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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Drehstrommaschine, insbesondere einer Synchronmaschine, die mittels eines Wechselrichters bestromt wird, wobei der Wechselrichter eine Mehrzahl von Leistungsschaltern aufweist, die dazu ausgebildet sind, die elektrische Drehstrommaschine mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen und wobei der Wechselrichter in unterschiedlichen Ansteuerungsmodi ansteuerbar ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Drehstrommaschine, insbesondere einer Synchronmaschine, mit einem Wechselrichter, der eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern aufweist, um die elektrische Drehstrommaschine mehrphasig zu bestromen und mit einer Steuereinheit, die den Wechselrichter ansteuert.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit wenigstens einer elektrischen Drehstrommaschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einer Vorrichtung zum Ansteuern der elektrischen Maschine der oben beschriebenen Art.
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Stand der Technik
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Auf dem technischen Gebiet der elektrischen Maschinen sind unterschiedliche Ansteuerungsverfahren bekannt. Dabei wird aktuell das Verfahren der Raumzeigermodulation für die Ansteuerung von Drehstrommaschinen bevorzugt. Bei diesem Ansteuerungsverfahren wird ein kontinuierlich rotierender Raumzeiger durch aufeinander folgende Einstellung von sechs Grundspannungsraumzeigern gebildet. Um die kontinuierliche Rotation des Raumzeigers und somit eine sinusförmige Strangspannung zu erzielen, werden die Grundspannungsraumzeiger pulsweitenmoduliert geschaltet, so dass im Mittelwert eine sinusförmige Ansteuerspannung generiert wird. Zur Erhöhung der Spannungsausnutzung der Raumzeigermodulation bzw. zur Erhöhung der abgegebenen Leistung bzw. des abgegebenen Drehmoments der elektrischen Maschine im Feldschwächbereich wird üblicherweise die Übermodulation eingesetzt, bei der der Betrag des erzeugten resultierenden Raumzeigers schwankt und an den Winkelpositionen der sechs Grundspannungsraumzeiger dem Betrag dieser entspricht.
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Bei den bekannten Ansteuerungsverfahren werden die elektrischen Maschinen mittels eines Wechselrichters mit Leistungshalbleiterschaltern angesteuert. Die Verwendung der Raumzeigermodulation und in besonderen Fällen die Verwendung der Übermodulation setzt voraus, dass die Abtastfrequenz bzw. die Taktfrequenz der Leistungshalbleiterschalter sehr viel größer ist als die elektrische Frequenz der elektrischen Maschine, die der Drehzahl multipliziert mit der Polzahl der elektrischen Maschine entspricht. Sofern die elektrische Frequenz durch eine Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Maschine erhöht wird und sich der Abtastfrequenz bzw. der Taktfrequenz der Leistungshalbleiterschalter annähert, kann der Raumzeigermodulations- bzw. der Übermodulationsbetrieb wegen starker Verzerrung des Ansteuersignals nicht realisiert bzw. nicht effektiv betrieben werden.
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Ein Ansteuerverfahren, bei dem eine elektrische Maschine wahlweise mittels Pulsweitenmodulation oder mittels Blockkommutierung angesteuert wird, ist bekannt aus der
EP 1 441 436 A2 .
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Insgesamt ist es bei den bekannten Ansteuerungsverfahren mittels Pulsweitenmodulation nachteilig, dass bei hohen Drehzahlen und entsprechend hohen elektrischen Frequenzen und bei einer hohen angeforderten Leistung bzw. einem hohen angeforderten Drehmoment die elektrische Maschine nicht bzw. nur eingeschränkt energieeffizient ansteuerbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren bereitgestellt zum Ansteuern einer elektrischen Drehstrommaschine, insbesondere einer Synchronmaschine die mittels eines Wechselrichters bestromt wird, wobei der Wechselrichter eine Mehrzahl von Leistungsschaltern aufweist, die dazu ausgebildet sind, die elektrische Maschine mehrphasig mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei der Wechselrichter in unterschiedlichen Ansteuerungsmodi ansteuerbar ist, wobei die Ansteuerungsmodi durch Raumzeigermodulation, Übermodulation oder Blockkommutierung gebildet sind, und wobei der entsprechende Ansteuerungsmodus in Abhängigkeit einer Drehzahl bzw. einer elektrischen Frequenz der Drehstrommaschine und einer Leistungs- bzw. Drehmomentanforderung ausgewählt wird.
