DE10018668A1 - Inverter circuit arrangement for rotary field machine, has two inverters clocked at displaced time intervals with outputs assigned to each phase in first connection of coil arrangement - Google Patents
Inverter circuit arrangement for rotary field machine, has two inverters clocked at displaced time intervals with outputs assigned to each phase in first connection of coil arrangementInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Wechselrichter-Schaltungsanord nung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wechselrich ter-Schaltungsanordnung, die zum Ansteuern einer Drehfeld- Maschine (zum Beispiel einer Asynchron-, oder Synchronma schine) geeignet ist.The invention relates to an inverter circuit arrangement nung. In particular, the invention relates to an inverter ter circuit arrangement which is used to control a rotating field Machine (for example an asynchronous or synchronous machine) is suitable.
Bei herkömmlichen Wechselrichter-Schaltungsanordnungen ist es erforderlich, daß die durch die Taktung der Brückenzwei ge entstehenden Strompulse zum Zwischenkreis hin abgeblockt werden müssen, indem sog. Zwischenkreis-Kondensatoren mit nennenswerten Kapazitäten eingesetzt werden. Mit anderen Worten wird hier durch die Zwischenkreis-Kondensatoren die Rückwirkung der Strompulse auf den Zwischenkreis aufgefan gen. Dabei müssen diese Zwischenkreis-Kondensatoren so di mensioniert sein, daß sie im taktfrequenten Wechsel während eines entsprechenden Teils der Taktperiode praktisch den vollen Laststrom aufnehmen bzw. abgeben können. Diese Zwi schenkreis- oder Ausgleichskondensatoren sind voluminös, kostentreibend und erhöhen die Fehlerrate der gesamten Wechselrichter-Schaltungsanordnung.In conventional inverter circuit arrangements it is necessary that the timing of the bridge two blocked current pulses to the DC link must be replaced by so-called intermediate circuit capacitors significant capacities are used. With others Words is here through the DC link capacitors Reaction of the current pulses on the DC link gen. These intermediate circuit capacitors must di be dimensioned that they alternate with the clock frequency during a corresponding part of the clock period practically the can absorb or deliver full load current. This two circuit or compensating capacitors are bulky, driving costs and increasing the overall error rate Inverter circuit arrangement.
Ausgehend von dieser Situation liegt der Erfindung das Pro blem zugrunde, eine Wechselrichter-Schaltungsanordnung be reitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik kom pakter baut, kostengünstiger ist und weniger fehleranfällig ist. Based on this situation, the invention is the pro blem underlying an inverter circuit arrangement be to sit in the com compared to the state of the art builds more compact, is cheaper and less prone to errors is.
Als Lösung dieses Problems wird eine Wechselrichter-Schal tungsanordnung vorgeschlagen, mit wenigstens zwei, im Be triebszustand zeitlich versetzt getakteten Wechselrichtern, an deren jeweils einer Phase zugeordneten Halbbrückenmit telpunkten jeweils ein erster Anschluß einer Spulenanord nung befindet, wobei jeweilige zweite Anschlüsse einander entsprechender Spulenanordnungen der jeweiligen Wechsel richter miteinander verbunden sind.One solution to this problem is an inverter scarf proposed arrangement, with at least two, in loading drive status of timed inverters, at their respective half bridges assigned to one phase a first connection of a coil arrangement voltage, with respective second connections to each other corresponding coil arrangements of the respective changes judges are connected.
