-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft auch als „Inverter" bezeichnete Wechselrichter
zum Zuführen
von Leistung/Strom an Elektromotoren, und insbesondere zwei oder
mehr abgeglichene oder angepasste Wechselrichter, die dazu dienen,
Wechselstromzugmotoren, insbesondere Zugmotoren straßenunabhängiger Fahrzeuge,
Leistung zuzuführen.
-
BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
-
Elektrisch
angetriebene straßenunabhängige Fahrzeuge,
die für
schwere Nutzlast verwendet werden, sind gewöhnlich mit einer Gleichstromenergiequelle
ausgerüstet,
beispielsweise mit einem Dieselmotor, der einen Wechselspannungsgenerator
mit Energie versorgt. Der Ausgangsstrom des Wechselspannungsgenerators
wird gleichgerichtet, um einen Gleichspannungszwischenkreis zu bilden,
der einem Wechselrichter variabler Frequenz und variabler Spannung
Leistung zuführt.
Der Wechselrichter treibt einen Dreiphasen-Induktionsmotor (Synchronmotor
oder Asynchronmotor), der mit den Hinterrädern des Fahr zeugs verbunden
ist. Inu dem Maße
wie die Anforderung an Truaktionsvermögen derartiger Fahrzeuge ansteigt,
wird eine entsprechende Steigerung der Leistung benötigt, um
solche Fahrzeuge anzutreiben. Dies wiederum steigert die Anforderungen
an die Nennleistung der Halbleiter, die das Schalten des Wechselrichters
variabler Frequenz und variabler Spannung ermöglichen.
-
1A veranschaulicht einen
typischen Dreiphasen-Einzelwechselrichter aus dem Stand der Technik,
der einen Gleichstrombus und sechs elektronische Schalter aufweist,
die selektiv geöffnet
und geschlossen werden, um einen Dreiphasen-Drehstrommotor Leistung
zuzuführen.
Die elektronischen Schalter S1–S6 basieren
gewöhnlich
auf IGBT- oder GTO-Schaltern und deren zugeordneten Dioden und Snubber-Bauelementen
(Dämpfungsbeschaltung).
-
1B veranschaulicht ein Zeitsteuerdiagramm
der einzelnen Steuerbefehle für
einen sechsstufigen Betrieb der in 1A gezeigten
sechs Schalter S1–S6,
nach dem Stand der Technik. Dieses Zeitsteuerdiagramm wird als ein "ideales" Zeitsteuerungsprogramm
bezeichnet, da die veranschaulichte Zeitsteuerung von einem verzögerungsfreien
Schalten des Schalters ausgeht, bei dem die Schalter augenblicklich
von dem Einschaltzustand in den Ausschaltzustand oder von dem Ausschaltzustand
in den Einschaltzustand übergehen. Wie
mit Bezug auf die Erfindung weiter unten festgestellt, weisen derartige
Schalter in der Praxis Zeitsteuerungsverzögerungen auf, und solche Zeitsteuerungsverzögerungen
können
Probleme hervorrufen, falls sich nicht kontrolliert und/oder nicht
be rücksichtigt
werden. In der Rechteckwelle oder dem sechsstufigen Betrieb, wie
er in 1B veranschaulicht
ist, werden die sechs elektronischen Schalter S1–S6 in der richtigen Reihenfolge
nach einer Phase jedes Vielfachen von 60° eingeschaltet, um einen in
drei Phasen ausgeglichenen Schwingungsverlauf zu erzeugen. Wenn
beispielsweise an den Schalter S1 der Befehl für EIN ausgegeben wird, wird
sein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode) für EIN gattergesteuert
und der Strom wird über
den IGBT oder dessen antiparallele Diode fließen. Falls die Stromrichtung
positiv ist (in Richtung des Wechselstromzugmotors verläuft), wird
der IGBT von S1 leitend. Falls die Stromrichtung negativ ist (von
dem Motor her verläuft),
leitet die mit dem IGBT von S1 verbundene antiparallele Diode den
Strom. In beiden Fällen wird
der Schalter S1, der angesteuert ist, durchgeschaltet.
-
1C veranschaulicht Phasensteuerbefehle
für einen
pulsweitenmodulierten (PWM) Betrieb des Wechselrichters nach 1A, aus dem Stand der Technik.
PWM wird verwendet, um die dem Wechselstrommotor zugeführte Energie
zu variieren. Während
des PWM-Betriebs ist die Schaltfrequenz, mit der die sechs elektronischen
Schalter S1–S6
zwischen den Zuständen
EIN und AUS geschaltet werden, erheblich höher als die in 1B veranschaulichte Grundfrequenz des
Schaltens zwischen EIN- und AUS. In 1C sind
die exemplarischen Steuerbefehle veranschaulicht, die an einen der
Schalter ausgegeben sein können.
Die in der gleichen Phase an dessen entsprechenden Schalter ausgegeben
Steuerbefehle sind bis auf erforderliche minimale EIN/AUS- und Dämpfungs-Abklingzeiten
entgegengesetzt zu den in 1C veranschaulichten
Befehlen. Wenn beispiels weise der obere Schalter S1, S3, S5 auf
EIN geschaltet ist, ist dessen entsprechender unterer Schalter S4,
S6 bzw. S2 auf AUS geschaltet, und vice versa. 1C zeigt Pulsabgabepulse für eine vorgegebene
Phase. Andere Phasen sind um 120 Grad und 240 Grad verzögert.
-
2 veranschaulicht ein Blockschaltbild
einer Steuerlogik für
einen Einzelwechselrichter aus dem Stand der Technik. Die in 2 veranschaulichte Zugmotorsteuerlogik
erzeugt die Pulsabgabesteuerbefehle f4 und f5 für die Phase A. Die Frequenz
und die Zeitsteuerungsvorgänge
werden geeignet gesteuert, so dass der Wechselstrommotor ein Drehmoment
der gewünschten
Stärke
hervorbringt. Die Steuerlogik variiert den magnetischen Fluss, die
Frequenz, die Spannung, den Strom usw. in der Maschine. Die Steuerlogik
erfüllt
ferner die Aufgabe, den Zugmotor und die Bauelemente des Zugmotorwechselrichters
zu schützen.
Das Ausgangssignal dieser Logikschaltung ist ein Dreiphasenbefehl,
der jeweils eine der Phasen A, B und C betrifft. Wenn ein Pulsabgabesteuerbefehlssignal
den Wert High aufweist, wird dessen entsprechender oberer (positiver)
Schalter in die Stellung EIN geschaltet und, wenn das Signal auf
Low steht, wird der untere (negative) Schalter in die Stellung EIN
geschaltet. Ein Signal f1 ist das Steuerbefehlssignal für die Phase
A, die im Einzelnen in 2 veranschaulicht
ist. Die Phasen B und C sind in ähnlicher
Weise konfiguriert. Der Pulsabgabesteuerbefehl für die Phase A ist aufgeteilt
in Steuerbefehlssignale f2 und f3 der oberen und unteren Schalter. Die
Gattersteuerung/Schaltereinrichtung empfängt Signale f2 und f3, und
die Zustandsrückmeldung
wird an die Steuerlogik zurückgesendet.
Signale f4 und f5 sind die Zustandsrückmeldungen der oberen und
unteren Schalter. Der Betrieb von Phase B und C verläuft ähnlich.
