine has a higher torque at lower speeds because of its higher currents in star connection than in delta connection. However, in the star connection the torque requirements for higher speeds are not achieved. In the delta circuit, on the other hand, there is not enough torque in the constant flux range at low speeds.
Dieses Betriebsverhalten der Asynchronmaschine ist in
Aus der Druckschrift
Dazu wird in der zitierten Druckschrift vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein Sternschütz und ein Dreieckschütz für den Asynchronmotor und eine Logikeinheit umfasst, wobei die Logikeinheit dazu ausgebildet ist, anhand der vorliegenden Motorlast des Asynchronmotors das Sternschütz und/oder Dreieckschütz für den Asynchronmotor anzusteuern. Die Umschaltung zwischen einer Sternschaltung bei einer Motorlast im Bereich von 0%–50% der Motornennlast und einer Dreieckschaltung bei einer Motorlast im Bereich von 30%–100% der Motornennlast erfolgt dabei dynamisch und selbsterkennend auf Basis der vorliegenden Motorlast des Asynchronmotors, insbesondere durch die Erfassung des Motorstroms mit Hilfe des Logikmoduls, welches das Stern- bzw. das Dreieckschütz zu- und/oder wegschaltet. Der Asynchronmotor ist mit dem Dreieckschütz und dem Sternschütz so verbunden, dass durch Zu- bzw. Abschalten des Dreiecksschützes bzw. Sternschützes sich eine veränderte Netztopologie für die Motorwicklungen ergibt und damit eine Absenkung bzw. Erhöhung der Versorgungsspannung an den Motorwicklungen des Asynchronmotors erfolgen kann. Im Unterschied zu konventionellen Stern-Dreieckstartern mit automatischer zeitabhängiger Umschaltung vom Sternschütz auf das Dreieckschütz wird die motorlastabhängige Ansteuerung des Dreiecksschützes und des Sternschützes über die Logikeinheit vorgenommen, welche als Eingangsgröße die vorliegende Motorlast des Asynchronmotors analysiert. For this purpose, it is proposed in the cited document that the device comprises a star contactor and a delta contactor for the asynchronous motor and a logic unit, wherein the logic unit is adapted to control the star contactor and / or delta contactor for the asynchronous motor based on the present motor load of the asynchronous motor. The switching between a star connection at an engine load in the range of 0% -50% of the rated motor load and a delta connection at an engine load in the range of 30% -100% of the rated motor load takes place dynamically and self-recognizing based on the present motor load of the asynchronous motor, in particular by the Detection of the motor current with the aid of the logic module, which activates and / or switches off the star or delta contactor. The asynchronous motor is connected to the delta contactor and the star contactor in such a way that switching the triangular contactor or star contactor results in a modified network topology for the motor windings and thus lowering or increasing the supply voltage to the motor windings of the asynchronous motor. In contrast to conventional star-delta starters with automatic time-dependent switching from the star contactor to the delta contactor, the motor load-dependent control of the triangular contactor and the star contactor is carried out via the logic unit, which analyzes the present motor load of the asynchronous motor as an input variable.
Ferner ist angegeben, dass die Schaltvorgänge mit dem Dreiecksschütz und dem Sternschütz ebenso durch andere geeignete Schalteinrichtungen, wie Sanftstarter, Thyristorschalter, Relais, usw., realisiert werden können. Weiter ist angegeben, dass die Logikeinheit in eine bestehende Steuerung, wie ein Überlastrelais, allgemeiner in Überwachungseinrichtungen, z.B. Simocode der Firma SIEMENS, oder übergeordnete Steuerungen, z.B. SPS, Simocode der Firma SIEMENS, integriert werden kann. Furthermore, it is stated that the switching operations with the triangular contactor and the star contactor can also be realized by other suitable switching devices, such as soft starters, thyristor switches, relays, etc. It is further stated that the logic unit can be integrated into an existing controller, such as an overload relay, more generally in monitoring devices, e.g. Simocode of the company SIEMENS, or superordinate controls, e.g. PLC, Simocode from SIEMENS, can be integrated.
Es zeigt sich jedoch, dass Stern-Dreieck-Umschaltungen wie die in der Druckschrift
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile DESCRIPTION OF THE INVENTION: Problem, Solution, Advantages
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine drehmoment- bzw. kraftunterbrechungsfreie Stern-Dreieck-Umschaltung für eine Asynchronmaschine zu schaffen. The invention has the object to provide a torque or power interruption-free star-delta switching for an asynchronous machine.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Speisen einer ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem bildenden Last aus einer im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichteten ersten Energiequelle oder aus der ersten und einer im wesentlichen zum Liefern einer zweiten Gleichspannung eingerichteten zweiten Energiequelle mit einer die vorgegebene Phasenzahl aufweisenden Mehrphasenspannung, umfassend eine erste Umrichterstufe zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl erster Anschlüsse der Last aus der ersten Energiequelle und eine zweite Umrichterstufe zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse der Last aus der ersten oder der zweiten Energiequelle, wobei die erste und die zweite Umrichterstufe dazu eingerichtet sind, zum Speisen der Last die ersten und zweiten Anschlüsse der Last wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Ringschaltung zu verbinden. This object is achieved by a circuit arrangement for feeding a load forming an open polyphase system having a predetermined number of phases from a first energy source essentially configured to provide a first DC voltage or from the first and a second energy source essentially configured to provide a second DC voltage the predetermined phase number having multiphase voltage, comprising a first converter stage for supplying a number of first terminals of the load from the first energy source corresponding to the predetermined phase number and a second converter stage for supplying a number of second terminals of the load from the first or the second corresponding to the predetermined phase number Power source, wherein the first and the second converter stage are adapted to supply the load, the first and second terminals of the load optionally to a star connection or a ring switching to connect.
Dabei ist gemäß den Begriffen aus der allgemeinen Lehre der Mehrphasen-Wechselströme, die an die Definitionen aus dem
Eine mit einer solchen Mehrphasenspannung zu speisende Last weist eine mit der Phasenzahl übereinstimmende Anzahl von Phasen oder Strängen auf und bildet damit ein Mehrphasensystem. Sind diese Stränge der Last untereinander nicht verbunden, d.h. gegeneinander isoliert, und können somit unabhängig voneinander gespeist werden, bildet die Last ein offenes Mehrphasensystem. Jeder der Stränge weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Damit stimmt sowohl die Anzahl erster Anschlüsse der Last als auch die Anzahl zweiter Anschlüsse der Last mit der vorgegebenen Phasenzahl überein. Die Reihenfolge, mit der die Phasenlagen der Wechselspannungen der Mehrphasenspannung entlang einer Zeitachse bzw. die Zeiger der Wechselspannungen im Zeigerdiagramm aufeinander folgen, ist hier als Phasenfolge bezeichnet. Jede der Wechselspannungen ist einem bestimmten der Stränge der Last zuführbar. Somit gibt die Phasenfolge zugleich auch eine Reihenfolge der Stränge der Last an, in welcher Reihenfolge die Stränge gespeist werden. Insbesondere sind die ersten und die zweiten Anschlüsse jede für sich in dieser bestimmten, übereinstimmenden Phasenfolge zu speisen. Mit anderen Worten umschrieben ist zwischen je einem der ersten Anschlüsse und je einem derselben Stelle der Phasenfolge zugeordneten der zweiten Anschlüsse je ein Strang der Last, der auch als Strompfad bezeichnet werden kann, angeordnet. A load to be fed with such a multiphase voltage has a number of phases or strings which match the number of phases and thus forms a multiphase system. Are these strands of the load not connected to each other, i. isolated from each other, and thus can be fed independently, the load forms an open multi-phase system. Each of the strands has a first terminal and a second terminal. Thus, both the number of first terminals of the load and the number of second terminals of the load coincide with the predetermined number of phases. The order in which the phase positions of the alternating voltages of the polyphase voltage follow one another along a time axis or the vectors of the alternating voltages in the vector diagram is referred to here as phase sequence. Each of the alternating voltages can be fed to a specific one of the strings of the load. Thus, the phase sequence also indicates an order of the strings of the load, in which order the strings are fed. In particular, the first and the second terminals are each to feed themselves in this particular, matching phase sequence. In other words, between each one of the first terminals and one of the same location of the phase sequence associated with the second terminals one strand of the load, which can also be referred to as a current path, arranged.
