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Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren zum Betreiben eines zumindest dreiphasigen Elektromotors mit mindestens drei induktiven Wicklungssträngen in Sternschaltung mit einem gemeinsamen Sternpunkt, wobei aus einer Netzwechselspannung eine Zwischenkreis-Gleichspannung für einen Zwischenkreis erzeugt wird, mit der über einen Wechselrichter der Elektromotor betrieben wird, indem der Wechselrichter zur Speisung und Kommutierung der Motor-Wicklungsstränge durch eine feldorientierte Strom-Vektorregelung angesteuert wird, wobei ein q-Strom und ein d-Strom zur Drehmomentbildung und Feldbeeinflussung regelbar sind.
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Ferner betrifft die Erfindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 auch ein Steuersystem zum Betreiben eines solchen Elektromotors, mit einem aus einer Netzwechselspannung zu speisenden, kapazitiven, mindestens einen Zwischenkreis-Kondensator aufweisenden Gleichspannungs-Zwischenkreis, einem im Zwischenkreis liegenden Wechselrichter und einer elektronischen Steuereinrichtung, die den Wechselrichter zur Speisung und Kommutierung der Wicklungsstränge durch eine feldorientierte Strom-Vektorregelung ansteuert.
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Ein Verfahren und ein Steuersystem der genannten Art sind beispielsweise in dem Dokument
EP 2 276 162 A1 beschrieben, allerdings recht speziell für einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten EC-Motor in einer Ausführung als permanentmagneterregter Synchronmotor (PMSM). Dabei soll im Zusammenhang mit der an sich bekannten Strom-Vektorregelung bzw. Raumzeiger-Regelung der q-Strom als drehmomentbildende Komponente des Strom-Raumzeigers senkrecht zum Permanentmagnetfeld geregelt werden. Die Besonderheit ist eine dynamische Feldschwächung, wobei der d-Strom im negativen Bereich mit einem sinusförmigen Verlauf und doppelter Netzfrequenz vorgegeben wird, und wobei der d-Strom nach seiner Phasenlage und seiner Amplitude derart geregelt wird, dass eine Welligkeit des q-Stroms minimiert wird. Hintergrund dieser bekannten Maßnahmen ist eine starke Welligkeit der Zwischenkreis-Gleichspannung aufgrund eines „schlanken“ Zwischenkreises.
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Im Übrigen ist es auch aus anderen Dokumenten bekannt, einen Motor mit einer Gleichspannung über einen gesteuerten Wechselrichter zu betreiben. Über den Wechselrichter lassen sich Drehzahl und Drehmoment des Motors regeln. Üblicherweise wird der Wechselrichter stets aus einem kapazitiven Zwischenkreis gespeist. Um eine möglichst konstante Gleichspannung zu haben, ist im Zwischenkreis eine relativ hohe, aus einem oder mehreren Kondensatoren gebildete Kapazität angeordnet. Die Aufladung der Kapazität erfolgt üblicherweise bei einem einphasigen Netz über einen Gleichrichter. Dies führt aber zu einem hohen Oberschwingungsgehalt und einem schlechten Leistungsfaktor.
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Um dies zu korrigieren, werden häufig so genannte PFC-Schaltungen eingesetzt (PFC = Power Factor Correction). Solche PFC-Schaltungen können in zwei Gruppen unterteilt werden. Die erste Gruppe bilden die passiven PFC-Schaltungen in Form von Drosseln oder anderen passiven Bauelementen, die zweite Gruppe bilden aktive PFC-Schaltungen, die häufig in Form von Hochsetzstellern, auch Step-Up-Converter genannt, aufgebaut sind, vgl. hierzu das Dokument
EP 2 267 882 A1 .
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Ein Nachteil dieses PFC-Konzeptes ist der Bedarf eines Gleichrichters sowie der PFC-Drossel. Der Gleichrichter verursacht aufgrund einer Vorwärtsspannung der Dioden Verluste. Die PFC-Drossel verursacht hohe Kosten und benötigt einen großen Bauraum.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, auf eine technisch günstige Weise und mit einfachen und kostengünstig realisierbaren Mitteln den Betrieb eines Elektromotors an einem Gleichspannungs-Zwischenkreis über einen gesteuerten Wechselrichter zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht. Ein insbesondere zur Anwendung des Verfahrens geeignetes Steuersystem ist Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung enthalten.
