DE102007005449A1

DE102007005449A1 - Verfahren und Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung

Info

Publication number: DE102007005449A1
Application number: DE102007005449A
Authority: DE
Inventors: Oliver Rauch; Markus Dr. Henke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-02-03
Filing date: 2007-02-03
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine, wobei die Statorwicklung mehrere voneinander unabhängige Wicklungen als Teilmotoren umfasst, wobei die Wicklungen jeweils durch Schaltelemente ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Wicklungen mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden sind und impulsartig durch eine Steuereinheit ein- und ausgeschaltet werden, so dass an den Wicklungen sich eine impulsartige Spannung (4) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (T1-T4) einer Wicklung (x) derart gesteuert geschaltet werden, dass diese bei Einschaltung einer Nachbarwicklung (x-1, x+1) ebenfalls zusätzlich impulsartig eingeschaltet werden und bei Ausschaltung einer Nachbarwicklung (x-1, x+1) ebenfalls zusätzlich impulsartig ausgeschaltet werden, um zusätzliche impulsartige Spannungen (8) an der Wicklung (x) zu erzeugen, wobei die Zeitdauer der zusätzlichen Spannungen (8) kürzer als die Zeitdauer der Spannungen (4) eines Arbeitstaktes sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine, wobei die Statorwicklung mehrere voneinander unabhängige Wicklungen umfasst.
Es sind elektrische Maschinen bekannt, die eine Statorwicklung aufweisen, die mehrere voneinander unabhängige Wicklungen umfasst, wobei die Stromversorgung der Wicklungen durch eine Blockspeisung erfolgt, die vorzugsweise durch einen zentralen gemeinsamen Kondensator erfolgt.
Ein Beispiel für eine solche elektrische Maschine ist eine Generator-Elektromoter-Kombination wie aus der DE 44 08 719 C1 bekannt. Diese elektrische Maschine ist über eine gemeinsame Statorwicklung in der Lage, an zwei Rotoren Drehmomente zu generieren. Die Funktionsweise dieser Generator-Motorkombination beruht auf einer rotorlageabhängigen Zu- und Abschaltung der Statorwicklungen, d. h. bei richtiger Magnetposition soll ein rechteckförmiger Wicklungsstrom in die Wicklung eingebracht werden. Dabei wird der Stromfluss in einer Wicklung nur zugelassen, wenn sich die Rotormagnete beider Rotoren lagerichtig zum betrachteten Leiter befinden.
Eine Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung für eine solche elektrische Maschine ist in der DE 102 37 451 A1 beschrieben, wobei die Spannung eines Zentralkondensators genau dann auf eine Wicklung geschaltet wird, wenn sich durch die Stellung der Rotoren eine richtige Lage des magnetischen Erregerflusses ergibt. Das Zuschalten des Zentralkondensators geschieht gepulst, d. h. ein Spannungspuls bewirkt den steilen Stromaufbau in der Wicklung, dem dann eine Freilaufphase und abschließend der Stromabbau folgt. Dieser idealisierte Stromverlauf ist in 2 dargestellt. Man erkennt, dass der positive Spannungspuls 4 zu einem stabilen Stromaufbau in der Wicklung führt, an den sich dann eine nahezu konstante Freilaufphase 2 anschließt. Durch einen negativen Spannungspuls 4 wird dann ein sehr steiler Spannungsabbau 3 in der Wicklung vorgenommen. Besteht nun die Statorwicklung aus mehreren unabhängigen Wicklungen, die als Teilmotoren wirken, wie dies in 3 und 4 der DE 102 37 451 A1 dargestellt ist, so werden diese Wicklungen aufgrund der Wicklungsanordnung und der Funktionsweise der Maschine zeitversetzt eingeschaltet, wobei idealerweise alle