Die Spulenanordnungen können dabei entweder in Form von In duktivitäten (Drosseln) realisiert sein. Alternativ dazu können diese Spulenanordnungen auch mittels eines magneti schen Koppelelementes (transformatorisch) miteinander ver bunden sein. Bei diesem magnetischen Koppelelement treten praktisch keine Verluste, keine Ausgleichsströme und auch keine Energiespeicherung auf. Damit kann dieses magneti schen Koppelelement sehr kompakt ausgeführt sein.The coil arrangements can either in the form of In ductivities (chokes) can be realized. Alternatively can these coil arrangements also by means of a magneti ver coupling element (transformer) ver be bound. Step with this magnetic coupling element practically no losses, no equalizing currents and also no energy storage on. So that this magneti rule coupling element be made very compact.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, daß die bisher üblichen Zwischenkreis-Kondensatoren auf ei nen Bruchteil ihrer bisher erforderlichen Kapazität redu ziert werden können. Zum Beispiel kann - gleiche Leistung, Stromentnahme aus der Wechselrichter-Anordnung etc. voraus gesetzt - bei zwei erfindungsgemäß durch die Spulenanordun gen miteinander verbundenen Wechselrichtern die Kapazität auf etwa ein Viertel im Verhältnis zu der sonst erforderli chen Anordnung reduziert werden. Da jedoch der Raumbedarf der Spulenanordnungen (insbesondere auch bei der Ausfüh rungsform mit dem magnetischen Koppelelement) erheblich ge ringer ist, tritt ein merklich verringerter Bedarf an Bau raum auf. Außerdem sind Induktivitäten auch weniger anfäl lig für Störungen als Kondensatoren mit hoher Kapazität. This configuration according to the invention achieves that the usual intermediate circuit capacitors on egg NEN fraction of their previously required capacity redu can be decorated. For example - same performance, Current draw from the inverter arrangement etc. ahead set - in two according to the invention by the coil arrangement connected inverters the capacity to about a quarter in relation to the otherwise required Chen arrangement can be reduced. However, since the space requirement the coil arrangements (especially in the execution tion form with the magnetic coupling element) considerably wrestler, there is a noticeably reduced need for construction clean up. In addition, inductors are also less susceptible Lig for interference as high-capacity capacitors.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jeder der Wechselrichter wenigstens eine aus zwei in Serie geschalteten Leistungshalbleitern gebildete Halbbrücken schaltung auf, bei denen die jeweiligen beiden Leistungs halbleiter mit einer Ansteuerschaltung verbunden sind, die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen beiden Leistungshalb leiter gegenphasig leitend und sperrend zu schalten.In a preferred embodiment of the invention each of the inverters at least one out of two in series switched half-bridges circuit on where the respective two power semiconductors are connected to a control circuit which is set up, the respective two power half to switch the conductor in phase opposition and to block.
Weiterhin ist bevorzugt mit dem den Ausgang jeder Halbbrüc kenschaltung bildenden Mittelpunkt ein erster Anschluß der jeweiligen Induktivität elektrisch leitend verbunden, und die jeweiligen zweiten Anschlüsse der einander entsprechen den Induktivitäten jeder Halbbrückenanordnung sind elek trisch leitend miteinander verbunden.Furthermore, the exit of each half-bridge is preferred a first connection of the respective inductance electrically connected, and the respective second connections correspond to each other the inductances of each half-bridge arrangement are electrical trisch conductively connected.
Dabei sind die einander entsprechenden Spulenanordnungen jeder Halbbrückenanordnung bei Vorhandensein des magneti schen Koppelelementes an diesem so angeordnet, daß sie ent gegengesetzt orientierte Magnetflüsse erzeugen.Here are the corresponding coil arrangements each half-bridge arrangement in the presence of the magneti rule coupling element arranged on this so that they ent generate oppositely oriented magnetic fluxes.
Das magnetische Koppelelement ist bei hohen Taktfrequenzen der Ansteuersignale der Wechselrichter (über etwa 100 kHz) bevorzugt ein Ferrit-haltiges Bauteil, das die Induktivitä ten miteinander koppelt. Bei niedrigeren Taktfrequenzen ist das magnetische Koppelelement vorzugsweise aus Eisen(-ble chen) gebildet.The magnetic coupling element is at high clock frequencies the control signals of the inverters (above about 100 kHz) preferably a ferrite-containing component that the inductance coupled with each other. At lower clock frequencies it is the magnetic coupling element is preferably made of iron (-ble chen) formed.
Durch die Ansteuerschaltung werden die einzelnen Halbbrüc ken (jeweils entsprechend einer Phase) eines Wechselrich ters so angesteuert, wie es die angeschlossene elektrische Maschine erfordert, um sich in der gewünschten Richtung und mit der gewünschten Drehzahl zu drehen. By the control circuit, the individual half bridges ken (each corresponding to a phase) of an inverter ters as controlled as the connected electrical Machine requires to look in the desired direction and to rotate at the desired speed.
Weitere Eigenschaften, Merkmale, Vorteile und mögliche Ab wandlungen der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung deutlich, in denen Ausführungs beispiele der Erfindung dargestellt sind.Other properties, characteristics, advantages and possible ab Conversions of the invention are illustrated in the following Description of the drawing clearly, in which execution examples of the invention are shown.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Schaltungs anordnung mit zwei Wechselrichtern mit jeweils drei Phasen. Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the inventive inverter circuit arrangement with two inverters, each with three phases.
