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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung mindestens
eines elektrischen Stromes in einer eine elektrische Maschine betreibenden
Brückenschaltung,
die mindestens zwei Brückenzweige
aufweist, die mittels Verbindungsleitungen miteinander verbunden
sind, wobei eine der Verbindungsleitungen die Anfänge der
Brückenzweige und
eine weitere der Verbindungsleitungen die Enden der Brückenzweige
miteinander verbindet.
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Stand
der Technik
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Eine
derartige Schaltungsanordnung zur Ermittlung mindestens eines elektrischen
Stromes in einer eine elektrische Maschine betreibenden Brückenschaltung
ist bekannt. Die Brückenschaltung wird
zum Beispiel mit einer konstanten Gleichspannung versorgt und bildet
einen Zwischenkreis zum Betrieb einer elektrischen Maschine. Bei
der elektrischen Maschine kann es sich zum Beispiel um einen mehrphasigen
Elektromotor handeln, der zum Beispiel durch ansteuerbare elektrische
Schaltungseinrichtungen der Brückenschaltung
elektronisch kommutiert wird. Dabei verbinden die elektrischen Schaltungseinrichtungen
die elektrische Maschine in einer vorbestimmten Folge mit der Gleichspannungsquelle.
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Derartig
getaktete elektrische Maschinen wie zum Beispiel elektronisch kommutierende
Gleichstrommotoren werden auf vielen technischen Gebieten, unter
anderem auch häufig
in Kraftfahrzeugen verwendet. Dabei ist oft eine Strommessung erforderlich,
die zum Beispiel zur Überwachung,
Regelung oder Abschaltung bei Überschreitung
eines Grenzwertes genutzt wird. Üblicherweise
setzt man zur Messung des Stromes niederohmige Shunts mit einem
nachgeschalteten Differenzverstärker
zur Signalaufbereitung ein. Für
eine konventionelle Stromregelung einer dreiphasigen elektrischen
Maschine müssen
mindestens zwei Phasenströme
gemessen werden. Soll zusätzlich
ein Überstromschutz
realisiert werden, braucht man eine der Anzahl der Phasen der elektrischen
Maschine entsprechende Anzahl von Shunts. Bei dieser Messanordnung
ist jeweils ein Shunt in einem Brückenzweig angeordnet. Die Shunts
bilden zusammen mit der Signalaufbereitung einen großen Kostenfaktor.
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Kann
auf eine zeitgleiche Strommessung in allen Brückenzweigen verzichtet werden,
so ist auch eine zeitnahe Strommessung mit nur einem Shunt, der
im Zwischenkreis zwischen der Brückenschaltung
und der Spannungsversorgung, beziehungsweise dem Zwischenkreiskondensator
angeschlossen ist, möglich.
Bei dieser Anordnung des Shunts ist eine Strommessung nur möglich, wenn
mindestens ein elektrisches Steuerelement (zum Beispiel ein unipolarer
Transistor) auf der dem Shunt zugewandten Seite der Brückenschaltung
und mindestens ein elektrisches Steuerelement eines anderen Brückenzweiges
auf der dem Shunt abgewandten Seite der Brückenschaltung leitend geschaltet
ist, da sonst über den
Shunt kein Strom fließt.
Einen Strom, der lediglich in der elektrischen Maschine und der
die elektrische Maschine betreibenden Brückenschaltung fließt (Freilauf)
kann mit dieser Messanordnung nicht ermittelt werden.
