AT523577A1 - Machine converter and method for operating a machine converter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Maschinenumrichter zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine (1) mit Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis, wobei für zumindest eine, vorzugsweise jede der N Phasen der elektrischen Maschine (1) M elektronisch steuerbare Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) vorgesehen sind, wobei M größer eins ist, eine die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) in Pulsweitenmodulation ansteuernde Steuerungseinheit (3) vorgesehen ist, und die Steuerungseinheit (3) dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) zumindest einer, vorzugsweise jeder der N Phasen derart zeitversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom dieser Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) im Wesentlichen gleich aufteilt. Die Erfindung betrifft ferner eine Belastungseinheit für eine Prüfstand mit einem derartigen Maschinenumrichter ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Maschinenumrichters und die Verwendung eines derartigen Maschinenumrichters zum Betrieb einer Belastungseinheit eines Prüfstands.The invention relates to a machine converter for supplying an N-phase electrical machine (1) with alternating current from a DC voltage source, for example a battery, a fuel cell or a DC voltage intermediate circuit, whereby for at least one, preferably each of the N phases of the electrical machine (1) M electronically controllable half bridges (2, 2 ', 2a, 2a', 2b, 2b ') are provided, where M is greater than one, a control unit driving the half bridges (2, 2', 2a, 2a ', 2b, 2b') in pulse width modulation (3) is provided, and the control unit (3) is designed to activate the half bridges (2, 2 ', 2a, 2a', 2b, 2b ') at least one, preferably each of the N phases in such a way that the Current of this phase is divided essentially equally between the M half-bridges (2, 2 ', 2a, 2a', 2b, 2b ') assigned to the phase. The invention also relates to a loading unit for a test stand with such a machine converter, a method for operating such a machine converter and the use of such a machine converter for operating a loading unit of a test stand.
Description
Maschinenumrichter und Verfahren zum Betrieb eines Maschinenumrichters Machine converter and method for operating a machine converter
Die Erfindung betrifft einen Maschinenumrichter sowie Verfahren zum Betrieb eines The invention relates to a machine converter and a method for operating a
Maschinenumrichters. Machine converter.
Aus dem Stand der Technik sind Wechselrichter zum Betrieb von elektrischen Maschinen (Maschinenumrichter) bekannt. Zur Generierung variabler Wechselspannungen sind diese als geschaltete Wechselrichter mit HalbleiterBrückenschaltungen ausgeführt, die durch ein Modulationsverfahren, beispielsweise Pulsweitenmodulation (PWM) eine Sinus-Wechselspannung aus kurzen Pulsen hoher Frequenz (einige kHz bis über 20 kHz) nachbilden. Derartige Wechselrichter werden auch als Sinus-Wechselrichter bezeichnet. Die Halbleiterschalter schalten die Gleichspannung mit hoher Frequenz ein und aus; der Mittelwert der hochfrequenten, pulsweitenmodulierten Schaltfrequenz ist die Ausgangs-Wechselspannung. Die Ausgangs-Wechselspannung setzt sich somit aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammen; der resultierende Strom nähert so einen netzüblichen Inverters for operating electrical machines (machine converters) are known from the prior art. To generate variable alternating voltages, these are designed as switched inverters with semiconductor bridge circuits that use a modulation process, e.g. pulse width modulation (PWM), to simulate a sinusoidal alternating voltage from short high-frequency pulses (a few kHz to over 20 kHz). Such inverters are also referred to as sine wave inverters. The semiconductor switches switch the DC voltage on and off at a high frequency; the mean value of the high-frequency, pulse-width-modulated switching frequency is the output alternating voltage. The output alternating voltage is thus composed of small pulses of different widths; the resulting current approximates that of a normal network
sinusförmigen Stromverlauf an. sinusoidal current curve.
Derartige geschaltete Wechselrichter finden insbesondere bei Prüfständen für Fahrzeuge Anwendung, da bei derartigen Prüfständen Wechselspannungen variabler Amplitude und Frequenz mit hoher Leistung und gleichzeitig möglichst niedrigem Rippelstrom benötigt werden. In Prüfständen aus dem Stand der Technik wird die elektrische Leistung über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis zur Verfügung gestellt, und Maschinenumrichter wandeln die Gleichspannung in die für die jeweilige elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor als Belastungsmaschinen eines mechanischen Antriebsstrangs, benötigte Wechselspannung um. Such switched inverters are used in particular in test stands for vehicles, since with such test stands AC voltages of variable amplitude and frequency with high power and at the same time the lowest possible ripple current are required. In test stands from the prior art, the electrical power is made available via a DC voltage intermediate circuit, and machine converters convert the DC voltage into the AC voltage required for the respective electrical machine, for example an electric motor as the load machine of a mechanical drive train.