-
3 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm
der Logiksteuerbefehle aus dem Stand der Technik. Diese Figur veranschaulicht
die Zeitsteuerdiagramme der vielfältigen Signale für die in 2 erläuterte Phase A. Zum Zeitpunkt
t0 geht das Steuerbefehlssignal f1 der Phase A von 0 auf 1 über und
zeigt dabei an, dass der obere Schalter von Phase A EIN sein sollte
und der untere Schalter AUS sein sollte. Da zuvor der untere Schalter EIN
war, findet das erste Ereignis zum Zeitpunkt t1 statt, wo das Schaltbefehlssignal
f3 (nämlich
der Befehl an den unteren Schalter) in den Low-Zustand geht, wobei
es den unteren Schalter veranlasst auf AUS zu schalten. Zum Zeitpunkt
t2, schaltet der untere Schalter auf AUS und das Zustandsrückmeldungssignal
f5 geht über zu
einem Low-Zustand, der auf diese Weise ein Ausschalten anzeigt.
Dieser Übergang
von f5 wird durch die Pulsabgabesteuerbefehlslogik der Phase A erfasst,
die dann zum Zeitpunkt t3 an den oberen Schalter den Steuerbefehl
auf EIN zu schalten ausgibt, wie es durch das in den High-Zustand übergehende
Schaltbefehlssignal f2 angezeigt wird. Dies findet nach Ablauf einer
kurzen Zeitspanne statt, um eine eventuelle Snubber-Abklingzeit
oder -Toleranz zu ermöglichen.
Als Folge hiervon geht das Zustandsrückmeldungssignal f4 zum Zeitpunkt
t4 zu einem hohen Wert über,
und zeigt damit an, dass der obere Schalter auf EIN geschaltet ist.
Hiermit ist ein Übergang
von 0 nach 1 eines Steuerbefehlssignals f1 für die Phase A vollständig zu
Ende geführt.
In 3 sind ähnliche
Zeitsteuerungsvorgänge
für einen Übergang
von 1 nach 0 veranschaulicht. Insbesondere geht das Steuerbefehlssignal
f1 für
die Phase A zum Zeitpunkt t5 nach 0 über, der Steuerbefehl f2 für den oberen
Schalter zum Zeitpunkt t6 auf AUS über, das Zustandsrückmeldungssignal
f4 des oberen Schalters zum Zeitpunkt t7 auf AUS über, das
Steuerbefehlssignal f3 des unteren Schalters zum Zeitpunkt t8 auf EIN über, und
das Zustandsrückmeldungssignal
f5 des unteren Schalters zum Zeitpunkt t9 auf EIN über. Dieser
vollständige
Zyklus beginnt zum Zeitpunkt t10 von neuem.
-
Wie
in 1A veranschaulicht,
bei der die gesamte Leistung für
einen Wechselstrommotor über
einen einzigen Wechselrichter zugeführt wird, ist es somit klar,
dass die dem Wechselstromzugmotor zugeführte Höhe der Leistung von der Höhe der Leistung
abhängt,
die sich durch einen einzelnen Schalter jeder Phase des Einzelwechselrichters
zuführen
lässt,
und mit dieser in Beziehung steht. Damit ist die Gesamtleistung,
die sich dem Wechselstromzugmotor zuführen lässt durch die Nennleistung
oder die maximale Leistung die jeder der einzelnen Schalter aufnehmen
kann beschränkt.
Um die Belastungskapazität
eines nicht für
Schnellstraßen
bestimmten Fahrzeugs, beispielsweise eines straßenunabhängigen Fahrzeugs, einer Güterlokomotive oder
einer Reisezuglokomotive zu steigern, müssen der Wechselstromzugmotor
und die Spannungsquelle größer dimensioniert
werden, um ein größeres Drehmoment
für die
Bewältigung
der zusätzlichen
Last aufzubringen. Dies zieht wiederum eine Steigerung der Leistung
nach sich, die durch jeden der Schalter zu bewältigen ist. Ungünstigerweise
weisen IGBT- oder GTO-Bauelemente eine beschränkte Leistungskapazität auf, und
die Konstruktions- und Herstellungskosten von Schaltern für höhere Leistungen
sind möglicherweise
wirtschaftlich untragbar. Folglich besteht ein Bedarf nach einem
Wechselrichter zum Zuführen
von Leistung an Wechselstromzugmotoren, der in der Lage ist, zusätzliche
Leistungsanforderungen zu bewältigen
und der kostengünstig
herzustellen und auszutauschen ist. Um die Lagervorhaltung von Ersatzteilen,
die für
derartige Fahrzeuge benötigt
werden, zu reduzieren, besteht ferner ein Bedarf, in solchen Wechselrichtern
Bauelemente einzusetzen, die jenen Bauelementen ähneln, die gegenwärtig in
bestehenden straßenunabhängigen Fahrzeugen
verwendet werden. Ferner besteht ein Bedarf nach einer mehrere Wechselrichter
aufweisenden Konfiguration zum Zuführen von Leistung an Zugmotoren,
bei denen die Wechselrichter in einer Weise abgeglichen oder angepasst
werden, dass diese in einem Missverhältnis belastet werden, mit
der Folge das ein Wechselrichter erheblich mehr Strom führt als
der andere, wodurch es zu einem Überhitzen
oder Durchbrennen kommen könnte.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
In
einem Aspekt weist die Erfindung einen Schaltkreis zum Anschließen an einen
Gleichstrom/Gleichspannungsbus auf, der dazu dient, einem Zugmotor
eines straßenunabhängigen Fahrzeugs
Leistung zuzuführen.
Ein erster Wechselrichter ist zwischen den Gleichstrom/Gleichspannungsbus
und den Zugmotor geschaltet. Ein zweiter Wechselrichter ist zwischen
den Gleichstrom/Gleichspannungsbus und den Zugmotor geschaltet.
Der zweite Wechselrichter ist parallel zu dem ersten Wechselrichter
angeschlossen.
-
In
einem anderen Aspekt gehört
zu der Erfindung ein straßenunabhängiges Fahrzeug.
Eine durch eine Kraftmaschine angetriebene Gleichstromenergiequelle
liefert über
einer Gleichstrombus Gleichstrom. Ein Schaltkreis ist zwischen einen
Zugmotor und den Gleichstrombus geschaltet, um dem Zugmotor Strom/Leistung
zuzuführen.
Der Schaltkreis weist mindestens zwei Wechselrichter auf, nämlich einen
zwischen den Gleichstrombus und den Zugmotor geschalteten ersten
Wechselrichter und einen zwischen dem Gleichstrombus und dem Zugmotor
geschalteten zweiten Wechselrichter. Der zweite Wechselrichter ist
parallel zu dem ersten Wechselrichter angeschlossen. Ein Controller
koordiniert den Betrieb des ersten und zweiten Wechselrichters.
-
Vielfältige weitere
Ausführungsbeispiele
und gesonderte Aspekte der Erfindung werden weiter unten beschrieben
und/oder werden dem Fachmann nach dem Lesen unmittelbar verständlich.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
als neu erachteten Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt. Jedoch
werden die Erfindung sowie deren weitere Aufgaben und Vorteile am
leichtesten verständlich
nach dem Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten
Figuren:
-
1A zeigt ein Blockschaltbild
eines Dreiphasen-Einzelwechselrichters
gemäß dem Stand
der Technik, der zum Zuführen
von Leistung an einen Wechselstrommotor dient.
-
1B zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm
nach dem Stand der Technik, das den Zustand der Transistoren S1–S6 nach 1A veranschaulicht.
-
1C zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm
nach dem Stand der Technik, das Phasensteuerbefehle für einen
exemplarischen Betrieb einer Pulsweitenmodulation für jeden
der Transistoren S1–S6
nach 1A veranschaulicht.