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Erfindungsgemäß wird demnach die Netzwechselspannung über den Motor-Sternpunkt, die Wicklungsstränge und den Wechselrichter auf den Zwischenkreis geschaltet, wobei der Wechselrichter als Überlagerung der Strom-Vektorregelung derart angesteuert wird, dass ein Nullstrom als Summe der jeweiligen Strangströme zur Speisung des Zwischenkreises aus der Netzwechselspannung über den Sternpunkt geregelt wird. Über den Nullstrom bzw. i0-Strom kann der Energieeintrag aus dem Netz in den Zwischenkreis bestimmt werden. Dabei wird der Nullstrom unabhängig von den q- und d-Strömen geregelt, so dass die qd-Ströme weiterhin frei gewählt werden können. Dabei kann der Nullstrom frei gewählt werden. Je nach Anwendung kann er aber auch für eine Drehmoment-Einflussnahme eingeregelt werden, wenn dies als sinnvoll angesehen wird.
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Im Interesse einer stets zum Einprägen der gewünschten Ströme ausreichenden Potentialdifferenz wird erfindungsgemäß der Sternpunkt auf ein bestimmtes, optional variierbares Potential geregelt, was bevorzugt unabhängig vom Nullstrom erfolgt. Bevorzugt kann das Potential im Sternpunkt im Mittel einer Schaltperiode auf etwa den halben Wert der Zwischenkreis-Gleichspannung geregelt werden, es kann bei Bedarf aber auch ein zeitlich variierendes Potential im Sternpunkt vorgesehen werden, um beispielsweise Verluste zu minimieren und/oder eine Regelreserve zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird zur Regelung des Potentials im Sternpunkt eine steuerbare Halbbrücke mit zwei elektronischen, zueinander in Reihe geschalteten Schaltelementen verwendet, wobei die einerseits an den Sternpunkt anzuschließende Netzwechselspannung andererseits an einen Mittelabgriff zwischen den Schaltelementen der Halbbrücke anzuschließen ist. Die zu dem Wechselrichter und zu dem Zwischenkreis-Kondensator parallel im Zwischenkreis liegende Halbbrücke wird zur Regelung des Potentials im Sternpunkt angesteuert. Dies erfolgt zweckmäßig über einen PWM-Generator, um die Schaltelemente mit einem bestimmten Tastverhältnis oder Duty-Cycle anzusteuern.
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Erfindungsgemäß wird der Wechselrichter im dq0-System angesteuert, d. h. unter Erweiterung der sonst ausreichenden dq-Transformation zu einer dq0-Transformation. Damit wird über einen PWM-Generator der Wechselrichter – bzw. dessen sechs in Vollbrücke geschaltete Schaltelemente – entsprechend angesteuert. Einzelheiten dazu werden im Folgenden noch genauer beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Steuersystem zeichnet sich gemäß dem Anspruch 11 dadurch aus, dass der Motor-Sternpunkt einen Anschluss für die Netzwechselspannung bildet oder aufweist, wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass der Wechselrichter als Überlagerung der Strom-Vektorregelung derart ansteuerbar ist, dass ein Nullstrom als Summe der jeweiligen Strangströme zur Speisung des Zwischenkreises aus der Netzwechselspannung über den Sternpunkt regelbar ist.
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Weiterhin weist das Steuersystem eine parallel zu dem Zwischenkreis-Kondensator und zu dem Wechselrichter im Zwischenkreis liegende, steuerbare Halbbrücke mit zwei in Reihe angeordneten elektronischen Schaltelementen und einem zwischen diesen liegenden Mittelabgriff als zweiter Anschluss für die Netzwechselspannung auf, wobei die Halbbrücke von der Steuereinrichtung zur Regelung des Potentials im Sternpunkt ansteuerbar ist.
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Im Übrigen weist das Steuersystem weitere geeignete Mittel und Elemente zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
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Durch die vorliegende Erfindung werden gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile erreicht. Indem die gesteuerte Halbbrücke praktisch als aktiver Gleichrichter wirkt, wird ein gesonderter passiver Netzgleichrichter eingespart, so dass auch dessen Nachteile, insbesondere Verluste durch Vorwärtsspannungen, der hohe Oberschwingungsgehalt und der schlechte Leistungsfaktor, vermieden werden. Weiterhin wirken durch die Erfindung die Motorwicklungen vorteilhafterweise als so genannte Boost-Induktivitäten und somit als PFC-Drosseln, so dass keine gesonderte PFC-Drossel mehr im Zwischenkreis erforderlich ist, was Kosten- und Bauraum-Vorteile bringt. Es besteht außerdem die Möglichkeit einer Rückspeisung von Energie ins Netz, und/oder es kann eine aktive PFC zur Erhöhung des Leistungsfaktors und zur Reduzierung von Oberschwingungen realisiert werden. Die Erfindung eignet sich für verschiedene Motorbauarten, insbesondere für PMSM, EC-, DC- und Transversal-Motoren, und zwar permanentmagnet- oder fremderregt. Generell ist eine Anwendung auch für mehrphasige Netze und/oder mehrsträngige Motoren möglich, wobei allerdings der Aufwand gegenüber dreisträngigen Motoren und dem einphasigen Netz entsprechend höher ist.