In derartigen Maschinenumrichtern wird zumindest eine Halbbrücke je Phase der elektrischen Maschine durch ein PWM-Verfahren über eine Steuereinrichtung angesteuert. In such machine converters, at least one half bridge per phase of the electrical machine is controlled by a PWM method via a control device.
Eine Problematik herkömmlicher Prüfstände besteht jedoch darin, dass die Maschinenumrichter aufgrund der hohen erforderlichen Leistung von meist über 100 kW und der hohen Gleichspannung von meist über 500 V zu groß sind, um direkt auf der anzutreibenden elektrischen Maschine angeordnet werden zu können. Somit sind lange dreiphasige Anschlussleitungen erforderlich, was jedoch wiederum zu erhöhten elektrischen Störeinflüssen führt. Außerdem entstehen durch die Pulsweitenmodulation der hohen Gleichspannung hochfrequente Störungen, die in den GleichspannungsZwischenkreis zurückwirken und Rippelströme in der angetriebenen elektrischen Maschine bewirken. Die hohe geschaltete Gleichspannung resultiert auch in einer sehr hohen Wechselstrombelastung der eingangsseitigen Kondensatoren durch den blockförmigen Strom. One problem with conventional test stands, however, is that the machine converters, due to the high power required, usually over 100 kW, and the high DC voltage, usually over 500 V, are too large to be able to be arranged directly on the electric machine to be driven. Long three-phase connection lines are therefore required, which in turn leads to increased electrical interference. In addition, the pulse width modulation of the high DC voltage creates high-frequency interference, which feed back into the DC voltage intermediate circuit and cause ripple currents in the driven electrical machine. The high switched direct voltage also results in a very high alternating current load on the input-side capacitors due to the block-shaped current.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, mindestens eines dieser Probleme zu lösen. Es soll insbesondere ein Maschinenumrichter zur Verfügung gestellt werden, der kompakt ist und insbesondere in einem Prüfstand für Fahrzeuge oder als Teil einer elektrischen Antriebseinheit eines Fahrzeuges eingesetzt werden kann, ohne den Gleichspannungs-Zwischenkreis übermäßig zu stören und ohne die angetriebene It is thus an object of the invention to solve at least one of these problems. In particular, a machine converter is to be made available which is compact and can be used in particular in a test stand for vehicles or as part of an electric drive unit of a vehicle without unduly disrupting the DC voltage intermediate circuit and without the driven one
elektrische Maschine mit Rippelströmen zu belasten. to load electrical machine with ripple currents.
Diese und andere Aufgaben werden durch einen Maschinenumrichter und ein Verfahren zum Betrieb eines Maschinenumrichters nach den unabhängigen These and other tasks are performed by a machine converter and a method for operating a machine converter according to the independent
Patentansprüchen gelöst. Patent claims solved.
Ein erfindungsgemäßer Maschinenumrichter ist zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine mit Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis ausgeführt. Für zumindest eine der N Phasen der elektrischen Maschine sind M elektronisch steuerbare Halbbrücken vorgesehen, wobei M größer eins ist. Es können auch für jede Phase M Halbbrücken vorgesehen sein. A machine converter according to the invention is designed to supply an N-phase electrical machine with alternating current from a direct voltage source, for example a battery, a fuel cell or a direct voltage intermediate circuit. For at least one of the N phases of the electrical machine, M electronically controllable half bridges are provided, M being greater than one. M half bridges can also be provided for each phase.