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Ferner wird daher erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Ansteuern einer Drehstrommaschine, insbesondere einer Synchronmaschine bereitgestellt, mit einem Wechselrichter, der eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterschaltern aufweist, um die Drehstrommaschine mehrphasig zu bestromen und mit einer Steuereinheit, die den Wechselrichter ansteuert, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
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Schließlich wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeugantriebsstrang bereitgestellt mit einer Drehstrommaschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einer Vorrichtung zum Ansteuern der Drehstrommaschine der oben beschriebenen Art.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die vorliegende Erfindung kann ein Verfahren bereitgestellt werden, durch das eine Drehstrommaschine in unterschiedlichen Drehzahlbereichen und bei unterschiedlichen angeforderten Drehmomenten bzw. angeforderten Leistungen effizient betrieben werden kann. Ferner kann die Drehstrommaschine dadurch in einem Drehzahlbereich, in dem sich die elektrische Frequenz der Taktfrequenz der Leistungsschalter annähert, insbesondere im Feldschwächbetrieb, optimal betrieben werden, wodurch die bereitgestellte Spannung optimal ausgenutzt und ein maximal erreichbares Drehmoment bzw. eine maximal erreichbare Leistung bereitgestellt werden kann.
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Von besonderem Vorzug ist es, wenn der Ansteuerungsmodus in Abhängigkeit eines Frequenzverhältnisses zwischen der Taktfrequenz der Leistungsschalter und der elektrischen Frequenz der Drehstrommaschine ausgewählt wird.
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Dadurch kann die elektrische Maschine auch bei variierender Taktfrequenz der Leistungsschalter stets mit einem optimalen Ansteuerungsmodus angesteuert werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Wechselrichter mittels Raumzeigermodulation angesteuert wird, sofern das Frequenzverhältnis größer ist als ein vordefiniertes Frequenzverhältnis und ein Spannungsscheitelwert einer notwendigen Strangspannung zur Abgabe der angeforderten Leistung bzw. des angeforderten Drehmoments der Drehstrommaschine kleiner oder gleich einer dem Wechselrichter bereitgestellten Gleichspannung ist.
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Dadurch kann die elektrische Maschine für hohe Frequenzen und geringe Leistungsanforderung optimal angesteuert werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis des Spannungsscheitelwerts einer notwendigen Strangspannung zur Abgabe der angeforderten Leistung bzw. des angeforderten Drehmoments der Drehstrommaschine zu einer dem Wechselrichter bereitgestellten Gleichspannung als Übermodulationsfaktor zu verstehen.
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Es ist ferner bevorzugt, wenn der Wechselrichter mittels Übermodulation angesteuert wird, sofern das Frequenzverhältnis größer ist als ein vordefiniertes Frequenzverhältnis und ein Spannungsscheitelwert einer notwendigen Strangspannung zur Abgabe der angeforderten Leistung bzw. des angeforderten Drehmoments der Drehstrommaschine größer ist als eine dem Wechselrichter bereitgestellte Gleichspannung. Mit anderen Worten wird die Drehstrommaschine mittels Übermodulation angesteuert, wenn die Drehstrommaschine im Feldschwächbetrieb betrieben wird und die elektrische Frequenz der elektrischen Maschine gegenüber der Taktfrequenz der Leistungsschalter nicht sehr hoch ist. In dem Fall ist der Übermodulationsfaktor größer als 1. Dieser Betriebszustand ist ein sogenannter Feldschwächbetrieb, bei dem die induzierte Spannung im Verhältnis zu einer Klemmenspannung proportional zur Drehzahl steigt.