-
2 zeigt ein Blockschaltbild
einer Steuerlogik nach dem Stand der Technik, die dazu dient, die
Pulsabgabesteuerbefehle zu erzeugen, die den Zustand von Schaltern
S1–S6
nach 1A steuern.
-
3 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm
der Logiksteuerbefehle f1–f5
nach dem Stand der Technik, das durch die Steuerlogik nach 2 verwendet wird, wenn diese
gemäß dem Stand
der Technik arbeitet.
-
4 zeigt ein Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Doppelwechselrichters
zum Zuführen
von Leistung an einen Wechselstrommotor.
-
5 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm
der Logiksteuerbefehle f1–f5,
die durch die in 2 gezeigte Steuerlogik einer
Phase eingesetzt werden, wenn die Steuerlogik gemäß der Erfindung
arbeitet.
-
6 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das die Schaltverzögerung
zwischen dem tatsächlichen Ausschaltereignis
der negativen Schalter veranschaulicht (z.B. der Schalter S4x und
S4y, wie sie nach 5 durch
f5x und f5y zu den Zeitpunkten t2x bzw. t2y gesteuert werden). 6 veranschaulicht die im
Zusammenhang mit einem Übergang
von dem negativen zu dem positiven Zustand auftretende Verzögerung,
wenn die Richtung des Stroms zum Zeitpunkt des Schaltens von dem
Zugmotor zu dem Wechselrichter verläuft, und setzt voraus, dass
die Stromstärken
(iax und iay) in den beiden Wechselrichtern übereinstimmen.
-
7 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das die Schaltverzögerung
zwischen dem tatsächlichen Ausschaltereignis
der negativen Schalter veranschaulicht (z.B. der Schalter S1x und
S1y, wie sie nach 5 durch
f4x und f4y zu den Zeitpunkten t4x bzw. t4y gesteuert werden). 7 veranschaulicht die im
Zusammenhang mit einem Übergang
von dem negativen zu dem positiven Zustand auftretende Verzögerung,
wenn die Richtung des Stroms zum Zeitpunkt des Schaltens von dem
Wechselrichter zu dem Zugmotor verläuft, und setzt voraus, dass
die Stromstärken
(iax und iay) in den beiden Wechselrichtern übereinstimmen.
-
8 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das die Schaltverzögerung
zwischen dem tatsächlichen Ausschaltereignis
der negativen Schalter veranschaulicht (z.B. der Schalter S1x und S1y,
wie sie nach 5 durch
f4x und f4y zu den Zeitpunkten t7x bzw. t7y gesteuert werden). 8 veranschaulicht die im
Zusammenhang mit einem Übergang
von dem positiven zu dem negativen Zustand auftretende Verzögerung,
wenn die Richtung des Stroms zum Zeitpunkt des Schaltens von dem
Zugmotor zu dem Wechselrichter verläuft, und setzt voraus, dass
die Stromstärken
(iax und iay) in den beiden Wechselrichtern übereinstimmen.
-
9 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das die Schaltverzögerung
zwischen dem tatsächlichen Ausschaltereignis
der negativen Schalter veranschaulicht (z.B. der Schalter S4x und
S4y, wie sie nach 5 durch
f5x und f5y zu den Zeitpunkten t9x bzw. t9y gesteuert werden). 9 veranschaulicht die im
Zusammenhang mit einem Übergang
von dem positiven zu dem negativen Zustand auftretende Verzögerung,
wenn die Richtung des Stroms zum Zeitpunkt des Schaltens von dem
Wechselrichter zu dem Zugmotor verläuft, und setzt voraus, dass
die Stromstärken
(iax und iay) in den beiden Wechselrichtern übereinstimmen.
-
10 zeigt ein Blockschaltbild,
das einen Dreiphasen-Doppelwechselrichter
der Erfindung zum Zuführen
von Leistung an einen Wechselstrommotor veranschaulicht, zu dem
in jeder Phase Impedanzbauelemente gehören.
-
11 zeigt ein Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Doppelwechselrichters
zum Zuführen
von Leistung an einen Wechselstrommotor, zu dem voneinander unabhängige Kabel
gehören,
die jede Phasenkomponente des Wechsel richters mit der entsprechenden
Phasenwicklung des Zugmotors verbinden.
-
12 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm
der Logiksteuerbefehle f1–f5,
die durch die Steuerlogik von 2 verwendet
werden, wenn diese gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung arbeitet, das einen Regelalgorithmus verwendet, um
Schalter zu verzögern,
die rascher arbeiten.
-
13 zeigt in einer schematischen
Darstellung eine Logik und einen geregelten Stromausgleichsregler
der Erfindung zum Verzögern
von Schaltern, die rascher arbeiten.
-
14 zeigt in einer schematischen
Darstellung eine Logik und einen geregelten Stromausgleichsregler
gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zum Verzögern
von Schaltern, die rascher arbeiten.
-
15 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm
der Logiksteuerbefehle f1–f5,
das durch die Steuerlogik nach 2 verwendet
wird, wenn diese gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung arbeitet, bei dem das positive EIN-Ereignis verzögert wird.
-
16 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das den differentiellen positiven Strom veranschaulicht [Differentielle
Strom = (iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)], der die Logiksteuerbefehle
nach 15 überlagert.
-
17 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das den differentiellen negativen Strom veranschaulicht [Differentielle
Strom = (iayt5 – iayt0) – (iaxt5 – iaxt0)],
der die Logiksteuerbefehle nach 15 überlagert.
-
18 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm
der Logiksteuerbefehle f1–f5,
das durch die Steuerlogik nach 2 verwendet
wird, wenn diese gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung arbeitet, bei dem das negative AUS-Ereignis verzögert wird.
-
19 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das den differentiellen negativen Strom veranschaulicht [Differentielle
Strom = (iayt5 – iayt0) – (iaxt5 – iaxt0)],
der die Logiksteuerbefehle nach 18 überlagert.
-
20 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das den differentiellen positiven Strom veranschaulicht [Differentielle
Strom = (iayt5 – iayt0) – (iaxt5 – iaxt0)],
der die Logiksteuerbefehle nach 18 überlagert.
-
21 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm
der Logiksteuerbefehle f1–f5,
das durch die Steuerlogik nach 2 verwendet
wird, wenn diese gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung arbeitet, bei dem das positive AUS-Ereignis verzögert wird.
-
22 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das den differentiellen positiven Strom veranschaulicht [Differentielle Strom
= (iayt5 – iayt0) – (iaxt5 – iaxt0)],
der die Logiksteuerbefehle nach 21 überlagert.
-
23 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das den differentiellen negativen Strom veranschaulicht [Differentielle
Strom = (iayt5 – iayt0) – (iaxt5 – iaxt0)],
der die Logiksteuerbefehle nach 21 überlagert.
-
24 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm
der Logiksteuerbefehle f1–f5,
das durch die Steuerlogik nach 2 verwendet
wird, wenn diese gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung arbeitet, bei dem das negative EIN-Ereignis verzögert wird.
-
25 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das den differentiellen positiven Strom veranschaulicht [Differentielle
Strom = (iayt5 – iayt0) – (iaxt5 – iaxt0)],
der die Logiksteuerbefehle nach 24 überlagert.
-
26 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm,
das den differentiellen negativen Strom veranschaulicht [Differentielle
Strom = (iayt5 – iayt0) – (iaxt5 – iaxt0)],
der die Logiksteuerbefehle nach 18 überlagert.