Es ist eine die Halbbrücken in Pulsweitenmodulation ansteuernde elektronische Steuerungseinheit vorgesehen, die dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken zumindest einer der N Phasen derart zeitversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom in dieser Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken im Wesentlichen gleich aufteilt. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung der Schaltfrequenz des PWM-Verfahrens um den Faktor M und es kann eine glattere und störungsfreiere Nachbildung eines Sinussignals auch bei hohen Spannungen und hohen Frequenzen erreicht werden. An electronic control unit controlling the half-bridges in pulse width modulation is provided, which is designed to activate the half-bridges of at least one of the N phases with a time offset in such a way that the current in this phase is divided essentially equally between the M half-bridges assigned to the phase. This results in an increase in the switching frequency of the PWM method by a factor of M and a smoother and more interference-free simulation of a sinusoidal signal can be achieved even at high voltages and high frequencies.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken jeder der N Phasen derart zeitversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom in jeder Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken im Wesentlichen gleich aufteilt. In particular, it can be provided that the electronic control unit is designed to activate the half-bridges of each of the N phases with a time offset in such a way that the current in each phase is divided essentially equally between the M half-bridges assigned to the phase.
Die Ausgänge der Halbbrücken können direkt in die elektrische Maschine geführt werden, beispielsweise können damit direkt elektrische Wicklungen in der Maschine gespeist werden. The outputs of the half bridges can be fed directly into the electrical machine, for example electrical windings in the machine can be fed directly.
Erfindungsgemäß kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ausgänge jener M Halbbrücken, welche dieselbe Phase versorgen, über stromkompensierte InterleavingDrosseln zusammengeschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass ein glatter Übergang zwischen den geschalteten Halbbrücken möglich ist und Störungen reduziert werden. Stromkompensiert bedeutet dabei, dass die Wicklungen der Drosseln gegensinnig auf According to the invention, however, it can also be provided that the outputs of those M half-bridges which supply the same phase are connected together via current-compensated interleaving chokes. This has the advantage that a smooth transition between the switched half bridges is possible and interference is reduced. Current-compensated means that the windings of the chokes open in opposite directions
einem gemeinsamen Eisenkern verlaufen. run through a common iron core.
Die Steuerungseinheit kann dazu ausgeführt sein, die einer Phase zugeordneten M Halbbrücken jeweils für eine identische Einschaltdauer ton und zueinander um eine Zeitspanne von im Wesentlichen ton/M verzögert zu aktivieren. Mit anderen Worten, die Einschaltdauern der zugeordneten Halbbrücken sind im Wesentlichen gleich lang, nämlich gleich ton, jedoch zueinander um ton/M versetzt. Beispielsweise werden bei M=2 die beiden einer Phase zugeordneten Halbbrücken in diesen Ausführungsbeispielen um etwa ton/2 verzögert aktiviert. The control unit can be designed to activate the M half-bridges assigned to a phase in each case for an identical switch-on duration ton and with a delay in relation to one another by a period of essentially ton / M. In other words, the switch-on times of the assigned half bridges are essentially of the same length, namely equal to ton, but offset from one another by ton / M. For example, when M = 2, the two half bridges assigned to a phase are activated with a delay of approximately ton / 2 in these exemplary embodiments.
Dabei können selbstverständlich geringfügige Abweichungen auftreten, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, beispielsweise können auch tatsächliche Verzögerungswerte von 0,4 x ton — 0,6 x ton bei M=2 erfindungsgemäß vorgesehen sein. Bei Ausführungsbeispielen mit drei Halbbrücken je Phase, also M=3, werden die Halbbrücken jeweils um etwa ton/3 verzögert für eine Dauer von ton aktiviert, wobei wiederum eine gewisse Toleranz der Verzögerungswerte vorgesehen sein kann, Of course, slight deviations can occur without departing from the scope of protection of the invention; for example, actual delay values of 0.4 x ton-0.6 x ton at M = 2 can also be provided according to the invention. In embodiments with three half-bridges per phase, i.e. M = 3, the half-bridges are each activated with a delay of approximately ton / 3 for a duration of ton, whereby a certain tolerance of the delay values can again be provided,
beispielsweise etwa 0,2 x ton — 0,4 X ton. for example about 0.2 x ton - 0.4 X ton.
Durch diese Überlagerung der Ansteuersignale einzelner Halbbrücken ergibt sich aus Sicht der angesteuerten Phase eine Erhöhung der Schaltfrequenz um den Faktor M, d.h. bei M=2 etwa eine Schaltfrequenzverdoppelung. This superimposition of the control signals from individual half bridges results in an increase in the switching frequency by a factor of M from the perspective of the activated phase, i.e. approximately a doubling of the switching frequency when M = 2.