Unter einer Sternschaltung wird nun den Begriffen aus der allgemeinen Lehre der Mehrphasen-Wechselströme folgend eine Zusammenschaltung der einzelnen Stränge der Last bezeichnet, bei der alle zweiten Anschlüsse mit einem gemeinsamen Sternpunkt zusammengefasst sind und je eine der Wechselspannungen der Mehrphasenspannung je einem der ersten Anschlüsse zugeführt wird. Eine Ringschaltung ist dagegen eine Zusammenschaltung der einzelnen Stränge der Last, bei der der zweite Anschluss jedes der Stränge der Last in je einem Abzweigpunkt mit dem ersten Anschluss desjenigen Strangs der Last verbunden ist, der in der Phasenfolge auf den erstgenannten Strang folgt. Dabei wird je eine der Wechselspannungen der Mehrphasenspannung je einem der Abzweigpunkte zugeführt. Bei der Sternschaltung liegt also an jedem Strang der Last die zugeordnete Wechselspannung der Mehrphasenspannung an. bei der Ringschaltung liegt an jedem Strang der Last die vektorielle Differenz der Spannungszeiger je zweier in der Phasenfolge aufeinanderfolgender Wechselspannungen der Mehrphasenspannung an. Under a star connection, the terms from the general teaching of multiphase alternating currents are now referred to as an interconnection of the individual strings of the load, in which all second terminals are combined with a common star point and one of the alternating voltages of the polyphase voltage is supplied to one of the first terminals , On the other hand, a ring circuit is an interconnection of the individual strings of the load, in which the second terminal of each of the strings of the load is connected in each branch point to the first terminal of the string of the load which follows the former string in the phase sequence. In each case one of the alternating voltages of the polyphase voltage is supplied to one of the branch points. In the star connection, therefore, the assigned AC voltage of the polyphase voltage is applied to each string of the load. In the case of the ring circuit, the vectorial difference of the voltage phasors of each of two alternating voltages of the multiphase voltage that follow one another in the phase sequence is applied to each strand of the load.
Die Umrichterstufen, die dazu eingerichtet sind, wahlweise zum Bilden einer Sternschaltung und einer Ringschaltung gesteuert zu werden, sind dazu bevorzugt mit Halbbrücken aus je zwei elektronischen Schalterelementen, vorzugsweise Halbleiter-Schalterelementen, besonders bevorzugt mit Transistoren oder sogenannten IGBTs gebildet, ausgestaltet. Die elektronischen Schalterelemente jeder der Halbbrücken sind mit ihren Hauptstrompfaden in Reihenschaltung angeordnet, wobei je einer der Endpunkte der Reihenschaltung mit je einem von zwei Anschlüssen einer der Energiequellen elektrisch leitend verbunden ist. Der Verbindungspunkt der Reihenschaltung je einer der Halbbrücken, auch als Anzapfung dieser Halbbrücke bezeichnet, ist mit je einem der ersten oder der zweiten Anschlüsse der Last verbunden. Alle Halbbrücken, deren Anzapfungen mit einem der ersten Anschlüsse der Last verbunden sind, sind zur ersten Umrichterstufe zusammengefasst. Alle Halbbrücken, deren Anzapfungen mit einem der zweiten Anschlüsse der Last verbunden sind, sind zur zweiten Umrichterstufe zusammengefasst. Damit sind die Anzapfungen und somit die Halbbrücken innerhalb jeder der Umrichterstufen ebenfalls in der beschriebenen Phasenfolge angeordnet bzw. dieser Phasenfolge zugeordnet. The converter stages, which are set up to be selectively controlled to form a star connection and a ring circuit, are preferably designed with half bridges each consisting of two electronic switch elements, preferably semiconductor switch elements, particularly preferably transistors or so-called IGBTs. The electronic switching elements of each of the half-bridges are arranged with their main current paths in series, wherein one of the end points of the series circuit is electrically conductively connected to one of two terminals of one of the energy sources. The connection point of the series connection each one of the half bridges, also referred to as a tap of this half-bridge is connected to one of the first or the second terminals of the load. All half bridges, whose Taps are connected to one of the first terminals of the load are combined to the first inverter stage. All half-bridges whose taps are connected to one of the second terminals of the load are combined to form the second converter stage. Thus, the taps and thus the half-bridges within each of the converter stages are also arranged in the phase sequence described or assigned to this phase sequence.
Zum Bilden einer Sternschaltung ist bevorzugt die zweite Umrichterstufe derart steuerbar, dass die Anzapfungen aller Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe leitend miteinander zu einem Sternpunkt verbunden sind. Dazu sind alle elektronischen Schalterelemente dieser Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe, die mit demselben Anschluss einer der Energiequellen elektrisch leitend verbunden sind, oder alle elektronischen Schalterelemente dieser Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe überhaupt leitend zu schalten. Diese Schaltung ist derart vorzunehmen, dass aus den Energiequellen kein Strom in die Halbbrücken bzw. den Sternpunkt fließen kann, wozu die Energiequellen wenigstens halbseitig, d.h. einpolig, von diesem Sternpunkt getrennt sein müssen. In order to form a star connection, the second converter stage is preferably controllable such that the taps of all half bridges of the second converter stage are conductively connected to one another in a star point. For this purpose, all the electronic switch elements of these half bridges of the second converter stage, which are electrically conductively connected to the same connection of one of the energy sources, or to switch all electronic switch elements of these half bridges of the second converter stage at all. This circuit is to be made in such a way that no current can flow from the energy sources into the half-bridges or the neutral point, for which purpose the energy sources are at least half-sided, i. unipolar, must be separated from this star point.
Zum Bilden einer Ringschaltung werden die erste und die zweite Umrichterstufe derart synchron gesteuert, dass jeweils eine Halbbrücke der ersten Umrichterstufe mit der in der Phasenfolge voraufgehenden oder nachfolgenden Halbbrücke der zweiten Umrichterstufe, d.h. deren elektronische Schalterelemente, synchron geschaltet werden. Damit ist eine Verbindung bzw. Zusammenschaltung der einzelnen Stränge der Last, bei der der zweite Anschluss jedes der Stränge der Last in je einem Abzweigpunkt mit dem ersten Anschluss desjenigen Strangs der Last verbunden ist, der in der Phasenfolge auf den erstgenannten Strang folgt, gegeben. In order to form a ring circuit, the first and the second converter stage are controlled synchronously such that in each case a half-bridge of the first converter stage is connected to the preceding or following half-bridge in the phase sequence of the second converter stage, i. whose electronic switch elements are switched synchronously. Thus, an interconnection of the individual strings of the load, in which the second terminal of each of the strings of the load is connected in each branch point to the first terminal of that strand of the load following in the phase sequence to the former strand, is given.
