DE102019208559A1 - Operation of switching elements of an inverter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Schaltelementen (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40) eines Wechselrichters (12), an den eine mehrphasige Ständerwicklung einer elektrischen Maschine (14) angeschlossen ist, wobei Schaltsignale abhängig von einem Betriebszustandszeiger (84) ermittelt werden, wobei der Betriebszustandszeiger für eine von einer Periodendauer einer Grundschwingung von Phasenspannungen und der Anzahl der Phasen (U1, U2, V1, V2, W1, W2) abhängigen Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Taktperioden (T) derart ermittelt wird, dass für eine einem Steuerwinkelbereich (v) entsprechenden Zeitdauer eine der Phasen mit einem von zwei Zwischenkreispotentialen des Gleichspannungszwischenkreises (46) elektrisch gekoppelt wird.Die Erfindung sieht vor, dass der Steuerwinkelbereich (v) abhängig von einem Modulatorphasenwinkel (γ) innerhalb eines Stellbereichs (κ) eingestellt wird, zu welchem Zweck eine Beanspruchung einer Zwischenkreiskapazität des Gleichspannungszwischenkreises (46) ermittelt und der Modulatorphasenwinkel (γ) abhängig der ermittelten Beanspruchung ermittelt wird.The invention relates to a method for operating switching elements (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40) of an inverter (12) to which a polyphase stator winding of an electrical machine (14 ) is connected, with switching signals being determined as a function of an operating state indicator (84), the operating state indicator for a number of directly dependent on a period duration of a fundamental oscillation of phase voltages and the number of phases (U1, U2, V1, V2, W1, W2) successive clock periods (T) is determined in such a way that for a period of time corresponding to a control angle range (v) one of the phases is electrically coupled to one of two intermediate circuit potentials of the DC voltage intermediate circuit (46) Modulator phase angle (γ) is set within an adjustment range (κ), for which purpose a load on an intermediate circuit capacitance of the G light voltage intermediate circuit (46) is determined and the modulator phase angle (γ) is determined depending on the determined stress.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Schaltelementen eines Wechselrichters, an den eine mehrphasige Ständerwicklung einer elektrischen Maschine angeschlossen ist, wobei der Wechselrichter für jede der Phasen der Ständerwicklung wenigstens eine Reihenschaltung aus den Schaltelementen aufweist, um die Ständerwicklung mit einem am Wechselrichter angeschlossenen Gleichspannungszwischenkreis elektrisch zu koppeln, indem die Schaltelemente der Reihenschaltungen mit von jeweiligen Phasenspannungen der jeweiligen Phasen abhängigen Schaltsignalen für die jeweiligen Schaltelemente beaufschlagt werden, wobei die Schaltsignale basierend auf einem Taktsignal unter Nutzung einer diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation ermittelt werden, wobei eine Taktperiode des Taktsignals kleiner als eine Schwingungsperiode einer Grundschwingung der Phasenspannungen ist, wobei die Schaltsignale abhängig von wenigstens einem Betriebszustandszeiger ermittelt werden, der seinerseits abhängig von durch die Schaltelemente erreichbaren Schaltzuständen des Wechselrichters bestimmten Schaltzustandsvektoren in einem entsprechenden Raumzeigersystem ermittelt wird, wobei der Betriebszustandszeiger für eine von der Periodendauer der Grundschwingung und der Anzahl der Phasen abhängigen Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Taktperioden derart ermittelt wird, dass für eine einem Steuerwinkelbereich in Bezug auf die Periodendauer der Grundschwingung entsprechenden Zeitdauer dieser Taktperioden wenigstens eine der Phasen mittels wenigstens einem jeweiligen der Schaltelemente mit einem von wenigstens zwei Zwischenkreispotentialen des Gleichspannungszwischenkreises elektrisch gekoppelt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinrichtung zum Betreiben von Schaltelementen eines Wechselrichters, an den eine mehrphasige Ständerwicklung einer elektrischen Maschine angeschlossen ist, wobei der Wechselrichter für jede der Phasen der Ständerwicklung wenigstens eine Reihenschaltung aus den Schaltelementen aufweist, um die Ständerwicklung mit einem am Wechselrichter angeschlossenen Gleichspannungszwischenkreis elektrisch zu koppeln, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Schaltelemente der Reihenschaltungen mit von jeweiligen Phasenspannungen der jeweiligen Phasen abhängigen Schaltsignalen für die jeweiligen Schaltelemente zu beaufschlagen, die Schaltsignale basierend auf einem Taktsignal unter Nutzung einer diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation zu ermitteln, wobei eine Taktperiode des Taktsignals kleiner als eine Schwingungsperiode einer Grundschwingung der Phasenspannungen ist, die Schaltsignale abhängig von wenigstens einem Betriebszustandszeiger zu ermitteln, den die Steuereinrichtung ihrerseits abhängig von durch die Schaltelemente erreichbaren Schaltzuständen des Wechselrichters bestimmten Schaltzustandsvektoren in einem entsprechenden Raumzeigersystem ermittelt, indem der Betriebszustandszeiger für eine von der Periodendauer der Grundschwingung und der Anzahl der Phasen abhängigen Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Taktperioden derart ermittelt wird, um für eine einem Steuerwinkelbereich in Bezug auf die Periodendauer der Grundschwingung entsprechenden Zeitdauer dieser Taktperioden wenigstens eine der Phasen mittels wenigstens einem jeweiligen der Schaltelemente mit einem von wenigstens zwei Zwischenkreispotentialen des Gleichspannungszwischenkreises elektrisch zu koppeln. Schließlich betrifft die Erfindung einen Wechselrichter zum Anschließen an eine mehrphasige Ständerwicklung von einer elektrischen Maschine, wobei die Ständerwicklung entsprechend der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine ausgebildet ist, mit wenigstens einer Reihenschaltung aus den Schaltelementen für jede der Phasen der Ständerwicklung, um die elektrische Maschine mit einem am Wechselrichter anschließbaren Gleichspannungszwischenkreis elektrisch zu koppeln, indem im bestimmungsgemäßen Betrieb mittels der Reihenschaltungen jeweilige Phasenspannungen für die jeweiligen Phasen der Ständerwicklung abhängig von Schaltsignalen für die jeweiligen Schaltelemente bereitgestellt werden, und einer Steuereinrichtung zum Bereitstellen der Schaltsignale.The invention relates to a method for operating switching elements of an inverter to which a polyphase stator winding of an electrical machine is connected, the inverter having at least one series connection of the switching elements for each of the phases of the stator winding in order to electrically connect the stator winding with a DC voltage intermediate circuit connected to the inverter to be coupled by applying switching signals for the respective switching elements, which are dependent on the respective phase voltages of the respective phases, to the switching elements of the series connections, the switching signals being determined based on a clock signal using a discontinuous pulse width modulation, a clock period of the clock signal being smaller than one oscillation period of a fundamental oscillation of the phase voltages, the switching signals being determined as a function of at least one operating state indicator, which in turn depends on du The switching state vectors that can be achieved by the switching elements of the inverter are determined in a corresponding space vector system, the operating state vector being determined for a number of immediately consecutive clock periods dependent on the period duration of the fundamental oscillation and the number of phases in such a way that a control angle range with respect to the Period duration of the fundamental oscillation corresponding time duration of these clock periods at least one of the phases is electrically coupled by means of at least one respective one of the switching elements to one of at least two intermediate circuit potentials of the DC voltage intermediate circuit. The invention also relates to a control device for operating switching elements of an inverter to which a polyphase stator winding of an electrical machine is connected, the inverter having at least one series circuit of the switching elements for each of the phases of the stator winding to connect the stator winding to a DC voltage intermediate circuit connected to the inverter to be electrically coupled, the control device being designed to apply switching signals for the respective switching elements that are dependent on the respective phase voltages of the respective phases to the switching elements of the series circuits, to determine the switching signals based on a clock signal using a discontinuous pulse width modulation, with a clock period of the clock signal being smaller as an oscillation period of a fundamental oscillation of the phase voltages is to determine the switching signals as a function of at least one operating state indicator, which the control device in turn determines in a corresponding space vector system as a function of the switching states of the inverter that can be achieved by the switching elements, in that the operating state indicator is determined for a number of immediately consecutive clock periods that is dependent on the period of the fundamental and the number of phases in order to provide a To electrically couple at least one of the phases by means of at least one respective of the switching elements with one of at least two intermediate circuit potentials of the DC voltage intermediate circuit in relation to the period of these clock periods corresponding to the period duration of the fundamental oscillation. Finally, the invention relates to an inverter for connection to a polyphase stator winding of an electrical machine, the stator winding being designed according to the number of phases of the electrical machine, with at least one series connection of the switching elements for each of the phases of the stator winding to the electrical machine with to electrically couple a DC voltage intermediate circuit that can be connected to the inverter by providing respective phase voltages for the respective phases of the stator winding depending on switching signals for the respective switching elements in normal operation by means of the series connections, and a control device for providing the switching signals.
Gattungsgemäße Verfahren, gattungsgemäße Steuereinrichtungen sowie auch gattungsgemäße Wechselrichter sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es dem Grunde nach eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Diese werden im Stand der Technik für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, bei denen mittels einer mehrphasigen elektrischen Maschine eine jeweilige spezifische Antriebsfunktion realisiert werden soll. Besonders verbreitet ist dabei die Nutzung von dreiphasigen elektrischen Maschinen, die -je nach Anwendung - sogar unmittelbar mit einem dreiphasigen öffentlichen Energieversorgungsnetz gekoppelt sein können, um die jeweils vorgegebene Antriebsfunktion realisieren zu können.Methods of the generic type, control devices of the generic type and also inverters of the generic type are known extensively in the prior art, so that there is basically no need for separate printed evidence for this. In the prior art, these are used for a large number of applications in which a respective specific drive function is to be implemented by means of a multi-phase electrical machine. The use of three-phase electrical machines, which - depending on the application - can even be directly coupled to a three-phase public power supply network in order to be able to implement the respectively specified drive function, is particularly widespread.
Die Steuerungsmöglichkeiten sind in einem solchen Fall jedoch begrenzt, weshalb mittlerweile mehrphasige elektrische Maschinen über jeweilige Wechselrichter betrieben werden, die zu diesem Zweck mit einem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt sind. Der Gleichspannungszwischenkreis seinerseits kann mit dem öffentlichen Energieversorgungsnetz oder auch einer anderen Energiequelle beziehungsweise Energiesenke elektrisch gekoppelt sein. Dadurch ist es möglich, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine erforderliche elektrische Energie nicht nur aus dem öffentlichen Energieversorgungsnetz, sondern auch aus einer anderen Energiequelle wie zum Beispiel einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, aber auch einer Brennstoffzelle, einem Windgenerator, einem Photovoltaikmodul und/oder dergleichen bereitzustellen. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass Antriebssysteme realisiert werden können, die nicht nur für stationäre Anwendungen geeignet sind, sondern welche sich auch für einen mobilen Einsatz, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen oder dergleichen eignen.The control options are limited in such a case, which is why multi-phase electrical machines are now operated via respective inverters, which are electrically coupled to a DC voltage intermediate circuit for this purpose. The DC voltage intermediate circuit, for its part, can be electrically coupled to the public energy supply network or to another energy source or energy sink. This makes it possible to obtain the electrical energy required for the intended operation of the electrical machine not only from the public energy supply network, but also from another energy source such as an electrical one Provide energy storage, for example a battery, but also a fuel cell, a wind generator, a photovoltaic module and / or the like. In addition, it can be achieved that drive systems can be implemented which are not only suitable for stationary applications, but which are also suitable for mobile use, for example in motor vehicles or the like.
Durch den Einsatz eines Wechselrichters ist es möglich, die mehrphasige elektrische Maschine in flexibler Weise zu steuern, und zwar auch dann, wenn die elektrische Maschine mehr als zwei oder drei Phasen aufweist, beispielsweise vier Phasen, fünf Phasen, sechs Phasen oder sogar noch mehr. Auch wenn eine überwiegende Anwendung von dreiphasigen elektrischen Maschinen derzeit weit verbreitet ist, ist es bei spezifischen Anwendungen jedoch vorgesehen, elektrische Maschinen mit mehr als drei Phasen zu nutzen, beispielsweise bei Schiffsantrieben oder dergleichen. Bei spezifischen Anwendungen kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ständerwicklung der elektrischen Maschine lediglich zweiphasig ausgebildet ist.The use of an inverter makes it possible to control the multiphase electrical machine in a flexible manner, even if the electrical machine has more than two or three phases, for example four phases, five phases, six phases or even more. Even if a predominant application of three-phase electrical machines is currently widespread, it is provided for specific applications to use electrical machines with more than three phases, for example in ship propulsion systems or the like. In specific applications, however, it can also be provided that the stator winding of the electrical machine is only designed in two phases.