Die Steuereinheit kann dazu ausgeführt sein, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal der Halbbrücken mit einer Frequenz zu erzeugen, welche um einen Faktor 5 bis 100, vorzugsweise um einen Faktor 10 bis 20, höher ist als die Frequenz des gewünschten Ausgangssignals (Sinussignals) auf den Phasen. Beispielsweise kann bei einer Frequenz des (Sinus-)Ausgangssignals auf des Phasen von 1 kHz eine Frequenz des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals von etwa 5 kHz bis etwa 100 kHz vorgesehen sein. Bei der Verwendung entsprechend ausgeführter Halbleiterschalter kann auch eine noch höhere Frequenz des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals vorgesehen sein. Durch die erfindungsgemäße Überlagerung der Ansteuersignale wird diese Frequenz The control unit can be designed to generate a pulse-width-modulated control signal of the half bridges with a frequency which is a factor of 5 to 100, preferably a factor of 10 to 20, higher than the frequency of the desired output signal (sinusoidal signal) on the phases. For example, with a frequency of the (sine) output signal on the phase of 1 kHz, a frequency of the pulse-width-modulated control signal of approximately 5 kHz to approximately 100 kHz can be provided. When using appropriately designed semiconductor switches, an even higher frequency of the pulse-width-modulated control signal can also be provided. The superposition of the control signals according to the invention makes this frequency
noch weiter erhöht, sodass ein besonders niedriger Rippelstrom erreicht werden kann. increased even further, so that a particularly low ripple current can be achieved.
Erfindungsgemäß kann die die Phasenzahl N gleich drei sein. Die Zahl M der Halbbrücken je Phase kann gleich zwei, drei, vier, fünf, sechs oder höher sein. According to the invention, the number of phases N can be equal to three. The number M of half bridges per phase can be two, three, four, five, six or more.
Jede der Halbbrücken kann zwei gesteuerte Halbleiterschalter Q1, Q2, vorzugsweise SiC-Transistoren umfassen. Each of the half bridges can comprise two controlled semiconductor switches Q1, Q2, preferably SiC transistors.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf eine Belastungseinheit für einen Prüfstand mit The invention also extends to a load unit for a test stand
einem erfindungsgemäßen Maschinenumrichter und einer N-phasigen elektrischen Maschine. a machine converter according to the invention and an N-phase electrical machine.
Erfindungsgemäß sind in der elektrischen Maschine in zumindest einer der N Phasen M separate und gegeneinander isolierte Maschinenwicklungen vorgesehen, wobei die Maschinenwicklungen dieser Phase jeweils an eine der Halbbrücken geführt sind. Vorzugsweise sind in jeder der N Phasen M separate und gegeneinander isolierte Maschinenwicklungen vorgesehen, wobei die Maschinenwicklungen jeder Phase jeweils an eine der M Halbbrücken geführt sind. In diesem Fall erübrigt sich die Verwendung von Interleaving-Drosseln, da die Maschinenwicklungen selbst zu der gewünschten Überlagerung des Stromes bzw. des magnetischen Flusses in der Maschine führen. According to the invention, separate machine windings M are provided in at least one of the N phases in the electrical machine and are insulated from one another, the machine windings of this phase each being led to one of the half bridges. Preferably, in each of the N phases M separate machine windings isolated from one another are provided, the machine windings of each phase being led to one of the M half bridges. In this case, there is no need to use interleaving chokes, since the machine windings themselves lead to the desired superimposition of the current or the magnetic flux in the machine.
Erfindungsgemäß kann für besonders hohe elektrische Leistungen vorgesehen sein, dass für jede der N Phasen der elektrischen Maschine eine separate Wechselrichtereinheit mit jeweils M Halbbrücken vorgesehen ist. Es kann für jede der Wechselrichtereinheiten eine separate Steuereinheit vorgesehen sein, es kann jedoch auch eine gemeinsame Steuereinheit für alle Wechselrichtereinheiten vorgesehen sein. According to the invention, it can be provided for particularly high electrical powers that a separate inverter unit, each with M half bridges, is provided for each of the N phases of the electrical machine. A separate control unit can be provided for each of the inverter units, but a common control unit can also be provided for all inverter units.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Verfahren zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine mit Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind für zumindest eine, vorzugsweise jede der N Phasen der elektrischen Maschine M elektronisch steuerbare Halbbrücken und eine die Halbbrücken in Pulsweitenmodulation ansteuernde Steuerungseinheit vorgesehen. The invention also extends to a method for supplying an N-phase electrical machine with alternating current from a direct voltage source, for example a battery, a fuel cell or a direct voltage intermediate circuit. In the method according to the invention, electronically controllable half bridges and a control unit controlling the half bridges in pulse width modulation are provided for at least one, preferably each of the N phases of the electrical machine M.