Fig. 2a zeigt eine schematische Seitenansicht eines magne tischen Koppelelementes für die Wechselrichter-Schaltungs anordnung nach Fig. 1 mit den Spulenanordnungen für zwei miteinander zu koppelnde Wechselrichter. Fig. 2a shows a schematic side view of a magnetic coupling element for the inverter circuit arrangement according to Fig. 1 with the coil arrangements for two inverters to be coupled.
Fig. 2b zeigt eine schematische Draufansicht des magneti schen Koppelelementes nach Fig. 4a. Fig. 2b shows a schematic plan view of the magnetic coupling's rule according to Fig. 4a.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Verlauf von Ansteuerungs signalen für die Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Fig. 1. FIG. 3 shows a schematic course of control signals for the inverter circuit arrangement according to FIG. 1.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wechsel richter-Schaltungsanordnung. Ersichtlich werden in diesem Ausführungsbeispiel zwei vollkommen identische Wechselrich ter WR, WR' durch eine gemeinsame Ansteuerschaltung ECU entsprechend einem von außen vorgegebenen Motor-Ansteuer signal MAS angesteuert um die Drehzahl und Drehrichtung ei ner elektrischen Maschine EM, zum Beispiel einer Asynchron maschine vorzugeben. Da die beiden Wechselrichter WR, WR' identisch sind, wird nachstehend nur einer der Wechselrich ter beschrieben. Fig. 1 shows a schematic representation of an inverter circuit arrangement. It can be seen in this exemplary embodiment that two completely identical inverters WR, WR 'are controlled by a common control circuit ECU in accordance with an externally specified motor control signal MAS in order to specify the speed and direction of rotation of an electrical machine EM, for example an asynchronous machine. Since the two inverters WR, WR 'are identical, only one of the inverters is described below.
Auf der Eingangsseite der erfindungsgemäßen Schaltungsan ordnung liegen zum Beispiel etwa 42 Volt Gleichspannung an drei parallel geschalteten Halbbrücken H1, H2, H3 an, die jeweils durch zwei zwischen die Eingangssspannung (42 Volt) und Masse in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter S11, S12; S21, S22; S31, S32 gebildet sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den Leistungshalbleitern um Power-MosFETs oder IGBTs, bei denen zusätzlich jeweils eine Diode D in Sperr- Richtung (wie beispielhaft lediglich für den Leistungshalb leiter S31 gezeigt) parallel geschaltet ist.On the input side of the circuitry according to the invention For example, there are approximately 42 volts DC three half bridges H1, H2, H3 connected in parallel each by two between the input voltage (42 volts) and ground power semiconductors S11 connected in series, S12; S21, S22; S31, S32 are formed. Preferably acts the power semiconductors are Power-MosFETs or IGBTs, in each of which a diode D is also Direction (as example only for the power half conductor S31 shown) is connected in parallel.
Jeweils am Mittelabgriff der drei Halbbrücken H1, H2, H3 ist jeweils ein Anschluß einer der Spulenanordnungen L1, L2, L3 angeschlossen. Diese Spulenanordnungen L1, L2, L3 haben gleiche Windungszahlen (L1 = L2 = L3). Jeweils einan der entsprechende Spulenanordnungen L1, L1', L2, L2', L3, L3' der beiden Wechselrichter WR, WR' sind miteinander durch ein magnetisch leitendes Koppelelement T verbunden, wodurch jeweils ein (Ausgleichs-)Transformator gebildet wird.Each at the center tap of the three half bridges H1, H2, H3 is a connection of one of the coil arrangements L1, L2, L3 connected. These coil arrangements L1, L2, L3 have the same number of turns (L1 = L2 = L3). One at a time the corresponding coil arrangements L1, L1 ', L2, L2', L3, L3 'of the two inverters WR, WR' are with each other connected by a magnetically conductive coupling element T, whereby a (compensation) transformer is formed becomes.