Stromamplituden in allen Wicklungen gleichhoch sind, was in der 3 für drei benachbarte Wicklungen x – 1, x und x + 1 dargestellt ist, wobei neben dem Stromverlauf das mögliche Wicklungsschema dargestellt ist. Da sich die Wicklungen auf einem gemeinsamen Stator befinden, ist bei einem Wicklungsschema wie es beispielsweise in der 3 dargestellt ist, eine elektromagnetische Kopplung der benachbarten Wicklungen x – 1, x, x + 1 ... gegeben. Hierdurch bewirkt der Stromaufbau in der einzuschaltenden Wicklung x einen gleichzeitigen Stromabbau in benachbarten Wicklungen x – 1 und x + 1 (Transformatoreffekt). In den Nachbarwicklungen kann der zuvor eingespeiste Strom aufgrund der elektromagnetischen Kopplung nicht mehr aufrechterhalten werden und es ergibt sich eine Reduktion des mittleren Stromes je Wicklung. In der Abschaltphase findet entsprechend ein Stromaufbau in den Nachbarwicklungen statt, was einen realen Wicklungsstromverlauf gemäß 4 zur Folge hat. Dabei ist der gepunktete Verlauf der ideale Verlauf gemäß 2. Der Stromaufbau 7 in den Nachbarwicklungen ist gestrichelt dargestellt, wobei der erste Stromaufbau 7 für die Wicklung x – 1 und der zweite Stromaufbau für die Wicklung x + 1 dargestellt ist. Durch das Einschalten der Nachbarwicklung x + 1 kommt es zu einem Stromabbau 5 in der Wicklung x und durch das Ausschalten des Nachbarn x – 1 zu einem Stromaufbau 6 in der Wicklung x. Das Überschwingen zu Beginn beruht dabei auf dem Stromaufbau in der Wicklung x – 1 aufgrund des Einschaltens von Wicklung x. Es zeigt sich, dass die Stromspitzen in den jeweiligen Pulsphasen den mittleren Stromwert weit übertreffen können. Die verwendeten leitungselektronischen Schaltglieder müssen hinsichtlich dieses Maximalwerts ausgelegt werden und die Stromform führt zu einem Anstieg der ohmschen Wicklungsverluste.
Des Weiteren sind stromgeregelte elektrische Maschinen bekannt, wo die Stromregelung eine Spannungsanhebung in den Wicklungenbewirkt, in denen der Strom durch Koppeleffekte abzusinken droht. Derartige Stromregelungen sind jedoch relativ aufwendig in der technischen Umsetzung.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung, die mehrere voneinander unabhängige Wicklungen umfasst, zu schaffen, mittels derer mit geringem schaltungstechnischen Aufwand die Stromspitzen im Stromverlauf in den Wicklungen reduziert werden können.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine, wobei die Statorwicklung mehrere voneinander unabhängige Wicklungen als Teilmotoren umfasst, wobei die Wicklungen jeweils durch Schaltelemente ein- und ausgeschaltet, mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden sind und impulsartig durch eine Steuereinheit ein- und ausgeschaltet werden, so dass an den Wicklungen sich eine impulsartige Spannung einstellt, ist derart ausgebildet, dass die Schaltelemente einer Wicklung von der Steuereinheit derart gesteuert geschaltet werden, dass diese bei Einschaltung einer Nachbarwicklung ebenfalls zusätzlich impulsartig eingeschaltet werden und bei Ausschaltung einer Nachbarwicklung ebenfalls zusätzlich impulsartig ausgeschaltet werden, um zusätzliche Spannungen an den Wicklungen zu erzeugen, wobei die Zeitdauer der zusätzlichen Spannungen kürzer als die Zeitdauer eines Arbeitstaktes sind. Hierdurch findet eine Art Übersprechen statt, die dem Transformatoreffekt entgegenwirkt und die Stromspitzen reduziert. Dies kann über eine einfache Steuerung erfolgen, da die Steuereinheit genau die Zeitpunkte kennt, warm benachbarte Wicklungen ein- und ausgeschaltet werden.