Je nach Vorgabe der Phasenzahl der Wechselspannungen und damit der Stränge der Last wird deren Zusammenschaltung zur Ringschaltung bei drei Phasen als Dreieckschaltung, bei vier Phasen als Viereckschaltung, bei sechs Phasen als Sechseckschaltung, usw. bezeichnet. Einen besonders bevorzugten Fall bildet das Dreiphasensystem mit drei Wechselspannungen und drei Strängen, wie es als Drehstromsystem in der elektrischen Energieversorgung verbreitet ist. Demgemäß ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Last als offenes Dreiphasensystem ausgebildet, und die Umrichterstufen weisen je drei Halbbrücken auf, je eine Halbbrücke für jede der Phasen. Depending on the specification of the phase number of the alternating voltages and thus the strings of the load their interconnection to the ring circuit in three phases as a delta connection, in four phases as a quadrilateral circuit, in six phases as hexagonal circuit, etc., referred to. A particularly preferred case is the three-phase system with three alternating voltages and three strings, as it is widespread as a three-phase system in the electrical power supply. Accordingly, in a preferred embodiment of the circuit arrangement according to the invention, the load is designed as an open three-phase system, and the converter stages each have three half-bridges, one half-bridge for each of the phases.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass aus der Druckschrift
Weiterhin ist in der Druckschrift
Eine Stern-Dreieck-Umschaltung wie bei der vorliegenden Erfindung wird damit allerdings nicht erhalten. However, star-delta switching as in the present invention is not obtained therewith.
Die Erfindung ermöglicht eine Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades der Last durch eine Anwendung einer Stern-Ring-Umschaltung, insbesondere einer Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem Dreiphasensystem. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, diese Umschaltung leistungsunterbrechungsfrei auszuführen, da im Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung keine Umschaltzeitintervalle bzw. Austastzeitintervalle vorgesehen werden müssen, in denen die Energiezufuhr aus den Energiequellen unterbrochen werden müsste. Dies wird durch den Einsatz der zweiten Umrichterstufe zusätzlich zur ersten Umrichterstufe erreicht. Durch die beschriebene Steuerung der Halbbrücken der Umrichterstufen wird übergangslos eine Bildung entweder eines Sternpunktes für eine Sternschaltung durch zumindest halbseitiges Leitend-Schalten aller Halbbrücken der zweiten Umrichterstufen oder eine Bildung virtueller und/oder realer Abzweigpunkte für eine Ringschaltung durch Synchronisation der Halbbrücken in der beschriebenen Weise erhalten. Dabei ist mit der Bildung eines realen Abzweigpunkts eine elektrisch leitende Zusammenschaltung eines ersten und eines zweiten Anschlusses der Last in der beschriebenen Weise bezeichnet; ein solcher realer Abzweigpunkt wird insbesondere aus der ersten Energiequelle gespeist. Mit der Bildung eines virtuellen Abzweigpunkts ist das elektrisch getrennte, aber synchrone Speisen dieses ersten Anschlusses der Last aus der ersten Energiequelle und des zweiten Anschlusses der Last aus der zweiten Energiequelle bezeichnet, wobei den bezeichneten Anschlüssen zeitgleich übereinstimmende Spannungen, d.h. Wechselspannungen, zugeführt werden, so dass diese Anschlüsse stets auf demselben elektrischen Potential liegen. The invention enables an increase in the power and the efficiency of the load by using a star-ring switching, in particular a star-delta switching in a three-phase system. In particular, the invention makes it possible to perform this switching power interruption free, since during operation of the circuit arrangement according to the invention no Umschaltzeitintervalle or blanking intervals must be provided, in which the energy supply from the energy sources should be interrupted. This is achieved by using the second converter stage in addition to the first converter stage. The described control of the half bridges of the converter stages, a formation of either a star point for a star connection by at least half-sided Leitend switching all half bridges of the second converter stages or a formation of virtual and / or real Abzweigpunkte for a ring circuit by synchronization of the half bridges is obtained in the manner described without transition , In this case, the formation of a real branch point denotes an electrically conductive interconnection of a first and a second terminal of the load in the manner described; such a real branch point is fed in particular from the first energy source. With the formation of a virtual branch point, the electrically separate but synchronous feeding of this first terminal of the load from the first power source and the second terminal of the load from the second power source is indicated, wherein the designated terminals are supplied at the same time matching voltages, ie AC voltages, so that these connections are always at the same electrical potential.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gekennzeichnet durch eine Ausbildung zum Speisen der Last ausschließlich aus der ersten Energiequelle, wofür wenigstens ein Schalterelement vorgesehen ist zum wahlweisen Gewinnen der zweiten Gleichspannung aus der ersten Gleichspannung der ersten Energiequelle und zum Liefern dieser aus der ersten Gleichspannung der ersten Energiequelle gewonnenen zweiten Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe. Das wenigstens eine Schalterelement, auch als Verbindungsschalter bezeichnet, ist ebenfalls vorteilhaft als elektronisches Schalterelement ausgebildet, bevorzugt mit einem oder mehreren Transistoren oder IGBTs und dient zum wahlweisen Liefern der ersten Gleichspannung aus der ersten Energiequelle als zweite Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe, wobei die Schaltungsanordnung nur die erste Energiequelle aufweist, eine gesonderte zweite Energiequelle kann entfallen. Bevorzugt sind dabei die Umrichterstufen und der wenigstens eine Verbindungsschalter zu eine gemeinsamen Leistungselektronik-Baugruppe zusammengefasst, wozu unterschiedliche, für sich genommen bekannte Integrationstechniken angewandt sein können. Dadurch wird, obgleich zwei Umrichterstufen vorgesehen sind, insgesamt ein kompakter und kostengünstiger Aufbau erhalten. According to a preferred embodiment, the circuit arrangement according to the invention is characterized by a training for feeding the load exclusively from the first power source, for which at least one switch element is provided for selectively obtaining the second DC voltage from the first DC voltage of the first power source and for supplying these from the first DC voltage first power source obtained second DC voltage to the second converter stage. The at least one switch element, also referred to as a connection switch, is also advantageously designed as an electronic switch element, preferably with one or more transistors or IGBTs and serves to selectively supply the first DC voltage from the first power source as a second DC voltage to the second converter stage, the circuit arrangement only having the first energy source, a separate second energy source can be omitted. Preferably, the converter stages and the at least one connection switch are combined to form a common power electronics module, for which purpose different integration techniques known per se can be used. As a result, although two converter stages are provided, overall a compact and inexpensive construction is obtained.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gekennzeichnet durch eine Ausbildung der ersten und/oder der zweiten Energiequelle mit wenigstens einem Akkumulator und/oder wenigstens einer Brennstoffzelle. Diese Ausführungsform ist bevorzugt in elektrisch betriebenen Fahrzeugen, insbesondere Straßenfahrzeugen, oder in Hybridfahrzeugen einsetzbar. Vorteilhaft ist die erste und/oder die zweite Energiequelle durch eine Traktionsbatterie eines derartigen Fahrzeugs gebildet. Damit ist ein sehr leistungsfähiger Betrieb der Last mit hohem Wirkungsgrad in einem solchen Fahrzeug mit den darin verfügbaren Energiequellen möglich. In a further preferred embodiment, the circuit arrangement according to the invention is characterized by a design of the first and / or the second energy source with at least one accumulator and / or at least one fuel cell. This embodiment is preferably used in electrically powered vehicles, in particular road vehicles, or in hybrid vehicles. Advantageously, the first and / or the second energy source is formed by a traction battery of such a vehicle. Thus, a very efficient operation of the load with high efficiency in such a vehicle with the energy sources available therein is possible.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gekennzeichnet durch eine Ausbildung der ersten und/oder der zweiten Energiequelle mit wenigstens einem Kondensator, insbesondere mit wenigstens einem Superkondensator. According to a further preferred embodiment, the circuit arrangement according to the invention is characterized by a design of the first and / or the second energy source with at least one capacitor, in particular with at least one supercapacitor.