In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem Koppelelement T um einen Ferrit-Kern (wegen der hohen Be triebsfrequenz von mehreren Hundert Kilohertz) mit zwei Schenkeln K1, K2 die jeweils von einer der Induktivitäten Ln, Ln' umgeben sind. An ihren jeweiligen beiden Stirnsei ten sind die beiden Schenkel K1, K2 durch durch ein Joch J1, J2 verbunden. (siehe Fig. 2a, 2b). Es versteht sich, daß der Ferrit-Kern als Ganzes ein einstückiges Teil sein kann, oder als EI-, M, oder L-Ferritkern ausgestaltet sein kann. Dieses magnetisches Koppelelement T wirkt als Aus gleichstransformator, der im wesentlichen keine elektrische Energie speichert. Bei einer Wechselrichter-Schaltungsan ordnung mit mehr als zwei miteinander über die Spulenanord nungen verbundenen Wechselrichtern sind für jeden weiteren Wechselrichter ein zusätzlicher, über die Joche J1, J2 verbundener Schenkel vorzusehen, um die die Spulenanordnung aufzunehmen.In the embodiment shown, the coupling element T is a ferrite core (due to the high operating frequency of several hundred kilohertz) with two legs K1, K2, each of which is surrounded by one of the inductors Ln, Ln '. On their respective two front sides, the two legs K1, K2 are connected by a yoke J1, J2. (see Fig. 2a, 2b). It is understood that the ferrite core as a whole can be an integral part, or can be designed as an EI, M, or L ferrite core. This magnetic coupling element T acts as a DC transformer, which stores essentially no electrical energy. In the case of an inverter circuit arrangement with more than two inverters connected to one another via the coil arrangements, an additional leg connected via the yokes J1, J2 is to be provided for each additional inverter in order to accommodate the coil arrangement.
In Fig. 2b ist darüberhinaus für die jeweiligen Spulenan ordnung Ln, Ln' der Wicklungssinn angegeben. Für die hier gezeigte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist eine der der Anzahl der Phasen entsprechende Anzahl von Koppelele menten T erforderlich. Die Windungsanzahl der einzelnen Spulenanordnungen hängt von der erforderlichen Durchflutung des Koppelelementes T ab. Im einfachsten Fall können die beiden Spulenanordnungen Ln, Ln' auch durch zwei Leitungs abschnitte gebildet sein, die durch das Koppelelement T in der in Fig. 2b gezeigten Weise hindurchgesteckt sind.In Fig. 2b the winding sense is also given for the respective coil arrangement Ln, Ln '. For the circuit arrangement according to the invention shown here, one of the number of phases corresponding to the number of coupling elements T is required. The number of turns of the individual coil arrangements depends on the required flooding of the coupling element T. In the simplest case, the two coil arrangements Ln, Ln 'can also be formed by two line sections which are inserted through the coupling element T in the manner shown in FIG. 2b.
Die drei Halbbrücken H1, H2, H3 bzw. die sechs Leistungs halbleiter S11, S12; S21, S22; S31, S32 in Fig. 3 werden durch eine elektronische Ansteuerschaltung ECU über sechs Steuerleitungen a, a\; b, b\; c, c\so angesteuert, daß sich der gewünschte Stromverlauf an den Eingangsleitungen der elekrischen Maschine EM ergibt.The three half bridges H1, H2, H3 and the six power semiconductors S11, S12; S21, S22; S31, S32 in FIG. 3 are controlled by an electronic control circuit ECU via six control lines a, a \; b, b \; c, c \ controlled so that the desired current profile results on the input lines of the electrical machine EM.
Ein möglicher Verlauf Verlauf der Ansteuerungssignale auf den sechs Steuerleitungen a, a\; b, b\; c, c\ist in Fig. 3 veranschaulicht. Im gezeigten Signalverlauf sind die Phasen der Halbbrücken H1 und H2 bzw. jeweils mit fast 50% (48%) ausgesteuert, während die Phasen der Halbbrücke H3 mit fast 100% (96%) ausgesteuert ist. Die Phasen der Halbbrücken H1', U2' und H3' sind demgegenüber um die halbe Takt-Perio dendauer versetzt. Die gezeigten Signale bilden einen sich über die Darstellunglänge sich nicht verändernden dreipha sigen Sinus ab. Die elektronische Ansteuerschaltung ECU hat dabei sicherzustellen, daß die invertierten und nicht-in vertierten Ausgängen x, x\sich nicht zeitlich "überlap pen". Vielmehr muß zwischen den Pegelwechseln bei den in vertierten und den nicht-invertierten Ausgängen x, x\eine auf das Schaltverhalten der sechs Leistungshalbleiter S11, S12; S21, S22; S31, S32 angepaßte Totzeit (zum Beispiel ei nige 100 Nanosekunden) eingehalten sein.A possible course of the control signals on the six control lines a, a \; b, b \; c, c \ is illustrated in FIG. 3. In the signal curve shown, the phases of the half bridges H1 and H2 are driven at almost 50% (48%), while the phases of the half bridge H3 are driven at almost 100% (96%). In contrast, the phases of the half bridges H1 ', U2' and H3 'are offset by half the cycle period. The signals shown represent a three-phase sine that does not change over the length of the display. The electronic control circuit ECU has to ensure that the inverted and non-inverted outputs x, x \ do not "overlap" in time. Rather, between the level changes at the vertically and non-inverted outputs x, x \, one must be sensitive to the switching behavior of the six power semiconductors S11, S12; S21, S22; S31, S32 adapted dead time (for example a few 100 nanoseconds) must be observed.