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Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung im Folgenden beispielhaft genauer erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 ein vereinfachtes, schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Steuersystems,
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2 ein Blockschaltbild des Steuersystems in einer weiteren Ausgestaltung,
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3 ein Schaltbild eines Regelsystems für den Wechselrichter,
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4 ein Schaltbild eines Regelsystems für die Halbbrücke zur Potential-Regelung im Sternpunkt und
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5 ein beispielhaftes Strom-Raumzeiger-Diagramm im rotorfesten kartesischen Koordinatensystem.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile, Komponenten und Größen stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels sowie auch unabhängig von den jeweiligen Merkmalen und Rückbeziehungen der Ansprüche eine erfinderische Bedeutung haben.
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Wie sich aus 1 und 2 ergibt, dient ein erfindungsgemäßes Steuersystem zum Betreiben und Ansteuern eines Elektromotors M, der beispielhaft dreisträngig mit drei Stator-Wicklungssträngen A, B, C ausgebildet ist, die in 1 als Ersatz-Reihenschaltungen aus Induktivitäten L und Ohmschen Widerständen R dargestellt sind. Für die Erfindung ist es wesentlich, dass die Wicklungsstränge A, B, C in Sternschaltung in einem gemeinsamen Sternpunkt SP verschaltet sind.
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Wie in 2 angedeutet ist, liegen die Stränge A, B, C um eine Rotorachse um jeweils 120° gegeneinander versetzt, und sie werden zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes für einen nicht dargestellten, beispielsweise permanentmagnetischen Rotor elektronisch kommutiert, wozu ein gesteuerter Wechselrichter 2 mit sechs in einer Vollbrücke geschalteten, elektronischen Schaltelementen T1 bis T6 vorgesehen ist. Bei diesen Schaltelementen handelt es sich beispielsweise um IGBT’s oder MOSFET’s mit jeweils antiparallel geschalteten Freilaufdioden (nicht dargestellt).
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Der Wechselrichter 2 wird über einen Zwischenkreis ZK mit einer Zwischenkreis-Gleichspannung UZK versorgt, wozu im Zwischenkreis ZK mindestens ein Zwischenkreis-Kondensator CZK parallel zum Wechselrichter 2 liegt. Der Wechselrichter 2 wird über eine elektronische Steuereinrichtung 4 so in Abhängigkeit von der durch geeignete Mittel erfassten Rotor-Drehstellung angesteuert, dass er aus der Zwischenkreis-Gleichspannung UZK eine dreiphasige Betriebswechselspannung für die Wicklungsstränge A, B, C des Motors M generiert. Hierbei sind auch die Drehzahl und das Drehmoment des Motors M steuerbar oder regelbar.
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Für diese – an sich bekannte – Ansteuerung arbeitet das Steuersystem mit einer üblichen feldorientierten Strom-Raumzeiger/Vektor-Regelung. Hierzu wird auf das Diagramm in 5 verwiesen. Es handelt sich beispielhaft um eine Darstellung für einen permanentmagneterregten Motor im rotorfesten kartesischen Koordinatensystem. Die waagerechte Achse d kennzeichnet die Ausrichtung des permanentmagnetischen Magnetfeldes, vgl. den beispielhaft eingezeichneten Magnet mit seinen Polen S und N. Eine Achse q verläuft dazu senkrecht. Beispielhaft ist ein Strom-Raumzeiger i dargestellt, der aus zwei Stromkomponenten resultiert, und zwar einem q-Strom iq, der als drehmomentbildende Komponente senkrecht zum Permanentmagnetfeld (d-Achse) geregelt wird, und einem d-Strom id der als magnetfeldbeeinflussende Komponente in Magnetfeldrichtung geregelt wird, so dass er in der Regel kein Drehmoment bildet. Bei Synchronmotoren wird üblicherweise der d-Strom auf Null geregelt, um durch den q-Strom ein maximales Drehmoment bei optimalem Wirkungsgrad zu erreichen. Der resultierende Strom-Raumzeiger i entspricht dann mit minimalem Betrag dem q-Strom iq.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Motor-Sternpunkt SP einen Anschluss 6 für die – in diesem bevorzugten Beispiel einphasige – Netzwechselspannung UN bildet oder aufweist. Hierdurch kann die Netzwechselspannung UN über den Motor-Sternpunkt SP, die Wicklungsstränge A, B, C und den Wechselrichter 2 auf den Zwischenkreis ZK geschaltet werden. Dazu ist erfindungsgemäß die Steuereinrichtung 4 derart ausgebildet, dass der Wechselrichter 2 als Überlagerung der üblichen Strom-Vektorregelung derart ansteuerbar ist, dass ein Nullstrom i0 als Summe der jeweiligen Strangströme ia, ib, ic zur Speisung des Zwischenkreises ZK aus der Netzwechselspannung UN über den Sternpunkt SP regelbar ist.