Wie dazu aus der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt "
- • aus der statischen Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung in Helmholtz-Doppelschichten in einer Doppelschichtkapazität und
- • aus der elektrochemischen Speicherung elektrischer Energie durch faradayschen Ladungstausch mit Hilfe von Redoxreaktionen in einer Pseudokapazität.
- • from the static storage of electrical energy by charge separation in Helmholtz double layers in a double-layer capacitance and
- • from the electrochemical storage of electrical energy by faradaic charge exchange by means of redox reactions in a pseudo-capacitance.
Doppelschicht- und Pseudokapazität summieren sich in allen elektrochemischen Kondensatoren zu einer Gesamtkapazität. Double-layer and pseudo-capacitance add up to a total capacity in all electrochemical capacitors.
Superkondensatoren gliedern sich, bedingt durch die Ausführung ihrer Elektroden, in drei unterschiedliche Kondensatorfamilien:
- • Doppelschichtkondensatoren besitzen Kohlenstoffelektroden oder deren Derivate mit einer sehr hohen statischen Doppelschichtkapazität. Der Anteil an faradayscher Pseudokapazität an der Gesamtkapazität ist nur gering.
- • Pseudokondensatoren besitzen Elektroden aus Metalloxiden oder aus leitfähigen Polymeren und haben einen sehr hohen Anteil an faradayscher Pseudokapazität.
- • Hybridkondensatoren besitzen asymmetrische Elektroden, eine mit einer hohen Doppelschicht-, die zweite mit einer hohen Pseudokapazität. Zu den Hybridkondensatoren gehören Lithium-Ionen-Kondensatoren.
- • Double-layer capacitors have carbon electrodes or their derivatives with a very high static double-layer capacity. The proportion of Faraday pseudo capacity in the total capacity is small.
- • Pseudo-capacitors have electrodes made of metal oxides or of conductive polymers and have a very high proportion of Faraday pseudo-capacitance.
- • Hybrid capacitors have asymmetric electrodes, one with a high bilayer, the second with a high pseudo capacitance. The hybrid capacitors include lithium-ion capacitors.
In Superkondensatoren ist der Elektrolyt die leitfähige Verbindung zwischen zwei Elektroden. Das unterscheidet sie von Elektrolytkondensatoren, bei denen der Elektrolyt die Kathode ist und somit die zweite Elektrode bildet. Superkondensatoren gehören zu den passiven elektronischen Bauelementen und überbrücken die Lücke zwischen Kondensatoren und Akkumulatoren. Sie haben unter den Kondensatoren die höchsten Kapazitätswerte pro Bauelement, die mit bis zu 10.000 F/1,2 V etwa 10.000-fach größer sind als die von Elektrolytkondensatoren. Im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts weisen Superkondensatoren nur etwa 10 % von deren Energiedichte auf, allerdings ist ihre Leistungsdichte etwa 10 bis 100-fach größer. Superkondensatoren können deshalb sehr viel schneller ge- und entladen werden. Sie überstehen außerdem sehr viel mehr Schaltzyklen als Akkus und eignen sich deshalb als deren Ersatz oder Ergänzung, wenn eine große Schaltbeanspruchung gefordert wird. In supercapacitors, the electrolyte is the conductive connection between two electrodes. This distinguishes them from electrolytic capacitors, in which the electrolyte is the cathode and thus forms the second electrode. Supercapacitors are passive electronic devices that bridge the gap between capacitors and accumulators. Among the capacitors, they have the highest capacitance per component, which is 10,000 times greater than that of electrolytic capacitors at up to 10,000 F / 1.2V. In comparison to accumulators of the same weight, supercapacitors have only about 10% of their energy density, but their power density is about 10 to 100 times greater. Supercapacitors can therefore be charged and discharged much faster. They also withstand much more switching cycles than rechargeable batteries and are therefore suitable as their replacement or supplement when a large switching stress is required.
Das Einsatzgebiet von Superkondensatoren reicht von der Bereitstellung kleinster Ströme zum Datenerhalt von statischen Speichern (SRAM) in elektronischen Geräten bis in den Bereich der Leistungselektronik, so z.B. als Speicher elektrischer Energie im sogenannten KERS-System von Formel-1-Rennwagen oder bei der Rückgewinnung von Bremsenergie, der sogenannten Rekuperation, in Fahrzeugen wie Bussen und Bahnen. The field of application of supercapacitors ranges from the provision of smallest streams for data retention from static memories (SRAM) in electronic devices to the field of power electronics, e.g. as a storage of electrical energy in the so-called KERS system of
Auch aus dem Aufsatz
Ferner wird in diesem Aufsatz beschrieben, dass bei diesen Supercaps die Speicherung der Energie im elektrischen Feld zwischen einer Kohlenstoffoberfläche auf der einen und einer Helmholtz-Schicht aus Ionen auf der anderen Seite erfolgt. Aufgrund der porösen Oberflächenstruktur der Elektroden und des geringen Abstands der Helmholtz-Schicht im Bereich von einigen Nanometern können sie im Vergleich zu konventionellen Kondensatoren viel mehr Energie pro Volumen speichern. Sie weisen eine schnelle Ansprechzeit und die Fähigkeit auf, sehr hohe Ströme liefern zu können. Daraus ergibt sich eine ebensolche Leistungsfähigkeit. Gleichzeitig erreichen die Supercaps um zwei bis drei Größenordnungen höhere Zyklenlebensdauern, da die Energiespeicherung im Wesentlichen elektrostatisch und ohne elektrochemische Reaktion abläuft. Die Elektrodenmaterialien werden daher keinen strukturellen Änderungen der Kristallstruktur unterworfen, was die Elektroden sehr stabil macht. Aufgrund dieser Eigenschaften nehmen Supercaps in Bezug auf Energie und Leistung eine Zwischenstellung zwischen Batterien und Kondensatoren ein. Sie sind damit ideale Energiespeicher für alle Anwendungen, bei denen hohe Leistungen für kurze Zeit und große Zyklenzahlen benötigt werden. Furthermore, it is described in this article that these supercaps store the energy in the electric field between a carbon surface on one side and a Helmholtz layer of ions on the other side. Due to the porous surface structure of the electrodes and the small distance of the Helmholtz layer in the range of a few nanometers, they can save much more energy per volume compared to conventional capacitors. They have a fast response time and the ability to deliver very high currents. This results in a similar performance. At the same time, the supercaps reach two to three orders of magnitude higher cycle lifetimes, since the energy storage essentially proceeds electrostatically and without electrochemical reaction. The electrode materials are therefore not subjected to structural changes in the crystal structure, which makes the electrodes very stable. Because of these characteristics, supercaps have an intermediate position between batteries and capacitors in terms of energy and power. They are thus ideal energy storage devices for all applications where high performance is required for a short time and large numbers of cycles.