Eingangsseitig ist außerdem parallel zu den Halbbrückenan ordnungen H1, H2, H3 ein Glättungskondensator C1 angeord net. Dieser kann im Verhältnis zu herkömmlichen Wechsel richter-Schaltungen mit erheblich geringerer Kapazität di mensioniert sein.The input side is also parallel to the half bridges orders H1, H2, H3 arranged a smoothing capacitor C1 net. This can be in relation to conventional bills richter circuits with significantly lower capacitance di be measured.
Das Koppelelement aus Ferrit (oder Eisenblechen) kann als Kühlkörper für die sechs Leistungshalbleiter S11, S12; S21, S22; S31, S32 verwendet werden.The coupling element made of ferrite (or iron sheets) can be used as Heat sink for the six power semiconductors S11, S12; S21, S22; S31, S32 can be used.
Claims (5)
- - jeder der Wechselrichter (WR, WR') wenigstens eine aus zwei in Serie geschalteten Leistungshalbleitern (S11, S12; S21, S22; S31, S32; S11', S12'; S21', S22'; S31', S32') ge bildete Halbbrückenschaltung (H1, H2, H3; H1', H2', H3') aufweist, bei denen die jeweiligen beiden Leistungshalblei ter (S11, S12; S21, S22; S31, S32; S11', S12'; S21', S22'; S31', S32') mit einer Ansteuerschaltung (ECU) verbunden sind, die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen beiden Lei stungshalbleiter (S11, S12; S21, S22; S31, S32; S11', S12'; S21', S22'; S31', S32') gegenphasig leitend und sperrend zu schalten.
- - Each of the inverters (WR, WR ') ge at least one of two power semiconductors connected in series (S11, S12; S21, S22; S31, S32; S11', S12 ';S21', S22 ';S31', S32 ') formed half-bridge circuit (H1, H2, H3; H1 ', H2', H3 '), in which the respective two power semiconductors (S11, S12; S21, S22; S31, S32; S11', S12 ';S21', S22 ';S31', S32 ') are connected to a control circuit (ECU) which is set up to power the respective two power semiconductors (S11, S12; S21, S22; S31, S32; S11', S12 ';S21', S22 ';S31', S32 ') to be switched in opposite phase, conductive and blocking.
- - mit dem den Ausgang jeder Halbbrückenschaltung (H1, H2, H3; H1', H2', H3') bildenden Halbbrückenmittelpunkten (A1, A2, A3; A1', A2', A3') ein erster Anschluß der jeweiligen Spulenanordnung (L1, L1', L2, L2', L3, L3') elektrisch lei tend verbunden ist, und
- - die jeweiligen zweiten Anschlüsse der einander entspre chenden Spulenanordnungen (L1, L1', L2, L2', L3, L3') jeder Halbbrückenanordnung (H1, H1', H2; H2', H3, H3') elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
- - With the half-bridge centers (A1, A2, A3; A1 ', A2', A3 ') forming the output of each half-bridge circuit (H1, H2, H3; H1', H2 ', H3'), a first connection of the respective coil arrangement (L1, L1 ', L2, L2', L3, L3 ') is electrically connected, and
- - The respective second connections of the corre sponding coil arrangements (L1, L1 ', L2, L2', L3, L3 ') of each half-bridge arrangement (H1, H1', H2; H2 ', H3, H3') are electrically conductively connected to one another.
- - die einander entsprechenden Spulenanordnungen (L1, L1', L2, L2', L3, L3') jeder Halbbrückenanordnung (H1, H1', H2; H2', H3, H3') in dem magnetischen Koppelelement (T) entge gengesetzt orientierte Magnetflüsse erzeugen.
- - The corresponding coil arrangements (L1, L1 ', L2, L2', L3, L3 ') of each half-bridge arrangement (H1, H1', H2; H2 ', H3, H3') in the magnetic coupling element (T) oppositely oriented magnetic fluxes produce.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |