DE10112818A1 - Verfahren zur Reduzierung der Schaltfrequenz bei verkoppelten Maschinenwindungen elektrischer Drehfeldmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Drehfeldmaschine, deren Stränge U, V, W gemäß Sternschaltung (12) oder in Dreieckschaltung verschaltet sein können. Die elektrische Drehfeldmaschine wird an einem mehrsträngigen Umrichter betrieben, dessen Halbbrücken (1) versetzt getaktet werden. Die Wicklungen (10, 13) der elektrischen Drehfeldmaschine sind über Zuleitungen (15) mit den Halbbrücken (1) des Umrichters verbunden. Die elektrische Drehfeldmaschine enthält der Phasenanzahl n entsprechende, um 360 DEG /n verschobene PWM-Systeme (1) und weist bei Sternschaltung (12) der Wicklungen (10, 13) mindestens einen Sternpunkt (20, 21) und bei Dreieckschaltung der Wicklungen (10, 13) getrennte Stromkreise (22.1, 22.2), welche bei n = 2 eine Halbierung der PWM-Schalt-Frequenz gestatten.

Description

Technisches Gebiet

Elektrische Drehfeldmaschinen lassen sich besonders vorteilhaft an mehrsträngigen Um­ richtern betreiben. Bei 3-Phasen-Maschinen sind die einzelnen Leiter entweder in Stern- oder in Dreieckschaltung miteinander verschaltet. Die Zuleitungen führen jeweils zum Um­ richter. Der mehrsträngige Umrichter enthält eine der Phasenzahl der elektrischen Dreh­ feldmaschine entsprechende Anzahl von Halbbrücken, die versetzt geschaltet werden und die voneinander entkoppelt sind. Für die versetzte Taktung von Mehrphasenumrichtern gibt es verschiedene Lösungsansätze.

Stand der Technik

Aus DE 199 47 476.1 ist ein Umrichter für die Umformung elektrischer Energie bekannt­ geworden. Der Umrichter umfaßt wenigstens eine Halbbrücke und ist für ein Fahrzeug­ bordnetz vorgesehen. Die Halbbrücke ist ihrerseits mit wenigstens einem High-Side- Schalter und einem Low-Side-Schalter in einer vorgebbaren Anzahl von Schaltern verse­ hen. Der High-Side- und der Low-Side-Schalter weisen einen gemeinsamen Anschluß auf, der mit einem die elektrische Energie erzeugenden Mittel in Verbindung steht. Parallel zur Halbbrücke liegt ein Zwischenkreiskondensator, dessen Kapazität möglichst geringgehal­ ten werden soll. Dazu wird die Ansteuerung der Schalter der Halbbrücke gegeneinander versetzt vorgenommen, so daß der vom Zwischenkreiskondensator zu liefernde Strom möglichst gering bleibt.

DE 196 46 043 A1 offenbart einen Umrichter für die Umformung von elektrischer Energie, bei dem in einem Fahrzeugbordnetz von einem Drehstromgenerator gelieferte Spannung umgeformt wird. Bei diesem bekannten System wird der Drehstromgenerator gleichzeitig auch als Starter betrieben. Damit kann die Drehstrommaschine sowohl als Starter als auch als Generator arbeiten. Zur optimalen Regelung der Ausgangsspannung bei Generatorbe­ trieb ist die Drehstrommaschine über eine getaktete Gleichrichterbrücke über einen Zwi­ schenkreiskondensator mit dem Bordnetz einschließlich der Batterie verbunden. Die Gleichrichterbrücke umfaßt 6 Pulswechselrichterelemente, die von einem Bordnetz- Steuergerät angesteuert werden.

Zum versetzten Schalten oder Takten von Umrichtern gibt es verschiedene Lösungsan­ sätze, die als Kern das Entkoppeln von versetzt getakteten Windungen haben. Die Ent­ kopplung erfolgt entweder innerhalb oder außerhalb der elektrischen Maschine über dis­ krete Entkopplungsinduktivitäten in den Zuleitungen oder über stromkompensierte Dros­ seln.

Vorteile der Erfindung

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu erblicken, daß die elektrischen Drehfeldmaschinen sich mit getrennten Einzelwicklungen für die einzelnen Phasen und Stränge ausbilden lassen. Die versetzten Phasen sind in ge­ trennten Wickelköpfen ausgeführt, die eine möglichst hohe Streuinduktivität zulassen. Mittels der erzielten Streuinduktivität lassen sich die Phasen voneinander entkoppeln, so daß sich die Entkopplungsinduktivitäten bei versetzt getakteten Halbbrücken, die in den zitierten Beispielen zum Stand der Technik erforderlich sind, einsparen lassen.

Die elektrische Drehfeldmaschine enthält n um 360°/n gedrehte PWM-Systeme, wobei die Sternpunkte der getrennten Einzelwicklungen des Wicklungspaketes getrennt sind. Da­ durch stellen sich zusätzliche Freilaufzustände in den Wicklungen ein. Bei gleicher ma­ gnetischer Ausnutzung der elektrischen Drehfeldmaschine wird die PWM-Frequenz erheb­ lich reduziert. Im Falle von n = 2, d. h. Wir zwei Phasen pro Strang, halbiert sich die PWM- Frequenz. Die Halbierung der PWM-Frequenz hat zur Folge, daß sich die Schaltverluste in den Leistungshalbleitern, wie zum Beispiel Transistoren oder Mosfet-Transistoren, die sich proportional zur PWM-Frequenz verhalten, proportional mit der Reduzierung der PWM- Frequenz reduziert werden.

Bei gleichbleibenden elektrischen Parametern hinsichtlich der Maschinendaten und bei gleichen Induktivitäten, kann mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens die Schaltfrequenz des Umrichters reduziert werden, wobei die Flußverkoppelung in der elek­ trischen Drehfeldmaschine im wesentlichen erhalten bleibt. Dadurch wiederum bleibt auch das für 3-Phasen sternverschaltete Maschinen charakteristische Floaten des Sternpunktes erhalten.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 die Schaltung einer Halbbrücke bei versetztem Schalten für n = 2 Phasen pro Strang,

Fig. 2 eine elektrische, sternverschaltete Drehfeldmaschine mit diskreten Induktivitä­ ten in den Zuleitungen zum Umrichter,

Fig. 3 getrennte Einzelwicklungen einer elektrischen Drehfeldmaschine mit gemein­ samen Sternpunkt,

Fig. 4 getrennte Maschinenwicklungen mit mehreren Sternpunkten,

Fig. 5.1, 5.2 und 5.3 PWM-Ansteuerung, Spannungsverlauf und Stromverlauf für Wicklungen mit verbundenem Sternpunkt bei einem Phasenwinkel von 180°,

Fig. 6.1, 6.2 und 6.3 PWM-Ansteuerung, Spannungsverlauf und Stromverlauf für Wicklungen mit getrennten Sternpunkten bei einem Phasenwinkel von 180°,

Fig. 7.1, 7.2 und 7.3 PWM-Ansteuerung, Spannungsverlauf und Stromverlauf für Wicklungen mit verbundenem Sternpunkt für einen Phasenwinkel von 210° und

Fig. 8.1, 8.2 und 8.3 PWM-Ansteuerung, Spannungsverlauf und Stromverlauf für Wicklungen mit getrenntem Sternpunkt bei einem Phasenwinkel von 210°.

Ausführungsvarianten

Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist die Schaltung einer Halbbrücke bei versetztem Schalten für n = 2 Phasen pro Strang entnehmbar.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Lösung anhand des Sonderfalls für n = 2 Phasen pro Strang 3, d. h. U, V, W beschrieben. Dies ist jedoch auf beliebige Phasenzahlen n über­ tragbar und nicht auf den Fall von n = 2 Phasen pro Strang beschränkt.

Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine versetzt getaktete Halbbrücke entnehmbar, welche mit einem Strang 3 verbunden ist, der zwei Phasen 2 umfaßt. In jeder Phase 2 ist eine dis­ krete Entkopplungsinduktivität 7 aufgenommen. In der im linken Teil von Fig. 1 schema­ tisch angedeuteten Halbbrücke 1 liegen parallel zu Schalter 9 auf der High-Side der Halb­ brücke 1 sowie auf der Low-Side der Halbbrücke 1 ein parallelgeschalteter Kondensator 8, welcher die Zwischenkreiskapazität darstellt. Im rechten Teil der Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine Halbbrücke 1 wiedergegeben, in welcher die im linken Teil mit 9 schematisch wiedergegebenen, bezeichneten Schaltanordnungen mit Leistungshalbleitern ausgebildet sind. Auf High-Side bzw. Low-Side der Halbbrücke 1 ist jeweils ein Transistor 4 aufge­ nommen; dessen Transistorbasis ist mit Bezugszeichen 5 identifiziert. Dem Leistungs­ halbleiter, der beispielsweise als Transistor 4 oder auch als Feldeffekttransistor ausgebildet sein kann, ist eine Sperrdiode 6 parallelgeschaltet. Die jeweilige Phase 2 des Stranges 3, sei es der U-, der V- oder der W-Strang 3 ist im Transistorpfad mittig zwischen den Lei­ stungshalbleitern 4 auf der High-Side bzw. der Low-Side der Halbbrücke 1 verbunden.

Bei den in Fig. 1 schematisch wiedergegebenen Konfigurationen von Halbbrücken 1, die in einem Umrichter, der einer elektrischen Drehfeldmaschine zugeordnet ist, aufgenommen sind, ist jeweils eine diskrete Entkopplungsinduktivität 7 aufgenommen, welcher ein zu­ sätzliches in jeder Phase eines Strangs der elektrischen Drehfeldmaschine aufgenommen ist. Die diskreten Entkopplungsinduktivitäten 7 stellen die Bauteile dar, welche bei ver­ setzten Schalten die einzelnen Halbbrücken 1 voneinander entkoppeln.

Der Darstellung gemäß Fig. 2 ist eine elektrische, sternverschaltete Drehfeldmaschine entnehmbar, bei der diskrete Entkopplungsinduktivitäten in den Zuleitungen zum Umrich­ ter aufgenommen sind.

Gemäß dieser Darstellung für den Sonderfall von n = 2 Phasen 2 pro Strang 3, d. h. U, V und W ist jeder dieser Stränge U, V, W mit einer Halbbrücke 1 verbunden (vgl. Darstellung gemäß Fig. 1). Die einzelnen Phasen 2 sind für den Strang U mit U₁ oder U₂ bezeichnet. Die in den Phasen U₁ bzw. U₂ aufgenommenen Schalter 9, die hier nur schematisch darge­ stellt sind, enthalten die im rechten Teil der Fig. 1 wiedergegebenen Leistungshalbleiter 4, 5 bzw. 6. Aus Gründen der darstellerischen Vereinfachung wurden diese in Fig. 2 mit dem Schaltersymbol 9 bezeichnet.

Der Strang V ist ebenfalls in zwei Phasen V₁ bzw. V₂ unterteilt, wobei in jeder Zuleitung zum Transistorpfad eine separate Entkopplungsinduktivität 7 aufgenommen ist. Analoges gilt für den Strang W, dessen Phasen gemäß der Darstellung in Fig. 2 mit W₁ bzw. W₂ bezeichnet sind.

Die beispielsweise in Sternschaltung 12 mit einem gemeinsamen Sternpunkt 11 verschal­ teten Wicklungen 10 der elektrischen Drehfeldmaschine werden mittels des hier schema­ tisch angedeuteten Umrichters mit einer gegebenen Schaltfrequenz des Umrichters betrie­ ben, beispielsweise mit einer PWM-Frequenz von 30 kHz. Bei dieser Betriebsweise einer elektrischen Drehfeldmaschine stellen sich in den Leistungshalbleitern 4, 5 bzw. 6, aus welchen die Schaltanordnungen 9 gebildet werden, proportional zur verwendeten PWM- Frequenz Schaltverluste ein. Ferner sind in den in Fig. 1 bzw. Fig. 2 wiedergegebenen Lösungen für jede der Phasen U₁, U₂, V₁, V₂ bzw. W₁ und W₂ diskrete Entkopplungsinduk­ tivitäten 7 vorzuhalten.

Fig. 3 zeigt eine elektrische Drehfeldmaschine, deren Wicklungen als getrennte Einzel­ wicklungen mit gemeinsamen Sternpunkt ausgelegt sind. Gemäß dieser Lösung sind die Wicklungen 13 der elektrischen Drehfeldmaschine als getrennte Wicklungen ausgebildet. Die getrennten Wicklungen 13 sind in Sternschaltung 12 verschaltet und weisen einen ge­ meinsamen Sternpunkt 14 auf. Auch bei dieser Lösung wird der der elektrischen Dreh­ feldmaschine mit getrennten Wicklungen 13 zugeordnete Umrichter mit einer gegebenen PWM-Frequenz betrieben. Die in den Lösungen gemäß der Darstellung in Fig. 1 bzw. Fig. 2 in den einzelnen Zuleitungen 15 zu den Halbbrücken 1 des Umrichters vorgesehen Entkopplungsinduktivitäten sind hingegen entfallen.

Die Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt die Verschaltung einer elektrischen Drehfeldmaschine mit getrennten Maschinenwicklungen, wobei die Sternschaltung mehrere Sternpunkte um­ faßt.

Analog zur Darstellung gemäß Fig. 3 sind die getrennten Einzelwicklungen 13 jeweils über eine Zuleitung 15 mit dem entsprechenden Transistorpfad der Halbbrücke des Um­ richters verbunden. Die mit geschweiften Klammern bezeichneten Stränge U, V, W umfas­ sen jeweils zwei Phasen U₁ bzw. U₂, V₁ bzw. V₂ sowie W₁ bzw. W₂. Die Halbbrücken sind versetzt getaktet und umfassen die in Fig. 1 im rechten Teil wiedergegebenen Leistungs­ halbleiter wie zum Beispiel einen Transistor oder einen Feldeffekttransistor sowie eine zu diesem parallelgeschaltete Sperrdiode. In den Zuleitungen 15 zu den entsprechenden Tran­ sistorpfaden der Halbbrücke 1 einer jeden der Stränge U, V, W sind auch in dieser Ausfüh­ rungsvariante die in den Zuleitungen 15 bisher erforderlichen Entkopplungsinduktivitäten 7 entfallen.

Bei der in Fig. 4 wiedergegebenen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung sind die Wicklungen der elektrischen Drehfeldmaschine als getrennte Einzelwicklungen 13 ausgebildet. Die durch die Halbbrücke 1 versetzt getakteten Phasen U₁ bzw. U₂, V₁ bzw. V₂ und W₁ bzw. W₂ der Stränge U, V, W umfassen getrennte Wickelköpfe, die durch eine Wickelkopftrennung 23 voneinander getrennt sind. Dadurch wird eine hohe Streuindukti­ vität erzielt, welche einerseits die Entkopplung der Phasen U₁, U₂ sowie V₁, V₂ sowie W₁ und W₂ voneinander unterstützt und andererseits den Verzicht auf die bisher in den Zulei­ tungen 15 vorgesehenen diskreten Entkopplungsinduktivitäten 7 gestattet. Die in der Aus­ führungsvariante gemäß Fig. 4 vorgesehenen getrennten Maschinenwicklungen 13 sind in der Darstellung gemäß Fig. 4 an mehreren Sternpunkt in diesem Ausführungsbeispiel an zwei Sternpunkten 20 bzw. 21 verschaltet. Für den Sonderfall von n = 2 Phasen 2 pro Strang U, V, W, d. h. der Phasen U₁ bzw. U₂ für den Strang U sowie der Phasen V₁ bzw. V₂ für den Strang V sowie der Phasen W₁ bzw. W₂ für den Strang W enthält die elektrische Drehfeld­ maschine n = 2 um 360° durch n gedrehte Pulsweitenmodullations-Systeme. Durch die Aus­ bildung von mehreren Sternpunkten, in der Darstellung gemäß Fig. 4 von genau zwei Sternpunkten 20 bzw. 21, stellen sich in den die Phasen U₁, U₂, V₁, V₂ bzw. W₁ und W₂ jeweils steuernden Halbbrücken 1 des Umrichters zusätzliche Freilaufzustände ein. Mit dieser erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verschaltungsmöglichkeit von getrennten Wicklungen 13 einer elektrischen Drehfeldmaschine ergibt sich im Fall von n = 2 Phasen pro Strang U, V, W eine Halbierung der Schaltfrequenz, d. h. der PWM-Frequenz, mit de­ nen die einzelnen Halbbrücken des Umrichters pro Strang U, V, W betrieben werden. Durch die Senkung der PWM-Frequenz um die Hälfte lassen sich die Schaltverluste an den Leistungshalbleitern 4 bzw. 5 und 6, welche die Schalter 9 im Transistorpfad auf High- Side und Low-Side der Halbbrücken 1 (vgl. Darstellung im rechten Teil gemäß Fig. 1) jeweils bilden, entsprechend reduzieren. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verschal­ tungsmöglichkeit von getrennten Wicklungen 13 einer elektrischen Drehfeldmaschine ge­ stattet mit wenig Aufwand eine Begrenzung der Schaltverluste in der elektrischen Dreh­ feldmaschine zugeordneten Umrichter.

Wird anstelle der in Fig. 4 gezeigten Verschaltung der getrennten Maschinenwicklung 13 eine Dreieckschaltung verwirklicht, wird eine Maschinenwicklung der elektrischen Dreh­ feldmaschine mit 2 getrennten Stromkreisen 22.1 bzw. 22.2 erhalten. Auch bei dieser Ver­ schaltungsmöglichkeit der getrennten Schienenwicklung halbiert sich die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter 4, 5 bzw. 6 in den Halbbrücken 1 des Umrichters, an dem die elek­ trische Drehfeldmaschine betrieben wird. Auch bei der Verschaltung der getrennten Ma­ schinenwicklungen 13, z. B. durch Ausführung getrennter Wickelköpfe, kann eine Begren­ zung der Schaltverluste der Leistungshalbleiter in den Halbbrückenpfaden des mehrsträn­ gigen Umrichters erfolgen.

Den Darstellungen gemäß der Fig. 5.1, 5.2 und 5.3 ist eine PWM-Ansteuerung, der zugehörige Spannungsverlauf sowie der Stromverlauf für Wicklungen mit verbundenem Sternpunkt bei einem Phasenwinkel von 180° entnehmbar. In Fig. 5.1 ist ein PWM- Ansteuergerät 31 wiedergegeben, welches die einzelnen Phasen U₁, V₁, W₁ sowie U₂, V₂, W₂ der Stränge U, V, W der elektrischen Drehfeldmaschine steuert. Die sich einstellenden Phasensteuerungsverläufe 32 entsprechen einer Phasenwinkelverschiebung von 180°, auf­ getragen über der Zeitachse 30.

In der Darstellung gemäß Fig. 5.2 ist der Spannungsverlauf 33 ebenfalls aufgetragen über der Zeitachse 30 wiedergegeben. Fig. 5.3 zeigt den Verlauf der im wesentlichen mit an­ steigenden und abfallenden Flanken verlaufenden Spannung bei einem Phasenwinkel von 180°, wobei sich im Stromverlauf gemäß der Darstellung in Fig. 5.3 eine maximale Am­ plitude 35 von etwa 52 Ampère einstellt. In den Fig. 5.1, 5.2 und 5.3 sind die Wicklun­ gen der elektrischen Drehfeldmaschine in Sternschaltung 12 mit einem gemeinsamen Sternpunkt verschaltet (vgl. Fig. 2).

Aus den Darstellungen der Fig. 6.1, 6.2 und 6.3 ist eine PWM-Ansteuerung entnehm­ bar, ferner der Spannungsverlauf und der Stromverlauf für Wicklungen mit getrenntem Sternpunkt, ebenfalls für eine Phasenwinkelverschiebung von 180°. Analog zur Darstel­ lung gemäß Fig. 5.1 sind in Fig. 6.1 die durch das PWM-Ansteuergerät 31 erzeugten Ansteuerungsverläufe 32 der Einzelphasen U₁, V₁, W₁ sowie U₂, V₂ und W₂ für die Stränge U, V und W der Wicklungen einer elektrischen Drehfeldmaschine wiedergegeben. Diese entsprechen der Darstellung gemäß Fig. 5.1 für eine Phasenwinkelverschiebung von 180°.

Die Darstellungen gemäß der Fig. 6.1, 6.2 und 6.3 beziehen sich auf eine Wicklungs­ verschaltung mit getrennten Sternpunkten der 180° Phasenwinkelverschiebung. Der Dar­ stellung gemäß Fig. 6.2 ist entnehmbar, daß sich bei dieser Schaltungsvariante der Wick­ lungen einer elektrischen Drehfeldmaschine ein treppenförmig konfigurierter Spannungs­ verlauf 41, aufgetragen über die Zeitachse 30 einstellt. Der Fig. 6.3 ist der daraus resultie­ rende einem Sinusverlauf angenäherte Stromverlauf 42 entnehmbar, dessen maximale Am­ plitude, hier gekennzeichnet durch Bezugszeichen 43, lediglich 24 Ampère beträgt. Ein Vergleich der Maximalamplitude 35 gemäß der Darstellung in Fig. 5.3 mit der Maxima­ lamplitude 43 des Stromes gemäß der Darstellung in Fig. 6.3 zeigt, daß sich das Strom­ ripple nahezu halbiert, so daß mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die Mög­ lichkeit besteht, durch das Vorsehen mehrerer Sternpunkte 20 bzw. 21 die gegebene PWM- Ansteuerfrequenz in Umrichter zu halbieren (vgl. Darstellung gemäß Fig. 4).

In den Fig. 7.1, 7.2 und 7.3 ist eine PWM-Ansteuerung wiedergegeben, welche für eine Wicklungsverschaltung mit getrennten Sternpunkten bei einer Phasenwinkelverschiebung von 210° Gültigkeit besitzt.

Mittels des PWM-Ansteuergerätes 31 werden den einzelnen Phasen U₁, V₁, W₁ sowie U₂, V₂ sowie W₂ der Stränge U, V, W der Wicklungen einer elektrischen Drehfeldmaschine, über die mit Bezugszeichen 51 identifizierten Ansteuerimpulse versetzt getaktet. Entspre­ chend dieser Taktung stellt sich der in Fig. 2 über der Zeitachse 30 aufgetragene Verlauf der Spannung 52 ein, die im wesentlichen auf einem konstanten Niveau verläuft.

Fig. 7.3 ist der sich bei der gemeinsamen sternpunktverschalteten Sternschaltung 12 bei 210° Phasenwinkelverschiebung ergebende Stromverlauf 53 wiedergegeben. Bei dieser Schaltungsvariante 50 der Wicklungen einer elektrischen Drehfeldmaschine stellt sich eine Maximalamplitude 54 ein Strom von etwa 33 Ampère ein. Der mit Bezugszeichen 53 ge­ kennzeichnete Stromverlauf nähert sich einem sinusförmigen Verlauf an im Unterschied zum in Fig. 6.3 wiedergegebenen Verlauf mit geglätteten Stromspitzen.

Die Fig. 8.1, 8.2 und 8.3 geben die PWM-Ansteuerung der Einzelphasen, den Span­ nungsverlauf sowie den Stromverlauf für Wicklungen mit getrenntem Sternpunkt bei einer Phasenwinkelverschiebung von 210° wieder, wenn die Wicklungen durch getrennte Stern­ punkt miteinander verschaltet sind. Analog zur Darstellung gemäß Fig. 6.2 stellt sich bei Sternverschaltung 12 der Wicklungen der elektrischen Drehfeldmaschine mit getrennten Sternpunkten ein treppenförmig verlaufender Spannungsverlauf 61, aufgetragen über die Zeitachse 30 ein. Im in Fig. 8.3 wiedergegebenen Stromverlauf 62, welcher sich einem sinusförmigen Verlauf annähert, ist mit Bezugszeichen 63 die sich maximal einstellende Amplitude bezeichnet, die gemäß dieser Verschaltungsvariante der Wicklungen einer elektrischen Drehfeldmaschine lediglich 7 Ampère beträgt.

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verschaltungsmöglichkeit der als getrennte Wicklungen mit getrennten Wickelköpfen ausgeführten Wicklungen einer elektrischen Drehfeldmaschine läßt sich bei gleichbleibenden Parametern der elektrischen Drehfeldma­ schine hinsichtlich der Maschinendaten sowie der Induktivitäten die PWM-Schalt- Frequenz der Leistungshalbleiter, die in den Halbbrücken 1 des Umrichters aufgenommen sind, beim Sonderfall von n = 2 Phasen 2 pro Strang U, V, W erheblich reduzieren. Im Son­ derfall von n = 2 Phasen U₁, U₂, V₁, V₂ bzw. W₁, W₂ pro Strang U, V, W läßt sich die PWM- Schalt-Frequenz in den Halbbrücken 1 des Umrichters halbieren. Dadurch halbieren sich auch die unvermeidlichen Schaltverluste bei der versetzten Taktung im Umrichter entspre­ chend. Die Flußverkopplung der Wicklungen einer elektrischen Drehfeldmaschine bewirkt ein Floaten, d. h. eine leichte Verschiebung des Sternpunktes. Für 3 Stränge U, V, W der Wicklungen einer elektrischen Drehfeldmaschine stellt sich ein charakteristischer Verlauf dieser Verschiebung des Sternpunktes ein. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lö­ sung lassen sich in einer elektrischen Drehfeldmaschine mehrere um 360° durch n (Pha­ senanzahl der Stränge) verschobene 3-Phasen-Systeme ausbilden. Mit der erfindungsge­ mäßen Lösung lassen sich alle 3-Phasen-Systeme eigenständig betreiben, wobei die Fluß­ verkopplung erhalten bleibt.

