DE102012110635A1

DE102012110635A1 - Stromrichtervorrichtung und Verfahren zur Stromregelung an einer Elektroarbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102012110635A1
Application number: DE201210110635
Authority: DE
Inventors: Michael Schmidt; Sven Schmidt; Thomas Bartsch; Maik Hohmuth
Original assignee: BITS ZWICKAU BUEROMAT IT SYSTEME GmbH; Bits Zwickau Bueromat It-Systeme GmbH
Current assignee: BITS ZWICKAU BUEROMAT IT SYSTEME GmbH; Bits Zwickau Bueromat It-Systeme GmbH
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtervorrichtung für eine Drehfeldmaschine, mit einer Stromrichterschaltung, die wenigstens einen in Reihe mit einem Modulenergiespeicher geschalteten Schaltungsblock mit wenigstens einer aus Leistungsschaltern ausgebildeten Brückenschaltung aufweist, zu welcher parallel ein Energiespeicherelement geschaltet ist, wobei ein Brückenzweig des Schaltungsblockes mit einer Wicklung der Drehfeldmaschine zur Ausbildung einer Wechselspannung über der Wicklung elektrisch verbunden ist. Dabei weist der wenigstens eine Schaltungsblock wenigstens zwei parallelgeschaltete, jeweils zwei Leistungsschalter aufweisende Schalthalbbrücken auf; der Schaltungsblock ist auf einer ersten Leiterplatte angeordnet und kontaktiert; die Stromrichtervorrichtung weist bis wenigstens 500 A beständige Stromsammelschienen auf; das wenigstens eine Energiespeicherelement ist auf einer der ersten Leiterplatte gegenüber angeordneten zweiten Leiterplatte vorgesehen und auf der zweiten Leiterplatte mit der ersten und der dritten Stromsammelschiene elektrisch verbunden; die erste und die dritte Stromsammelschiene sind jeweils mit den Spannungsanschlüssen des Modulenergiespeichers und die zweite Stromsammelschiene mit einer Wicklung der Drehfeldmaschine elektrisch verbindbar oder verbunden; und die Leiterplatten sind unter Ausbildung eines Stromrichtermoduls verbunden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Stromregelung an einer Elektroarbeitsmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtervorrichtung für eine Drehfeldmaschine, mit einer Stromrichterschaltung, die wenigstens einen in Reihe mit einem Modulenergiespeicher, wie einer Gleichspannungsquelle, geschalteten Schaltungsblock aufweist, wobei der Schaltungsblock wenigstens eine aus Leistungsschaltern, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren oder IGBT (insulated gate bipolar transistors), ausgebildete Brückenschaltung aufweist, bei welcher jeweils ein erster Leistungsanschluss eines ersten Leistungsschalters mit einem positiven Spannungspol, ein zweiter Leistungsanschluss eines zweiten Leistungsschalters mit einem negativen Spannungspol und der zweite Leistungsanschluss des ersten Leistungsschalters sowie der erste Leistungsanschluss des zweiten Leistungsschalters mit einem Brückenzweig der Brückenschaltung verbunden sind, parallel zu der Brückenschaltung ein Energiespeicherelement geschaltet ist, und der Brückenzweig des Schaltungsblockes mit einer Wicklung der Drehfeldmaschine zur Ausbildung eine Stromflusses in der Wicklung elektrisch verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Stromregelung an einer Elektroarbeitsmaschine, wie einer Drehfeldmaschine, wobei eine Spannung an die Elektroarbeitsmaschine angelegt, mit Hilfe eines Stromsensors ein Ist-Strom gemessen und in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem Soll-Strom und dem Ist-Strom durch erneutes Anlegen einer Spannung der Ist-Strom solange verändert wird, bis der Ist-Strom an den Soll-Strom angepasst ist.
Vorzugsweise soll die Stromrichtervorrichtung der vorliegenden Erfindung bei Drehfeldmaschinen in Transversalflussbauweise Anwendung finden. Durch die Transversalflussbauweise besteht die Möglichkeit, sehr hochpolige Motoren zu bauen. Damit lässt sich die Kraftdichte des Motors gegenüber klassischen Elektromotoren deutlich steigern.
