DE102004029159A1

DE102004029159A1 - Wechselrichtergruppen für Elektromotoren

Info

Publication number: DE102004029159A1
Application number: DE102004029159A
Authority: DE
Inventors: Ajith Kuttanair Kumar
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2005-01-13
Also published as: WO2005006532A1; CN1799186A; MXPA05012469A; AU2004256719A1; US20040262057A1; CA2529705A1; AU2004256719B2; BRPI0412638A; CN1799186B; CA2529705C; US7138773B2; ZA200600183B

Abstract

Straßenunbahängiges 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 (40y) ist parallel zu dem ersten Wechselrichter (40x) angeschlossen. Der Controller (Fig. 2, 5) koordiniert den Betrieb des ersten und zweiten Wechselrichters.

Description

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.
Tabelle 1. Steuerlogik
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

Claims

Schaltkreis, der mit einem Gleichstrom/Gleichspannungsbus (42, 44) zu verbinden ist, um Strom an einen Zugmotor (46) eines straßenunabhängigen Fahrzeugs zu liefern, wobei zu dem Schaltkreis gehören: ein erster Wechselrichter (40x), der dazu dient, den Gleichstrom/Gleichspannungsbus (42, 44) und den Zugmotor (46) zu verbinden; und ein zweiter Wechselrichter (40y), der dazu dient, den Gleichstrom/Gleichspannungsbus (42, 44) und den Zugmotor (46) zu verbinden, wobei der zweite Wechselrichter (40y) parallel zu dem ersten Wechselrichter (40x) angeordnet ist.
Schaltkreis nach Anspruch 1, ferner mit einem ersten Impedanzbauelement (Rxa, Rxb, Rxc, Cxa, Cxb, Cxc) zwischen dem ersten Wechselrichter (40x) und dem Zugmotor (46) und einem zweiten Impedanzbauelement (Rya, Ryb, Ryc, Cya, Cyb, Cyc) zwischen dem zweiten Wechselrichter (40y) und dem Zugmotor (46), wobei diese ersten und zweiten Impedanzbauelemente dazu dienen, die Last zwischen dem ersten und zweiten Wechselrichter abzugleichen.
Straßenunabhängige Fahrzeug, zu dem gehören: eine Kraftmaschine; eine durch die Kraftmaschine angetriebene Gleichstromenergiequelle (VGS), die über einen Gleichstrom/Gleichspannungsbus (42, 44) Gleichstrom liefert; ein Zugmotor (46); ein Schaltkreis, der mit dem Gleichstrom/Gleichspannungsbus (42, 44) zu verbinden ist, um an den Zugmotor (46) Strom zu liefern, wobei zu dem Schaltkreis gehören: ein erster Wechselrichter (40x), der dazu dient, den Gleichstrom/Gleichspannungsbus (42, 44) und den Zugmotor (46) zu verbinden; und ein zweiter Wechselrichter (40y), der dazu dient, den Gleichstrom/Gleichspannungsbus (42, 44) und den Zugmotor (46) zu verbinden, wobei der zweite Wechselrichter (40y) parallel zu dem ersten Wechselrichter (40x) angeschlossen ist; und ein Controller zum Koordinieren des Betriebes des ersten und zweiten Wechselrichters (40ys).
Fahrzeug nach Anspruch 3, bei dem der Schaltkreis ferner einen dritten Wechselrichter (DRITTER WECHSELRICHTER; 4) aufweist, der dazu dient, den Gleichstrombus (42, 44) und den Zugmotor (46) zu verbinden, wobei der dritte Wechselrichter parallel zu den ersten und zweiten Wechselrichtern angeschlossen ist, und bei dem der Controller den Betriebszustand des dritten Wechselrichters mit dem des ersten und zweiten Wechselrichters (40ys) koordiniert.
Fahrzeug nach Anspruch 3, bei dem der erste Wechselrichter (40x) und der zweite Wechselrichter (40y) abgeglichen/angepasst werden, so dass die Betriebsparameter von Komponenten des ersten Wechselrichters (40x) im Wesentlichen mit den Betriebsparametern von Komponenten des zweiten Wechselrichters (40y) übereinstimmen.
Fahrzeug nach Anspruch 3, bei dem die Wechselrichter Schaltkomponenten (S) aufweisen, und bei dem der Controller die Schaltkomponenten jedes der Wechselrichter nach einem Zeitschema steuert, das die Einschaltverzögerung und/oder Ausschaltverzögerung jeder Schaltkomponente berücksichtigt.
Fahrzeug nach Anspruch 6, das ferner aufweist: mehrere Stromsensoren (i), die dazu dienen, jeweils den Strom jeder einzelnen der Komponenten zu erfassen, mehrere zusätzliche Sensoren (v), die dazu dienen, die jeweiligen Spannungen und/oder Temperaturen jeder einzelnen der Komponenten zu erfassen, ein Verzögerungsgenerator (13, 14), der auf die Stromsensoren und/oder die zusätzlichen Sensoren anspricht, um ein erstes Verzögerungssignal zu erzeugen, ein Regler (40), der auf den Stromsensor anspricht, um ein zweites Verzögerungssignal zu erzeugen, und ein Kombinator (+), der dazu dient, das erste Verzögerungssignal und das zweite Verzögerungssignal zu einem Verzögerungskompensationssignal zu überlagern, das für jede spezielle Komponente eine Verzögerung anzeigt.
Fahrzeug nach Anspruch 7, bei dem die Stromsensoren auf Sensoren basieren, die zwischen den Komponenten angeordnet sind, und das Impedanzbauelement und die zusätzlichen Sensoren Spannungssensoren sind, die mit dem Impedanzbauelement verbunden sind.
Fahrzeug nach Anspruch 7, bei dem die Stromsensoren auf Sensoren basieren, die zwischen den Komponenten und dem Zugmotor (46) angeordnet sind, und die zusätzlichen Sensoren Spannungssensoren sind, die mit dem Impedanzbauelement verbunden sind.
Fahrzeug nach Anspruch 7, bei dem der Verzögerungsgenerator ein Rückkopplungsgenerator ist, der auf das Verzögerungskompensationssignal anspricht.