Erfindungsgemäß aktiviert die Steuerungseinheit die Halbbrücken zumindest einer, vorzugsweise jeder Phase derart zeitversetzt, dass sich der Strom in dieser Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken im Wesentlichen gleich aufteilt. Insbesondere kann die Steuerungseinheit die einer Phase zugeordneten M Halbbrücken jeweils für eine identische Einschaltdauer ton und um einen Zeitversatz von According to the invention, the control unit activates the half-bridges of at least one, preferably each phase, with a time offset in such a way that the current in this phase is divided essentially equally between the M half-bridges assigned to the phase. In particular, the control unit can each have the M half bridges assigned to a phase for an identical switch-on duration ton and by a time offset of
ton/M verzögert aktivieren. Activate ton / M delayed.
Die Steuerungseinheit kann als integriertes elektronisches Bauelement ausgeführt sein, kann jedoch auch mehrere getrennte Steuergeräte umfassen. The control unit can be designed as an integrated electronic component, but can also comprise several separate control devices.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Belastungseinheit eines Prüfstands. The invention also extends to the use of a method according to the invention for operating a load unit of a test stand.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, den Figuren und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von nicht ausschließlichen Ausführungsbeispielen erläutert: Further features according to the invention emerge from the patent claims, the figures and the following description of the figures. The invention is explained below using non-exclusive exemplary embodiments:
Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinenumrichters bei der Ansteuerung einer elektrischen Maschine unter Verwendung von InterleavingDrosseln; 1a shows an embodiment of a machine converter according to the invention when controlling an electrical machine using interleaving chokes;
Fig. 1b — 1c zeigen schematische Spannungs- und Stromverläufe bei der Ausübung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1b-1c show schematic voltage and current profiles when an embodiment of the method according to the invention is carried out;
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinenumrichters unter Verwendung einer elektrischen Maschine mit getrennten Wicklungen in jeder der drei Phasen. 2 shows an embodiment of a machine converter according to the invention using an electrical machine with separate windings in each of the three phases.
Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinenumrichters zur Versorgung einer 3-phasigen elektrischen Maschine 1, nämlich eines Elektromotors mit den 3 Wicklungen U, V und W. Der Maschinenumrichter wandelt eine EingangsGleichspannung Voc aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis in drei phasenverschobene Wechselspannungen L1, L2, L3 zum Betrieb des Elektromotors um. Zu diesem Zweck umfasst der Maschinenumrichter einen Brücken-Gleichrichter mit sechs Halbbrücken 2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘, wobei jeweils eine Phase U, V, W der elektrischen Maschine 1 über zwei Halbbrücken versorgt wird. Die Halbbrücken umfassen jeweils zwei elektronisch schaltbare Halbleiterschalter Q:1, Q2, Q1‘, Q2‘, Q1a, Q2a, Q1a‘, Q2a‘, Q1pb, Qz2b, Q16‘, Q26‘, die mit einer elektronischen Steuereinheit 3 verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 3 als integriertes elektronisches Bauelement realisiert. 1a shows an embodiment of a machine converter according to the invention for supplying a 3-phase electrical machine 1, namely an electric motor with the 3 windings U, V and W. The machine converter converts an input DC voltage Voc from a DC voltage intermediate circuit into three phase-shifted AC voltages L1, L2 , L3 to operate the electric motor. For this purpose, the machine converter comprises a bridge rectifier with six half bridges 2, 2 ‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b ‘, one phase U, V, W of the electrical machine 1 being supplied via two half bridges. The half bridges each include two electronically switchable semiconductor switches Q: 1, Q2, Q1 ‘, Q2‘, Q1a, Q2a, Q1a ‘, Q2a‘, Q1pb, Qz2b, Q16 ‘, Q26‘, which are connected to an electronic control unit 3. In this exemplary embodiment, the control unit 3 is implemented as an integrated electronic component.