Der Einsatz des Wechselrichters ermöglicht es, die mehrphasige elektrische Maschine in einer sehr dynamischen Weise zu betreiben.The use of the inverter makes it possible to operate the multiphase electrical machine in a very dynamic manner.
Zu diesem Zweck ist es in der Regel vorgesehen, Phasenspannungen für die jeweiligen der Phasen bereitzustellen, die als Soll-Werte für die Steuerung des Wechselrichters dienen. Abhängig von diesen Phasenspannungen können sodann mittels der diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation die Schaltsignale für die jeweiligen Schaltelemente ermittelt werden. Mit den Phasenspannungen können Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine eingestellt werden. Zu diesem Zweck können zum Beispiel eine Frequenz, eine Amplitude, Harmonische und/oder dergleichen für die Phasenspannungen vorgegeben werden. Zum Bereitstellen der Phasenspannungen kann beispielsweise ein Phasenspannungsgenerator vorgesehen sein, der die Phasenspannungen gemäß einem durch die elektrische Maschine zu erreichenden Betriebszustand vorgibt. Dies kann als reine Steuerung ausgebildet sein. Darüber hinaus kann auch eine Regelung vorgesehen sein, die vorzugsweise einen oder mehrere Betriebsparameter der elektrischen Maschine berücksichtigt, beispielsweise eine momentane Drehzahl, ein aktueller Drehwinkel, insbesondere bei einem Anlauf, eine elektrische Leistung, ein elektrischer Strom der Ständerwicklung und/oder dergleichen.For this purpose, provision is generally made for phase voltages to be provided for the respective phases, which serve as setpoint values for controlling the inverter. Depending on these phase voltages, the switching signals for the respective switching elements can then be determined by means of the discontinuous pulse width modulation. Operating conditions of the electrical machine can be set with the phase voltages. For this purpose, for example, a frequency, an amplitude, harmonics and / or the like can be specified for the phase voltages. To provide the phase voltages, a phase voltage generator can be provided, for example, which specifies the phase voltages according to an operating state to be achieved by the electrical machine. This can be designed as a pure control. In addition, a control can also be provided that preferably takes into account one or more operating parameters of the electrical machine, for example an instantaneous speed, a current angle of rotation, in particular during start-up, an electrical power, an electrical current of the stator winding and / or the like.
Eine häufig genutzte Möglichkeit, die Phasenspannungen bereitzustellen, nutzt zum Beispieleine Vektorsteuerung , die -je nach Ausgestaltung - gelegentlich auch als Vektorregelung bezeichnet wird und die für den dreiphasigen Fall auf einer Nutzung einer Clarke-Transformation sowie auch einer d/q-Transformation, auch Park-Transformation genannt, basiert. Die Clarke-Transformation dient dazu, dreiphasige Größen der elektrischen dreiphasigen Maschine in ein zweiachsiges Koordinatensystem zu transformieren, welches Bezugsachsen α und β aufweist. Hierdurch kann eine Vektorsteuerung beziehungsweise Vektorregelung realisiert werden, in der Raumzeigerdarstellungen zum Einstellen von Betriebszuständen des Wechselrichters genutzt werden können. Die Park-Transformation ist verwandt mit der Clarke-Transformation und unterscheidet sich von letzterer insbesondere dadurch, dass das zweiachsige Koordinatensystem Bezugsachsen d und q aufweist, wobei bei der Park-Transformation das d/q-Koordinatensystem in einem stationären Betriebsfall bezogen auf eine Maschinengröße der dreiphasigen elektrischen Maschine rotiert. In diesem Fall kann dann ein jeweiliges Wertepaar aus Werten d, q eine für diesen Betriebszustand zeitlich konstante Größe darstellen.A frequently used option to provide the phase voltages, for example, uses a vector control, which - depending on the design - is sometimes also referred to as vector control and which for the three-phase case is based on a Clarke transformation and also a d / q transformation, also Park -Transformation called, based. The Clarke transformation is used to transform three-phase variables of the electrical three-phase machine into a two-axis coordinate system which has reference axes α and β. In this way, vector control or vector control can be implemented in which space vector representations can be used to set the operating states of the inverter. The Park transformation is related to the Clarke transformation and differs from the latter in particular in that the two-axis coordinate system has reference axes d and q, whereby in the Park transformation the d / q coordinate system is based on a machine size in a stationary operating case rotating three-phase electrical machine. In this case, a respective pair of values composed of values d, q can represent a variable that is constant over time for this operating state.
Für mehrphasige elektrische Maschinen, die mehr als drei Phasen aufweisen, können entsprechende Vektorsteuerungen beziehungsweise Vektorreglungen genutzt werden, wie sie beispielsweise durch die
Darüber hinaus können die Phasenspannungen jedoch auch mittels anderer Verfahren und/oder Einrichtungen bereitgestellt werden, beispielsweise durch Vorgabe über ein externes mehrphasiges Wechselspannungsnetz, an dem die Phasenspannungen abgetastet und als Referenz für die diskontinuierliche Pulsweitenmodulation verwendet werden, durch digitale Spannungsvorgabe der Phasenspannungen, insbesondere über Tabellen oder unter Nutzung von Rechnereinheiten, die zum Beispiel eine Sinusberechnung selbst durchführen, oder auch über analoge Hardware-Schaltungen, wie zum Beispiel ein Oszillator, eine digitale Vorgabe über ein Systemmodell der el0ektrischen Maschine oder eine Nachbildung eines Systemmodells mit einer analogen Hardware-Schaltung, eine Direct-Torque-Control-Steuerung, insbesondere mit oder ohne Hysterese, wie es zum Beispiel unter https://de.mathworks.com/help/phvsmod/sps/powersvs/ref/directtorquecontroller.ht ml angegeben ist, oder dergleichen.In addition, the phase voltages can also be provided by means of other methods and / or devices, for example by specifying an external multiphase AC voltage network on which the phase voltages are sampled and used as a reference for the discontinuous pulse width modulation, by digital voltage specification of the phase voltages, in particular using tables or using computer units that, for example, carry out a sine calculation themselves, or also via analog hardware circuits, such as an oscillator, a digital specification via a system model of the electrical machine or a simulation of a system model with an analog hardware circuit, a Direct torque control, in particular with or without hysteresis, as specified, for example, at https://de.mathworks.com/help/phvsmod/sps/powersvs/ref/directtorquecontroller.ht ml, or the like.
Insgesamt hat sich der Stand der Technik bewährt. Gleichwohl verbleiben Nachteile. Es hat sich nämlich gezeigt, dass insbesondere in Bezug auf den Gleichspannungszwischenkreis eine Rippelstrombelastung besonders hinsichtlich einer Beanspruchung eines Zwischenkreiskondensators ungünstig sein kann.Overall, the state of the art has proven itself. However, there remain disadvantages. This is because it has been shown that, in particular with regard to the DC voltage intermediate circuit, a ripple current load can be unfavorable, particularly with regard to the stress on an intermediate circuit capacitor.
Um hier eine Verbesserung erreichen zu können, ist es zum Beispiel aus der
Für die beiden Wicklungssysteme werden gemäß der
Bei dieser Lehre zeigt sich jedoch, dass die Implementierung einer Trägersignalverschiebung beziehungsweise Schaltsignalverschiebung nach
Als problematisch erweist es sich ferner, dass die Wicklungssysteme über das gemeinsame Blechpaket induktiv gekoppelt sind, sodass durch unerwünschte Kopplung bei Einsatz der Trägersignalverschiebung zwar der Gleichspannungszwischenkreis entlastet werden kann, jedoch zugleich deutlich mehr Verluste in die elektrische Maschine durch einen erhöhten Verzerrungsanteil der Phasenströme eingebracht werden, was abhängig von der Kopplung zu erhöhten Gesamtverlusten führen kann.It also proves to be problematic that the winding systems are inductively coupled via the common laminated core, so that the DC intermediate circuit can be relieved through undesired coupling when the carrier signal shift is used, but at the same time significantly more losses are introduced into the electrical machine due to an increased distortion component of the phase currents which, depending on the coupling, can lead to increased overall losses.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Steuerungsmöglichkeit für eine mehrphasige elektrische Maschine mit einer mehrphasigen Ständerwicklung, die vorzugsweise wenigstens zwei voneinander elektrisch getrennte Wicklungssysteme aufweist, zu verbessern.The invention is therefore based on the object of improving a control option for a polyphase electrical machine with a polyphase stator winding, which preferably has at least two winding systems that are electrically separated from one another.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Verfahren, eine Steuereinrichtung sowie ein Wechselrichter gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.As a solution, the invention proposes a method, a control device and an inverter according to the independent claims.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.Advantageous developments result from the features of the dependent claims.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass der Steuerwinkelbereich abhängig von einem Modulatorphasenwinkel innerhalb eines Stellbereichs eingestellt wird, zu welchem Zweck eine Beanspruchung einer Zwischenkreiskapazität des Gleichspannungszwischenkreises ermittelt wird und der Modulatorphasenwinkel abhängig der ermittelten Beanspruchung ermittelt wird.With regard to a generic method, the invention proposes in particular that the control angle range is set as a function of a modulator phase angle within an adjustment range, for which purpose a load on an intermediate circuit capacitance of the DC voltage intermediate circuit is determined and the modulator phase angle is determined as a function of the determined stress.
Bezüglich einer gattungsgemäßen Steuereinrichtung wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, den Steuerwinkelbereich abhängig von einem Modulatorphasenwinkel innerhalb eines Stellbereichs einzustellen, eine Beanspruchung einer Zwischenkreiskapazität des Gleichspannungszwischenkreises zu ermitteln, und den Modulatorphasenwinkel abhängig der ermittelten Beanspruchung zu ermitteln.With regard to a generic control device, it is proposed in particular that the control device is designed to set the control angle range as a function of a modulator phase angle within a setting range, to determine a load on an intermediate circuit capacitance of the DC voltage intermediate circuit, and to determine the modulator phase angle as a function of the determined stress.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Wechselrichters wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet ist.With regard to an inverter of the generic type, it is proposed in particular that the control device is designed according to the invention.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass bei einer diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation (DPWM) wenigstens eine der Phasen der elektrischen Maschine für die Anzahl der unmittelbar aufeinanderfolgenden Taktperioden mit einem der wenigstens zwei Zwischenkreispotentiale elektrisch gekoppelt ist, wodurch sich der Stellbereich ergibt, der von der Anzahl der Phasen abhängig ist. Der Stellbereich bezeichnet in der Regel einen Winkelbereich, innerhalb dessen der Steuerwinkelbereich positioniert werden kann. Der Stellbereich ist daher in der Regel größer als der Steuerwinkelbereich. Die Position des Steuerwinkelbereichs innerhalb des Stellbereichs kann mittels des Modulatorphasenwinkels bestimmt werden beziehungsweise kann der Steuerwinkelbereich abhängig vom Modulatorphasenwinkel innerhalb des Stellbereichs positioniert werden. Der Stellbereich ist insbesondere abhängig von der Anzahl der Phasen beziehungsweise bei mehreren Wicklungssystemen abhängig von der Anzahl der Phasen eines jeweiligen der Wicklungssysteme.The invention is based, among other things, on the idea that with discontinuous pulse width modulation (DPWM) at least one of the phases of the electrical machine is electrically coupled to one of the at least two intermediate circuit potentials for the number of immediately successive clock periods, which results in the setting range that is determined by the Number of phases depends. The setting range usually denotes an angle range within which the control angle range can be positioned. The adjustment range is therefore usually larger than the control angle range. The position of the control angle range within the setting range can be determined by means of the modulator phase angle or the control angle range can be positioned within the setting range as a function of the modulator phase angle. The setting range is particularly dependent on the number of phases or, in the case of several winding systems, dependent on the number of phases of a respective one of the winding systems.