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Vorteile
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den
Vorteil, dass eine Strommessung bei der elektrischen Maschine auch
bei einem Freilaufbetrieb möglich
ist. Neben der Strommessung, die zur Überwachung und Regelung der elektrischen
Maschine im Betrieb benötigt
wird, erhält
man mit dieser Schaltungsanordnung die Möglichkeit, den zeitlichen Stromverlauf
innerhalb der elektrischen Maschine im abgeschalteten Zustand, dass
heißt
bei von der Spannungsversorgung abgetrennter, sich jedoch im Freilaufbetrieb
befindlicher elektrischer Maschine, zu kontrollieren. Der über den Shunt
fließende
Teil des Stroms wird direkt zeitabhängig gemessen. Die Möglichkeiten
dieser Messanordnung im Betrieb sind gegenüber denen einer herkömmlichen
Messungsanordnung nicht eingeschränkt. Bei Verwendung von mehreren
Shunts kann eine zeitgleiche Strommessung realisiert werden, bei
Verwendung von nur einem Shunt lässt
sich zum Beispiel bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine eine
zeitnahe Strommessung aller Zweige der elektrischen Maschine realisieren.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Brückenzweig
mindestens zwei seriell angeordnete, elektrische Steuerelemente aufweist,
die zwischen sich einen Mittelabgriff aufweisen. Derart aufgebaute
Brückenzweige
einer Brückenschaltung
weisen alle Komponenten auf, die zur Ansteuerung einer elektrisch
kommutierten elektrischen Maschine benötigt werden.
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Es
ist zweckmäßig, die
elektrische Maschine an den Mittelabgriften der Brückenzweige
anzuschließen,
um durch Ansteuerung der elektrischen Steuerelemente – sowohl
zum Betrieb der Maschine als auch zur Strommessung – ein insbesondere
kommutierendes Schalten vornehmen zu können.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die elektrische Maschine als Drehstrommotor oder Drehstromgenerator
ausgebildet. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen konventionellen
Drehstrommotor, um einen bürstenlosen
Gleichstrommotor (BLDC-Motor), der als Permanentmagnet-Synchronmotor
oder Asynchronmotor ausgebildet sein kann, sowie um entsprechend
aufgebaute Generatoren handeln. Die erwähnten Maschinen können vorzugsweise
in Stern-Schaltung geschaltet sein.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung sind die elektrischen Steuerelemente
als Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, ausgebildet. Unipolare
Transistoren zeichnen sich durch extrem geringe Steuerströme aus,
die auch von Steuereinheiten gesteuert werden können, die nur sehr geringe Ausgangsleistungen
aufweisen. Bei Leistungstransistoren können die schaltbaren Ströme sehr
hoch gewählt
werden. Gleichzeitig sind die Schaltzeiten bei den erwähnten Transistoren
sehr gering.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Brückenschaltung an
einen mit Gleichspannung betriebenen Zwischenstromkreis angeschlossen
ist. Durch das Kommutieren mittels der elektrischen Steuerelemente
in der Brückenschaltung
lässt sich
die elektrischen Maschine mit der Gleichspannung des Zwischenkreises
betreiben.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
parallel zu den Brückenzweigen
der Brückenschaltung
ein Zwischenkreiskondensator angeordnet ist. Dieser Zwischenkreiskondensator
sorgt dafür,
dass hinreichend schnell ein hoher Strom geliefert werden kann.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung mindestens
eines elektrischen Stromes in einer eine elektrische Maschine betreibenden
Brückenschaltung,
die mindestens zwei Brückenzweige aufweist,
die mittels Verbindungsleitungen miteinander verbunden sind, wobei
eine der Verbindungsleitungen die Anfänge der Brückenzwei ge und eine weitere
der Verbindungsleitungen die Enden der Brückenzweige miteinander verbindet.
Dabei ist vorgesehen, dass in mindestens einer der Verbindungsleitungen
mindestens eine Strommessung durchgeführt wird. Mit diesem Verfahren
ist es möglich,
eine zeitnahe Messung aller Ströme
der elektrischen Maschine sowie deren Phasenbeziehungen zu messen. Auch
ist bei einem Freilaufbetrieb eine Strommessung möglich.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Brückenzweig
mindestens zwei seriell angeordnete, elektrische Steuerelemente aufweist,
die von einer Schalteinheit angesteuert werden. Diese Schalteinheit
kann zum einen als Kommutierungsvorrichtung zum Betrieb der elektrischen
Maschine genutzt werden, sie kann jedoch auch einen Schaltzustand
herbeiführen,
der insbesondere zur zeitnahen Messung der Ströme der elektrischen Maschine,
auch im Freilauf verwendet werden kann.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt
die Ansteuerung der Steuerelement als Pulsweitenmodulation.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass – wie bereits
erwähnt – auch bei
einem Freilaufbetrieb ein elektrischer Strom der elektrischen Maschine
gemessen werden kann. Bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine
sind im Freilaufbetrieb die in der Brückenschaltung dem Shunt entfernt
gegenüberliegenden
elektrischen Steuerelemente hochohmig, die auf der Seite des Shunts – also in
seiner Nähe – liegenden
elektrischen Steuerelemente leitend geschaltet. Bei einer Brückenschaltung
mit drei Brückenzweigen
für eine
dreiphasige elektrische Maschine ist der Shunt zum Beispiel in der
Verbindungsleitung zwischen einem ersten Brückenzweig und einem zweiten
Brückenzweig
angeordnet und misst im Freilaufbetrieb den Kreisstrom der durch
die beteiligten Teile der ersten und zweiten Brückenzweige und die elektrische
Maschine fließt.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung zur Ermittlung mindestens eines elektrischen
Stromes in einer eine dreiphasige elektrische Maschine betreibenden Brückenschaltung,
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2 den
zeitabhängigen
Verlauf von Pulsweitenmodulations-Signalen zur Ansteuerung der Transistoren
T1 bis T6 über
vier Taktperioden in einem ersten Zeitabschnitt,
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3 den
zeitabhängigen
Verlauf der Pulsweitenmodulations-Signale zur Ansteuerung der Transistoren
T1 bis T6 über
vier Taktperioden in einem zweiten Zeitabschnitt,
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4 die
Schaltungsanordnung mit eingetragenen Kreisströmen in der Brückenschaltung
während
eines Freilaufs.
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In 1 ist
ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1 mit einer
eine als sterngeschalteter Drehstrommotor 2 ausgebildeten
elektrischen Maschine 3 betreibende Brückenschaltung 4 gezeigt. Die
Brückenschaltung 4 weist
drei Brückenzweige 5, 5', 5'' auf, die mittels Verbindungsleitungen 6, 6' miteinander
verbunden sind, wobei in der Verbindungsleitung 6 zwischen
dem ersten Brückenzweig 5 und dem
zweiten Brückenzweig 5' ein Shunt 7 angeordnet
ist, der an den Eingang einer Messeinrichtung 8 angeschlossen
ist. Der Ausgang der Messeinrichtung 8 ist mit dem Eingang
einer Steuereinheit 9 verbunden, die ein Messsignal der
Messeinrichtung 8 aufnimmt und die eine als Pulsweitenmodulations-Einheit 10 ausgebildete
Schalteinheit 11 steuert. Die Schalteinheit 11 steuert über ihre
nicht dargestellten Ausgänge
als Transistoren T1 bis T6 – insbesondere
Feldeffekt-Transistoren 13 – ausgebildeten Steuerelemente 12, 12' der Brückenschaltung 4.
Parallel zu den Brückenzweigen 5, 5', 5'' der Brückenschaltung 4 ist
eine Gleichspannungsquelle 15 eines Zwischenkreises 16 angeordnet,
wobei der Zwischenkreises 16 einen der Gleichspannungsquelle 15 parallel
geschalteten Zwischenkreiskondensator 14 aufweist. Der
Zwischenkreis 16 versorgt die Brückenschaltung 4 zum
Betreiben der elektrischen Maschine 3, wobei die elektrische
Maschine durch Schalten der Steuerelemente 12, 12' kommutierend betrieben
wird. Jeder einzelne Brückenzweig 5, 5', 5'' weist zwei seriell angeordnete,
elektrische Steuerelemente 12, 12' auf, die zwischen sich jeweils
einen Mittelabgriff 17 aufweisen, an dem je einer von drei Wicklungssträngen 18, 18', 18'' der als sterngeschalteter Drehstrommotor 2 ausgebildeten
elektrischen Maschine 3 angeschlossen ist. Die Messeinrichtung 8 setzt
sich aus einem Differenzverstärker 19 und
einem Analog/Digital-Wandler 20 zusammen, die seriell angeordnet
sind. Ein zu messende Strom fließt durch den Shunt 7,
so dass dort eine vorzugsweisegeringe, dem Strom äquivalente
Spannung abfällt, die
von dem nachgeschalteten Differenzverstärker 19 verstärkt und
anschließend über den
Analog/Digital-Wandler 20 in einen dem Strom proportionalen
Digitalwert umgewandelt wird, der von der Steuereinheit 9 ausgelesen
werden kann. Dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 19 kann
durch einen nicht dargestellten Analog-Addierer eine zusätzliche Spannung
(Offset-Spannung) zugefügt
werden. Der Wert des gemessene Stroms wird der Steuereinheit 9 zugeführt, die
das Schalten der Steuerelemente 12, 12' mittels der
Schalteinheit 11 bewirkt.
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Es
ergeben sich folgende Funktionen der Schaltungsanordnung 1:
Zunächst wird
die Schaltungsanordnung 1 zum Betrieb der als Drehstrommotor 2 ausgebildeten
elektrischen Maschine 3 genutzt. Dazu werden die als Transistoren
T1 bis T6 ausgebildeten Steuerelemente 12,12' von der Steuereinheit 9 über die
Schalteinheit 11 derart angesteuert, dass die elektrische
Maschine 3 elektrisch kommutierend betrieben wird. Zur Überwachung
und Regelung der elektrischen Maschine 3 werden alle drei
Ströme
ia, ib, ic in der elektrischen Ma schine 3 sowie deren Phasenbeziehungen
untereinander durch zeitabhängige
Strommessungen während
des Betriebs nacheinander bestimmt. Auf die zur Strommessung mit
dem Shunt 7 nötigen
Schaltzustände
der Transistoren T1 bis T6 wird nachstehend noch eingegangen.
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Die
gemessenen Ströme
können
als Regelgrößen genutzt
werden um mit der Schaltungsanordnung 1 zum Beispiel eine
sinusförmige
Bestromung des Drehstrommotors 2 zu realisieren. Durch
die Rückwirkung
des am Shunt 7 gemessenen Stroms entsteht ein Regelkreis 21.
Die Steuereinheit 9 ist dabei als Regler 22, die
Pulsweitenmodulations-Einheit 10 als Stellglied 23,
die Brückenschaltung 4 mit
der elektrischen Maschine 3 als Regelstrecke 24 und
die Messeinheit 8 als Messglied 25 des Regelkreises 21 ausgebildet.
Durch die Platzierung des Shunts 7 in der Verbindungsleitung 6 der
Brückenschaltung 4 ist eine
Strommessung und damit eine Regelung auch während einer Freilaufphase der
elektrischen Maschine 3 möglich. Der zeitabhängige Verlauf
der resultierenden Ströme
ia, ib, ic ist in einem Diagramm der 1 dargestellt.
Die Kurvenformen werden zum Beispiel durch Pulsweitenmodulation
generiert. Die dazu notwendigen Daten wie Pulsdauer und Pulsweite
werden von der Steuereinheit 9, die den Strom mit einem
Sollwert vergleicht, als Steuergröße an die Pulsweitenmodulations-Einheit 10 ausgegeben.
Die Pulsweitenmodulations-Einheit 10 erzeugt daraus die
Pulsweitenmodulations-Signale
zur Ansteuerung der Transistoren T1 bis T6. Diese Signale zur Ansteuerung
der Transistoren T1 bis T6 sind in der 2 und der 3 jeweils über vier
Taktzyklen dargestellt.