Die Halbleiterschalter sind in diesem Ausführungsbeispiel als SiC-Schalter ausgeführt und weisen eine hohe Spannungsfestigkeit auf. In this exemplary embodiment, the semiconductor switches are designed as SiC switches and have a high dielectric strength.
Die Steuereinheit 3 schaltet die Halbleiterschalter in einem PulsweitenmodulationsVerfahren mit einer Grundfrequenz je Schalter von etwa 5 kHz, um für jede der Phasen U, V und W eine möglichst ideale Sinusform bilden zu können. Mit anderen Worten, die Frequenz der Ansteuersignale eines Schalters beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 5 kHz. The control unit 3 switches the semiconductor switches in a pulse width modulation process with a basic frequency of about 5 kHz per switch in order to be able to form the most ideal sinusoidal shape for each of the phases U, V and W. In other words, the frequency of the control signals of a switch is approximately 5 kHz in this exemplary embodiment.
Die Steuereinheit 3 ist dazu ausgeführt, jene Halbbrückenpaare, die dieselbe Phase des Elektromotors versorgen, derart zeitversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom dieser Phase auf die beiden Halbbrücken im Wesentlichen gleich aufteilt. The control unit 3 is designed to activate those half-bridge pairs that supply the same phase of the electric motor with a time delay in such a way that the current of this phase is divided essentially equally between the two half-bridges.
Beispielsweise aktiviert die Steuereinheit 3 zunächst die erste Halbbrücke 2 für eine bestimmte Zeitdauer ton und, nach einer Verzögerungszeit von ton/2, die Halbbrücke 2‘ für eine identische Zeitdauer ton. Dadurch wird die je Halbbrücke übertragene Leistung halbiert und die Frequenz des PWM-Verfahrens pro Phase des Elektromotors verdoppelt. Folglich sinkt der Rippel im Ausgangsstrom und auch störende Rückwirkungen in den Gleichspannungs-Zwischenkreis werden reduziert. For example, the control unit 3 first activates the first half bridge 2 for a certain period of time ton and, after a delay time of ton / 2, the half bridge 2 ‘for an identical period of time ton. This halves the power transmitted per half bridge and doubles the frequency of the PWM process per phase of the electric motor. As a result, the ripple in the output current decreases and disruptive repercussions in the DC voltage intermediate circuit are also reduced.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Ausgänge von je zwei Halbbrücken, welche dieselbe Phase versorgen, über stromkompensierte Interleaving-Drosseln 4, 4°, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘ zusammengeschaltet. Dabei sind für jede Phase zwei gegensinnig laufende Wicklungen auf einem gemeinsamen Eisenkern vorgesehen. Dies ermöglicht die kompakte Ausführung der Drosseln und gleichzeitig einen besonders rippelfreien Betrieb des Brückengleichrichters. In this exemplary embodiment, the outputs of two half bridges each, which supply the same phase, are connected together via current-compensated interleaving chokes 4, 4 °, 4a, 4a, 4b, 4b ‘. Two windings running in opposite directions are provided on a common iron core for each phase. This enables the compact design of the chokes and, at the same time, particularly ripple-free operation of the bridge rectifier.
Fig. 1b zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Spannung V an der Phase L+1 und den schematischen Verlauf der Einschaltpulse für die Schalter Q1, Q2 der ersten Halbbrücke 2 und Q1‘, Q2‘ der zweiten Halbbrücke 2‘. Aus diesem schematischen Diagramm ist die Funktionsweise des PWM-Verfahrens zur Generierung eines möglichst exakten Sinus-Ausgangssignals ersichtlich. Die Periodendauer des PWMSignals ist mit dem Symbol T gekennzeichnet, wobei der Duty Cycle, also der Tastgrad, des PWM-Signals sinusförmig steigt und fällt, wobei die Periodendauer des SinusAusgangssignals mit dem Symbol Tı1 bezeichnet ist und etwa 20 mal höher als T ist. Fig. 1b shows schematically the time profile of the voltage V at phase L + 1 and the schematic profile of the switch-on pulses for the switches Q1, Q2 of the first half bridge 2 and Q1 ‘, Q2‘ of the second half bridge 2 ‘. This schematic diagram shows how the PWM method works for generating a sine output signal that is as precise as possible. The period of the PWM signal is marked with the symbol T, the duty cycle, i.e. the duty cycle, of the PWM signal rises and falls sinusoidally, the period of the sine output signal is denoted by the symbol Tı1 and is about 20 times higher than T.