Durch die hochpolige Bauweise ergeben sich besondere Anforderungen an den Stromrichter und die Steuerung. Soll mit der hochpoligen Maschine eine mit klassischen Maschinen vergleichbare Drehzahl erreicht werden, wird die Grundfrequenz der Bestromung größer. Um bei hoher Grundfrequenz immer noch die notwendigen Stromstärken in die Wicklungen des Motors einbringen zu können, muss die Stranginduktivität, das heißt, die Induktivität der Wicklung, klein gewählt werden. Eine kleine Stranginduktivität wird durch eine geringe Windungszahl erreicht. Durch die geringe Windungszahl muss jedoch der Phasenstrom größer gewählt werden, damit die für das Drehmoment notwendige Durchflutung erhalten bleibt.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 008 978 A1 sind Stromrichterschaltungen für Drehfeldmaschinen bekannt, wobei die Stromrichterschaltungen einen modularen Aufbau besitzen. Die Schaltungen weisen hierbei mehrere baugleiche, in Reihe geschaltete und jeweils mit einer Taktfrequenz getaktete Submodule auf. Die in Reihe geschalteten Submodule sind an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Jedes der Submodule besitzt zwei wechselstromseitige Klemmen, an welche jeweils eine Wicklung der Drehfeldmaschine angeschlossen ist. Jedes der Submodule weist sechs Leistungsschalter sowie einen parallel zu der Transistoranordnung geschalteten Speicherkondensator auf. Vier der Leistungsschalter sind zu einer Brückenschaltung zusammengefasst, deren Brückenzweigpole mit den wechselstromseitigen Klemmen des Submoduls verbunden sind.
Durch die Verwendung von wenigstens drei, in Reihe geschalteten Submodulen wird die Gesamtspannung der verwendeten Gleichspannungsquelle in über den Submodulen abfallende Teilspannungen aufgeteilt. Entsprechend ist es bei der in der Druckschrift DE 10 2010 008 978 A1 verwendeten Schaltung möglich, Leistungsschalter als Schaltelemente einzusetzen, deren Spannungsfestigkeit geringer als die Spannung der Gleichspannungsversorgung ist. Beispielsweise zeichnen sich Leistungsschalter in Form von Feldeffekttransistoren durch eine geringe Sperrspannung verglichen mit der speisenden Gleichspannung sowie durch geringe Durchlassspannungen aus. Daher können in den verwendeten Schaltungen die parasitären, chipinternen pn-Übergänge der Inversdioden bei beliebiger Halbleiterstromrichtung immer gesperrt bleiben, wodurch Schaltverluste der Inversdiode vermieden werden. Hierdurch ergeben sich sehr hohe erzielbare Taktfrequenzen. Desweiteren erlauben Feldeffekttransistoren hohe Einsatztemperaturen.
Um die bekannte Schaltungsanordnung beispielsweise bei einem Transversalflussmotor einsetzen zu können, muss die Stromrichterschaltung sehr hohe Ströme mit einer hohen Grundfrequenz liefern können.