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Dadurch kann in Übergangsbereichen, in denen die Raumzeigermodulation an sich keine optimale Spannungsausnutzung gewährleisten kann, die Drehstrommaschine optimal angesteuert werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Wechselrichter mittels Übermodulation oder Blockkommutierung angesteuert wird, sofern das Frequenzverhältnis kleiner ist als vordefiniertes Frequenzverhältnis und ein Spannungsscheitelwert einer notwendigen Strangspannung zur Abgabe der angeforderten Leistung bzw. des angeforderten Drehmoments der Drehstrommaschine größer ist als eine dem Wechselrichter bereitgestellte Gleichspannung. Dieser Betriebszustand ist der sogenannte Feldschwächbetrieb, bei dem die induzierte Spannung im Verhältnis zu der Klemmenspannung proportional zur Drehzahl steigt.
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Dadurch kann in besonderen Situationen, insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen optimal angesteuert werden.
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Es ist dabei bevorzugt, wenn ein Ansteuerungsmodus aus den beiden Ansteuerungsmodi in Abhängigkeit eines Verhältnisses zwischen einem Übermodulationsfaktor und dem Frequenzverhältnis ausgewählt wird. Der Übermodulationsfaktor ergibt sich dabei aus dem Verhältnis des Spannungsscheitelwertes und der dem Wechselrichter bereitgestellten Gleichspannung.
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Dadurch kann die Drehstrommaschine für unterschiedliche Drehzahlen mit unterschiedlichen Übermodulationsfaktoren optimal angesteuert werden.
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Es ist bevorzugt, wenn der Wechselrichter mittels Blockkommutierung angesteuert wird, sofern das Frequenzverhältnis einen vordefinierten Wert unterschreitet und der Wechselrichter mittels Übermodulation angesteuert wird, sofern das Frequenzverhältnis den vordefinierten Wert überschreitet.
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Dadurch kann für hohe Drehmoment- bzw. Leistungsanforderungen die bereitgestellte Spannung optimal ausgenutzt werden.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn der vordefinierte Wert in Abhängigkeit des Frequenzverhältnisses oder der Drehzahl variiert wird.
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Dadurch kann die Drehstrommaschine für unterschiedliche Drehzahlen und unterschiedliche Leistungsanforderungen optimal angesteuert werden.
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Es ist dabei weiterhin bevorzugt, wenn der vordefinierte Wert linear variiert wird.
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Dadurch ist die Steuerung der Drehstrommaschine und insbesondere das Umschalten zwischen den Ansteuerungsmodi mit technisch einfachen Mitteln realisierbar.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Wechselrichter mittels Blockkommutierung angesteuert wird, sofern die Drehzahl bzw. die elektrische Frequenz eine vordefinierte Drehzahl bzw. elektrische Frequenz überschreitet oder das Frequenzverhältnis ein zweites vordefiniertes Frequenzverhältnis unterschreitet. Dies erfolgt im Feldschwächbetrieb, bei dem die induzierte Spannung reduziert ist.
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Dadurch ist die Drehstrommaschine bei hohen Drehzahlen besonders optimal und energieeffizient ansteuerbar.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn der Wechselrichter mittels Blockkommutierung angesteuert wird, sofern die Übermodulation deaktiviert ist.
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Dadurch kann die Drehstrommaschine bei hohen Leistungsanforderungen und hohen Drehzahlen optimal angesteuert werden.
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Es ist dabei ferner bevorzugt, wenn der vordefinierte Wert zwischen dem ersten und dem zweiten vordefinierten Frequenzverhältnis linear variiert wird.
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Dadurch ist zwischen den Ansteuerungsmodi ein optimaler Übergang realisierbar und die Drehstrommaschine mit einfachen Mitteln steuer- bzw. regelbar.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Form einen Wechselrichter zum Ansteuern einer elektrischen Drehstrommaschine;
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2 zeigt ein komplexes Zeigerdiagramm zur Erläuterung des Raumzeigermodulationsverfahrens zum Ansteuern des Wechselrichters einer Drehstrommaschine;
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3 zeigt in schematischer Form den zeitlichen Verlauf von drei unterschiedlichen Ansteuerspannungen für drei unterschiedliche Ansteuerungsmodi; und
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4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der unterschiedlichen Ansteuerungsmodi für unterschiedliche Frequenzverhältnisse und unterschiedliche Übermodulationsfaktoren.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Wechselrichter zum Ansteuern einer elektrischen Maschine schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet.