-
27 zeigt ein Blockschaltbild,
das das erfindungsgemäße Verwenden
von Strom- und Spannungssensoren in dem Doppelwechselrichter nach 10 veranschaulicht.
-
28 zeigt ein Blockschaltbild,
das das erfindungsgemäße Verwenden
von Strom- und Spannungssensoren in dem Doppelwechselrichter nach 11 veranschaulicht.
-
29 zeigt ein Blockschaltbild,
das noch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
zum Verwenden von Strom und Spannungssensoren in dem Doppelwchselrichter
nach 11 veranschaulicht.
-
30 zeigt ein Blockschaltbild,
das ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
zum Verwenden von Strom und Spannungssensoren in dem Doppelwechselrichter
nach 11 veranschaulicht.
-
31 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm
der Logiksteuerbefehle f1–f5,
die durch die Steuerlogik nach 2 verwendet
werden, wenn diese gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung arbeitet, bei dem das positive EIN-Ereignis verzögert wird
(siehe z.B. 15 und 16), wobei die Spannungen
Vx und Vy dargestellt werden.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
4 veranschaulicht ein "ideales" oder "modellhaftes" Blockschaltbild
von zwei Wechselrichtern, gemäß der Erfindung.
Wie oben erwähnt
und weiter unten eingehender erklärt, wird dieses Ausführungsbeispiel als
ein "ideales" oder "modellhaftes" Ausführungsbeispiel
bezeichnet, da es voraussetzt, dass sämtliche der Bauelemente abgeglichen
oder ange passt sind, was in der Praxis häufig nicht oder nur mit hohem
Kostenaufwand erreichbar ist. 4 veranschaulicht
insbesondere einen ersten Dreiphasenwechselrichter 40x zu
dem Schalter S1x bis S6x gehören,
und einen zweiten Dreiphasenwechselrichter 40y mit Schaltern
S1y bis S6y. Die Wechselrichter 40x und 40y sind
parallel an einen Gleichstrombus angeschlossen, der eine positive
Schiene 42 und eine negative Schiene 44 aufweist.
Die Konfiguration der beiden Wechselrichter 40x und 40y ähnelt jener
des in 1 veranschaulichten
Wechselrichters. Die Wechselrichter 40x und 40y werden
parallel betrieben, um die Gesamtkapazität (z.B. des Drehmoments, Stroms
und/oder der PS-Leistung) der zu dem Wechselstrommotor 46 gelieferten
Leistung zu steigern. Einander entsprechende Schalter der beiden
Wechselrichter werden synchron auf EIN und auf AUS geschaltet. Beispielsweise
wird der Schalter 51x des Wechselrichters 40x simultan
und im selben Zustand betrieben wie der Schalter S1y des Wechselrichters 40y.
In ähnlicher Weise
werden die anderen fünf
Schalter des Wechselrichters 40x simultan mit den entsprechenden
Schaltern des Wechselrichters 40y betrieben.
-
Der
Fachmann wird Möglichkeiten
erkennen, den in 4 veranschaulichten
DoppelwWechselrichter abzuwandeln. Obwohl die Erfindung hier in
Form eines Doppelwechselrichters beschrieben wurde, wird beispielsweise
in Erwägung
gezogen, dass die Erfindung mittels zwei oder mehr Wechselrichtern
durchgeführt werden
kann, und dass jedes der Ausführungsbeispiele
der Erfindung drei oder mehr Wechselrichter aufweisen kann. 4 zeigt beispielsweise einen
gestrichelt gezeichneten dritten Wechselrichter, wobei in diesem Falle
jeder Wechselrichter geeignet konfiguriert und dimensioniert sein Wechselrichter
geeignet konfiguriert und dimensioniert sein würde, um ein Drittel der von
dem Wechselstrommotor 46 angeforderten Leistung aufnehmen
zu können.
Ferner können
spezielle Ausführungsbeispiele,
obwohl die Erfindung anhand von parallel geschalteten Wechselrichtern
veranschaulicht ist, eine Konfiguration einer Serienschaltung verwenden.
Obwohl die Erfindung anhand der Zufuhr von Leistung an einen Dreiphasen-Drehstrommotor
veranschaulicht ist, wird ferner in Erwägung gezogen, dass die Erfindung
eingesetzt werden kann, um einem beliebigen, mehrere Wicklungen
aufweisenden Motor mit Strom zu versorgen, z.B. einen Drehstrommotor
mit zwei oder sechs Phasen. Beispielsweise im Falle eines sechsphasigen
Motors können
die ersten drei Phasen des Motors jeweils mit einer Phasenverschiebung
von 120° synchron
mit den letzten drei Phasen betrieben werden, oder die ersten drei
Phasen können
mit einer Phasenverschiebung von 120° und gegenüber den letzten drei Phasen
um jeweils 180° asynchron
betrieben werden. Darüber
hinaus fallen, obwohl der Wechselrichter als eine "Modell"-Wechselrichter veranschaulicht
wurde, weitere Ausführungsbeispiele
in den Schutzumfang der Erfindung, zu denen Ausführungsbeispiele gehören, bei
denen die Wechselrichter, wie weiter unten vermerkt, abgeglichen
oder angepasst werden.
-
5 veranschaulicht das Zeitsteuerdiagramm
der in 4 veranschaulichten
vielfältigen
Logiksignale für
Phase A der Wechselrichter 40x und 40y. Zum Zeitpunkt
t0 geht das Steuerbefehlssignal f1 der Phase A von 0 auf 1 über, was
anzeigt, dass der obere Schalter EIN sein sollte und die unteren
Schalter AUS sein sollten. Da zuvor die unteren Schalter EIN waren,
finden die ersten Ereignisse zum Zeitpunkt t1x und t1y statt, wo
Schaltbefehlssignale f3x und f3y (nämlich an die unteren Schalter
S4x und S4y gerichtete Steuerbefehle) in den Low-Zustand gehen und
damit die unteren Schalter dazu veranlassen, auf AUS zu schalten.
Zum Zeitpunkt t2x und t2y schalten die unteren Schalter S4x und
S4y auf AUS, wie durch die von einem High-Zustand in einen Low-Zustand übergehenden
Zustandsrückmeldungssignale
f5x und f5y angezeigt. Wenn die Pulsabgabesteuerbefehlslogik der
Phase A erfasst, dass beide Signale f5x und f5y zu einem Low-Signal übergegangen
sind, wartet diese Logik (mit Rücksicht
auf eine eventuelle Snubber-Abklingzeit oder Snubber-Toleranz) eine
geringe Zeitdauer und veranlasst die oberen Schalter S1x und S1y
zum Zeitpunkt t3x und t3y auf EIN zu schalten, wie durch von einem
niedrigen Wert zu einem hohen Wert übergehende Schaltbefehlssignale
f2x und f2y angezeigt. Als Folge hiervon gehen die Zustandsrückmeldungssignale
f4x und f4y zum Zeitpunkt t4x und t4y zu einem hohen Wert über, womit
anzeigt wird, dass die oberen Schalter S1x und S1y geschlossen oder auf
EIN geschaltet sind. Hiermit ist ein Übergang von 0 nach 1 für den Befehl
der Phase A vervollständigt. Ähnliche
Zeitsteuerungsvorgänge
sind für
die Übergänge von
1 nach 0 veranschaulicht. Insbesondere geht das Motorsteuerlogiksignal
f1 zum Zeitpunkt t5 zu einer 0 über,
gehen die Steuerbefehle f2x und f2y für die oberen Schalter zum Zeitpunkt
t6x und t6y auf AUS über,
gehen die Zustandrückmeldungssignale
f4x und f4y für
die oberen Schalter zum Zeitpunkt t7x und t7y auf AUS über, womit
sie anzeigen, dass Schalter S1x und S1y geöffnet sind, gehen die Steuerbefehlssignale
f3x und f3y der unteren Schalter zum Zeitpunkt t8x und t8y auf EIN über, und
gehen zum Zeitpunkt t9x und t9y die Zustandrückmeldungssignale f5x und f5y
der unteren Schalter auf EIN über,
womit anzeigt wird, dass die unteren Schalter S4x und S4y geschlossen
sind. Hiermit ist für
die Phase A ein Zyklus beendet, der zum Zeitpunkt t10 von neuem
beginnt. Der obere Schalter S5x der Phase B und der untere Schalter
S2x der Phase B werden in ähnlicher
Weise gegenüber
den Schaltern der Phase A um 120° phasenverschoben
oder hinter dieser Phase herlaufend betrieben, wobei die Schalter
der Phase B auf den Steuerbefehl der Phase B ansprechen. Der obere
Schalter S3x der Phase C und der untere Schalter S6x der Phase C
werden in ähnlicher
Weise mit einer Phasenverschiebung um 120° nach den Schaltern der Phase
B betrieben. Einander entsprechende Schalter der Wechselrichter 40x und 40y werden
simultan betrieben. Somit werden die oberen Schalter S1x und S1y
für die
Phase A gleichzeitig betrieben; die unteren Schalter S4x und S4y
der Phase A werden gleichzeitig betrieben; die oberen Schalter S5x
und S5y der Phase B werden gleichzeitig betrieben; die unteren Schalter
S2x und S2y der Phase 8 werden gleichzeitig betrieben; die
oberen Schalter S3x und S3y der Phase C werden gleichzeitig betrieben
und die unteren Schalter S6x und S6y der Phase C werden gleichzeitig
betrieben.
-
Im
Gegensatz zu der Konfiguration eines Einzelwechselrichters, wie
sie in 1A veranschaulicht
ist, in der die gesamte Leistung dem Wechselstromzugmotor über einen
einzigen Schalter zugeführt
wird, ist es ersichtlich, dass die Erfindung, wie sie in 4 veranschaulicht ist, derart
konfiguriert ist, dass zwei Schalter gleichzeitig dem Wechselstromzugmotor 46 Leistung
zuführen.
Da die beiden Schalter von denselben Schienen 42 und 44 des
Gleichstrombusses aus paral lel betrieben werden, kann jeder Schalter
eine Nennleistung aufweisen, die etwa die Hälfte der gesamten an den Wechselstrominduktionsmotor 46 zu
liefernden Leistung beträgt.
In 1 ist die dem Motor
zuzuführende
Leistung durch die maximale Nennleistung des Schalters beschränkt. Im
Gegensatz dazu ist erfindungsgemäß nach 4 die dem Wechselstromzugmotor 46 zuzuführende Leistung
durch das Doppelte der Nennleistung der Schalter beschränkt. Damit
ist es möglich
die Bemessung des Wechselstromzugmotors 46 tatsächlich zu
verdoppeln, da sich eine doppelt so große Leistung übertragen
lässt,
ohne dass eine größere Dimensionierung
der Komponenten erforderlich wäre.
Beispielsweise weisen IGBT-Bauelemente nach dem Stand der Technik
einen nominalen Betriebsbereich von 0–2.500 Volt und 0–2.400 A
und eine bevorzugte maximale Betriebsgrenze von 1.500 V und 2.000
A auf. Nach dem Stand der Technik arbeiten Wechselstrominduktionsmotoren,
die solche IGBT-Bauelemente verwenden, im Allgemeinen in einem Drehmomentbereich
von 11.000 lbft (149 kN), einem Effektivstrom im Bereich von 1.000
A RMS (Ampere effektiv) und einer Nennleistung von 1.500 PS. Um
diese Parameter des Wechselstrominduktionsmotors zu steigern, würden Komponenten
mit höheren
Nennwerten benötigt.
Im Gegensatz dazu können
gemäß der Erfindung
solche IGBT-Bauelemente im Zusammenhang mit einem Motor mit einem
Strombetriebsbereich von 2.000 A RMS, einem Drehmomentbetriebsbereich
von 22.000 lbft (298 kN) und einer Nennleistung von 3.000 PS verwendet
werden. (NB: dies sind lediglich Beispiele für Betriebsbereiche und Größen). Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass die in 4 veranschaulichten Komponenten S1x–S6x und
S1y–S6y
des Doppelwechselrichters mit den Komponenten S1–S6 des in 1A veran schaulichten einzelnen Dreiphasenwechselrichters übereinstimmen.
Somit ist im Vergleich zu den Schaltern des herkömmlichen Einzelwechselrichters
keine zusätzliche
Lagervorhaltung erforderlich, um die Schalter des erfindungsgemäßen Doppelwechselrichters
bereitzustellen, da beide Wechselrichter die gleichen Schaltkomponenten
verwenden. Eine weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass
eine betriebssichere Konfiguration geschaffen ist. Falls beispielsweise
einer der Schalter eines der Doppelwechselrichter in einer geöffneten
Stellung versagt, kann der Betrieb des Motors fortgesetzt werden,
da der andere Wechselrichter in der Lage ist, dem Motor die Hälfte der
Leistung (oder mehr) zuzuführen.
-
6 veranschaulicht den Stromschwingungsverlauf
für einen
in den Wechselrichter fließenden Strom,
wenn ein Übergang
von dem negativen zu dem positiven Zustand eines Schalters erfolgt.
In dieser Darstellung würde
das Ausschalten des negativen Schalters den Strom effektiv steuern. 6 zeigt den Effekt der Schaltverzögerung zwischen
den tatsächlichen
Ausschaltvorgängen
der negativen Schalter (z.B. zwischen dem Ausschalten der Schalter
S4x, S6x und S2x zum Zeitpunkt t2x und dem Ausschalten der Schalter
S4y, S6y und S2y zum Zeitpunkt t2y gemäß 5). 6 geht
davon aus, dass die Stromrichtung während des Übergangs der Schalter von der
Last zu dem Wechselrichter hin verläuft und setzt ferner voraus,
dass die Stromstärken
in den beiden Wechselrichtern, d. h. der Strom iax der Phase A in
dem Wechselrichter 40x und der Strom iay der Phase A in
dem Wechselrichter 40y) übereinstimmen.
-
Zum
Zeitpunkt t2x schaltet der Schalter S4x des Wechselrichters 40x auf
AUS. Der Strom in dem Wechselrichter 40x wird zu dem Freilaufpfad
des Schalters S1x wechseln. Der gesamte Laststrom bleibt aufgrund
der hohen Lastinduktivität
verhältnismäßig konstant.
Die Stromstärken
in den beiden Wechselrichtern werden voneinander abweichen, da S1x
und S4y durchgeschaltet sind. Der Wert, um den sich die Ströme unterscheiden,
hängt hauptsächlich von
der Induktivität
in diesem Pfad ab. Zum Zeitpunkt t2y schaltet der Schalter S4y ebenfalls
ab, und der Strom wird durch den Freilaufpfad von S1x und S1y fließen. Falls
die Induktivitäten
jedes der Wechselrichter übereinstimmen,
wird die Steigung der Stromstärken
gleich sein. Jede Stromstärkendifferenz
zwischen den beiden Wechselrichtern wird daher im Wesentlichen dieselbe
bleiben. Die Differenz wird sich in Abhängigkeit von dem L/R-Wert abbauen.