Vorzugsweise wird die Zeitdauer der zusätzlichen Spannungen in Abhängigkeit des Kopplungsgrades der benachbarten Wicklungen gewählt, um einen möglichst rechteckförmigen Stromfluss in der Wicklung zu erhalten. Dabei gilt, dass die Zeitdauer umso größer gewählt wird, je größer die Kopplung ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die zusätzlichen Spannungen nur in Wicklungen erzeugt, in denen ein Stromfluss erwünscht ist, d. h. im Nicht-Arbeitstakt erfolgt keine Aufschaltung der zusätzlichen Spannungen. Weiter vorzugsweise orientiert sich die Steuereinheit lediglich an den Hauptschaltungen nach Rotorlage, um Kettenreaktionen über alle. Wicklungen zu vermeiden. Das Verfahren kann dabei je nach Kopplungsgrad auf weiter entfernt liegende Nachbarwicklungen ausgedehnt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Wicklungen mit einem gemeinsamen Kondensator verbunden, wobei wegen der Vorteile voll inhaltlich auf die DE 102 37 451 A1 Bezug genommen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Wicklungen in einer Brückenschaltung angeordnet, wobei die Schaltelemente in jedem Zweig eine parallelgeschaltete Freilaufdiode aufweisen. Die Schaltelemente sind vorzugsweise Transistoren.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist Ansteuerung einer Generator-Elektromotor-Kombination gemäß der DE 44 08 719 C1 .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 einen Stromverlauf in einer Wicklung und die zugehörige Spannung an der Wicklung gemäß der Erfindung,
2 einen idealisierten Stromverlauf in einer Wicklung und die zugehörige Spannung an der Wicklung (Stand der Technik),
3 einen idealisierten Stromverlauf über der Zeit von drei benachbarten Wicklungen (Stand der Technik),
4 einen realen Stromverlauf in einer Wicklung auf des Transformatoreffektes und die zugehörige Spannung an der Wicklung (Stand der Technik) und
5. eine Verschaltung einer Wicklung in einer Brückenschaltung.
In der 5 ist eine Verschaltung einer Wicklung x dargestellt. Dabei ist in jedem Zweig der Brückenschaltung ein Schaltelement T1–T4 mit parallelgeschalteter Diode D1–D4 angeordnet. Parallel zu der Brückenschaltung ist ein Kondensator C geschaltet, der auch parallel zu den weiteren nicht dargestellten Brückenschaltungen für die weiteren Wicklungen geschaltet ist. Je nach gewünschter Drehrichtung der Maschine werden dabei paarweise die Schalter T2, T3 oder T1, T4 geschaltet, wobei nachfolgend die grundsätzliche Wirkungsweise anhand der Schalter T2, T3 in Verbindung mit 2 erläutert werden soll. Dabei ist T2 kontinuierlich leitend. Zu Beginn des Arbeitstaktes wird der Schalter T3 impulsartig angesteuert, d. h. beide Schaltelemente sind leitend, wohingegen die Schaltelemente T1, T4 sperren. Daher fällt über der Wicklung näherungsweise die Spannung U_w(t) = U_c ab (Spannungspuls 4).
Aufgrund des Zusammenhanges Ldidt = Uw(t) steigt der Strom in der Wicklung x linear an (Stromaufbau 1). Wird dann das Schaltelement T3 geöffnet, so wird auf die Wicklung x keine Spannung mehr von außen aufgeprägt (siehe 2). Der Schalter T2 bleibt leitend, so dass der konstante Freilauf 2 über die Wicklung x, Schalter T2 und Freilaufdiode D1 fließen kann. Wird dann auch das Schaltelement T2 gesperrt, wird der Freilauf gesperrt. Über die Dioden D1 und D4 fließt der Strom aus der Wicklung x in den Kondensator C zurück, was den Stromabbau 3 bewirkt. Soweit stellt die Schaltung den Stand der Technik dar. Erfindungsgemäß steuert nun die nicht dargestellte Steuereinheit die Schaltelemente T2 bzw. T3 zusätzlich an. Im Fall, dass eine benachbarte Wicklung x + 1 zugeschaltet wird, würde dies ohne Gegenmaßnahmen zu einem Stromabbau 5 führen (s. 4). Zur Kompensation wird daher während der Strom-Freilaufphase über das leitende Schaltelement T2 und D1 kurzzeitig impulsartig wieder das zuvor geöffnete Schaltelement T3 geschlossen, so dass es zu einem Stromanstieg in der Wicklung x kommt, der den Stromabbau kompensiert, wobei anschließend das Schaltelement T3 wieder geöffnet wird. Dies ergibt den zusätzlichen positiven Spannungspuls 8 an der Wicklung x (s. 1). Entsprechend wird zeitgleich mit dem Abschalten einer benachbarten Wicklung x + 1 das Schaltelement T2 der Wicklung x geöffnet, was den negativen Spannungspuls 8 zur Folge hat. Dies hat einen Stromabfall zur Folge, der den zusätzlichen Stromaufbau 6 (s. 4) kompensiert. Durch gesteuertes zusätzliches Ein- und Ausschalten der Wicklung x können somit die induzierten Stromspitzen aufgrund von Ein- und Ausschaltvorgängen an benachbarten Wicklungen kompensiert werden, so dass sich der durchgezogene Verlauf gemäß 1 einstellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4408719 C1 [0003, 0013]
- DE 10237451 A1 [0004, 0004, 0011]

Claims

Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine, wobei die Statorwicklung mehrere voneinander unabhängige Wicklungen als Teilmotoren umfasst, wobei die Wicklungen jeweils durch Schaltelemente ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Wicklungen mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden sind und impulsartig durch eine Steuereinheit ein- und ausgeschaltet werden, so dass an den Wicklungen sich eine impulsartige Spannung (4) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (T1–T4) einer Wicklung (x) derart gesteuert geschaltet werden, dass diese bei Einschaltung einer Nachbarwicklung (x – 1, x + 1) ebenfalls zusätzlich impulsartig eingeschaltet werden und bei Ausschaltung einer Nachbarwicklung (x – 1, x + 1) ebenfalls zusätzlich impulsartig ausgeschaltet werden, um zusätzliche impulsartige Spannungen (8) an der Wicklung (x) zu erzeugen, wobei die Zeitdauer der zusätzlichen Spannungen (8) kürzer als die Zeitdauer der Spannungen (4) eines Arbeitstaktes sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der zusätzlichen Spannungen (8) in Abhängigkeit des Kopplungsgrades der benachbarten Wicklungen (x – 1, x + 1) gewählt wird.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Spannungen (8) nur in Wicklungen erzeugt werden, in denen ein Stromfluss erwünscht ist.
Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (x – 1, x, x + 1) mit einem gemeinsamen Kondensator (C) verbunden sind.
Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (x – 1, x, x + 1) in einer Brückenschaltung angeordnet sind, wobei die Schaltelemente (T1–T4) in jedem Zweig eine parallelgeschaltete Freilaufdiode (D1 – D4) aufweisen.
Verfahren zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine mittels einer Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (T1–T4) einer Wicklung (x) derart gesteuert geschaltet werden, dass diese bei Einschaltung einer Nachbarwicklung (x – 1, x + 1) ebenfalls zusätzlich impulsartig eingeschaltet werden und bei Ausschaltung einer Nachbarwicklung (x – 1, x + 1) ebenfalls zusätzlich impulsartig ausgeschaltet werden, um zusätzliche impulsartige Spannungen (8) an der Wicklung (x) zu erzeugen, wobei die Zeitdauer der zusätzlichen Spannungen (8) kürzer als die Zeitdauer der Spannungen (4) eines Arbeitstaktes sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der zusätzlichen Spannungen (8) in Abhängigkeit des Kopplungsgrades der benachbarten Wicklungen (x – 1, x + 1) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Spannungen (8) nur in Wicklungen erzeugt werden, in denen ein Stromfluss erwünscht ist.