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Der Wechselrichter 10 ist mit einer Gleichspannungsquelle 12 verbunden und dient dazu, eine elektrische Drehstrommaschine 14 dreiphasig zu bestromen. Der Wechselrichter 10 weist drei Halbbrücken 16, 18, 20 auf, die parallel zu der Gleichspannungsquelle 12 geschaltet sind und jeweils zwei Schalter S aufweisen. Zwischen den Schaltern S ist jeweils ein Halbbrückenabgriff 22 gebildet, die jeweils mit einem Phasenleiter der elektrischen Maschine 14 verbunden sind.
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Durch wechselndes Öffnen und Schließen der Schalter S wird zwischen den Phasenleitern jeweils eine Ansteuerspannung UU, UV, UW angelegt, so dass sich entsprechend jeweils ein Phasenstrom IU, IV, IW einstellt, der die elektrische Maschine 14 antreibt.
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Der Wechselrichter 10 ist vorzugsweise mittels Halbleiterschaltern S ausgebildet, wobei üblicherweise parallel zu den Halbleiterschaltern S jeweils eine hier nicht dargestellte Freilaufdiode geschaltet ist.
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Die Schalter S des Wechselrichters 10 werden mittels einer schematisch dargestellten Steuereinheit 23 wechselnd geöffnet und geschlossen, um die Phasenspannungen UU, UV, UW mit einem bestimmten Verlauf bereitzustellen und die elektrische Maschine 14 mit den Phasenströmen IU, IV, IW zu bestromen.
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In 2 ist ein komplexes Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Raumzeigermodulation zum Ansteuern der elektrischen Maschine 14 dargestellt und allgemein mit 30 bezeichnet.
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In dem Zeigerdiagramm 30 sind zwei Spannungszeiger UA, UB mit einem Ansteuerungswinkel a1 der elektrischen Maschine 14 dargestellt. In dem Zeigerdiagramm 30 sind ferner sechs Grundspannungszeiger U1, U2, U3, U4, U5, U6 dargestellt, die sich ergeben, wenn bestimmte Schalter S des Wechselrichters 10 geschlossen werden und die elektrische Maschine 14 entsprechend angesteuert wird. So ergibt sich zum Beispiel der Grundspannungszeiger U1 wenn die Schalter SU1, SV0 und SW0 geschlossen sind und die übrigen Schalter S des Wechselrichters offen sind. In 2 wird dies mit [100] dargestellt. Dies ist eine Kennzeichnung dafür, dass von den Schaltern SU1, SV1 und SW1 nur der erste Schalter SU1 geschlossen wird. Für den effizienten Betrieb der elektrischen Maschine und zur Vermeidung eines Kurzschlusses ergibt sich daraus zwangsläufig die Schalterstellung für die Schalter SU0, SV0 und SW0. SV0 und SW0 sind geschlossen. Entsprechend ergibt sich der Grundspannungszeiger U2 [110] wenn die Schalter SU1, SV1 und SW0 geschlossen sind und die übrigen Schalter S des Wechselrichters offen sind. Um den Spannungszeiger UA einzustellen, der in diesem Beispiel den Ansteuerwinkel a1 zwischen den Grundspannungszeigern U1 und U2 aufweist, wird dieser durch abwechselndes Ansteuern des Wechselrichters 10 entsprechend dem Grundspannungszeiger U1 und dem Grundspannungszeiger U2 realisiert. Die beiden Grundspannungszeiger U1, U2 werden abwechselnd eingestellt mit einer vordefinierten Schaltfrequenz, so dass sich bei gleicher Häufigkeit und gleicher Einschaltdauer der Grundspannungszeiger U1, U2 genau der Spannungszeiger UA ergibt. Sofern ein Spannungszeiger mit einem größeren Ansteuerwinkel a eingestellt werden muss, wird entsprechend die Einschaltdauer des Grundspannungszeigers U2 verlängert und die Einschaltdauer des Grundspannungszeigers U1 verkürzt.