Nach wiederholten Schaltereignissen werden die Stromstärkendifferenzen
dazu neigen, ständig
anzusteigen.
-
7 veranschaulicht den Stromschwingungsverlauf,
wenn Strom während
eines Übergangs
von dem negativen zu dem positiven Zustand der Schalter den Wechselrichter
verlässt. 7 veranschaulicht die Effekte
der Schaltverzögerung
zwischen dem tatsächlichen
Ausschalten der negativen Schalter, wenn die Richtung des Stroms
zum Zeitpunkt eines Ausschaltens von dem Wechselrichter zur Last
hin verläuft.
Zum Zeitpunkt eines Ausschaltens fließt der Strom durch die Freilaufdioden,
so dass die Steuerbefehle zum Ausschalten der Elemente S4x und S4y
keine Wirkung zeigen. Allerdings wird der durch S1y fließende Strom
iay zum Zeitpunkt t4y, wenn der Schalter S1y einschaltet, ansteigen,
und der durch die Freilaufdiode von S1x fließende Strom iax wird abnehmen.
Sobald auch der Schalter S1x einschaltet, werden die Ströme mit einer
gleichen Rate ansteigen.
-
8 stimmt im Wesentlichen
mit 6 überein und
veranschaulicht den Stromschwingungsverlauf, wenn die Stromrichtung
während
eines Übergangs
eines Schalters von positiv zu negativ von dem Wechselrichter weg
verläuft. 9 stimmt im Wesentlichen
mit 7 überein und
veranschaulicht den Stromschwingungsverlauf, wenn die Stromrichtung
während
eines Übergangs
eines Schalters von dem positiven zu dem negativen Zustand in den
Wechselrichter hinein verläuft.
-
Wie
ein nochmaliges Betrachten der 6–9 zeigt, kommt es daher wegen
einer Anzahl von Faktoren, zu denen Impedanzänderungen und Zeitsteuerungsänderungen
zählen,
zu Stromstärkendifferenzen
zwischen den durch die Schalter in den Doppelwechselrichtern fließenden Strömen. Um
die Stromstärkendifferenz
oder das Missverhältnis
zu reduzieren, wird in Erwägung
gezogen, möglicherweise
ein oder mehrere Bauelemente, beispielsweise einen Widerstand oder
eine Reaktanz (z.B. eine Induktivität oder Kapazität) oder
beliebige andere Impedanzbauelemente mit jeder Phase in Reihe zu
schalten, um eine Reaktanz bereitzustellen, die die Wechselrichter
anpasst oder abgleicht. Dementsprechend enthält das zwei Wechselrichter
aufweisende Blockschaltbild, wie es in 10 veranschaulicht ist, eine Reaktanz
Rxa in der Phase A des Wechselrichters 40x und enthält eine
Reaktanz Rya in der Phase A des Wechselrichters 40y. In ähnlicher
Weise weisen die Phasen B und C Reaktanzen Rxb, Ryb, Rxc und Ryc
auf. Diese Reaktanzen begrenzen in jeder Phase die Änderungsrate
der Stromstärkendifferenz,
und der Widerstand der Reaktanzen reduziert die Stromstärkendifferenz
nach jedem Schaltzyklus zu Null. Allerdings können derartige Reaktanzen kostspielig
sein und einen beträchtlichen
Unterbringungs- und Kühlungsaufwand
erforderlich machen.
-
11 veranschaulicht einen
weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung, in dem eine unabhängige Verdrahtung
verwendet wird, um den Doppelwechselrichter mit dem Wechselstromzugmotor
zu verbinden. Insbesondere weist der Wechselstromzugmotor 46 an
dem Motor 46 oder in dessen unmittelbarer Nähe Anschlüsse Ta,
Tb und Tc auf, um den Erregerstrom für die Phasen A, B bzw. C entgegen
zu nehmen, um die gesonderten Wicklungen des Motors 46 zu
erregen. Ein Kabel Cxa verbindet die Phase A des Wechselrichters 40x mit
dem Motoranschluss Ta. Ein Kabel Cxb verbindet den Schalter der
Phase B des Wechselrichters 40x mit dem Motoranschluss
Tb. Ein Kabel Cxc verbindet den Schalter der Phase C des Wechselrichters 40x mit dem
Motoranschluss Tc. In ähnlicher
Weise verbinden gesonderte Kabel Cya, Cyb und Cyc die Phasen A,
B und C des Wechselrichters 40y mit den Motoranschlüssen Ta,
Tb bzw. Tc. Diese Kabel werden von jedem Motor 46 jeweils
die Hälfte
des Stroms führen.
Aufgrund ihrer Länge
und Geometrie bieten diese Kabel eine gewisse Induktivität und einen
gewissen Widerstand an. Im Vergleich zu den Reaktanzen verwendenden
Ansatz, wie er in 10 veranschaulicht
ist, verursachen diese Kabel wesentlich geringere Kosten und/oder
werfen nicht unbedingt Kühlungs-
oder sonstige Unterbringungsprobleme auf. Typischerweise besteht
ein gewisser Abstand (z.B. 20–100
Fuß oder
mehr) zwischen dem Motor (der häufig
unter der Ladefläche/unter
Deck angeordnet ist) und dem Wechselrichter (der häufig über der
Plattform/über
Deck angeordnet ist).
-
In
noch einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird in Erwägung
gezogen, dass der Controller, der den Schalter des Wechselrichters
regelt/steuert, einen optimierenden Algorithmus verwenden kann, um
die Zeitsteuerung des Übergangs
der Schalter zu variieren. 12 veranschaulicht
ein erfindungsgemäßes Zeitsteuerdiagramm,
bei dem die Zeitsteuerung der Schalter optimiert wird. Im Allgemeinen
verzögert
diese Zeitsteuerungsanordnung die an die rascher arbeitenden Schalter
ausgegebenen Steuerbefehle. Die rascheren Schalter lassen sich durch
empirische Daten, durch die Daten der Spezifikation, durch den relativen Standort
gegenüber
anderen Schaltern, durch sonstige Daten, wie sie z.B. durch auf
der Grundlage eines tatsächlichen
Testens mehrerer Schaltkreise, oder durch Erfassen der Spannung
und/oder des Stroms und/oder der Zustandsrückmeldung ermitteln. Mit einem
Verzögern
der rascheren Schalter wird bezweckt, jede eventuell auftretende
Stromstärkendifferenz
zwischen den beiden Wechselrichtern zu steuern. Beispielsweise finden die Übergänge t1x
und t1y, die die Schaltbefehlssignale f3x und f3y für die oberen
bzw. unteren Schalter darstellen, gegenüber der in 5 veranschaulichten Zeitsteuerung zu
anderen Zeitpunkten statt. Tabelle 1 zeigt die Steuerlogik für das optimierte
Zeitsteuerdiagramm nach 12.
In dieser Logik ist abhängig
von der Strompolarität
für jeden
Schaltpunkt ein Schalter vorhanden, der gesteuert werden kann, um
den Strom abzugleichen/anzupassen.
-
13 veranschaulicht noch
ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
in dem Schaltverzögerungen
durch eine Steuerlogik bestimmt werden, die Teil eines rückgekoppelten
Reglers ist (Verstärkungsgradsteuerung).