Damit sind derartige Superkondensatoren vorteilhaft als Energiespeicher auch für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einsetzbar. Ist z.B. die zweite Energiequelle mit wenigstens einem derartigen Superkondensator ausgebildet, wird diesem Superkondensator Energie bevorzugt in einem sogenannten Rekuperationsmodus zugeführt. Vorteilhaft wird ein derartiger Rekuperationsmodus beim Bremsen von Fahrzeugen ausgeführt, wobei aus der kinetischen Energie des Fahrzeugs elektrische Energie rückgewonnen wird. Derart rückgewonnene Energie kann dem Superkondensator zugeleitet und darin gespeichert werden. Im Fall der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann in der Last gespeicherte elektrische und/oder mechanische, d.h. potentielle und/oder kinetische, Energie, die insbesondere aus der ersten Energiequelle aufgenommen wurde, im Rekuperationsmodus in den Superkondensator geleitet werden. Bevorzugt kann ein solcher Rekuperationsmodus auch mit bestimmter Steuerung der Umrichterstufen ausgeführt werden, etwa durch halbseitiges Leitend-Schalten und halbseitiges Sperren der Halbbrücken der ersten Umrichterstufe, wodurch diese einen von der ersten Energiequelle abgetrennten Sternpunkt für die ersten Anschlüsse der Last bildet. Über die zweite Umrichterstufe wird dann die Energie dem Superkondensator zugeführt. Thus, such supercapacitors are advantageously used as energy storage for the circuit arrangement according to the invention. Is e.g. the second energy source is formed with at least one such supercapacitor, energy is preferably supplied to this supercapacitor in a so-called recuperation mode. Such a Rekuperationsmodus is advantageously carried out when braking vehicles, with the kinetic energy of the vehicle electrical energy is recovered. Such recovered energy can be supplied to the supercapacitor and stored therein. In the case of the circuit arrangement according to the invention, electrical and / or mechanical stored in the load, i. potential and / or kinetic energy, which was taken in particular from the first energy source, are passed in recuperation in the supercapacitor. Preferably, such a recuperation mode can also be carried out with specific control of the converter stages, for example by half-side conduction switching and half-side blocking of the half bridges of the first converter stage, whereby this forms a star point separated from the first energy source for the first terminals of the load. The energy is then supplied to the supercapacitor via the second converter stage.
In Variationen dieser Ausgestaltung kann wenigstens ein Kondensator und/oder wenigstens ein Superkondensator zusätzlich zu der ersten und/oder der zweiten Energiequelle, parallel dazu angeordnet, vorgesehen sein, wobei der wenigstens eine Kondensator und/oder Superkondensator z.B. parallel zu wenigstens einer Brennstoffzelle und/oder wenigstens einem Akkumulator der Energiespeicherung zum Ausgleich von Belastungsschwankungen und/oder -spitzen und/oder zur Spannungsglättung und/oder zur Entstörung dient. In variations of this embodiment, at least one capacitor and / or at least one supercapacitor may be provided in addition to the first and / or the second energy source disposed parallel thereto, the at least one Capacitor and / or supercapacitor, for example, parallel to at least one fuel cell and / or at least one accumulator of the energy storage to compensate for load fluctuations and / or peaks and / or voltage smoothing and / or suppression serves.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die erste Energiequelle über wenigstens einen ersten Gleichspannungswandler mit der ersten Umrichterstufe gekoppelt und/oder ist die zweite Energiequelle über wenigstens einen zweiten Gleichspannungswandler mit der zweiten Umrichterstufe gekoppelt. Ist nur eine erste Energiequelle vorgesehen, wird nur ein Gleichspannungswandler benötigt. Diese Gleichspannungswandler, auch als sogenannte „Boost/Buck Converter“ ausgestaltet und bezeichnet, sind dazu ausgebildet, durch bestimmte Steuerung die an die Last zu liefernden Spannungen während der Stern-Ring-Umschaltung konstant zu halten, da ansonsten unerwünschte Schwingungen im transienten Verhalten der Schaltungsanordnung auftreten können. Insbesondere wird diese Steuerung durch eine passende Änderung eines Modulationsindexes in der Spannungswandlung bewirkt. According to a preferred development of the circuit arrangement according to the invention, the first energy source is coupled to the first converter stage via at least one first DC-DC converter and / or the second energy source is coupled to the second converter stage via at least one second DC-DC converter. If only a first energy source is provided, only one DC-DC converter is needed. These DC-DC converters, also designed and designated as so-called "boost / buck converters", are designed to keep constant the voltages to be supplied to the load during the star-ring switching by certain control, since otherwise undesirable oscillations in the transient behavior of the circuit arrangement may occur. In particular, this control is effected by an appropriate change of a modulation index in the voltage conversion.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Last mit einer elektrischen Maschine mit offenen Wicklungen gebildet. Besonders bevorzugt ist die Last mit einer Asynchronmaschine mit offenen Wicklungen gebildet. Damit ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorteilhaft für Antriebe einsetzbar. Sie ermöglicht einen kraft- bzw. drehmomentunterbrechungsfreien Betrieb einer solchen elektrischen Maschine, insbesondere eine kraft- bzw. drehmomentunterbrechungsfreie Stern-Ring-Umschaltung dieser elektrischen Maschine. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Last als dreiphasige Asynchronmaschine ausgebildet. Damit ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen kraft- bzw. drehmomentunterbrechungsfreien Betrieb der dreiphasigen Asynchronmaschine, insbesondere eine kraft- bzw. drehmomentunterbrechungsfreie Stern-Dreieck-Umschaltung der dreiphasigen Asynchronmaschine. Da eine derartige Asynchronmaschine sehr kostengünstig und einfach ohne Verwendung kostspieliger Permanentmagnete aufgebaut ist, lässt sich mit der Erfindung ein sehr einfach und kostengünstig aufgebauter Antrieb verwirklichen, der auch und bevorzugt für elektrisch betriebene Fahrzeuge und dort insbesondere für einen Traktionsantrieb einsetzbar ist. Durch die Erfindung werden Wirkungsgrad und Drehmoment dieses Antriebs unter Verwendung einer Asynchronmaschine in dem Umfang verbessert, dass sie sich soweit wie möglich den diesbezüglichen Werten einer permanentmagneterregten Synchronmaschine annähern. Unter Einsatz einer Asynchronmaschine wird bei gleichem Bauraum wie für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine eine vergleichbare Leistung erzielt. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wahlweise auch zum Betreiben einer permanentmagneterregten Synchronmaschine anstelle der Asynchronmaschine einsetzbar. In a preferred embodiment of the circuit arrangement according to the invention, the load is formed with an electric machine with open windings. Particularly preferably, the load is formed with an asynchronous machine with open windings. Thus, the circuit arrangement according to the invention can advantageously be used for drives. It allows a power or torque interruption-free operation of such an electric machine, in particular a force or torque interruption-free star-ring switching this electric machine. In a particularly preferred embodiment, the load is designed as a three-phase asynchronous machine. Thus, the circuit arrangement according to the invention enables a power or torque interruption-free operation of the three-phase asynchronous machine, in particular a force or torque interruption-free star-delta switching of the three-phase asynchronous machine. Since such an asynchronous machine is constructed very inexpensively and simply without the use of expensive permanent magnets, can be realized with the invention, a very simple and inexpensive constructed drive, which is also and preferably used for electrically powered vehicles and there especially for a traction drive. The invention improves the efficiency and torque of this drive by using an asynchronous machine to the extent that they approach, as much as possible, the respective values of a permanent magnet synchronous machine. Using an asynchronous machine, a comparable performance is achieved with the same installation space as for a permanent magnet synchronous machine. In addition, the circuit arrangement according to the invention can optionally also be used for operating a permanent-magnet-excited synchronous machine instead of the asynchronous machine.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gekennzeichnet durch eine Steuerstufe zum Steuern der Umrichterstufen und/oder des wenigstens einen Schalterelements und/oder der Gleichspannungswandler. Durch ein gemeinsames Steuern aller in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wahlweise eingesetzten elektronischen Schalterelemente, bevorzugt also derjenigen der Halbbrücken der Umrichterstufen und zusätzlich des wenigstens einen Verbindungsschalters sowie gegebenenfalls auch des wenigstens einen Gleichspannungswandlers, d.h. „Boost/Buck Converters“, mittels einer gemeinsamen Steuerstufe wird ein einfacher und kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erhalten, mit dem eine Synchronisation der beschriebenen Art einfach, präzise und fehlerfrei erzielt wird. Insbesondere die Vermeidung von Synchronisationsfehlern zwischen den Umrichterstufen ist bedeutsam. According to a further preferred embodiment, the circuit arrangement according to the invention is characterized by a control stage for controlling the converter stages and / or the at least one switch element and / or the DC-DC converter. By jointly controlling all optionally used in the circuit arrangement according to the invention electronic switch elements, preferably that of the half bridges of the converter stages and additionally the at least one connection switch and optionally also the at least one DC-DC converter, i. "Boost / Buck Converters", by means of a common control stage, a simple and compact construction of the circuit arrangement according to the invention is obtained, with which a synchronization of the type described is achieved simply, precisely and without errors. In particular, the avoidance of synchronization errors between the converter stages is significant.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung der vorstehend beschriebenen Art, wobei zum Speisen der Last aus der ersten oder der ersten und der zweiten Energiequelle die ersten und zweiten Anschlüsse der Last durch Steuern wenigstens der Umrichterstufen wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Ringschaltung verbunden werden. Insbesondere bei einer Ausbildung der Last mit einer elektrischen Maschine, bevorzugt einer Asynchronmaschine, erfolgt die Verbindung zur Sternschaltung bei niedrigen Drehzahlen und die Verbindung zur Ringschaltung bei hohen Drehzahlen. The above object is further achieved by a method of operating a circuit arrangement of the type described above, wherein for feeding the load from the first or the first and the second energy source, the first and second terminals of the load by controlling at least the inverter stages optionally to a star connection or a ring circuit can be connected. In particular, in a design of the load with an electric machine, preferably an asynchronous machine, the connection to the star connection at low speeds and the connection to the ring circuit at high speeds.