Dabei nutzt die Erfindung den Vorteil, dass für die Steuerung beziehungsweise Regelung der mehrphasigen elektrischen Maschine in die Bereitstellung der Phasenspannungen nicht eingegriffen zu werden braucht. In Bezug auf eine Vektorsteuerung bedeutet dies, dass lediglich eine einzige Vektorsteuerung beziehungsweise Vektorregelung genutzt zu werden braucht. Mit dieser Vektorsteuerung beziehungsweise Vektorregelung können zunächst die Phasenspannungen in Bezug auf die jeweiligen Phasen ermittelt werden, auf deren Basis die mittels der diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation ermittelten Schaltsignale dem Grunde nach bereits für den Betrieb der Schaltelemente genutzt werden könnten, dann gegebenenfalls jedoch abhängig von einem Aufbau der Wicklung beziehungsweise der Wicklungssysteme eine große Beanspruchung des Zwischenkreiskondensators zur Folge haben können.The invention uses the advantage that there is no need to intervene in the provision of the phase voltages for the control or regulation of the polyphase electrical machine. With regard to vector control, this means that only a single vector control or vector control needs to be used. With this vector control or vector regulation, the phase voltages can first be determined in relation to the respective phases, on the basis of which the voltages determined by means of the discontinuous pulse width modulation can be determined Switching signals could in principle already be used for the operation of the switching elements, but then, depending on the structure of the winding or the winding systems, may result in a high level of stress on the intermediate circuit capacitor.
Die Erfindung erlaubt es also insbesondere, lediglich ein einziges Taktsignal zu verwenden, wodurch alle erforderlichen Ströme im Wesentlichen zeitgleich auch mit Hilfe von Stromsensoren nach Art einer Low-Side-Shunt-Strommessung erfasst werden können. Dadurch können Aufwand und Kosten eingespart werden.The invention thus makes it possible, in particular, to use only a single clock signal, as a result of which all of the required currents can be recorded essentially simultaneously with the aid of current sensors in the manner of a low-side shunt current measurement. This saves effort and costs.
Insbesondere kann dem Stellbereich abhängig von der Periodendauer der Grundschwingung ein Stellzeitraum zugeordnet werden. Je größer die Anzahl der Phasen ist, desto kleiner ist der Stellbereich beziehungsweise der Stellzeitraum. Innerhalb des Stellzeitraums sind die unmittelbar aufeinanderfolgenden Taktperioden zeitlich positioniert. Der Stellbereich kann bei drei Phasen zum Beispiel einen Bereich von 0° bis etwa 120° beziehungsweise von etwa -60° bis etwa +60° umfassen.In particular, an adjustment period can be assigned to the adjustment range depending on the period duration of the fundamental oscillation. The greater the number of phases, the smaller the adjustment range or the adjustment period. The immediately consecutive clock periods are positioned in time within the setting period. In the case of three phases, the setting range can for example include a range from 0 ° to approximately 120 ° or from approximately -60 ° to approximately + 60 °.
Der Stellzeitraum ist in der Regel größer als die Anzahl der unmittelbar aufeinanderfolgenden Taktperioden, wodurch sich Freiheitsgrade bezüglich des Positionierens der unmittelbar aufeinanderfolgenden Taktperioden innerhalb des Stellzeitraums ergeben. Die zeitliche Position kann durch den Modulatorphasenwinkel bestimmt werden. Dadurch ist es möglich, die tatsächliche zeitliche Position abhängig von Beanspruchungen des Gleichspannungszwischenkreises durch individuelle Phasenbeanspruchungen zu beeinflussen, wodurch die Beanspruchung des Gleichspannungszwischenkreises, insbesondere des Zwischenkreiskondensators, beeinflusst werden kann. Mit der Erfindung ist es also möglich, durch geeignetes Ermitteln des Modulatorphasenwinkels auf die Beanspruchung des Gleichspannungszwischenkreises einzuwirken, sodass zum Beispiel eine Rippelstrombelastung reduziert werden kann.The adjustment period is usually greater than the number of immediately consecutive clock periods, which results in degrees of freedom with regard to the positioning of the immediately consecutive clock periods within the adjustment period. The position in time can be determined by the modulator phase angle. This makes it possible to influence the actual temporal position as a function of the stresses on the DC voltage intermediate circuit through individual phase stresses, whereby the stress on the DC voltage intermediate circuit, in particular the intermediate circuit capacitor, can be influenced. With the invention it is thus possible to act on the stress on the DC voltage intermediate circuit by suitable determination of the modulator phase angle, so that, for example, a ripple current load can be reduced.
Daher wird gemäß der Erfindung die Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität ermittelt. Der Modulatorphasenwinkel wird sodann abhängig von der Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität ermittelt. Dadurch kann die Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität durch geeignetes Bestimmen des Modulatorphasenwinkels eingestellt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein Vergleichswert für die Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität vorgegeben wird und der Modulatorphasenwinkel abhängig von einem Vergleichsergebnis bestimmt wird. Dadurch braucht die Erfindung nicht permanent aktiviert zu sein, sondern sie kann bedarfsweise aktiviert werden, wenn beispielsweise die Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität größer als der Vergleichswert ist. Vorzugsweise wird der Modulatorphasenwinkel so bestimmt, dass die Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität möglichst klein, insbesondere minimal, wird. Zu diesem Zweck können beispielsweise bestimmte Schaltungstopologien und/oder Steuerungsverfahren des Wechselrichters und/oder der elektrischen Maschine berücksichtigt werden.Therefore, according to the invention, the load on the intermediate circuit capacitance is determined. The modulator phase angle is then determined depending on the load on the intermediate circuit capacitance. As a result, the load on the intermediate circuit capacitance can be adjusted by suitable determination of the modulator phase angle. It can be provided that a comparison value for the load on the intermediate circuit capacitance is specified and the modulator phase angle is determined as a function of a comparison result. As a result, the invention does not need to be activated permanently, but can be activated as required, for example if the load on the intermediate circuit capacitance is greater than the comparison value. The modulator phase angle is preferably determined in such a way that the stress on the intermediate circuit capacitance is as small as possible, in particular minimal. For this purpose, for example, certain circuit topologies and / or control methods of the inverter and / or the electrical machine can be taken into account.
Der Modulatorphasenwinkel braucht also nicht konstant zu sein, sondern er kann zum Beispiel bedarfsweise verändert beziehungsweise auch variiert werden. Beispielsweise kann der Modulatorphasenwinkel für jede Taktperiode abweichend bestimmt sein. Es können auch Einstellmuster für den Modulatorphasenwinkel bezüglich aufeinanderfolgender Taktperioden oder dergleichen vorgesehen sein, mittels denen der Modulatorphasenwinkel vorzugsweise abhängig von einer Steuergröße verändert werden kann.The modulator phase angle does not therefore need to be constant, but can, for example, be changed or also varied as required. For example, the modulator phase angle can be determined differently for each clock period. Adjustment patterns for the modulator phase angle with respect to successive clock periods or the like can also be provided, by means of which the modulator phase angle can be changed, preferably as a function of a control variable.
Darüber hinaus kann der Modulatorphasenwinkel natürlich auch von einem Modulationsgrad beziehungsweise einem Modulationsindex abhängig sein. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass ein Eingriff gemäß der Erfindung nur einem vorgebbaren Bereich des Modulationsgrads beziehungsweise des Modulationsindexes erforderlich ist. So hat sich zum Beispiel gezeigt, dass ein Eingriff bei einem Modulationsgrad beziehungsweise einem Modulationsindex von etwa 0,15 bis etwa 0,85 zweckmäßig sein kann. Außerhalb dieses Bereichs kann die erfindungsgemäßen Verfahrensführung beziehungsweise Steuerung deaktiviert sein.In addition, the modulator phase angle can of course also be dependent on a degree of modulation or a modulation index. This makes it possible to take into account that an intervention according to the invention is only required for a predeterminable range of the degree of modulation or the modulation index. For example, it has been shown that an intervention with a degree of modulation or a modulation index of approximately 0.15 to approximately 0.85 can be expedient. Outside of this range, the process control or control according to the invention can be deactivated.
Vorzugsweise ist der Modulatorphasenwinkel für sämtliche Phasen gleich bestimmt. Bei Bedarf, zum Beispiel bei spezifischen Betriebszuständen, kann hiervon jedoch auch abgewichen werden, sodass der Modulatorphasenwinkel für eine oder mehrere Phasen unterschiedlich bestimmt sein kann. So kann er beispielsweise zwischen unterschiedlichen Phasen, insbesondere geringfügig, abweichend bestimmt sein. Es kann vorgesehen sein, dass der Modulatorphasenwinkel in Bezug auf aufeinanderfolgenden Taktperioden um einen vorgegebenen mittleren Wert toggelt oder dergleichen.The modulator phase angle is preferably determined to be the same for all phases. However, if necessary, for example in the case of specific operating states, this can also be deviated from, so that the modulator phase angle can be determined differently for one or more phases. For example, it can be determined differently, in particular slightly, between different phases. Provision can be made for the modulator phase angle to toggle around a predetermined mean value or the like in relation to successive clock periods.
Insgesamt zeigt sich jedoch, dass ein Tastverhältnis (Duty Cycle), das heißt, ein Verhältnis eines aktiven Schaltzustandsvektors zur Taktperiode, insbesondere für eine jeweilige einzelne Taktperiode, erhalten bleiben kann. Mit der Erfindung kann folglich erreicht werden, dass - ohne den bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine zu beeinflussen - auf den Rippelstrom und infolgedessen auch auf die Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität eingewirkt werden kann.Overall, however, it has been shown that a duty cycle, that is to say a ratio of an active switching state vector to the clock period, in particular for a respective individual clock period, can be maintained. With the invention it can consequently be achieved that - without influencing the intended operation of the electrical machine - it is possible to act on the ripple current and consequently also on the loading of the intermediate circuit capacitance.
Da für die Erfindung am Wechselrichter, insbesondere seiner Leistungseinheit mit den Schaltelementen keine Veränderung vorgenommen zu werden braucht, kann die Erfindung also auch bei bereits fertig konstruierten Wechselrichtern, insbesondere unter Berücksichtigung jeweiliger elektrischer Maschinen auf einfache Weise nachgerüstet werden. Die Erfindung kann daher auf besonders einfache Weise realisiert werden, und zwar auch bei Steuereinrichtungen, die bereits fertig konstruiert sind. Die Erfindung eignet sich somit unter anderem auch für eine Nachrüstung bei bereits bestehenden Steuereinrichtungen beziehungsweise Wechselrichtern. Dadurch kann die Erfindung besonders flexibel und kostengünstig realisiert werden.Since no change needs to be made to the inverter, in particular its power unit with the switching elements, for the invention, the invention can also be retrofitted in a simple manner in inverters that have already been designed, in particular taking into account the respective electrical machines. The invention can therefore be implemented in a particularly simple manner, even in the case of control devices which are already completely constructed. The invention is therefore also suitable, inter alia, for retrofitting in already existing control devices or inverters. As a result, the invention can be implemented in a particularly flexible and cost-effective manner.
Dabei kann die Erfindung den Vorteil nutzen, dass für die Steuerung beziehungsweise Regelung der mehrphasigen elektrischen Maschine dem Grunde nach lediglich auf eine einzige Steuergröße eingewirkt zu werden braucht, und zwar dem Modulatorphasenwinkel.The invention can use the advantage that, for the control or regulation of the multiphase electrical machine, basically only a single control variable needs to be acted upon, namely the modulator phase angle.
Ferner basiert die Erfindung insbesondere auf der Nutzung der diskontinuierlichen Pulsweitenmodulation. Die diskontinuierliche Pulsweitenmodulation ist zum Beispiel beschrieben in
Die Erfindung erlaubt es also insbesondere, lediglich ein einziges Taktsignal zu verwenden, wodurch alle erforderlichen Ströme im Wesentlichen zeitgleich auch mit Hilfe von Stromsensoren nach Art einer Low-Site-Shunt-Strommessung erfasst werden können. Dadurch können Aufwand und Kosten eingespart werden.The invention therefore makes it possible, in particular, to use only a single clock signal, as a result of which all of the required currents can be recorded essentially simultaneously with the aid of current sensors in the manner of a low-site shunt current measurement. This saves effort and costs.