Insbesondere wird die Differenz zwischen den Strömen iax und iay mittels eines
Summierers S oder eines sonstigen Bauelements ermittelt und an einen
Regler ausgegeben, um basierend auf einem Differential eine Verzögerungskompensation
zu bestimmen. Ein rückgekoppelter
Regler 130 überwacht
das Verzögerungskompensationssignal
sowie andere Parameter des Systems, wie die Stromstärke Spannung
und/oder Temperatur. Der Regler 130 verfügt über eine
Tabelle oder einen Algorithmus, der funktional abhängig von
den überwachten
Parametern eine optimale Verzögerung
definiert. Wie in 13 zu
sehen, ist die Verzögerung als
Funktion des Stroms und der Spannung veranschaulicht. Andere Parameter
können
die Temperatur, Partie (Siliziumeigenschaft, Hersteller, Gattersteuerungscharakteristik/Typ),
usw. sein. Der Regler 130 bestimmt entsprechend der aktuellen
Stromstärke
und Spannung des Systems die Anpassung an das Verzögerungskompensationssignal
und gibt dieses an einen Wechselrichter aus, der anschließend ein
entsprechendes Signal an einen Mischer M ausgibt, der dazu dient,
das Verzögerungskompensationssignal
anzupassen. Somit wird die fehlerhafte Abweichung der Stromstärke verwendet,
um eine Verzögerungskompensation
zu berechnen. Der Regler 130 normalisiert die Verzögerung gegenüber dem
Strom mittels eines Algorithmus, eines Funktionsgenerators oder
einer auf der Bauelementcharakteristik und sonstigen gegebenen Charakteristiken
basierenden Referenztabelle. Das von dem Mischer M erzeugte Mischsignal,
das die Verzögerungskompensation enthält, wird
entsprechend der in Tabelle 1 veranschaulichten Logik 1 auf
den passenden Schalter angewandt.
-
-
Es
wird in Erwägung
gezogen, dass drei derartige Ausgleichssysteme verwendet werden
können,
und zwar eines für
jeden der oberen Schalter eines der Wechselrichter. Alternativ können sechs
Ausgleichssysteme entsprechend 13 verwendet
werden, eines für
jeden der sechs Schalter für
einen der Wechselrichter. Alternativ können zwölf (12) Ausgleichssysteme entsprechend 13 verwendet werden, jeweils
eines für jede
Flanke, Strompolarität
und Phase.
-
14 veranschaulicht noch
ein Ausführungsbeispiel
zum Verwirklichen des Stromreglers. In 14 wird die fehlerhafte Stromstärkenabweichung
basierend auf der Charakteristik des Bauelements und/oder des Schaltkreises
zunächst
normiert. Insbesondere wird abhängig
von dem Strom und/oder der Spannung (und/oder der Temperatur), wie
diese durch einen Regler (Verstärkungsgradsteuerung) 40 erfasst
sind, und abhängig
von dem Programm oder der darin verwendeten Tabelle ein erstes nominales
Verzögerungssignal
an eine x/y-Anpassung des Stromdifferentials ausgegeben. Das Ausgangssignal
dieses Blocks stellt einen prozentualen/bruchteiligen Wert der Verzögerung zur
Verfügung,
die benötigt
wird, um die Stromstärke
zu korrigieren. Dieser angepasste differentielle Strom wird dem
Regler zugeführt,
der ein zweites Verzögerungssignal erzeugt,
das anschließend
durch eine Regelschleife akkumuliert wird. Das Ausgangssignal dieses
Blocks, das die prozentuale/bruchteilige Korrektur der Verzögerung repräsentiert,
wird auf der Basis der aktuellen Betriebsbedingungen in die tatsächliche
Verzögerungszeit
konvertiert, die von der Verstärkungsgradausgleichsliste
benötigt
wird.
-
15 veranschaulicht ein Zeitsteuerdiagramm,
bei dem ein positiver Schalter während
des Übergangs
zu dem Zustand EIN eine Verzögerung
aufweist. Sämtliche
sonstigen Schaltvorgänge
werden als ideal angenommen. Übergänge nach
EIN sind verzögert. 16 (siehe die modifizierte
Figur) veranschaulicht ein 15 entsprechendes
Zeitsteuerdiagramm für
positive Stromrichtung, wohingegen 17 (siehe
die modifizierte Figur) ein Zeitsteuerdiagramm für negative Stromrichtung veranschaulicht. 16 zeigt den Strom iax und
iay. Falls die Ströme
zum Zeitpunkt t0 und t5 abgetastet werden (2 Abtastwerte pro Schaltvorgang),
ergibt sich zum Zeitpunkt t5 die aufgrund von Schaltverzögerungen
während
der Zeit von t0 bis t5 auftretende differentielle Stromstärke durch
die Differenz der Stromstärkenänderung
in x während
der Zeit von t0 bis t5 und der Stromstärkenänderung in y während der
Zeit t0 bis t5. Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies: Stromstärkendifferenz
= (iayt5 – iayt0) – (iaxt5 – iaxt0).
Diese differentielle Stromstärke
kann verwendet werden, um die Verzögerung in dem entsprechenden
Schalter basierend auf der Polarität des Stroms zu kompensieren. 17 ist zu entnehmen, dass
für den
Fall der negativen Stromrichtung keine Kompensation erforderlich
ist. In ähnlicher
Weise veranschaulicht 18 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Zeitsteuerdiagramms für
eine negative AUS-Verzögerung
und 19 (siehe die modifizierte
Figur) und 20 (siehe die modifizierte Figur) veranschaulichen das
Zeitsteuerdiagramm für
die negative und für
die positive Stromrichtung. 21 veranschaulicht
ein Zeitsteuerdiagramm für
eine positive AUS-Verzögerung
und 22 (siehe die modifizierte Figur)
und 23 (siehe die modifizierte Figur) veranschaulichen ein Zeitsteuerdiagramm
für die
positive und für die
negative Stromrichtung. 24 veranschaulicht
ein Zeitsteuerdiagramm für
eine negative EIN-Verzögerung und 25 (siehe die modifizierte
Figur) und 26 (siehe die modifizierte Figur) veranschaulichen ein
Zeitsteuerdiagramm für
die positive und für
die negative Stromrichtung. Falls die Ströme 4mal in einem Schaltzyklus
abgetastet werden, beispielsweise zum Zeitpunkt t0, t3, t5 und t8,
könnte
die differentielle Stromstärke den
anzusteuernden Schalter und die anzusteuernde Flanke unmittelbar
bestimmen. Es ist zu beachten, dass die Ströme auch aufgrund von Leitungsverlustunterschieden
sowie Schaltzeitdifferenzen voneinander abweichen könnten. Die
auf einen Leitungsverlustunterschied zurückzuführende gesamte Stromstärkendifferenz wird
ebenfalls durch Anpassen der Schaltzeiten kompensiert. Typischerweise
sind die Leitungsverlustunterschiede gering.
-
Tabelle
2 veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuerauswahllogik,
die 2 Abtastwerte pro Schaltzyklus verwendet. Tabelle 3 zeigt die
Logik für
4 Abtastvorgänge
pro Schaltzyklus.
-
Tabelle
2. Steuerungsverzögerungsauswahllogik
-
-
Tabelle
3. Steuerungsverzögerungsauswahllogik
für 4 Abtastwerte
pro Schaltzyklus
-
27 veranschaulicht die Strom-
und Spannungssensoren, die für
die Reaktanzen verwendende Konfiguration mit zwei Wechselrichtern
eingesetzt werden, wie sie in 10 veranschaulicht
ist. Stromsensoren iax, iay, ibx, iby, icx und icy werden verwendet,
um das Motordrehmoment und die differentielle Stromstärke zu steuern.