Zum Bilden der Sternschaltung werden die elektronischen Schalterelemente der Halbbrücken in der zweiten Umrichterstufe derart leitend bzw. nichtleitend geschaltet, dass in der zweiten Umrichterstufe ein Sternpunkt gebildet und zugleich eine Abtrennung dieses Sternpunkts von der ersten oder der ersten und der zweiten Energiequelle bewirkt wird. Beim Speisen beider Umrichterstufen aus der als einziger Energiequelle vorgesehenen ersten Energiequelle werden insbesondere der wenigstens eine Verbindungsschalter nichtleitend geschaltet und die Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe wenigstens halbseitig leitend geschaltet. Beim getrennten Speisen der zweiten Umrichterstufe aus der gesonderten zweiten Energiequelle werden die Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe bevorzugt halbseitig leitend und halbseitig nichtleitend geschaltet, so dass über die mit einem ersten Anschluss der zweiten Energiequelle verbundenen, leitenden Schalterelemente der Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe der Sternpunt gebildet wird und durch die mit einem zweiten Anschluss der zweiten Energiequelle verbundenen, nichtleitenden Schalterelemente der Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe ein Stromfluss aus der zweiten Energiequelle unterbunden wird. To form the star connection, the electronic switching elements of the half bridges in the second converter stage are switched such that a star point is formed in the second converter stage and at the same time a separation of this star point from the first or the first and the second energy source is effected. When feeding both converter stages from the first energy source provided as the first energy source, in particular the at least one connection switch is switched non-conducting and the half-bridges of the second converter stage at least switched on one side conductive. In the case of separate feeding of the second converter stage from the separate second energy source, the half bridges of the second converter stage are preferably connected in a semi-conducting and half-conducting non-conducting manner, so that over connected to a first terminal of the second power source, the conductive switch elements of the half-bridges of the second inverter stage of the star point is formed and prevented by the connected to a second terminal of the second power source, non-conductive switch elements of the half-bridges of the second converter stage, a current flow from the second energy source.
Zum Bilden der Dreieckschaltung wird eine Synchronisation der Halbbrücken der ersten und der zweiten Umrichterstufe derart vorgenommen, dass je einer der ersten Anschlüsse der Last mit dem in der Phasenfolge um eine bestimmte Anzahl von Stellen in der Phasenfolge, insbesondere um eine Stelle, benachbarten der zweiten Anschlüsse der Last synchron gespeist, bevorzugt leitend verbunden, wird. Wie bereits vorstehend erläutert, werden als zum Bilden einer Ringschaltung die erste und die zweite Umrichterstufe derart synchron gesteuert, dass jeweils eine Halbbrücke der ersten Umrichterstufe mit der in der Phasenfolge voraufgehenden oder nachfolgenden Halbbrücke der zweiten Umrichterstufe, d.h. deren elektronische Schalterelemente, synchron geschaltet werden. Damit ist eine Verbindung bzw. Zusammenschaltung der einzelnen Stränge der Last, bei der der zweite Anschluss jedes der Stränge der Last in je einem Abzweigpunkt mit dem ersten Anschluss desjenigen Strangs der Last verbunden ist, der in der Phasenfolge auf den erstgenannten Strang folgt, gegeben. Dadurch wird eine einen tatsächlichen elektrischen Abzweigpunkt bildende Verbindung oder eine Übereinstimmung der diesen Anschlüssen zugeführten Spannungen erzielt, die wie ein tatsächlicher elektrischer Abzweigpunkt wirkt und vorstehend auch als virtueller Abzweigpunkt bezeichnet ist. To form the delta connection, a synchronization of the half bridges of the first and the second converter stage is carried out such that one of the first terminals of the load with the in the phase sequence by a certain number of points in the phase sequence, in particular by one point, adjacent the second terminals the load is fed synchronously, preferably conductively connected, is. As already explained above, as for forming a ring circuit, the first and the second converter stage are synchronously controlled so that in each case a half-bridge of the first converter stage is connected to the preceding or subsequent half-bridge in the phase sequence of the second converter stage, i. whose electronic switch elements are switched synchronously. Thus, an interconnection of the individual strings of the load, in which the second terminal of each of the strings of the load is connected in each branch point to the first terminal of that strand of the load following in the phase sequence to the former strand, is given. Thereby, a connection forming an actual electrical branch point or a match of the voltages applied to these terminals is achieved, which acts as an actual electrical branch point and is also referred to above as a virtual branch point.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise die angestrebte, leistungs- bzw. kraft- oder drehmomentunterbrechungsfreie Stern-Ring-Umschaltung. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern von Traktionsantrieben in elektrisch betriebenen Fahrzeugen einsetzbar. The inventive method allows in a simple way the desired, power or torque or torque interruption-free star-ring switching. Preferably, the inventive method for controlling traction drives in electrically operated vehicles can be used.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Umrichterstufen pulsweitenmoduliert gesteuert. Damit ist die erfindungsgemäße Stern-Ring-Umschaltung sehr einfach und wirkungsvoll mit einer Leistungssteuerung durch Pulsweitenmodulation kombinierbar, ohne dafür weitere Schaltungsbauelemente, insbesondere aufwendige und kostspielige Leistungshalbleiter, einsetzen zu müssen. Diese Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht somit die Bereitstellung und das Betreiben eines einfach aufgebauten, kompakten und leistungsfähigen Antriebs. In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the converter stages are controlled pulse width modulated. Thus, the star-ring switching invention is very simple and effective combined with a power control by pulse width modulation, without having to use other circuit components, especially complex and expensive power semiconductors. This development of the method according to the invention thus makes it possible to provide and operate a simply constructed, compact and powerful drive.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