Bezugszeichenliste

1

Halbbrücke

2

Phase U₁

, U₂

, V₁

, V₂

, W₁

, W₂

3

Strang U, V, W

4

Transistor

5

Transistorbasis

6

Sperrdiode

7

Entkopplungsinduktivität

8

Kondensator

9

Schalter
U Strang
U₁

Phase

2

U₂

Phase

2

V Strang
V₁

Phase

2

V₂

Phase

2

W Strang
W₁

Phase

2

W₂

Phase

2

10

Wicklung

11

gemeinsamer Sternpunkt

12

Sternschaltung

13

getrennte Wicklung

14

gemeinsamer Sternpunkt

15

Zuleitung pro Phase

20

1

. Sternpunkt

21

2

. Sternpunkt

22.1

,

22.2

getrennte Stromkreise

23

Wickelkopftrennung

24

Streuinduktivität

30

Zeitachse

31

PWM-Ansteuerung

32

Phasenansteuerung

33

Spannungsverlauf 180° Phasenverschiebung

34

Stromverlauf 180° Phasenverschiebung

35

maximale Amplitude

36

verbundener Sternpunkt

40

Diagramm getrennte Sternpunkte 180° Phasenwinkelverschiegung

41

Spannungsverlaufl

42

Stromverlauf

43

maximale Amplitude

50

Diagramm gemeinsamer Sternpunkt, 210° Phasenwinkelverschiebung

51

PWM-Ansteuerung

52

Spannungsverlauf

53

Stromverlauf

54

maximale Amplitude

60

Diagramm getrennte Sternpunkte, 210° Phasenwinkelverschiebung

61

Spannungsverlauf

62

Stromverlauf

63

maximale Amplitude

Claims (8)

1. Elektrische Drehfeldmaschine, deren Stränge U, V, W gemäß Sternschaltung (12) oder in Dreieckschaltung verschaltet sind und die an einem mehrsträngigen Umrichter be­ trieben werden, dessen Halbbrücken (1) versetzt getaktet werden und die Wicklungen (10, 13) über Zuleitungen (15) mit dem Umrichter verbunden sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrische Drehfeldmaschine mehrere, der Anzahl n der Phasen (2), entsprechende um 360°/n verschobene PWM-Systeme (1) enthält.

2. Elektrische Drehfeldmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge U, V, W getrennte Einzelwicklungen (13) pro Phase (2) U₁, U₂, V₁, V₂, und W₁, W₂

3. Elektrische Drehfeldmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den getrennten Einzelwicklungen (13) Wicklungstrennungen (23) vorgesehen sind, um möglichst hohe Streuinduktivitäten (24) zu erzeugen

4. Elektrische Drehfeldmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzelwicklung (16) über eine Zuleitung (15) mit einer versetzt getakteten Halbbrücke (1) des Umrichters verbunden ist.

5. Elektrische Drehfeldmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Sternschaltung (12) der getrennten Wicklungen (13) mindestens ein Sternpunkt (20, 21) ausgebildet ist.

6. Elektrische Drehfeldmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dreieckschaltung der getrennten Einzelwicklungen (16) getrennte Stromkreise (22.2, 22.2) gebildet werden.

7. Elektrische Drehfeldmaschine gemäß der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halbbrücken (1) des Umrichters bei Ausbildung getrennter Sternpunkte (20, 21) bzw. getrennter Stromkreise (22.1, 22.2) mit reduzierter Umrichterfrequenz betrieben werden.

8. Elektrische Drehfeldmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbbrücke (1), die den einzelnen Phasen (2) der Stränge U, V, W der Einzelwicklun­ gen (13) zugeordnet sind, Leistungshalbleiter (4, 5) enthalten, denen eine Sperrdiode (6) parallelgeschaltet ist.