Darüber hinaus kann auch die Steuereinheit kostengünstig realisiert werden, weil beispielsweise nur eine einzige Timer-Einheit für eine Rechnereinheit beziehungsweise einen Mikrocontroller vorgesehen zu werden braucht. Insbesondere kann durch eine im Wesentlichen zeitgleiche Erfassung und Verarbeitung von Phasenströmen der jeweiligen Phasen der Ständerwicklung auf einfache Weise und mit geringem Aufwand eine im Wesentlichen stabile Regelung erreicht werden, weil vorzugsweise sowohl maschinen- als auch kopplungsbedingte Oberwellen kompensiert werden können.In addition, the control unit can also be implemented cost-effectively because, for example, only a single timer unit needs to be provided for a computer unit or a microcontroller. In particular, essentially simultaneous detection and processing of phase currents of the respective phases of the stator winding can be achieved in a simple manner and with little effort, because preferably both machine-related and coupling-related harmonics can be compensated.
Die Erfindung ermöglicht es darüber hinaus, auf einfache Weise realisiert zu werden, beispielsweise mittels eines Rechnerprogramms, welches durch eine Rechnereinheit der Steuereinrichtung ausgeführt werden kann. Schließlich kann es die Erfindung insbesondere ermöglichen, eine Beanspruchung des Gleichspannungszwischenkreises, eine Spannungswelligkeit sowie auch eine System effizienz für nahezu jede einzelne Taktperiode zu optimieren, wodurch sich besonders große Vorteile insbesondere bei dynamischen Systemen wie Elektroantrieben ergeben können.The invention also makes it possible to be implemented in a simple manner, for example by means of a computer program which can be executed by a computer unit of the control device. Finally, the invention can make it possible in particular to optimize stress on the DC voltage intermediate circuit, voltage ripple and also system efficiency for almost every single clock period, which can result in particularly great advantages, particularly in dynamic systems such as electric drives.
Die Erfindung kann also für Wechselrichter vorgesehen werden, die elektrische Maschinen mit einer Ständerwicklung mit wenigstens zwei Phasen betreiben. Die Erfindung ist dabei nicht auf elektrische Maschinen mit zwei Phasen beschränkt. Sie kann natürlich insbesondere auch bei elektrischen Maschinen mit wenigstens drei Phasen zum Einsatz kommen. Die Ständerwicklung kann sternförmig, dreieckförmig beziehungsweise n-Eck-förmig oder dergleichen ausgebildet sein. Die Ständerwicklung ist vorzugsweise ausschließlich mit elektrischen Potentialen des Wechselrichters beaufschlagt. Für die Erfindung kann es ferner beachtenswert sein, dass einzelne Wicklungen der Ständerwicklung durch die elektrische Maschine magnetisch miteinander gekoppelt sein können. Die voranstehenden Ausführungen gelten vorzugsweise auch für Ständerwicklungen in einem Fall, bei dem die Ständerwicklung zwei oder mehrere Wicklungssysteme umfasst.The invention can therefore be provided for inverters that operate electrical machines with a stator winding with at least two phases. The invention is not limited to electrical machines with two phases. It can of course also be used in particular in electrical machines with at least three phases. The stator winding can be star-shaped, triangular or n-corner-shaped or the like. The stator winding is preferably only subjected to electrical potentials from the inverter. For the invention it can also be noteworthy that individual windings of the stator winding can be magnetically coupled to one another by the electrical machine. The above statements preferably also apply to stator windings in a case in which the stator winding comprises two or more winding systems.
Spezifische Anwendungen können darüber hinaus im Bereich der Energieversorgung, beispielsweise bei einem elektrischen Aufladen von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, ferner besonders bei nahezu jeglicher Art von elektrischen Antrieben, insbesondere im Bereich der Luftfahrt, der Seefahrt und/oder dergleichen oder auch im Bereich der Industrie, beispielsweise bei Fördereinrichtung wie beispielsweise Förderbändern oder dergleichen, vorgesehen sein.Specific applications can also be found in the field of energy supply, for example in the electrical charging of electrically driven motor vehicles, further particularly in almost any type of electrical drive, in particular in the field of aviation, seafaring and / or the like or in the field of industry, for example be provided in the case of a conveyor device such as conveyor belts or the like.
Die Erfindung erlaubt es darüber hinaus, eine große Flexibilität in Bezug auf Änderungen der Taktperiode beziehungsweise der Taktrate beziehungsweise der Taktfrequenz des Taktsignals für eine Optimierung von Effizienz sowie auch in Bezug auf eine unerwünschte Geräuschentwicklung bei Fahrzeugen beziehungsweise Noise Vibration Harshness (NVH) zur Verfügung zu stellen, was ansonsten insbesondere bei unterschiedlichen Taktsignalen problematisch sein könnte.The invention also makes it possible to provide great flexibility with regard to changes in the clock period or the clock rate or the clock frequency of the clock signal for an optimization of efficiency and also with regard to undesirable noise development in vehicles or noise vibration harshness (NVH) which could otherwise be problematic, especially with different clock signals.
Darüber hinaus erlaubt es die Erfindung, insbesondere eine Beanspruchung des Gleichspannungszwischenkreises, besonders die des Zwischenkreiskondensators, reduzieren zu können, indem beispielsweise bei sternförmig ausgebildeten Wicklungssystemen Nullpunktspannungen der einzelnen jeweiligen Wicklungssysteme bedarfsgerecht in Bezug zueinander eingestellt werden können. Dies ist natürlich nicht auf sternförmig ausgebildete Ständerwicklungen beziehungsweise Wicklungssysteme beschränkt.In addition, the invention makes it possible, in particular, to reduce the stress on the DC voltage intermediate circuit, especially that of the intermediate circuit capacitor, in that, for example, in the case of star-shaped winding systems, zero point voltages of the individual respective winding systems can be set in relation to one another as required. Of course, this is not limited to stator windings or winding systems embodied in a star shape.
Die Phasenspannungen sind Wechselspannungen, die auch an jeweiligen Phasenanschlüssen des Wechselrichters beziehungsweise der elektrischen Maschine mittelbar auftreten und betreffen folglich Spannungen an jeweiligen Phasenanschlüssen des Wechselrichters, an denen die Ständerwicklung der elektrischen Maschine angeschlossen ist. Für jede der Phasen jedes der Ständerwicklung der mehrphasigen elektrischen Maschine ist hierbei durch den Wechselrichter wenigstens ein Phasenanschluss bereitgestellt, an dem die jeweilige Phase der Ständerwicklung der elektrischen Maschine angeschlossen werden kann. Für jeden derartigen Phasenanschluss ist durch den Wechselrichter jeweils wenigstens eine Reihenschaltung aus den Schaltelementen vorgesehen, die ihrerseits in der Regel an den Gleichspannungszwischenkreis, an den auch der Wechselrichter angeschlossen ist, angeschlossen ist. Jeweilige Mittelabgriffe der Reihenschaltungen stellen die Phasenanschlüsse des Wechselrichters bereit. Die Reihenschaltungen sind daher parallelgeschaltet an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen.The phase voltages are alternating voltages that also occur indirectly at the respective phase connections of the inverter or the electrical machine and consequently relate to voltages at the respective phase connections of the inverter to which the stator winding of the electrical machine is connected. For each of the phases of each of the stator winding of the polyphase electrical machine, the inverter provides at least one phase connection to which the respective phase of the stator winding of the electrical machine can be connected. For each such phase connection, the inverter provides at least one series circuit of the switching elements, which in turn is usually connected to the DC voltage intermediate circuit to which the inverter is also connected. The respective center taps of the series connections provide the phase connections of the inverter. The series connections are therefore connected in parallel to the DC voltage intermediate circuit.
In der Regel werden durch jeweilige PWM-Muster der durch die Steuereinrichtung bereitgestellten Schaltsignale, mit denen die jeweiligen Schaltelemente der jeweiligen Reihenschaltungen beaufschlagt werden, jeweilige Phasenströme der Ständerwicklung eingestellt. Die Phasenspannungen können nun aus diesen PWM-Mustern ermittelt werden, indem zum Beispiel das jeweilige PWM-Muster mittels eines geeigneten Tiefpasses gefiltert wird, eine Fourier-Transformation ermittelt wird, die jeweilige Phasenspannung mittels eines Leistungsmessgeräts ermittelt wird, und/oder dergleichen. Die Phasenspannung entspricht somit nicht dem unmittelbaren PWM-Muster, welches unmittelbar am jeweiligen Phasenanschluss des Wechselrichters bereitgestellt ist. Aus diesem Grund ist auch die Frequenz der Grundschwingung einer jeweiligen der Phasenspannungen in der Regel kleiner als die Taktrate beziehungsweise die Taktfrequenz der Schaltsignale, gemäß denen die jeweiligen PWM-Muster an den jeweiligen Phasenanschlüssen bereitgestellt werden.As a rule, respective phase currents of the stator winding are set by respective PWM patterns of the switching signals provided by the control device, with which the respective switching elements of the respective series connections are applied. The phase voltages can now be determined from these PWM patterns by, for example, filtering the respective PWM pattern using a suitable low-pass filter, determining a Fourier transformation, determining the respective phase voltage using a power meter, and / or the like. The phase voltage therefore does not correspond to the immediate PWM pattern which is provided directly at the respective phase connection of the inverter. For this reason, the frequency of the fundamental oscillation of a respective one of the phase voltages is generally lower than the clock rate or the clock frequency of the switching signals according to which the respective PWM patterns are provided at the respective phase connections.
Der Wechselrichter ist eine Form eines elektrischen Energiewandlers, der den Gleichspannungszwischenkreis mit einem Wechselspannungsnetz energietechnisch koppelt, sodass zwischen dem Wechselspannungsnetz und dem Gleichspannungszwischenkreis elektrische Energie ausgetauscht werden kann. Das Wechselspannungsnetz ist hier durch die Phasenspannungen gebildet. Zu diesem Zweck ist in der Regel vorgesehen, dass für eine jeweilige Phase des Wechselspannungsnetzes wenigstens eine Reihenschaltung aus wenigstens zwei Schaltelementen vorgesehen ist, die mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt sind. An den Mittelabgriffen der Reihenschaltungen kann die jeweilige Phase des Wechselspannungsnetzes angeschlossen werden, vorliegend die jeweilige Phase eines jeweiligen der Wicklungssysteme der elektrischen Maschine.The inverter is a form of an electrical energy converter that couples the DC voltage intermediate circuit with an AC voltage network in terms of energy, so that electrical energy can be exchanged between the AC voltage network and the DC voltage intermediate circuit. The AC voltage network is formed here by the phase voltages. For this purpose, provision is generally made for at least one series connection of at least two switching elements, which are electrically coupled to the DC voltage intermediate circuit, to be provided for a respective phase of the AC voltage network. The respective phase of the AC voltage network can be connected to the center taps of the series connections, in this case the respective phase of a respective one of the winding systems of the electrical machine.
Im Falle der Kopplung des Gleichspannungszwischenkreises über den Wechselrichter mit der wenigstens zweiphasigen elektrischen Maschine sind die jeweiligen Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine, kurz Phasen genannt, an die jeweiligen Mittelabgriffe der Reihenschaltungen, die die Phasenanschlüsse des Wechselrichters bereitstellen, angeschlossen. Durch geeignetes Steuern der Schaltelemente mittels der durch die Steuereinrichtung bereitgestellten Schaltsignale kann die gewünschte Energiewandlungsfunktion des Wechselrichters erreicht werden, sodass auch die gewünschte Antriebsfunktion der elektrischen Maschine erreicht werden kann.In the case of coupling the DC link via the inverter to the at least two-phase electrical machine, the respective phase connections of the electrical machine, called phases for short, are connected to the respective center taps of the series circuits that provide the phase connections of the inverter. By suitably controlling the switching elements by means of the switching signals provided by the control device, the desired energy conversion function of the inverter can be achieved, so that the desired drive function of the electrical machine can also be achieved.
Zu diesem Zweck werden die Schaltelemente mit den Schaltsignalen auf Basis des Taktsignals in einem Schaltbetrieb betrieben, wobei eine Taktrate des Taktsignals in der Regel erheblich größer als die Frequenz der Grundschwingung der Phasenspannungen beziehungsweise auch der Phasenwechselströme der elektrischen Maschine ist. Die Phasenspannungen sind vorliegend also Wechselspannungen. Mittels bestimmter Steuerungsverfahren wie der Pulsweitenmodulation (PWM) oder dergleichen kann dann die gewünschte energietechnische Kopplung hergestellt werden. Die Steuereinrichtung stellt die Schaltsignale für diesen Betrieb bereit. Vorzugsweise können die Schaltsignale für jedes der Schaltelemente individuell bereitgestellt sein. Durch geeignete Impulsmuster der Schaltsignale für die Schaltelemente kann somit mittels des Wechselrichters ein vorgegebener Energieaustausch erreicht werden.For this purpose, the switching elements are operated with the switching signals on the basis of the clock signal in a switching mode, with a clock rate of the clock signal generally being considerably greater than the frequency of the fundamental oscillation of the phase voltages or the alternating phase currents of the electrical machine. In the present case, the phase voltages are therefore alternating voltages. The desired energy-related coupling can then be established by means of certain control methods such as pulse width modulation (PWM) or the like. The control device provides the switching signals for this operation. The switching signals can preferably be provided individually for each of the switching elements. A predetermined exchange of energy can thus be achieved by means of the inverter by means of suitable pulse patterns of the switching signals for the switching elements.
Die Taktrate beziehungsweise die Taktfrequenz kann im bestimmungsgemäßen Betrieb im Wesentlichen konstant sein. Je nach Bedarf kann sie jedoch auch variieren oder abhängig von einem oder mehreren Parameter verändert werden.The clock rate or the clock frequency can be essentially constant in normal operation. However, depending on requirements, it can also vary or be changed as a function of one or more parameters.
Ein Schaltelement im Sinne dieser Offenbarung ist insbesondere ein steuerbares elektronisches Schaltelement, beispielsweise ein steuerbarer elektronischer Halbleiterschalter wie ein Transistor, der in einem Schaltbetrieb betrieben wird, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, vorzugsweise mit parallelgeschalteten Inversdioden, ein Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO), ein
Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), Kombinationen hiervon oder dergleichen. Dem Grunde nach kann das Schaltelement jedoch auch durch einen Feldeffekttransistor, insbesondere einen
Metalloxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor (MOSFET)gebildet sein.A switching element within the meaning of this disclosure is in particular a controllable electronic switching element, for example a controllable electronic semiconductor switch such as a transistor that is operated in a switching mode, a thyristor, combination circuits thereof, preferably with parallel-connected inverse diodes, a gate turn-off thyristor (GTO ), a
Insulated gate bipolar transistor (IGBT), combinations thereof or the like. Basically, however, the switching element can also be a field effect transistor, in particular a
Metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) be formed.
Zu Bereitstellung der gewünschten Wandlungsfunktion durch den Wechselrichter werden die Schaltelemente im Schaltbetrieb betrieben. In Bezug auf einen Halbleiterschalter unter Nutzung eines Transistors bedeutet der Schaltbetrieb, dass in einem eingeschalteten Schaltzustand zwischen den eine Schaltstrecke bildenden Anschlüssen des Transistors ein sehr kleiner elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. In einem ausgeschalteten Schaltzustand ist hingegen die Schaltstrecke des Transistors hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer, Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb bei Transistoren, der aber bei Wechselrichtern der gattungsgemäßen Art in der Regel nicht zum Einsatz kommt.To provide the desired conversion function by the inverter, the switching elements are operated in switching mode. With regard to a semiconductor switch using a transistor, switching operation means that, when the switching state is switched on, a very small electrical resistance is provided between the terminals of the transistor that form a switching path, so that a high current flow is possible with a very small residual voltage. In a switched-off switching state, on the other hand, the switching path of the transistor is highly resistive, that is, it provides a high electrical resistance so that there is essentially no or only a very low, in particular negligible, current flow even when there is a high electrical voltage applied to the switching path. Linear operation differs from this in transistors, but this is generally not used in inverters of the generic type.
Die Schaltelemente weisen zur Realisierung der gewünschten Funktion neben der Schaltstrecke jeweils wenigstens einen Steueranschluss auf, an dem sie mit dem von der Steuereinrichtung bereitgestellten Schaltsignal beaufschlagbar sind, sodass die gewünschte Schaltfunktion des Schaltelements erreicht werden kann. Das Schaltsignal kann ein binäres Schaltsignal sein, welches zwei Zustandswerte einnehmen kann, um die gewünschten Schaltfunktionen des Schaltelements erreichen zu können. Beispielsweise kann das Schaltelement durch eine Impulsfolge gebildet sein, mittels der der Steueranschluss beaufschlagt wird. Dies ist vor allem bei Thyristoren wie GTO oder dergleichen, zweckmäßig. Darüber hinaus kann bei Transistoren vorgesehen sein, dass das Schaltsignal ein Rechtecksignal ist, wobei ein jeweiliger Schaltzustand des Schaltelements einem der Potentiale des Rechtecksignals zugeordnet sein kann. Ein solches Signal ist beispielsweise für Transistoren, insbesondere für bipolare Transistoren, Feldeffekttransistoren oder dergleichen zweckmäßig.To implement the desired function, the switching elements each have at least one control connection in addition to the switching path, at which they can be acted upon with the switching signal provided by the control device, so that the desired switching function of the switching element can be achieved. The switching signal can be a binary switching signal which can assume two status values in order to be able to achieve the desired switching functions of the switching element. For example, the switching element can be formed by a pulse train by means of which the control connection is acted upon. This is particularly useful with thyristors such as GTO or the like. In addition, in the case of transistors, provision can be made for the switching signal to be a square-wave signal, with a respective switching state of the switching element being able to be assigned to one of the potentials of the square-wave signal. Such a signal is useful, for example, for transistors, in particular for bipolar transistors, field effect transistors or the like.
Die Steuereinrichtung kann neben der Erzeugung der Schaltsingale auch weitere Funktionen, insbesondere in Bezug auf den Wechselrichter, bereitstellen, beispielsweise Überwachungsfunktionen, Sicherheitsfunktionen und/oder dergleichen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung eine Hardwareschaltung und/oder eine programmgesteuerte Rechnereinheit oder dergleichen umfassen. Natürlich kann die Steuereinrichtung als separate Baugruppe ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung kann jedoch auch zumindest teilweise von einer übergeordneten Steuerung einer Anwendung für ein Antriebssystem umfasst sein. Die Steuereinrichtung kann darüber hinaus auch zumindest teilweise vom Wechselrichter umfasst sein.In addition to generating the switching signals, the control device can also provide further functions, in particular with regard to the inverter, for example monitoring functions, safety functions and / or the like. For this purpose, the control device can comprise a hardware circuit and / or a program-controlled computer unit or the like. Of course, the control device can be designed as a separate assembly. The control device can, however, also be at least partially comprised by a higher-level controller of an application for a drive system. The control device can also be at least partially encompassed by the inverter.
Der Wechselrichter ist eine elektronische Hardwareschaltung, die entsprechend der Anzahl der Phasen der Wicklungssysteme die Reihenschaltung aus den vorzugsweise jeweils zwei Schaltelementen aufweist. Die Reihenschaltungen sind in der Regel parallelgeschaltet an den wenigstens einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen. Die Mittelabgriffe der Reihenschaltungen stellen die Phasenanschlüsse bereit, an die die jeweiligen Phasen der elektrischen Maschine angeschlossen werden können. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Wechselrichter für jede Phase genau eine Reihenschaltung aus den Schaltelementen aufweist, wodurch jeweilige Halbbrückenschaltungen realisiert sein können. Darüber hinaus kann zum Beispiel auch vorgesehen sein, dass der Wechselrichter für jede Phase zwei Reihenschaltungen aus den Schaltelementen aufweist, wodurch jeweilige Vollbrückenschaltungen realisiert sein können. Die Erfindung kann auch bei wechselrichterseitig anderen topologischen Strukturen vorgesehen sein, ohne die Wirkung der Erfindung zu verlieren.The inverter is an electronic hardware circuit which, in accordance with the number of phases of the winding systems, has the series connection of the preferably two switching elements. The series connections are generally connected in parallel to the at least one DC voltage intermediate circuit. The center taps of the series connections provide the phase connections to which the respective phases of the electrical machine can be connected. For example, it can be provided that the inverter has precisely one series connection of the switching elements for each phase, so that respective half-bridge circuits can be implemented. In addition, it can also be provided, for example, that the inverter has two series connections made up of the switching elements for each phase, whereby respective full-bridge connections can be implemented. The invention can also be provided for other topological structures on the inverter side without losing the effect of the invention.
Die wenigstens zweiphasige elektrische Maschine kann als Synchronmaschine, als Asynchronmaschine, als doppeltgespeiste Asynchronmaschine oder dergleichen ausgebildet sein. Natürlich können auch Kombinationen hiervon vorgesehen sein, um beispielsweise bestimmte Anwendungsmöglichkeiten realisieren zu können, die eine Beeinflussung des magnetischen Flusses wünschen lassen.The at least two-phase electrical machine can be designed as a synchronous machine, as an asynchronous machine, as a double-fed asynchronous machine or the like. Combinations of these can of course also be provided in order, for example, to be able to implement certain possible applications that make it desirable to influence the magnetic flux.
Der Gleichspannungszwischenkreis kann mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt sein, die durch einen elektrischen Energiespeicher, wie einem Akkumulator oder dergleichen, gebildet sein kann. Darüber hinaus ist es natürlich möglich, dass der Gleichspannungszwischenkreis über eine Gleichrichtereinheit mit einem öffentlichen Energieversorgungsnetz, welches als Wechselspannungsnetz ausgebildet ist, elektrisch gekoppelt ist. Auch Kombinationen hiervon können vorgesehen sein. Darüber hinaus können auch weitere elektrische Energiequellen mit dem Gleichspannungszwischenkreis in vorgebbarer Weise gekoppelt sein, beispielsweise Photovoltaikanlagen, Windräder, und/oder dergleichen.The DC voltage intermediate circuit can be coupled to an electrical energy source, which can be formed by an electrical energy store, such as an accumulator or the like. In addition, it is of course possible for the DC voltage intermediate circuit to be electrically coupled to a public power supply network, which is designed as an AC voltage network, via a rectifier unit. Combinations of these can also be provided. In addition, further electrical energy sources can also be coupled to the DC voltage intermediate circuit in a predefinable manner, for example photovoltaic systems, wind turbines and / or the like.
Zur Darstellung der auftretenden Phasenspannungen wird bei der Verarbeitung von entsprechenden Daten durch die Steuereinrichtung vorliegend ein Raumzeigersystem genutzt, damit die Phasenspannungen des wenigstens zweiphasigen Systems dargestellt werden können. Abhängig von der Anzahl der Phasen kann zu diesem Zweck eine Clarke-Transformation genutzt werden, wenn die Anzahl der Phasen drei beträgt oder bei einer höherphasigen elektrischen Maschine kann eine Fortescue-Transformation beziehungsweise ein Derivat hiervon genutzt werden. Bei Nutzung einer Fortescue-Transformation kann eine Dimension einer entsprechenden Matrix abhängig von der Anzahl der Phasen gewählt sein.A space vector system is used in the present case to represent the phase voltages occurring when processing corresponding data by the control device, so that the phase voltages of the at least two-phase system can be represented. Depending on the number of phases, a Clarke transformation can be used for this purpose if the number of phases is three or, in the case of a higher-phase electrical machine, a Fortescue transformation or a derivative thereof can be used. When using a Fortescue transformation, one dimension can be a corresponding Matrix can be chosen depending on the number of phases.
Das Raumzeigersystem wird vorzugsweise in der komplexen Ebene abgebildet. Um nun den Betriebszustandszeiger zu ermitteln, werden durch die Schaltelemente erreichbaren Schaltzuständen des Wechselrichters bestimmte Schaltzustandsvektoren im Raumzeigersystem abgebildet. Abhängig von einem jeweils eingestellten Betriebszustand wird dann unter Nutzung der Schaltzustandsvektoren der Betriebszustandszeiger ermittelt. Anhand des Betriebszustandszeigers können dann die Schaltsignale ermittelt werden. Zu diesem Zweck stellt die Steuereinrichtung entsprechende Signalverarbeitungseinheiten zur Verfügung, die beispielsweise auch mathematische Transformationen und dergleichen realisieren können.The space vector system is preferably mapped in the complex plane. In order to determine the operating state indicator, certain switching state vectors are mapped in the space indicator system by the switching elements of the inverter. The operating state pointer is then determined as a function of a respectively set operating state using the switching state vectors. The switching signals can then be determined on the basis of the operating status indicator. For this purpose, the control device provides corresponding signal processing units that can also implement mathematical transformations and the like, for example.
In einem ersten Schritt kann die Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität ermittelt werden. Ferner kann beispielsweise ein Modulationsgrad ermittelt oder auch eingestellt werden. Abhängig hiervon wird dann der Modulationsphasenwinkel bestimmt, auf dessen Basis dann die Schaltsignale ermittelt werden können. Dies kann für jede einzelne Taktperiode oder auch für eine vorgegebene Mehrzahl von Taktperioden vorgesehen sein.In a first step, the load on the DC link capacitance can be determined. Furthermore, for example, a degree of modulation can be determined or also set. The modulation phase angle is then determined as a function of this, on the basis of which the switching signals can then be determined. This can be provided for each individual clock period or also for a predetermined plurality of clock periods.
Insgesamt kann erreicht werden, dass durch den Modulationsphasenwinkel ein Zeitversatz beziehungsweise ein Winkelversatz der Ströme am Gleichspannungszwischenkreis erfolgt, sodass sich die durch die Phasen der Ständerwicklung am Gleichspannungszwischenkreis jeweils einzeln bewirkten Rippelströme zumindest teilweise kompensieren können. Dadurch kann auch eine Belastung beziehungsweise Beanspruchung des Zwischenkreiskondensators reduziert werden.Overall, it can be achieved that the modulation phase angle causes a time offset or an angular offset of the currents on the DC voltage intermediate circuit, so that the ripple currents individually caused by the phases of the stator winding on the DC voltage intermediate circuit can at least partially compensate for each other. This can also reduce the load on the intermediate circuit capacitor.
Das Ermitteln einer Beanspruchung des Zwischenkreiskondensators ist zum Beispiel offenbart in
Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, eine Vektorsteuerung beziehungsweise Vektorregelung auf Basis einer Discontinuous Pulswide Modulation (DPWM) zu realisieren. Vorzugsweise kann die Steuereinheit ausgebildet sein, eine Vektorsteuerung beziehungsweise Vektorregelung auf Basis einer Generalized-Discontinuous-Pulswide-Modulation (GDPWM) zu realisieren, wie oben durch die Beschreibung von Ahmet M. Hava angegeben.The control device can be designed to implement vector control or vector control based on discontinuous pulse-width modulation (DPWM). The control unit can preferably be designed to implement vector control or vector control based on generalized discontinuous pulse-width modulation (GDPWM), as indicated above by the description by Ahmet M. Hava.
Je nach Anwendung kann die Taktrate zum Beispiel etwa 5 kHz, etwa 10 kHz, vorzugsweise etwa 20 kHz oder auch noch mehr betragen. Die Taktrate kann konstant gewählt sein. Je nach Anwendung kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Taktrate variabel ist und beispielsweise von einer Phasenlage einer jeweiligen Phasenspannung abhängig sein kann. Darüber hinaus können natürlich auch andere Stellgrößen zum Einstellen der Taktrate berücksichtigt werden.Depending on the application, the clock rate can be, for example, about 5 kHz, about 10 kHz, preferably about 20 kHz or even more. The clock rate can be chosen to be constant. Depending on the application, however, it can also be provided that the clock rate is variable and can be dependent, for example, on a phase position of a respective phase voltage. In addition, other manipulated variables can of course also be taken into account for setting the clock rate.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Schaltsignale für alle Schaltelemente auf dem gleichen Taktsignal basieren. Dadurch können unerwünschte Rückwirkungen, wie sie beim Stand der Technik, insbesondere bei einer induktiven Kopplung der Wicklungen der Wicklungssysteme auftreten können, vermieden werden. Darüber hinaus ist eine einfache Einstellmöglichkeit in Bezug auf die Taktfrequenz möglich, weil die einzelnen Schaltsignale lediglich auf jeweils aktuelle Taktfrequenz bezogen ermittelt zu werden brauchen. Dadurch kann eine etwaige Anpassung der Schaltsignale an eine veränderte Taktfrequenz sehr einfach realisiert werden.It is also proposed that the switching signals for all switching elements are based on the same clock signal. This makes it possible to avoid undesirable reactions, as can occur in the prior art, in particular in the case of inductive coupling of the windings of the winding systems. In addition, a simple setting option with regard to the clock frequency is possible because the individual switching signals only need to be determined in relation to the current clock frequency. As a result, any adaptation of the switching signals to a changed clock frequency can be implemented very easily.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Modulatorphasenwinkel abhängig von einem Modulationsgrad ermittelt wird. Der Modulationsgrad kann vorzugsweise wie folgt definiert sein:
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Modulatorphasenwinkel abhängig von der Grundschwingung ermittelt wird. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel eine Amplitude und/oder eine Periodendauer der Grundschwingung berücksichtigt werden, um den Modulatorphasenwinkel zu bestimmen.According to a development, it is proposed that the modulator phase angle be determined as a function of the fundamental oscillation. For this purpose, for example, an amplitude and / or a period duration of the fundamental oscillation can be taken into account in order to determine the modulator phase angle.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Modulatorphasenwinkel abhängig von einer Rippelstromamplitude eines Zwischenkreiskondensators des Gleichspannungszwischenkreises ermittelt wird. Dadurch ist es möglich, eine Regelung hinsichtlich der Rippelstromamplitude am Gleichspannungszwischenkreis zu realisieren, indem abhängig von der Amplitude des Rippelstroms der Modulatorphasenwinkel vorgegeben wird. Dies ermöglicht es, auch bei wechselnden Betriebsbedingungen die Rippelstromamplitude in einem vorgegebenen Bereich zu halten, insbesondere die Rippelstromamplitude möglichst zu reduzieren. Besonders vorteilhaft wirkt sich dies für den Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungszwischenkreises aus, dessen Belastung entsprechend reduziert werden kann. Dadurch ist es möglich, Aufwand und Kosten bezüglich des Zwischenkreiskondensators zu reduzieren. Als Rippelstrom kann zum Beispiel ein Kondensatorstrom erfasst werden. Alternativ kann als Rippelstrom aber auch ein Wechselstrom des Stroms erfasst werden, der durch Überlagerung der Ströme der Reihenschaltungen des Wechselrichters zwischenkreisseitig hervorgerufen wird, oder dergleichen.It is also proposed that the modulator phase angle be dependent on a ripple current amplitude of an intermediate circuit capacitor of the DC link is determined. This makes it possible to regulate the ripple current amplitude at the DC voltage intermediate circuit in that the modulator phase angle is specified as a function of the amplitude of the ripple current. This makes it possible to keep the ripple current amplitude in a predetermined range even with changing operating conditions, in particular to reduce the ripple current amplitude as much as possible. This has a particularly advantageous effect on the intermediate circuit capacitor of the DC voltage intermediate circuit, the load on which can be reduced accordingly. This makes it possible to reduce effort and costs with regard to the intermediate circuit capacitor. A capacitor current, for example, can be recorded as the ripple current. Alternatively, however, an alternating current of the current can also be detected as the ripple current, which is caused by the superposition of the currents of the series connections of the inverter on the intermediate circuit side, or the like.
In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Modulatorphasenwinkel abhängig von einer Amplitude wenigstens einer Harmonischen in Bezug auf die Grundschwingung ermittelt wird. Hierdurch kann berücksichtigt werden, dass mit dem Modulatorphasenwinkel auch wenigstens eine Harmonische in Bezug auf die Grundschwingung beeinflusst werden kann. Dadurch kann der Modulatorphasenwinkel ergänzend auch derart bestimmt werden, dass nicht nur die Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität reduziert sondern zugleich auch ein Anstieg der Amplitude der wenigstens einen Harmonischen begrenzt wird. Insgesamt kann die Funktion weiter verbessert werden.In a further development, it is proposed that the modulator phase angle be determined as a function of an amplitude of at least one harmonic with respect to the fundamental oscillation. This makes it possible to take into account that the modulator phase angle can also be used to influence at least one harmonic with respect to the fundamental oscillation. As a result, the modulator phase angle can also be determined in such a way that not only the stress on the intermediate circuit capacitance is reduced, but at the same time an increase in the amplitude of the at least one harmonic is also limited. Overall, the function can be further improved.
Eine Weiterbildung schlägt vor, dass die Ständerwicklung wenigstens zwei voneinander elektrisch getrennte Wicklungssysteme aufweist, wobei ein jeweiliges der Wicklungssysteme entsprechend der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine ausgebildet ist, wobei der Wechselrichter für jede der Phasen der Wicklungssysteme wenigstens eine Reihenschaltung aus den Schaltelementen aufweist. Bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine beziehungsweise einer elektrischen Maschine mit zumindest zwei Phasen, deren Wicklungssysteme mittels der Reihenschaltungen des Wechselrichters derart beaufschlagt werden können, kann neben einer Reduzierung einer Rippelstromamplitude zugleich auch eine gleichmäßigere Belastung der Schaltelemente der Reihenschaltungen erreicht werden.A further development proposes that the stator winding has at least two electrically separate winding systems, each of the winding systems being designed according to the number of phases of the electrical machine, the inverter having at least one series connection of the switching elements for each of the phases of the winding systems. In the case of a polyphase electrical machine or an electrical machine with at least two phases, the winding systems of which can be acted upon by means of the series connections of the inverter, in addition to reducing a ripple current amplitude, a more uniform load on the switching elements of the series connections can also be achieved.
Diese Weiterbildung kann also für Wechselrichter vorgesehen werden, die elektrische Maschinen mit wenigstens zwei elektrisch voneinander getrennten Wicklungssystemen als Ständerwicklung betreiben. Die Erfindung ist dabei nicht auf elektrische Maschinen mit zwei Wicklungssystemen beschränkt. Sie kann natürlich insbesondere auch bei elektrischen Maschinen mit wenigstens zwei Phasen zum Einsatz kommen, bei denen drei oder mehr elektrisch voneinander getrennte Wicklungssysteme vorhanden sind. Die Wicklungssysteme können sternförmig, dreieckförmig beziehungsweise n-Eck-förmig oder dergleichen ausgebildet sein. Für die Erfindung kann es ferner beachtenswert sein, dass einzelne Wicklungen insbesondere von unterschiedlichen Wicklungssystemen durch die elektrische Maschine magnetisch miteinander gekoppelt sein können.This further development can therefore be provided for inverters that operate electrical machines with at least two electrically separated winding systems as stator windings. The invention is not limited to electrical machines with two winding systems. It can of course also be used in particular in electrical machines with at least two phases, in which three or more winding systems that are electrically separated from one another are present. The winding systems can be star-shaped, triangular or n-corner-shaped or the like. For the invention, it can also be noteworthy that individual windings, in particular from different winding systems, can be magnetically coupled to one another through the electrical machine.
Zu Realisierung der Erfindung können die vorzugsweise mittels den Wicklungssystemen zugeordneten Vektorsteuerungen beziehungsweise Vektorregelungen ermittelten Schaltsignale erneut verarbeitet werden, und zwar nun unter Berücksichtigung der Tatsache, dass wenigstens zwei Wicklungssysteme vorhanden sind. Dabei können die Schaltsignale für eine jeweilige der Reihenschaltungen gemäß der Erfindung verändert werden, die einer jeweiligen Phasen eines ersten der Wicklungssysteme zugeordnet sind. Der Modulatorphasenwinkel kann für die unterschiedlichen Wicklungssysteme unterschiedlich gewählt sein. So kann der Modulatorphasenwinkel für ein erstes der Wicklungssysteme einen positiven Wert und für ein zweites des Wicklungssysteme einen entsprechenden negativen Wert aufweisen. Dies wird für sämtliche Phasen der Wicklungssysteme vorzugsweise gleich ausgeführt. Bei mehr als zwei Wicklungssystemen kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer ungeraden Anzahl von Wicklungssystemen für eines der Wicklungssysteme die Schaltsignale ohne Nutzung der Erfindung bereitgestellt werden. Es braucht die Erfindung also nicht bei jedem der Wicklungssysteme genutzt zu werden. Darüber hinaus kann für die Schaltsignale für die Wicklungssysteme das gleiche Taktsignal zugrundegelegt werden.To implement the invention, the vector controls or vector controls, which are preferably assigned by means of the winding systems, can be processed again, specifically now taking into account the fact that at least two winding systems are present. The switching signals for a respective one of the series connections can be changed according to the invention, which are assigned to a respective phase of a first of the winding systems. The modulator phase angle can be selected differently for the different winding systems. The modulator phase angle can thus have a positive value for a first one of the winding systems and a corresponding negative value for a second one of the winding systems. This is preferably carried out the same for all phases of the winding systems. In the case of more than two winding systems, it can be provided, for example, that with an odd number of winding systems for one of the winding systems, the switching signals are provided without using the invention. The invention does not therefore need to be used in each of the winding systems. In addition, the switching signals for the winding systems can be based on the same clock signal.
Darüber hinaus kann insbesondere erreicht werden, dass eine Beanspruchung des Gleichspannungszwischenkreises, besonders des Zwischenkreiskondensators, reduziert werden kann, indem beispielsweise bei sternförmig ausgebildeten Wicklungssystemen Nullpunktspannungen der einzelnen jeweiligen Wicklungssysteme bedarfsgerecht in Bezug zueinander eingestellt werden können. Dies ist natürlich nicht auf sternförmig ausgebildete Wicklungssysteme beschränkt.In addition, it can be achieved in particular that stress on the DC voltage intermediate circuit, in particular the intermediate circuit capacitor, can be reduced by, for example, in star-shaped winding systems, zero point voltages of the individual respective winding systems can be set in relation to one another as required. This is of course not restricted to winding systems designed in a star shape.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass für die wenigstens zwei Wicklungssysteme abhängig von der Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität individuelle Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel ermittelt werden und der jeweilige Steuerwinkelbereich abhängig von den jeweiligen Wicklungssystemmodulatorphasenwinkeln individuell innerhalb des Stellbereichs eingestellt wird. Bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine beziehungsweise einer elektrischen Maschine mit zumindest drei Phasen, deren Wicklungssysteme mittels der Reihenschaltungen des Wechselrichters derart beaufschlagt werden können, kann neben einer Reduzierung einer Rippelstromamplitude zugleich auch eine verbesserte gleichmäßigere Belastung der Schaltelemente der Reihenschaltungen erreicht werden.According to a further development of the invention, it is proposed that individual winding system modulator phase angles are determined for the at least two winding systems depending on the load on the intermediate circuit capacitance and that the respective control angle range is set individually within the setting range depending on the respective winding system modulator phase angles. With a multi-phase electrical Machine or an electrical machine with at least three phases, the winding systems of which can be acted upon by means of the series connections of the inverter, in addition to reducing a ripple current amplitude, an improved, more uniform load on the switching elements of the series connections can also be achieved.
Zur Realisierung dieser Weiterbildung können die vorzugsweise mittels jeweiligen Vektorsteuerungen beziehungsweise Vektorregelungen ermittelten Schaltsignale ergänzend verarbeitet werden, und zwar nun unter Berücksichtigung der Tatsache, dass wenigstens zwei Wicklungssysteme vorhanden sind. Dabei können die Schaltsignale für eine jeweilige der Reihenschaltungen gemäß der Erfindung verändert werden, die einer jeweiligen Phasen eines ersten der Wicklungssysteme zugeordnet sind. Die Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel können vorzugsweise für die wenigstens zwei Wicklungssysteme unterschiedlich gewählt sein. Vorzugsweise sind die Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel individuell für jedes der wenigstens zwei Wicklungssysteme bestimmt. Die Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel können unabhängig voneinander bestimmt sein. Vorzugsweise sind sie jedoch in gegenseitiger Abhängigkeit bestimmt.To implement this development, the switching signals, preferably determined by means of respective vector controls or vector controls, can be processed in addition, taking into account the fact that at least two winding systems are present. The switching signals for a respective one of the series connections can be changed according to the invention, which are assigned to a respective phase of a first of the winding systems. The winding system modulator phase angles can preferably be selected to be different for the at least two winding systems. The winding system modulator phase angles are preferably determined individually for each of the at least two winding systems. The winding system modulator phase angles can be determined independently of one another. However, they are preferably determined to be mutually dependent.
Durch geeignetes Bestimmen der Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel kann der durch die Erfindung zur Verfügung gestellte Effekt weiter verbessert werden. So können die Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel bei zum Beispiel zwei Wicklungssystemen entgegengesetzt zueinander verschoben werden, um durch einen entsprechenden Betrieb der Wicklungssysteme eine zumindest teilweise Kompensation der Beanspruchung der Zwischenkreiskapazität erreichen zu können. Darüber hinaus können die Schaltsignale für weitere Wicklungssysteme gemäß weiterer individueller Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel verändert werden.By appropriately determining the winding system modulator phase angle, the effect provided by the invention can be further improved. For example, in the case of two winding systems, the winding system modulator phase angles can be shifted opposite to one another in order to be able to achieve at least partial compensation for the stress on the intermediate circuit capacitance through appropriate operation of the winding systems. In addition, the switching signals for further winding systems can be changed according to further individual winding system modulator phase angles.
Dies wird für sämtliche Phasen der Wicklungssysteme vorzugsweise gleich ausgeführt. Bei mehr als zwei Wicklungssystemen kann beispielsweise vorgesehen sein, dass nicht bei jedem der Wicklungssysteme die Erfindung genutzt zu werden braucht. Darüber hinaus kann für die Schaltsignale für beide Wicklungssysteme das gleiche Taktsignal zugrundegelegt werden. Dies eignet sich beispielsweise besonders zur Reduzierung der Beanspruchung des Gleichspannungszwischenkreises, weil zum Beispiel in Bezug auf den Rippelstrom zumindest teilweise eine zuverlässige Kompensation erreicht werden kann.This is preferably carried out the same for all phases of the winding systems. With more than two winding systems, it can be provided, for example, that the invention does not need to be used in each of the winding systems. In addition, the switching signals for both winding systems can be based on the same clock signal. This is particularly suitable, for example, for reducing the stress on the DC voltage intermediate circuit because, for example, a reliable compensation can be achieved at least partially with regard to the ripple current.
Die Wicklungssysteme können grundsätzlich gegenüber einander versetzt angeordnet sein, beispielsweise um einen vorgegebenen Verdrehwinkel oder dergleichen. Dies kann für die Bestimmung der Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel entsprechend berücksichtigt werden. Sie können alternativ natürlich auch ohne Versatz zueinander angeordnet sein.The winding systems can in principle be arranged offset from one another, for example by a predetermined angle of rotation or the like. This can be taken into account accordingly for the determination of the winding system modulator phase angle. Alternatively, of course, they can also be arranged without an offset to one another.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die individuellen Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel gewechselt werden, indem das Wechseln zwischen den wenigstens zwei Wicklungssystemen erfolgt. So kann vorgesehen sein, dass die Schaltsignale für das erste Wicklungssystem gemäß einem ersten Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel verändert werden. Für das zweite Wicklungssystem können die Schaltsignale entsprechend einem zweiten Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel verändert sein. Abhängig von einer vorgegebenen Bedingung kann eine Inversion vorgesehen sein, sodass nach Eintreten der Bedingung die Funktion vertauscht wird. Dies erlaubt es, spezifische Belastungen, insbesondere im Bereich der Schaltelemente besser auf eine Mehrzahl der Schaltelemente zu verteilen. Insgesamt kann eine bessere Auslastung des Wechselrichters erreicht werden. Das Wechseln kann zyklisch wiederholt werden.It is further proposed that the individual winding system modulator phase angles are changed by changing between the at least two winding systems. It can thus be provided that the switching signals for the first winding system are changed in accordance with a first winding system modulator phase angle. For the second winding system, the switching signals can be changed in accordance with a second winding system modulator phase angle. Depending on a predefined condition, an inversion can be provided so that the function is swapped when the condition occurs. This allows specific loads, particularly in the area of the switching elements, to be better distributed over a plurality of the switching elements. Overall, a better utilization of the inverter can be achieved. The change can be repeated cyclically.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Wechseln nach einer vorgegebenen Anzahl von Taktperioden der Taktrate erfolgt. Dadurch kann erreicht werden, dass Belastungen sowie auch gegebenenfalls auftretende Rückwirkungen gleichmäßiger verteilt werden können. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Wechsel bereits nach einer einzigen Taktperiode erfolgt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die vorgegebene Anzahl größer als 1 ist, beispielweise 5, 10, 25 oder auch noch mehr. Die vorgegebene Anzahl der Taktperioden kann auch bedarfsweise variiert werden und zum Beispiel ergänzend auch von einer Phasenlage der Grundschwingung abhängig sein.It is also proposed that the change take place after a predetermined number of clock periods of the clock rate. In this way it can be achieved that loads as well as possibly occurring reactions can be distributed more evenly. For example, it can be provided that a change takes place after a single clock period. However, it can also be provided that the specified number is greater than 1, for example 5, 10, 25 or even more. The specified number of clock periods can also be varied as required and, for example, also be dependent on a phase position of the fundamental oscillation.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Wechseln in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand erfolgt. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass eine Zeitspanne bestimmt wird, nach der ein jeweiliger Wechsel durchzuführen ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nach Durchführen eines Wechsels die Zeitspanne erneut abgewartet wird und dann ein weiterer Wechsel erfolgt. Dies kann zyklisch fortgeführt werden. Dadurch ist es möglich, weitere spezifische Eigenschaften des Wechselrichters und seiner Schaltelemente sowie auch des Gleichspannungszwischenkreises besser berücksichtigen zu können.Alternatively or in addition, it can also be provided that the change takes place at a predetermined time interval. For this purpose it can be provided that a period of time is determined after which a respective change is to be carried out. For example, it can be provided that after a change has been carried out, the period of time is waited again and a further change then takes place. This can be continued cyclically. This makes it possible to better take into account other specific properties of the inverter and its switching elements as well as the DC voltage intermediate circuit.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der zeitliche Abstand abhängig von thermischen Eigenschaften der Schaltelemente vorgegeben wird. Dadurch ist es möglich, spezifische Eigenschaften der Schaltelemente besonders gut zu berücksichtigen und dadurch eine Belastung der Schaltelemente besser zu verteilen. Dadurch kann insgesamt die Zuverlässigkeit des Wechselrichters verbessert werden.It is also proposed that the time interval be specified as a function of thermal properties of the switching elements. This makes it possible to identify specific properties of the Switching elements to be taken into account particularly well and thus to better distribute a load on the switching elements. As a result, the overall reliability of the inverter can be improved.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Modulatorphasenwinkel, insbesondere die Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel, abhängig von einem momentanen Wert der Taktperiode vorgegeben wird. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Wirkung des Modulatorphasenwinkels beziehungsweise der Wicklungssystemmodulatorphasenwinkel besonders günstig zu nutzen. Eine Flexibilität hinsichtlich der Wirkung kann verbessert werden.In addition, it is proposed that the modulator phase angle, in particular the winding system modulator phase angle, be specified as a function of an instantaneous value of the clock period. This makes it possible to use the effect of the modulator phase angle or the winding system modulator phase angle particularly advantageously. Flexibility in terms of effect can be improved.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung sowie für den erfindungsgemäßen Wechselrichter und umgekehrt. Folglich können Verfahrensmerkmale auch als Vorrichtungsmerkmale und umgekehrt formuliert sein.The advantages and effects specified for the method according to the invention apply equally to the control device according to the invention and to the inverter according to the invention and vice versa. Consequently, process features can also be formulated as device features and vice versa.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung beziehungsweise des erfindungsgemäßen Wechselrichters beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes developments of the method according to the invention which have features as they have already been described in connection with the developments of the control device according to the invention or the inverter according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
-
1 eine schematische Prinzipschaltbilddarstellung eines elektrischen Antriebssystems eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit einer Asynchronmaschine, die eine Ständerwicklung mit zwei voneinander elektrisch getrennten dreiphasigen Wicklungssystemen aufweist, die an einen entsprechend ausgebildeten Wechselrichter angeschlossen sind, der seinerseits über einen Gleichspannungszwischenkreis mit elektrischer Energie von einer Hochvoltbatterie versorgt wird; -
2 eine dreidimensionale schematische Diagrammdarstellung für eine Beanspruchung eines Zwischenkreiskondensators des Gleichspannungszwischenkreises abhängig von einem Modulationsgrad beim Betrieb des Wechselrichters gemäß1 sowie einer Phasenverschiebung zwischen einer Phasenspannung und einem Phasenstrom einer jeweiligen der Phasen; -
3 eine schematische Diagrammdarstellung für Phasenspannungen gemäß einem SVPWM-Modulationsverfahren für den Betrieb des Wechselrichters gemäß1 ; -
4 eine schematische Diagrammdarstellung für Schaltsignale für die jeweiligen Phasen gemäß dem in3 dargestellten SVPWM-Modulationsverfahren bei einem Winkel von etwa 90°; -
5 eineschematische Diagrammdarstellung wie 3 für Phasenspannungen gemäß einem GDPWM-Modulationsverfahren bei einem Modulatorphasenwinkel von -15° für beide Wicklungssysteme gemäß1 ; -
6 eine schematische Diagrammdarstellung für Schaltsignale für die jeweiligen Phasen gemäß dem in5 dargestellten GDPWM-Modulationsverfahren zu vier in5 dargestellten Winkeln; -
7 eineschematische Diagrammdarstellung wie 5 , wobei für das erste der Wicklungssysteme ein Modulatorphasenwinkel von -15° und für das zweite der Wicklungssysteme ein Modulatorphasenwinkel von +15° eingestellt ist; -
8 eine schematische Diagrammdarstellung für Schaltsignale für die jeweiligen Phasen gemäß dem in7 dargestellten GDPWM-Modulationsverfahren zu vier in7 dargestellten Winkeln; -
9 eine schematische Diagrammdarstellung wie7 , wobei für das erste der Wicklungssysteme ein Modulatorphasenwinkel von +15° und für das zweite der Wicklungssysteme ein Modulatorphasenwinkel von -15° eingestellt ist; -
10 eine schematische Diagrammdarstellung für Schaltsignale für die jeweiligen Phasen gemäß dem in9 dargestellten GDPWM-Modulationsverfahren zu vier in9 dargestellten Winkeln; -
11 eine schematische Darstellung eines Raumzeigerdiagramms für Schaltzustandsvektoren eines jeweiligen der Wechselrichterteile des Wechselrichters gemäß1 ; -
12 ein schematisches Blockdiagramm einer Steuereinrichtung fürden Wechselrichter gemäß 1 ; -
13 ein schematisches Blockdiagramm für eine Vektorregelung der Steuereinrichtung gemäß12 ; -
14 ein schematisches Blockdiagramm für einen Optimierungsblock für einen Modulationsblock der Steuereinrichtung gemäß13 ; -
15 eine schematische Diagrammdarstellung für eine der Phasenspannungen eines dreiphasigen Systems gemäß1 , wobei mit Graphen drei unterschiedliche DPWM-Modulationsverfahren dargestellt sind; und -
16 bis27 schematische Diagrammdarstellungen von vergleichenden Messergebnissen zu unterschiedlichen PWM-Modulationsverfahren.
-
1 a schematic block diagram representation of an electrical drive system of an electrically drivable motor vehicle with an asynchronous machine, which has a stator winding with two electrically separated three-phase winding systems, which are connected to a correspondingly designed inverter, which in turn is supplied with electrical energy from a high-voltage battery via a DC intermediate circuit; -
2 a three-dimensional schematic diagram representation of a loading of an intermediate circuit capacitor of the DC voltage intermediate circuit depending on a degree of modulation during operation of the inverter according to FIG1 and a phase shift between a phase voltage and a phase current of a respective one of the phases; -
3 a schematic diagram representation for phase voltages according to an SVPWM modulation method for the operation of the inverter according to FIG1 ; -
4th a schematic diagram representation for switching signals for the respective phases according to the in3 SVPWM modulation method shown at an angle of approximately 90 °; -
5 a schematic diagram representation of how3 for phase voltages according to a GDPWM modulation method with a modulator phase angle of -15 ° for both winding systems according to1 ; -
6th a schematic diagram representation for switching signals for the respective phases according to the in5 GDPWM modulation method shown to four in5 illustrated angles; -
7th a schematic diagram representation of how5 wherein a modulator phase angle of -15 ° is set for the first of the winding systems and a modulator phase angle of + 15 ° is set for the second of the winding systems; -
8th a schematic diagram representation for switching signals for the respective phases according to the in7th GDPWM modulation method shown to four in7th illustrated angles; -
9 a schematic diagram representation of how7th wherein a modulator phase angle of + 15 ° is set for the first of the winding systems and a modulator phase angle of -15 ° is set for the second of the winding systems; -
10 a schematic diagram representation for switching signals for the respective phases according to the in9 GDPWM modulation method shown to four in9 illustrated angles; -
11 a schematic representation of a space vector diagram for switching state vectors of a respective one of the inverter parts of the inverter according to FIG1 ; -
12 a schematic block diagram of a control device for the inverter according to FIG1 ; -
13th a schematic block diagram for a vector control of the control device according to12 ; -
14th a schematic block diagram for an optimization block for a modulation block of the control device according to FIG13th ; -
15th a schematic diagram representation for one of the phase voltages of a three-phase system according to FIG1 , with Three different DPWM modulation methods are shown in the graph; and -
16 to27 schematic diagrams of comparative measurement results for different PWM modulation methods.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also develop the invention independently of one another and are therefore also to be regarded as part of the invention individually or in a combination other than the one shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, functionally identical elements are each provided with the same reference symbols.
Für jede der Phasen
Sämtliche der Reihenschaltungen sind parallelgeschaltet an einen Gleichspannungszwischenkreis
Die MOSFETs
Zu jeder der Reihenschaltungen ist an einem jeweiligen Low-Site-MOSFET
Der Wechselrichter
Hierzu ermittelt die Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Die Schaltzustandsvektoren
Insbesondere bei einem Modulationsgrad m in einem Bereich von etwa 0,5 sowie bei einer kleinen Phasenverschiebung ist der Zwischenkreisbelastungsfaktor kd groß. Der Zwischenkreisbelastungsfaktor kd beträgt hier zum Beispiel etwa 0,63. Hierdurch ergibt sich auch eine entsprechende Belastung des Zwischenkreiskondensators
Der Zwischenkreisbelastungsfaktor kd wird vorliegend wie folgt ermittelt:
Durch diese Maßnahme kann erreicht werden, dass sich durch die Phasen
Vorliegend wird von der Steuereinrichtung
Die Position des Steuerwinkelbereichs v innerhalb des Stellbereichs κ kann nun mittels eines Modulatorphasenwinkels γ bestimmt werden, der in Bezug auf einen Bezugswinkel α für die vorliegende Konstellation etwa -30° bis etwa +30° betragen kann. Der Steuerwinkelbereich kann dem Grunde nach natürlich auch abweichend gewählt sein, insbesondere kann er kleiner gewählt sein.The position of the control angle range v within the setting range κ can now be determined by means of a modulator phase angle γ, which can be approximately -30 ° to approximately + 30 ° in relation to a reference angle α for the present constellation. Basically, the control angle range can of course also be chosen differently, in particular it can be chosen to be smaller.
Der Bezugswinkel α ist für diese Ausgestaltung etwa mittig im Stellbereich κ positioniert. Der Bezugswinkel α braucht nicht zwingend mittig im Stellbereich κ positioniert zu sein. Er kann deshalb bei anderen Ausgestaltungen auch abweichend hiervon in Bezug auf den Stellbereich κ positioniert sein, beispielsweise an einem Randpunkt des Stellbereichs κ oder dergleichen. Der Modulatorphasenwinkel γ ist dann entsprechend anzupassen.For this refinement, the reference angle α is positioned approximately in the middle in the adjustment range κ. The reference angle α does not necessarily have to be positioned centrally in the adjustment range κ. In other configurations, it can therefore also be positioned differently from this in relation to the setting range κ, for example at an edge point of the setting range κ or the like. The modulator phase angle γ must then be adjusted accordingly.
Aus
In der voranstehend beschriebenen Ausführungsform ist bislang davon ausgegangen worden, dass die Wicklungssysteme
Im folgenden Ausführungsbeispiel, welches auf dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel basiert, wird ein Versatz für die Anordnung der beiden Wicklungssysteme
Aus
Die Indizes der Tastverhältnissignale
Aus
Die Auswirkungen dieser Steuerung beziehungsweise Verfahrensführung werden anhand der folgenden
Die linke Taktperiode T in
In den Fällen β2 und β4 stehen sich aktive Zeige und Nullzeiger der beiden Wicklungssysteme
Für die Fälle β3 und β5 ergeben sich gegenläufige Effekte, weil nämlich aktive Raumzeiger und Nullzeiger der beiden Wicklungssysteme
Durch eine Mischung der beiden vorgenannten Fallkonstellationen können deren Effekte kombiniert werden, beispielsweise kann durch ein Wechseln im Rhythmus von etwa 30° eine moderate Entlastung der Beanspruchung des Gleichspannungszwischenkreises
Um nun eine Optimierung auch in Bezug auf Oberwellen erreichen zu können, ist ein Steuerungsverfahren gemäß der schematischen Diagrammdarstellung in
Zu erkennen ist, dass bei dieser Ausgestaltung überwiegend Pulsmuster gemäß der Winkel β3 und β5 entsprechend der
Natürlich können die vorgenannten Varianten auch miteinander variiert werden, wobei zwischen unterschiedlichen Varianten bedarfsweise gewechselt werden kann. Insbesondere können die Modulationsphasenwinkel γ1 und γ2 bedarfsgerecht und unterschiedlich eingestellt werden, je nachdem, ob das Gesamtsystem stärker auf eine Entlastung am Gleichspannungszwischenkreis
Insbesondere ist zu beachten, dass für die Wicklungssysteme
Mit den
Das Diagramm gemäß
Eine deutliche Reduktion der Beanspruchung des Zwischenkreiskondensators
Mit den
Eine besonders deutliche Verbesserung kann jedoch anhand der Betriebssituation gemäß
Dagegen ergibt sich eine Verschlechterung gegenüber der Referenz gemäß
Wird also bei der vorliegenden Ausgestaltung eine Optimierung in Bezug auf Oberwellen vorgenommen, kann dies eine ungünstigere Beanspruchung beziehungsweise eine größere Beanspruchung des Zwischenkreiskondensators
Durch eine Kombination der Betriebssituationen gemäß der
Insgesamt erlaubt es die Erfindung, dass lediglich ein einziges Trägersignal genutzt zu werden braucht, wodurch sämtliche Ströme der Reihenschaltungen mittels Stromsensoren erfasst werden können, die an Low-Site-MOSFET angeordnet sind, beispielsweise an deren Emittern oder dergleichen. Hierdurch kann eine kostengünstige Realisierung erreicht werden. Darüber hinaus braucht nur eine einzige Timer-Einheit für die Steuereinrichtung
Darüber hinaus kann auch eine große Flexibilität in Bezug auf Änderungen der Taktrate realisiert werden, um zum Beispiel eine Effizienz oder auch eine NVH zu optimieren oder verbessern zu können. Schließlich kann durch die Erfindung auch eine große Spannungsausnutzung, insbesondere größer als bei kontinuierlichen Modulationsverfahren, wie SVPWM oder dergleichen, erreicht werden, wodurch eine große Leistung und eine hohe Effizienz auch in einem Feldschwächbereich erreicht werden kann.In addition, great flexibility with regard to changes in the clock rate can also be implemented in order to optimize or improve efficiency or NVH, for example. Finally, the invention also makes it possible to achieve a high voltage utilization, in particular greater than with continuous modulation methods such as SVPWM or the like, as a result of which high power and high efficiency can also be achieved in a field weakening range.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung bei Systemen mit zwei Wicklungssystemen beschränkt. Die Anzahl der Wicklungssysteme kann bedarfsweise auch abweichend hiervon gewählt sein.Of course, the invention is not limited to use in systems with two winding systems. If necessary, the number of winding systems can also be selected differently from this.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Verbesserung der Beanspruchung des Gleichspannungszwischenkreises, insbesondere des Zwischenkreiskondensators, durch die Manipulation des Modulatorphasenwinkels γ erreicht werden kann.Overall, the example shows how the invention can improve the stress on the DC voltage intermediate circuit, in particular the intermediate circuit capacitor, by manipulating the modulator phase angle γ.
Die voranstehend dargestellten Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.The exemplary embodiments presented above serve exclusively to explain the invention and are not intended to restrict it.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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