In der Zeichnung, in der übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und zu der auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird, zeigen: In the drawing, in which matching elements in all figures are given the same reference numerals and to which a repeated description of these elements is omitted, show:
Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im nachfolgenden näher beschrieben. The embodiments of the invention shown in the drawing will be described in more detail below.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Preferred embodiment of the invention
In
Diese Last ist in
Die erste Umrichterstufe
Die zweite Umrichterstufe
Im Gegensatz zur ersten Umrichterstufe
Die Schalterelemente Q11, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16, Q21, Q22, Q23, Q24, Q25 und Q26 der Umrichterstufen
In
In dem dargestellten ersten Betriebszustand der Sternschaltung sind alle Schalterelemente Q21, Q22, Q23, Q24, Q25 und Q26 der zweiten Umrichterstufe
In einer nicht dargestellten Abwandlung dieses ersten Betriebszustands kann der zweite Verbindungsschalter V2 im leitenden Zustand verbleiben und werden statt dessen die zweiten Schalterelemente Q24, Q25, Q26 der Halbbrücken
In
Zum Bilden dieser Dreieckschaltung werden die Halbbrücken
Im Einzelnen bedeutet dies für die Bildung einer Dreieckschaltung in der Schaltungsanordnung
- •
Die erste Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe114 wird mit der dritten Halbbrücke121 der zweiten Umrichterstufe115 synchron gesteuert; - – dazu werden insbesondere das erste Schalterelement Q11 der ersten Halbbrücke
116 der ersten Umrichterstufe114 und das erste Schalterelement Q23 der dritten Halbbrücke121 der zweiten Umrichterstufe115 zueinander synchron geschaltet - – sowie das zweite Schalterelement Q14 der ersten Halbbrücke
116 der ersten Umrichterstufe114 und das zweite Schalterelement Q26 der dritten Halbbrücke121 der zweiten Umrichterstufe115 zueinander synchron geschaltet. - •
Die zweite Halbbrücke 117 der ersten Umrichterstufe114 wird mit der ersten Halbbrücke119 der zweiten Umrichterstufe115 synchron gesteuert; - – dazu werden insbesondere das erste Schalterelement Q12 der zweiten Halbbrücke
117 der ersten Umrichterstufe114 und das erste Schalterelement Q21 der ersten Halbbrücke119 der zweiten Umrichterstufe115 zueinander synchron geschaltet - – sowie das zweite Schalterelement Q15 der zweiten Halbbrücke
117 der ersten Umrichterstufe114 und das zweite Schalterelement Q24 der ersten Halbbrücke119 der zweiten Umrichterstufe115 zueinander synchron geschaltet. - •
Die dritte Halbbrücke 118 der ersten Umrichterstufe114 wird mit der zweiten Halbbrücke120 der zweiten Umrichterstufe115 synchron gesteuert; - – dazu werden insbesondere das erste Schalterelement Q13 der dritten Halbbrücke
118 der ersten Umrichterstufe114 und das erste Schalterelement Q22 der zweiten Halbbrücke120 der zweiten Umrichterstufe115 zueinander synchron geschaltet - – sowie das zweite Schalterelement Q16 der dritten Halbbrücke
118 der ersten Umrichterstufe114 und das zweite Schalterelement Q25 der zweiten Halbbrücke120 der zweiten Umrichterstufe115 zueinander synchron geschaltet.
- • The
first half bridge 116 thefirst inverter stage 114 becomes with the third half-bridge 121 thesecond converter stage 115 synchronously controlled; - - In particular, the first switch element Q11 of the first half-
bridge 116 thefirst inverter stage 114 and the first switch element Q23 of the third half-bridge 121 thesecond converter stage 115 synchronized with each other - - And the second switch element Q14 of the first half-
bridge 116 thefirst inverter stage 114 and the second switch element Q26 of the third half-bridge 121 thesecond converter stage 115 synchronized with each other. - • The
second half bridge 117 thefirst inverter stage 114 becomes with thefirst half bridge 119 thesecond converter stage 115 synchronously controlled; - - In particular, the first switch element Q12 of the second half-
bridge 117 thefirst inverter stage 114 and the first switch element Q21 of the first half-bridge 119 thesecond converter stage 115 synchronized with each other - - And the second switch element Q15 of the second half-
bridge 117 thefirst inverter stage 114 and the second switch element Q24 of the first half-bridge 119 thesecond converter stage 115 synchronized with each other. - • The
third half bridge 118 thefirst inverter stage 114 becomes with thesecond half bridge 120 thesecond converter stage 115 synchronously controlled; - - In particular, the first switch element Q13 of the third half-
bridge 118 thefirst inverter stage 114 and the first switch element Q22 of the second half-bridge 120 thesecond converter stage 115 synchronized with each other - - And the second switch element Q16 of the third half-
bridge 118 thefirst inverter stage 114 and the second switch element Q25 of the second half-bridge 120 thesecond converter stage 115 synchronized with each other.
Die beiden Verbindungsschalter V1 und V2 bleiben für die Bildung der Dreieckschaltung dauerhaft leitend geschaltet. The two connection switches V1 and V2 remain permanently conductive for the formation of the delta connection.
In
In
Zum Steuern der Umrichterstufen
Aus
Die Schaltungsanordnungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100 100
- Schaltungsanordnung, erstes Beispiel Circuit arrangement, first example
- 101 101
-
Erste Energiequelle von
100 (Traktionsbatterie) First energy source of100 (Traction battery) - 102 102
-
Pluspol von
101 Positive pole of101 - 103 103
-
Minuspol von
101 Negative pole of101 - 104 104
-
Erster Eingangsanschluss von
106 First input terminal of106 - 105 105
-
Zweiter Eingangsanschluss von
106 Second input connection of106 - 106 106
- Erster Gleichspannungswandler First DC-DC converter
- 107 107
-
Steuereingang von
106 Control input from106 - 108 108
-
Weiterer Glättungskondensator zwischen
104 und105 bzw. parallel zu101 Another smoothing capacitor between104 and105 or parallel to101 - 109 109
- Glättungskondensator zwischen P und N Smoothing capacitor between P and N.