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Somit lässt sich durch getaktetes Ansteuern der Schalter S des Wechselrichters 10 der Spannungsraumzeiger UA mit einem beliebigen Ansteuerwinkel a realisieren.
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Sofern der Spannungszeiger UB mit einem geringeren Betrag als der Spannungszeiger UA eingestellt werden soll, wird entsprechend ein Nullspannungszeiger U0, U7 eingestellt, bei dem die Schalter S auf einer der beiden Seiten des Wechselrichters 10 geöffnet sind. Entsprechend kann der Spannungszeiger UB durch eine Kombination der Grundspannungszeiger U1 und U2 und einem der Nullspannungszeiger U0, U7 realisiert werden.
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In 2 ist in dem Zeigerdiagramm 30 ein Einheitskreis 32 dargestellt, der der Länge des Spannungszeigers UA entspricht. Sofern der Spannungsraumzeiger UA gleichförmig rotierend eingestellt wird, wird eine sinusförmige Ansteuerspannung UU, UV, UW ausgegeben und die elektrische Maschine 14 entsprechend angesteuert.
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In 2 ist ein Sechseck 34 dargestellt, das von den sechs Grundspannungszeigern U1 bis U6 aufgespannt ist. In einer besonderen Ausführungsform des Raumzeigermodulationsverfahrens wird der Wechselrichter 10 derart angesteuert, dass ein Betrag des Spannungsraumzeigers UA variiert und zwar entsprechend dem Sechseck 34. Dadurch entsteht eine Ansteuerspannung UU, UV, UW, deren Flanken sinusförmig ausgebildet sind und dessen mittlerer Abschnitt blockförmig ausgebildet ist wie es im Weiteren näher erläutert wird. Diese Ausführungsform der Raumzeigermodulation wird auch als Übermodulation bezeichnet. Nachteilig bei der Übermodulation ist es, dass in der elektrischen Maschine 14 Oberwellen entstehen, die ein oszillierendes bzw. instabiles Verhalten hervorrufen können.
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In 3 sind drei unterschiedliche Verläufe der Ansteuerspannung UU, UV, UW für drei unterschiedliche Ansteuerungsmodi über eine elektrische Periode dargestellt. In 3 ist eine sinusförmige Ansteuerspannung 36 über eine elektrische Periode dargestellt, die einer Ansteuerspannung mittels Raumzeigermodulation entspricht. Sofern der Wechselrichter 10 zunehmend in der Übermodulation betrieben wird, bewegen sich Flanken 38 der Sinuskurve 36 nach außen, wie es durch einen Pfeil 40 angedeutet ist. Dadurch entsteht ein Übermodulationsansteuerungssignal, wie es bei 42 gezeigt ist. Das Übermodulationsansteuerungssignal 42 weist sinusförmige Flanken 38 und einen blockförmigen Mittelabschnitt 44 auf.
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In 3 ist ferner ein Ansteuerungsspannungssignal 45 dargestellt, das einer Ansteuerung mittels Blockkommutierung entspricht. Dabei wird in einer ersten Halbwelle der elektrischen Periode eine positive Spannung zwischen den Phasenleitern der elektrischen Maschine 14 angelegt und in einer zweiten Halbwelle der elektrischen Periode eine negative Gleichspannung an die Phasenleiter angelegt.
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Die Ansteuerung mittels Blockkommutierung eignet sich besonders gut für hohe Drehzahlen, bei denen die elektrische Periode nahe einer Ansteuerungsfrequenz des Raumzeigermodulationsverfahrens ist, die Spannungsausnutzung im Blockkommutierungsbetrieb optimal ist und die maximal erreichbare Leistung erzielt werden kann.
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In 4 ist ein Diagramm dargestellt zur Erläuterung der unterschiedlichen Ansteuerungsmodi in Abhängigkeit eines Übermodulationsfaktors und eines Verhältnisses der Taktfrequenz der Schalter S und der elektrischen Frequenz der elektrischen Maschine 14. In 4 ist der Übermodulationsfaktor mit Ü bezeichnet und die Taktfrequenz bzw. die Pulsweitenmodulationsfrequenz der Leistungsschalter S des Inverters 10 mit FPWM und die elektrische Frequenz der Drehstrommaschine 14 mit FEL bezeichnet.
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In dem Diagramm in 4 ist der Übermodulationsfaktor Ü entlang der Ordinate 52 aufgetragen. Das mit steigender Drehzahl n der elektrischen Maschine fallende Frequenzverhältnis der Taktfrequenz FPWM zu der elektrischen Frequenz FEL ist auf der Abszisse 54 aufgetragen. Die Abszisse 54 und die Ordinate 52 schneiden sich beispielsweise in einem Punkt, an dem der Übermodulationsfaktor Ü gleich 1 und das Frequenzverhältnis gleich 30 ist. Das so gebildete Achsenkreuz spannt Quadranten auf, die mehrere unterschiedliche Ansteuerungsbereiche bilden.
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Der Übermodulationsfaktor Ü berechnet sich aus einem Spannungsscheitelwert US der sinusförmigen Ansteuerspannung 36 und der Spannung UDC, die von der Gleichspannungsquelle 12 dem Inverter 10 bereitgestellt wird. Der Übermodulationsfaktor ergibt sich aus der Formel Ü = US/UDC, wobei US der Scheitelwert der Sinusspannung 36 und UDC die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 12 ist. Die Höhe des Scheitelwerts US der Sinusspannung 36 ist abhängig von dem jeweiligen Betriebspunkt der elektrischen Maschine 14. Sofern der Übermodulationsfaktor Ü kleiner oder gleich 1 ist, ist folglich der Spannungsscheitelwert US kleiner als die maximal bereitstellbare Spannung UDC. Sofern der Übermodulationsfaktor Ü größer als 1 ist, ist somit die angeforderte Spannung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 14 größer als die maximal bereitstellbare Spannung UDC, so dass die elektrische Maschine 14 im Übermodulationsbetrieb oder im Blockbetrieb angesteuert werden muss, um ein entsprechendes Drehmoment bereitzustellen bzw. die Spannung optimal auszunutzen, wie es bereits in 3 durch die Pfeile 40 angedeutet ist.
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In 4 ist ein erster Ansteuerungsmodus mit I bezeichnet, der für Übermodulationsfaktoren kleiner oder gleich 1 bzw. ohne Übermodulation und ein Frequenzverhältnis FPWM/FEL größer als 30 verwendet wird. In diesem Ansteuerungsmodus I wird der Wechselrichter 10 mittels Raumzeigermodulation im Grunddrehzahlbereich angesteuert, wie es bereits in 2 erläutert ist. Für derart niedrige Drehzahlen n der elektrischen Maschine 14 und geringe Übermodulationsfaktoren Ü ist die Raumzeigermodulation der effizienteste Ansteuerungsmodus. Falls die elektrische Maschine 14 bei einem Frequenzverhältnis größer als 30 im Feldschwächbereich betrieben wird und beispielsweise der Übermodulationsfaktor Ü > 1 ist, kann die elektrische Maschine 14 im Übermodulationsbetrieb betrieben werden. Dies ist in 4 als ein weiterer Ansteuerungsmodus II dargestellt. In diesem Ansteuerungsmodus wird die elektrische Maschine 14 wegen der entsprechend erhöhten Drehmoment- bzw. Leistungsanforderung im Übermodulationsbetrieb betrieben, wie es zu den 2 und 3 erläutert ist. Der maximale Übermodulationsfaktor Ü ist dabei Ü = 4/pi, der den Eckpunkten des Sechsecks 34 aus 2 entspricht. Darüber geht der Übermodulationsbetrieb in die Blockkommuntierung über.