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Die 2 zeigt
die Schaltzustände
der in 1 dargestellten Transistoren T1 bis T6 der Brückenschaltung 4 in
Abhängigkeit
von der Zeit. Die Zeit ist auf der Abszisse abgetragenen, die Schaltzustände jeweils
auf den Ordinaten. Ein Wert von Null auf den jeweiligen Ordinaten
entspricht einem nichtleitenden Zustand des entsprechenden Transistors T1
bis T6, während
der einheitlich von Null ver schiedene Wert einem leitenden Zustand
des entsprechenden Transistors T1 bis T6 entspricht. Die Transistoren,
die in einem Brückenzweig
angeordnet sind (T1 und T2 im ersten Brückenzweig 5, T3 und
T4 im zweiten Brückenzweig 5' und T5 und
T6 im dritten Brückenzweig 5''), sind zu jedem Zeitpunkt jeweils gegenphasig
zu einander geschaltet, so dass der eine Transistor leitend geschaltet
ist, wenn der andere Transistor des selben Brückenzweigs 5, 5', 5'' nichtleitend geschaltet ist und
umgekehrt. Zu dem durch die gestrichelte Linie markierten Zeitpunkt während des
ersten Taktzykluses sind T1, T4 und T5 leitend geschaltet, so dass
nur der Strom ib über
T4 und den Shunt 7 fließt und gemessen wird. Am Ende des
ersten Taktzyklus sind T2, T3 und T6 leitend geschaltet, so dass
nur die Ströme
ia und ic über
die Transistoren T2 und T6 fließen,
wovon jedoch nur der Strom ic auch über den Shunt 7 fließt und gemessen wird.
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Die 3 zeigt
die Schaltzustände
der Transistoren T1 bis T6 der Brückenschaltung 4 in
einem anderen Zeitbereich, in dem die Transistoren T1 bis T6 so
geschaltet sind, dass sich der sterngeschaltete Drehstrom-Motor 2 im
Freilauf befindet. Am Ende eines jeden Taktzykluses sind die Transistoren
T1, T3, T5 auf der dem Shunt 7 abgewandten Seite der Brückenschaltung 4 nichtleitend
und die Transistoren T2, T4, T6 auf der dem Shunt 7 zugewandten
Seite der Brückenschaltung 4 leitend
geschaltet, so dass sich die elektrische Maschine 3 in
diesen Zeitbereichen im Freilauf befindet, wodurch es zur Ausbildung
von Kreisströmen
kommt, die durch die Verbindungsleitung 6 fließen, in
der der Shunt 7 angeordnet ist. Die 4 zeigt
die Schaltungsanordnung 1 während des Zeitbereichs am Ende
bzw. zu Beginn der in 3 dargestellten Taktzyklen.
In der elektrischen Maschine 3 und in den Teilen der Brückenzweige 5, 5', 5'' in denen sich die leitend geschalteten
Transistoren befinden, fließen
die drei eingezeichneten Kreisströme K1 (Strich), K2 (Strich-Punkt-Punkt),
K3 (Strich-Punkt). Der Kreisstrom K1 fließt durch den Transistor T2,
die Wicklungsstränge 18 und 18'', den Transistor T6 und den Shunt 7;
der Kreisstrom K2 fließt
durch den Transistor T2, die Wicklungs stränge 18 und 18', den Transistor
T4 und den Shunt 7; der Kreisstrom K3 fließt durch
den Transistor T4, die Wicklungsstränge 18' und 18'' und
den Transistor T6. Da nur die über
den Transistor T2 fließenden
Kreisströme
K1 und K2 durch den Shunt 7 fließen, wird bei dieser Beschaltung
der Transistoren T1 bis T6 der Strom ia direkt gemessen.