Spannungssensoren va, vb und vc werden verwendet, um das Motordrehmoment
zu steuern. Alternativ veranschaulichen 28, 29 und 30 drei Ausführungsbeispiele
zum Positionieren von Stromsensoren und Spannungssensoren in einem
erfindungsgemäßen Doppelwechselrichtersystem
mit unabhängigen
Leitungen, wie sie in 11 veranschaulicht
sind. Diese Strom- und Spannungssensoren dienen dazu, Eingangssignale
an die Regler 130 und 140 nach 13 bzw. 14 auszugeben.
In 28 wurden konzentrierte
Induktoren entfernt und auf Kabelimpedanz zurückgegriffen. 29 verwendet zwei (Motor)-Stromsensoren
und sechs Spannungssensoren vax, vay, vbx, vby, vcx und vcy. Die
Sensoren vax und vay werden für
die Motordrehmomentsteuerung Bemittelt und die Spannungsdifferenz
wird verwendet, um den Strom für
das Abgleichen/Anpassen zu steuern. 30 verwendet 6 Spannungsund 6 Stromsensoren.
Dies ermöglicht
eine Berücksichtigung
sämtlicher
Freiheitsgrade für
die Regelung und Diagnose. Falls Leitungsverlustunterschiede nicht
beachtet werden, ist eine Kompensation mittels Spannungssensoren
wie vax und vay möglich,
ohne unabhängige
Stromsensoren zu verwenden (die z.B. das in 29 verwendete Sensorschema). In diesem
Falle lässt
sich das genaue Schaltintervall anhand der Spannungssensoren ermitteln. 31 zeigt die Spannung für den in 16 gezeigten Fall. Vy wird
zunächst
Werte von 0 bis zur vollen Gleichspannung durchlaufen, und Vx wird
sich nach der Verzögerung ändern. Die
Spannungsverzögerung
kann ermittelt werden und verwendet werden, um die geeignete (vorausgehende
oder nachfolgende) Flanke zu kompensieren. Falls der Spannungsübergang
beispielsweise in dem Zeitraum t3 bis t5 stattfindet, muss die Flanke
von t3 gesteuert werden, wohingegen im Falle eines Spannungsübergangs
zwischen t0 und t3 die Flanke von t1 zu steuern ist. Die differentiellen
Voltsekunden können
ebenfalls verwendet werden, um die Zeitsteuerungsvorgänge zu kompensieren.
-
Diese
Erfindung löst
das seit langem bestehende Problem, die Leistungskapazität straßenunabhängiger Fahrzeuge
zu erschwinglichen Kosten und ohne den Einsatz von teuren Wechselrichterbauelementen
zu steigern. Diese Erfindung löst
ferner das seit langem bestehende Problem eines Bedarfs nach einem
ausreichend kostengünstigen
Wechselrichtersystem für
Elektromotoren mit höherer
Leistung, wobei das Wechselrichtersystem kostengünstige, serienmäßig hergestellte
Bauelemente verwendet.
-
Bei
der Erwähnung
von Elementen der vorliegenden Erfindung oder deren Ausführungsbeispiel
e) sollen die Artikel "ein", "der", "die", "das" beinhalten, dass
ein oder mehrere Elemente vorhanden sind. Die Begriffe "umfassen", "enthalten" und "aufweisen" sind als einschießend zu
verstehen und bedeuten, dass zusätzliche,
sich von den aufgelisteten Elementen unterscheidende Elemente enthalten
sein können.
-
Straßenunabhängiges Fahrzeug,
zu dem gehören:
eine Kraftmaschine, eine Gleichstrom/Gleichspannungsenergiequelle
VGS, die durch die Kraftmaschine angetrieben wird und über einen
Gleichstrom/Gleichspannungsbus 42, 44 Gleichstrom
und/oder Gleichspannung liefert, ein Zugmotor 46, ein Schaltkreis,
der mit dem Gleichstrom/Gleichspannungsbus 42, 44 verbunden
ist, um dem Zugmotor 46 Strom zuzuführen, und ein Controller. Der
Schaltkreis enthält
mindestens zwei Wechselrichter 40x, 40y, die den
dem Zugmotor 46 zuzuführenden
Strom teilen. Ein erster Wechselrichter 40x ist zwischen
den Gleichstrombus 42, 44 und den Zugmotor 46 geschaltet,
und ein zweiter Wechselrichter 40y ist zwischen den Gleichstrom/Gleichspannungsbus 42, 44 und
den Zugmotor 46 geschaltet. Der zweite Wechselrichter (0y
ist parallel zu dem ersten Wechselrichter 40x angeschlossen.
Der Controller (2, 5) koordiniert den Betrieb
des ersten und zweiten Wechselrichters.
-
Während vielfältige Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden,
wird dem Fachmann klar sein, dass vielfältige Veränderungen und Modifikationen
daran vorgenommen werden können,
ohne dass dabei von dem Gegenstand der Erfindung abgewichen wird.
Obwohl in den obigen Konstruktionen vielfältige Abwandlungen möglich sind,
ohne dass der Schutzumfang der Erfindung berührt ist, ist beabsichtigt,
dass der gesamte vorausgehend beschriebene oder in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulichte Inhalt einer Veranschaulichung dient und nicht
in einem beschränkenden
Sinne zu werten ist.
-
- 1
- Transistoren
S1–S6
- 2
- Schalter
S1–S6
- 3
- Logiksteuerbefehle
f1–f5
- 4
- Schalter
S4x–S4y
- 5
- Feedback-Signale
f5x und f5y
- 6
- Zeitpunkte
t2x und t2y
- 7
- Ströme iax und
iay
- 8
- Schalter
S1x und S1y
- 9
- Feedback-Signale
f4x und f4y
- 10
- Zeitpunkte
t7x und t7y
- 11
- differentielle
Stromstärke
(iayt5 – iayt0) – (iaxt5 – iaxt0)
- 12
- Spannungen
Vx und Vy
-
-
- 13
- Wechselrichter 40x und 40y
- 14
- positive
Schiene 42
-
-
- 15
- negative
Schiene 44
- 16
- Wechselstrommotor 46
- 17
- Zeitpunkt
t0
- 18
- Zeitpunkte
t3x und t3y
- 19
- Steuerbefehle
f2x und f2y
- 20
- Zeitpunkte
t4x und t4y
- 21
- Steuerbefehle
f3x und f3y
- 22
- Zeitpunkte
t9x und t9y
- 23
- obere
Schalter S1x und S1y für
Phase A
- 24
- untere
Schalter S4x und S4y für
Phase A
- 25
- obere
Schalter S5x und S5y für
Phase B
- 26
- untere
Schalter S2x und S2y für
Phase B
- 27
- obere
Schalter S3x und S3y für
Phase C
- 28
- untere
Schalter S6x und S6y für
Phase C
- 29
- Zeitpunkt
t10
- 30
- Reaktanzen
Rxa, Rya, Rxb, Ryb, Rxc und Ryc
- 31
- Anschlüsse Ta,
Tb und Tc
- 32
- Kabel
Cxa, Cxb, Cxc
- 33
- unabhängige Kabel
Cya, Cyb und Cyc
- 34
- rückgekoppelter
Regler 130
- 35
- Übergänge t1x
und t1y
- 36
- Spannungssensoren
vax und vay
- 37
- Stromsensoren
iax, iay, ibx, iby, ics und icy