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In 4 ist ein weiterer Ansteuerungsmodus III dargestellt für Übermodulationsfaktoren kleiner oder gleich 1 und ein Frequenzverhältnis kleiner als 30. In diesem Ansteuerungsmodus III wird die elektrische Maschine im Grunddrehzahlbereich mittels Raumzeigermodulation betrieben, der den Eckpunkten des Sechsecks 34 aus 2 entspricht. Die Übermodulation mit Ü größer als 1 wird noch nicht eingesetzt. Um eine effektive Spannungsausnutzung zu erzielen, kann die PWM-Frequenz erhöht werden, so dass das Frequenzverhältnis FPWM/FEL wieder größer als 30 ist. Für Frequenzverhältnisse kleiner oder gleich 30 und sofern die elektrische Maschine im Feldschwächbereich betrieben wird, werden erfindungsgemäß zwei unterschiedliche Ansteuerungsmodi IV, V ausgewählt bzw. eingesetzt. Die Ansteuerungsmodi IV, V sind durch eine Übergangslinie 56 voneinander getrennt. Die Übergangslinie 56 ergibt sich aus dem maximalen Wert des Übermodulationsfaktors in Abhängigkeit des Frequenzverhältnisses FPWM/FEL. Der Ansteuerungsmodus IV unterhalb der Übergangslinie 56 ist dabei der Übermodulationsbetrieb. Der Ansteuerungsmodus V oberhalb der Übergangslinie ist dabei die Blockkommutierung. Der maximal mögliche Übermodulationsfaktor Ü von 4/pi = 1,27. Mit einem Übermodulationsfaktor Ü = 4/pi ist die Modulation idealerweise identisch mit dem Blockbetrieb V, wie es bereits in 3 dargestellt ist. Die Übergangslinie 56 bildet eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Übermodulationsfaktor Ü und dem Frequenzverhältnis FPWM/FEL. Für den Betriebszustand oberhalb der Übergangslinie 56 wird die elektrische Maschine 14 mittels Blockkommutierung entsprechend des Ansteuerungsmodus V angesteuert. Die Übergangslinie 56 bildet dabei einen Umschaltbereich zwischen den Ansteuerungsmodi IV und V, um eine optimale Spannungsausnutzung und eine geringe Drehmomentwelligkeit zu erzielen.
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Die elektrische Maschine 14 befindet sich in den Bereichen II, IV, V bzw. bei Übermodulationsfaktoren Ü größer 1 im Feldschwächbetrieb, wobei durch die hohe Drehzahl n und die Trägheit der Bauteile des Wechselrichters 10 die induzierte Spannung reduziert ist. Insbesondere wegen des Feldschwächbetriebs sind die unterschiedlichen Modi II, IV, V notwendig, um die Effizienz zu erhöhen.
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Sofern die elektrische Maschine 14 entlang der Übergangslinie 56 betrieben wird, wird die elektrische Maschine 14 für geringere Drehzahlen n mit einer starken Übersteuerung betrieben, wodurch eine starke Welligkeit des Drehmoments sowie der Ströme und Spannungen entsteht. Sofern die elektrische Maschine 14 entlang der Übergangslinie 56 für größere Drehzahlen n betrieben wird, weist das Drehmoment eine geringe Welligkeit und eine kleine Spannungsausnutzung auf. Bei sehr geringen Übermodulationsfaktoren Ü kann der Motor im Feldschwächbereich wegen der Hardwarebeschränkung und der minimalen Einschalt- bzw. Ausschaltzeit die maximale Spannung nicht vollständig ausnutzen. Das maximal erreichbare Drehmoment des Motors 14 ist in diesem Fall reduziert.
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Ein optimales Umschalt-Frequenzverhältnis FPWM/FEL zwischen Übermodulation und Blockkommutierung im Bezug auf die Drehmomentwelligkeit und die Spannungsausnutzung ist ein Frequenzverhältnis FPWM/FEL von 18 ± 2.
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Im Allgemeinen kann die elektrische Maschine 14 in den Ansteuerungsmodi I–V optimal angesteuert werden mit einer effizienten Spannungsausnutzung und einem hohen Wirkungsgrad.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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