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Das Steuersystem weist dazu erfindungsgemäß eine parallel zu dem Zwischenkreis-Kondensator (CZK) und zu dem Wechselrichter 2 im Zwischenkreis ZK liegende, steuerbare Halbbrücke 8 mit zwei in Reihe angeordneten elektronischen Schaltelementen T7 und T8 und einem zwischen diesen liegenden Mittelabgriff als zweiter Anschluss 10 für die Netzwechselspannung UN auf. Hierbei ist diese Halbbrücke 8 von der Steuereinrichtung 4 zur Regelung des Potentials U0 im Sternpunkt SP ansteuerbar. Diese Regelung des Sternpunkt-Potentials U0 dient dazu, stets eine ausreichende Potential-Differenz zwischen Netz und Zwischenkreis einzustellen, um die jeweils gewünschten Ströme einprägen zu können.
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Vorzugsweise wird das Potential U0 im Sternpunkt SP im Mittel einer Schaltperiode auf den halben Wert UZK/2 der Zwischenkreis-Gleichspannung UZK geregelt. Es liegt aber im Bereich der Erfindung, das Potential U0 beliebig einzustellen und/oder zeitlich zu variieren.
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Analog zu dem Wechselrichter 2 können auch die Schaltelemente T7 und T8 der gesteuerten Halbbrücke 8 durch IGBT’s oder MOSFET’s gebildet sein. Die Halbbrücke 8 kann allerdings wahlweise mit oder ohne antiparallele Freilaufdioden aufgebaut werden, wobei aber Freilaufdioden zu empfehlen sind.
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In den 3 und 4 sind Einzelheiten der Steuereinrichtung 4 genauer veranschaulicht. 3 zeigt das Regelsystem für die Ansteuerung der Schaltelemente T1 bis T6 des Wechselrichters 2 über einen PWM-Generator 12. In 4 ist das Regelsystem für die Ansteuerung der Schaltelemente T7 und T8 der Halbbrücke 8 über einen weiteren PWM-Generator 14 dargestellt. Die Regelsysteme geben jeweils Tastverhältnisse, den so genannten Duty-Cycle, zur getakteten und pulsweitenmodulierten Ansteuerung der jeweiligen Schaltelemente vor.
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Die bisher zu Kommutierungsregelung vorgesehene Vektorregelung erfolgte im so genannten dq-System (vgl. 5). Erfindungsgemäß ist diese Regelung auf ein dq0-System erweitert.
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Anhand des oberen Bereiches der 3 wird zunächst die Regelung der d- und q-Ströme betrachtet. Aus den jeweiligen Strang- bzw. Phasenströmen ia(t), ib(t) und ic(t) werden über eine abc-dq-Transformationsstufe 16 aktuelle Ist-Werte für den q-Strom iq und den d-Strom id gewonnen. Diese Ist-Werte werden mit vorgegebenen Sollwerten id_soll(t), iq_soll(t) verglichen, und die jeweils ermittelten Differenzen werden über Regler 18a, 18b, im vorliegenden Fall beispielsweise PID-Regler, und eine nachgeschaltete dq0-abc-Transformationsstufe 20 in den jeweils erforderlichen Duty-Cycle für den PWM-Generator 12 umgerechnet, um über den Wechselrichter 2 die Strom-Ist-Werte iq, id auf die vorgegebenen Sollwerte zu regeln.