- 110 110
- Asynchronmaschine: Last Asynchronous machine: load
- 111 111
-
Erster Strang von
110 First strand of110 - 112 112
-
Zweiter Strang von
110 Second strand of110 - 113 113
-
Dritter Strang von
110 Third strand of110 - 114 114
- Erste Umrichterstufe First inverter stage
- 115 115
- Zweite Umrichterstufe Second converter stage
- 116 116
-
Erste Halbbrücke von
114 First half bridge of114 - 117 117
-
Zweite Halbbrücke von
114 Second half bridge of114 - 118 118
-
Dritte Halbbrücke von
114 Third half bridge of114 - 119 119
-
Erste Halbbrücke von
115 First half bridge of115 - 120 120
-
Zweite Halbbrücke von
115 Second half bridge of115 - 121 121
-
Dritte Halbbrücke von
115 Third half bridge of115 - 122 122
-
Erster Knotenpunkt von
115 First node of115 - 123 123
-
Zweiter Knotenpunkt von
115 Second node of115 - 124 124
- Kreuz als Symbol für nichtleitenden Zustand von Q11–Q26, V1, V2 Cross symbolizing non-conducting state of Q11-Q26, V1, V2
- 125 125
- Balken als Symbol für leitenden Zustand von Q11–Q26, V1, V2 Bar symbolizing the conductive state of Q11-Q26, V1, V2
- 126 126
- Abzweigpunkt, Verbindung von U und Z mit P Branch point, connection of U and Z with P
- 127 127
- Abzweigpunkt, Verbindung von U und Z mit N Branch point, connection of U and Z to N
- 128 128
- Steuerstufe control stage
- 129 129
-
Steuerleitungen von
128 an114 ,115 , V1, V2 Control cables from128 at114 .115 , V1, V2 - 130 130
-
Weitere Steuerleitung von
128 an107 Further control line from128 at107 - 200 200
- Schaltungsanordnung, zweites Beispiel Circuitry, second example
- 201 201
- Zweite Energiequelle Second energy source
- 202 202
- Schaltungsblock; z.B. Leistungselektronik-Modul Circuit block; e.g. Power electronics module
- 203 203
- Weiterer Schaltungsblock; z.B. Leistungselektronik-Modul Another circuit block; e.g. Power electronics module
- 204 204
- Glättungskondensator smoothing capacitor
- 300 300
- Schaltungsanordnung, drittes Beispiel Circuitry, third example
- 301 301
- Kondensator; bevorzugt Superkondensator Capacitor; prefers supercapacitor
- D D
- Drehzahl der Asynchronmaschine Speed of the asynchronous machine
- DU YOU
- Drehzahlwert der Asynchronmaschine bei Stern-Dreieck-Umschaltung Speed value of the asynchronous machine with star-delta changeover
- M M
- Drehmoment der Asynchronmaschine Torque of the asynchronous machine
- MD MD
- Verlauf von M bei Betrieb der Asynchronmaschine in Dreieckschaltung Course of M during operation of the asynchronous machine in delta connection
- MS MS
- Verlauf von M bei Betrieb der Asynchronmaschine in Sternschaltung Course of M during operation of the asynchronous machine in star connection
- N N
-
Minuspol von
106 Negative pole of106 - P P
-
Pluspol von
106 Positive pole of106 - Q11 Q11
-
Erstes Schalterelement von
116 in114 First switch element of116 in114 - Q12 Q12
-
Erstes Schalterelement von
117 in114 First switch element of117 in114 - Q13 Q13
-
Erstes Schalterelement von
118 in114 First switch element of118 in114 - Q14 Q14
-
Zweites Schalterelement von
116 in114 Second switch element of116 in114 - Q15 Q15
-
Zweites Schalterelement von
117 in114 Second switch element of117 in114 - Q16 Q16
-
Zweites Schalterelement von
118 in114 Second switch element of118 in114 - Q21 Q21
-
Erstes Schalterelement von
119 in115 First switch element of119 in115 - Q22 Q22
-
Erstes Schalterelement von
120 in115 First switch element of120 in115 - Q23 Q23
-
Erstes Schalterelement von
121 in115 First switch element of121 in115 - Q24 Q24
-
Zweites Schalterelement von
119 in115 Second switch element of119 in115 - Q25 Q25
-
Zweites Schalterelement von
120 in115 Second switch element of120 in115 - Q26 Q26
-
Zweites Schalterelement von
121 in115 Second switch element of121 in115 - t t
- Zeit Time
- t1 t1
- Erster Zeitpunkt: erster Betriebszustand First time: first operating state
- t2 t2
- Zweiter Zeitpunkt: zweiter Betriebszustand Second time: second operating state
- t3 t3
- Dritter Zeitpunkt: dritter Betriebszustand Third time: third operating state
- tu tu
- Umschaltzeitpunkt switchover
- V1 V1
- Erster Verbindungsschalter First connection switch
- V2 V2
- Zweiter Verbindungsschalter Second connection switch
- U U
-
Erster Anschluss von
111 First connection of111 - V V
-
Erster Anschluss von
112 First connection of112 - W W
-
Erster Anschluss von
113 First connection of113 - X X
-
Zweiter Anschluss von
111 Second connection of111 - Y Y
-
Zweiter Anschluss von
112 Second connection of112 - Z Z
-
Zweiter Anschluss von
113 Second connection of113
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2012/163433 A2 [0005, 0008] WO 2012/163433 A2 [0005, 0008]
- DE 102006003398 A1 [0018, 0019] DE 102006003398 A1 [0018, 0019]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- T. Kume, T. Iwakane, T. Sawa, T. Yoshida und I. Nagai in dem Fachaufsatz "A wide constant power range vector controlled AC motor drive using winding changeover technique", erschienen in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 27, no. 5, pp. 934–939, 1991 [0008] T. Kume, T. Iwakane, T. Sawa, T. Yoshida and I. Nagai in the paper "A wide constant power range vector controlled AC motor drive using a winding changeover technique", published in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 27, no. 5, pp. 934-939, 1991 [0008]
- Lehrbuch von Moeller: Leitfaden der Elektrotechnik, Band I, Grundlagen der Elektrotechnik, 14. Auflage 1971, B.G. Teubner Stuttgart, ISBN 3-519-06400-6, Verl.-Nr. 6400, Kapitel 11 Mehrphasen-Wechselströme, Seiten 420 ff. [0011] Textbook of Moeller: Guide of Electrical Engineering, Volume I, Fundamentals of Electrical Engineering, 14th Edition 1971, BG Teubner Stuttgart, ISBN 3-519-06400-6, Verl.-Nr. 6400, chapter 11 multiphase alternating currents, pages 420 ff. [0011]
- http://de.wikipedia.org/wiki/Superkondensator [0026] http://en.wikipedia.org/wiki/Superkondensator [0026]
- „Superkondensatoren – Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren“, erschienen in MTZ – Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe 02/2013, Seiten 158–163, Autoren: Dr.-Ing. Julia Kowal, Dipl.-Ing. Julia Drillkens, Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer, erschienen bei Springer Automotive Media Wiesbaden GmbH (2013) [0031] "Supercapacitors - Electrochemical Double Layer Capacitors", published in MTZ - Motortechnische Zeitschrift, Issue 02/2013, pages 158-163, authors: Dr.-Ing. Julia Kowal, Dipl.-Ing. Julia Drillkens, Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer, published by Springer Automotive Media Wiesbaden GmbH (2013) [0031]
Claims (10)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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"Superkondensatoren - Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren", erschienen in MTZ - Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe 02/2013, Seiten 158-163, Autoren: Dr.-Ing. Julia Kowal, Dipl.-Ing. Julia Drillkens, Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer, erschienen bei Springer Automotive Media Wiesbaden GmbH (2013) |
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Kowal, J. et al. Superkondensatoren elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, in: MTZ - Motortechnische Zeitschrift, Vol. 74, 2013, Nr.2, S. 158 - 163, ISSN 0024-8525 * |
Kume, T. et al. A Wide Constant Power Range Vector Controlled AC Motor Drive Using Winding Changeover Technique, in: IEEE Trsansactions in Industry Applications, Vol. 27, 1991, Nr. 5, S. 924 - 939, ISSN 0093-9994 |
Kume, T. et al. A Wide Constant Power Range Vector Controlled AC Motor Drive Using Winding Changeover Technique, in: IEEE Trsansactions in Industry Applications, Vol. 27, 1991, Nr. 5, S. 924 - 939, ISSN 0093-9994 * |
Lehrbuch von Moeller: Leitfaden der Elektrotechnik, Band I, Grundlagen der Elektrotechnik, 14. Auflage 1971, B.G. Teubner Stuttgart, ISBN 3-519-06400-6, Verl.-Nr. 6400, Kapitel 11 Mehrphasen-Wechselströme, Seiten 420 ff. |
T. Kume, T. Iwakane, T. Sawa, T. Yoshida und I. Nagai in dem Fachaufsatz "A wide constant power range vector controlled AC motor drive using winding changeover technique", erschienen in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 27, no. 5, pp. 934-939, 1991 |
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