Fig. 1c zeigt das in Fig. 19 schematisch angedeutete Detail A in höherem Detailgrad, wobei die Schaltimpulse der Schalter Q2 und Q2‘ sowie der Strom Iz durch die erste Halbbrücke 2, der Strom I2‘ durch die zweite Halbbrücke 2‘ und der gesamte Strom Iges = I2 + l2‘ der Phase L1: idealisiert dargestellt sind. Die beiden Halbbrücken werden jeweils für eine identische Einschaltdauer ton aktiviert, wobei die zweite Halbbrücke 2‘ gegenüber der ersten Halbbrücke 2 um die Zeitspanne ton / 2 verzögert aktiviert wird. Bezogen auf die Periodendauer der zugeordneten Phase liegt der resultierende Phasenversatz in der Regel bei weniger als 1°, etwa bei 0,1°. Dadurch wird aus Sicht der Phase L1 eine Verdoppelung der Frequenz des PWM-Verfahrens erreicht. Durch die Überlagerung der Teilströme I2 und I2‘ reduziert sich die Wechselstrombelastung kapazitiver Elemente, während die Schaltfrequenz der Halbbrücken niedrig bleibt. Im gegenständlichen Ausführungsbeispiel beträgt die Schaltfrequenz jeder einzelnen Halbbrücke etwa 5 kHz, hingegen die Schaltfrequenz des resultierenden Stromverlaufs etwa 10 kHz. Fig. 1c shows the schematically indicated in Fig. 19 detail A in a higher degree of detail, the switching pulses of the switches Q2 and Q2 'and the current Iz through the first half bridge 2, the current I2' through the second half bridge 2 'and the entire current Iges = I2 + l2 'of phase L1: are shown idealized. The two half-bridges are each activated for an identical switch-on duration ton, the second half-bridge 2 being activated with a delay compared to the first half-bridge 2 by the time period ton / 2. In relation to the period duration of the assigned phase, the resulting phase offset is usually less than 1 °, around 0.1 °. From the point of view of phase L1, this results in a doubling of the frequency of the PWM process. The superimposition of the partial currents I2 and I2 ‘reduces the alternating current load on capacitive elements, while the switching frequency of the half bridges remains low. In the present exemplary embodiment, the switching frequency of each individual half bridge is approximately 5 kHz, whereas the switching frequency of the resulting current curve is approximately 10 kHz.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Belastungseinheit für einen Prüfstand dargestellt, welche einen Maschinenumrichter und eine 3-phasige elektrische Maschine 1 umfasst. Die Belastungseinheit ist dazu ausgeführt, den mechanischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs zu testen. Fig. 2 shows a further embodiment of a device according to the invention. In this exemplary embodiment, a load unit for a test stand is shown, which comprises a machine converter and a 3-phase electrical machine 1. The load unit is designed to test the mechanical drive train of a vehicle.
Der Maschinenumrichter entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a, wobei wiederum je Phase der elektrischen Maschine 1 zwei separat über die Steuereinheit 3 angesteuerte Halbbrücken 2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘ vorgesehen sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 1 jedoch speziell an den Maschinenumrichter angepasst und verfügt in jeder ihrer drei Phasen U, V, W über zwei separate und gegeneinander isolierte Maschinenwicklungen 5, 5‘, 5a, ba‘, 5b, 5b‘. Diese Maschinenwicklungen sind über die Anschlüsse U+1, U2, V1, Vz, W1, W2 herausgeführt und mit den Ausgängen der gesteuerten Halbbrücken 2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘ verbunden. Da die Maschinenwicklungen je Phase auf einem gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind, erübrigt sich in diesem Ausführungsbeispiel das Anordnen zusätzlicher Interleaving-Drosseln, da die Maschinenwicklungen deren Funktion übernehmen. The machine converter corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 1a, with two half bridges 2, 2 ‘, 2a, 2a, 2b, 2b‘ being provided for each phase of the electrical machine 1, which are controlled separately via the control unit 3. In this exemplary embodiment, however, the electrical machine 1 is specially adapted to the machine converter and has two separate machine windings 5, 5, 5a, ba ‘, 5b, 5b‘ in each of its three phases U, V, W. These machine windings are brought out via the connections U + 1, U2, V1, Vz, W1, W2 and are connected to the outputs of the controlled half bridges 2, 2 ‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b ‘. Since the machine windings for each phase are wound on a common iron core, there is no need to arrange additional interleaving chokes in this exemplary embodiment, since the machine windings take over their function.