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Der untere Bereich der 3 veranschaulicht die Regelung des Nullstroms i0. Der i0-Strom wird aus zwei Komponenten gebildet. Die erste Komponente ist ein Ausgang eines Reglers 22 für die Zwischenkreisspannung UZK, wobei dieser Regler 22 im dargestellten Beispiel als PI-Regler ausgeführt ist, er kann aber auch als digitaler Regler ausgebildet sein. Das Ausgangssignal dieses Reglers 22 ist als i0_soll bezeichnet. Der Zwischenkreisspannungs-Regler 22 erhöht bei zu niedriger Zwischenkreisspannung UZK den i0-Strom, um den Energieeintrag in den Zwischenkreis ZK bzw. den Zwischenkreis-Kondensator CZK zu steigern. Bei zu hoher Zwischenkreisspannung wird der i0-Strom abgesenkt oder negativ vorgegeben. Hierdurch kommt es zu einer verringerten Energieaufnahme aus dem Netz oder zu einer Rückspeisung von Energie in das Netz. Um eine Sinusform des i0-Stroms zu erzeugen, wird eine normierte Netzspannung UN_norm mit dem i0_soll-Wert multipliziert. Hierdurch entsteht das Signal i0_soll(t), welches das für eine PFC (Power Factor Correction) gewünschte Verhalten eines sinusförmigen Netzstroms ohne oder mit geringer Phasenverschiebung aufweist. Das Signal i0_soll(t) wird mit dem über die erste Transformationsstufe 16 gewonnenen Ist-Wert verglichen und auf einen weiteren Regler 24 aufgeschaltet, beispielhaft als PI-Regler ausgeführt. Dieser Regler 24 gibt den Duty-Cycle im 0-System vor, welcher über die zweite Transformationsstufe 20 auf den Duty-Cycle der einzelnen Phasen umgerechnet wird.
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Erfindungsgemäß kann die Regelung der dq-Ströme unabhängig vom 0-Strom erfolgen. Die dq-Ströme können auch weiterhin frei gewählt werden. Der Wechselrichter 2 und seine Regelung hat nur die Aufgabe, die gewünschten Ströme zu stellen. Durch Wahl des i0-Stroms wird der Energieeintrag aus dem Netz bestimmt.
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Was nun das in 4 dargestellte Regelsystem für die Halbbrücke 8 betrifft, so wird bemerkt, dass es die Aufgabe der Halbbrücke 8 ist, dafür zu sorgen, dass das Potential U0 am Sternpunkt SP im Mittel über eine Schaltperiode der Halbbrücke 8 einem vorgegebenen Wert entspricht. Diese Regelung erfolgt über einen Regler 26, beispielsweise einen PI-Regler. Die jeweils aktuelle Spannung U0(t) am Sternpunkt SP wird mit einem Sollwert verglichen, der sich aus der Zwischenkreisspannung UZK multipliziert mit einem Faktor x ergibt. Dieser Faktor x kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, beispielsweise mit 0,5. Der Regler 26 gibt den Duty-Cycle für den PWM-Generator 14 zur Ansteuerung der Schaltelemente T7 und T8 der Halbbrücke 8 vor.
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Die Einregelung des Potentials U0 im Sternpunkt SP ist notwendig, weil ansonsten durch die sinusförmig schwankende Netzspannung bei Vorgabe einer konstanten Spannung anstatt der von der Halbbrücke eingeregelten Spannung das Sternpunkt-Potential schwanken würde. Würde der Sternpunkt eine Spannung nahe Masse bzw. GND oder nahe der Zwischenkreisspannung UZK erreichen, wäre die Potentialdifferenz über den Wicklungen des Motors zu gering, so dass die gewünschten Ströme nicht mehr eingeprägt werden könnten. Durch die erfindungsgemäße Regelung wird demgegenüber stets eine ausreichende Potentialdifferenz zum Einprägen der Ströme gewährleistet.
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Die Regelung des Sternpunkt-Potentials erfolgt vorteilhafterweise unabhängig vom i0-Strom.
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An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass es für die Funktion des erfindungsgemäßen Steuersystems Voraussetzung ist, dass bei Inbetriebnahme des Systems der Zwischenkreis-Kondensator CZK geladen ist oder in einer Startphase geladen wird.
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Durch die Erfindung ist es möglich, eine bisher erforderliche PFC-Drossel sowie einen Netzgleichrichter zu ersetzen bzw. einzusparen. Aufgrund des Schaltverhaltens des Wechselrichters 2 und der zusätzlichen Halbbrücke 8 sollte gemäß 2 das Netz über einen zusätzlichen Netzfilter 28 aufgeschaltet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Es wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im jeweiligen unabhängigen Anspruch definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des jeweiligen unabhängigen Anspruchs weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2276162 A1 [0003]
- EP 2267882 A1 [0005]