Statt eines zentralen Maschinenumrichters kann auch vorgesehen sein, dass jede Phase der elektrischen Maschine 1 über einen separaten Maschinenumrichter mit mehreren Halbbrücken, im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils zwei Halbbrücken, angesteuert wird. Dies kann besonders bei Anwendungen mit sehr hohen Leistungen Instead of a central machine converter, it can also be provided that each phase of the electrical machine 1 is controlled via a separate machine converter with several half-bridges, in the present exemplary embodiment two half-bridges in each case. This can be especially true for applications with very high powers
vorteilhaft sein. be beneficial.
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei elektrischen Maschinen hoher Leistungen, die mehrere Wicklungen je Phase aufweisen, diese Wicklungen an jeweils separate Maschinenumrichter herausgeführt werden, die über eine gemeinsame oder separate, miteinander verbundene Steuereinheiten gesteuert werden. Beispielsweise können für eine Maschine mit zwei Wicklungen auf jeder Phase zwei separate Maschinenumrichter vorgesehen sein, die jeweils eine der Wicklungen auf den Phasen versorgen. Furthermore, it can be provided that, in the case of high-power electrical machines that have a plurality of windings per phase, these windings are brought out to separate machine converters, which are controlled via a common or separate, interconnected control units. For example, two separate machine converters can be provided for a machine with two windings on each phase, each of which supplies one of the windings on the phases.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen und Verfahren im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche. The invention is not restricted to the present exemplary embodiments, but rather comprises all devices and methods within the scope of the following patent claims.
Hierin verwendete Begriffe wie Umrichter oder Maschinenumrichter sollen nicht zu eng ausgelegt werden. Unter einem erfindungsgemäßen Umrichter oder Maschinenumrichter kann jede gesteuerte elektrische und/oder elektronische Schaltung verstanden werden, die eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, oder eine Wechselspannung in eine andere Wechselspannung umwandelt. Bei einer derartigen Schaltung kann es sich beispielsweise, aber nicht ausschließlich, um einen Direktumrichter, einen Matrixumrichter, einen Wechselspannungswandler, einen geschalteten Brückenwechselrichter oder dergleichen handeln. Die konkrete schaltungstechnische Realisierung des Umrichters ist nicht wesentlich. Erfindungsgemäß vorgesehene Umrichter können auch eine interne galvanische Trennung vorsehen und können für hohe elektrische Leistungen vorgesehen sein, beispielsweise Leistungen im Bereich von 100 kW bei einer Gleichspannung von 850 V bzw. 300 kVA Wechselstromleistung. Terms used here, such as converter or machine converter, should not be interpreted too narrowly. A converter or machine converter according to the invention can be understood to mean any controlled electrical and / or electronic circuit which converts a direct voltage into an alternating voltage, or converts an alternating voltage into another alternating voltage. Such a circuit can be, for example, but not exclusively, a direct converter, a matrix converter, an AC voltage converter, a switched bridge inverter or the like. The specific circuit implementation of the converter is not essential. Converters provided according to the invention can also provide internal galvanic isolation and can be provided for high electrical powers, for example powers in the range of 100 kW with a direct voltage of 850 V or 300 kVA alternating current power.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Elektrische Maschine 2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘ Halbbrücke 3 Steuerungseinheit 1 Electric machine 2, 2 ‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b ‘half bridge 3 Control unit
4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b° Interleaving-Drossel 5, 5‘, 5a, ba‘, 5b, 5b‘ Maschinenwicklungen 4, 4 ‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b ° interleaving choke 5, 5 ‘, 5a, ba‘, 5b, 5b ‘machine windings
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