Um Stromrichter für große Phasenströme und hohe Schaltfrequenzen verwirklichen zu können, ist ein besonders induktivitätsarmer und störsicherer Aufbau notwendig. Dieser wird im Stand der Technik typischerweise durch einen Lagenaufbau aus Kupferlagen, welche durch Isolierlagen voneinander getrennt sind, verwirklicht. Die Verbindung der Leistungsschalter mit den Kupferlagen erfolgt beispielsweise mit Kupferrollen. Ferner werden erhöhte Anforderungen an die Stromfestigkeit der verwendeten Bauelemente der Stromrichterschaltung gestellt, wodurch die bisherigen Stromrichterschaltungen für Transversalflussmotoren voluminös und teuer waren.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromrichtervorrichtung der oben genannten Gattung derart weiterzubilden, dass eine Versorgung einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer Transversalflussmaschine, mit hohen Stromstärken hoher Frequenz auf relativ kostengünstige Weise möglich ist, wobei die Leitungsinduktivität der Stromrichtervorrichtung minimierbar sein soll. Ferner soll ein verbessertes Stromregelungsverfahren für eine Elektroarbeitsmaschine, wie eine Drehfeld- bzw. eine Transversalflussmaschine, zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird einerseits durch eine Stromrichtervorrichtung der oben genannten Gattung gelöst, bei welcher der wenigstens eine Schaltungsblock wenigstens zwei parallelgeschaltete, jeweils zwei Leistungsschalter aufweisende Schalthalbbrücken aufweist; der Schaltungsblock auf einer ersten Leiterplatte angeordnet und kontaktiert ist; die Stromrichtervorrichtung bis wenigstens 500 A beständige Stromsammelschienen aufweist, wobei eine erste Stromsammelschiene mit dem positiven Spannungspol des Modulenergiespeichers, eine zweite Stromsammelschiene mit den Brückenzweigen der Schalthalbbrücken und eine dritte Stromsammelschiene mit dem negativen Spannungspol des Modulenergiespeichers elektrisch verbunden ist; das wenigstens eine Energiespeicherelement auf einer der ersten Leiterplatte gegenüber angeordneten zweiten Leiterplatte vorgesehen ist und auf der zweiten Leiterplatte mit der ersten und der dritten Stromsammelschiene elektrisch verbunden ist; die erste und die dritte Stromsammelschiene jeweils mit den Spannungspolen des Modulenergiespeichers und die zweite Stromsammelschiene mit einer Wicklung der Drehfeldmaschine elektrisch verbindbar oder verbunden sind; und die Leiterplatten mit den darauf vorgesehenen Bauelementen und den Stromsammelschienen unter Ausbildung eines Stromrichtermoduls miteinander verbunden sind.
Bei der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung wird der Gesamtstrom der Stromrichterschaltung entsprechend der Anzahl der in dem Schaltungsblock vorgesehenen Schalthalbbrücken in einzelne Teilströme geteilt. Da der Schaltungsblock wenigstens zwei solcher parallel geschalteten Schalthalbbrücken aufweist, wird der verwendete Strom, der durch die Leistungsschalter der jeweiligen Schalthalbbrücken fließt, wenigstens halbiert. Entsprechend kann ein hoher Ausgangsstrom auf die einzelnen Schalthalbbrücken verteilt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass für die Leiterzüge der Schalthalbbrücken ein Material und eine Materialdicke gewählt werden kann, das bzw. die nicht für den Gesamtstrom, sondern nur für den jeweilig in der Schalthalbbrücke fließenden Teilstrom ausgelegt ist. Es ist somit möglich, für die Kontaktierung der Bauelemente des Schaltungsblockes eine übliche Kupferlage auf einer Leiterplatte, beispielsweise mit einer Kupferschichtdicke von ca. 70 μm, zu verwenden.
Der unerwünschte Einfluss der Leitungsinduktivität steigt mit der Verringerung der Induktivität der Motorwicklung an. Deshalb ist es erstrebenswert, die Leitungsinduktivität als Einflussfaktor möglichst auszuschalten. Dies gelingt am besten, wenn sich die Stromrichtervorrichtung räumlich direkt an der Motorwicklung befindet. Erfindungsgemäß ist dies durch die Ausbildung wenigstens eines Stromrichtermoduls möglich, das nahe an der zu bestromenden Wicklung platziert bzw. direkt mit dieser verbunden werden kann.
Entsprechend ist es gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, den Schaltungsblock auf einer herkömmlichen, beispielsweise mit bis zu 100 A beständigen Leiterzügen versehenen ersten Leiterplatte anzuordnen und dort zu kontaktieren. Der hohe Gesamtstrom wird an diese erste Leiterplatte durch die bis wenigstens 500 A beständige erste Stromsammelschiene herangeführt und durch die ebenfalls bis wenigstens 500 A beständige dritte Stromsammelschiene von der ersten Leiterplatte wieder abgeführt. Dabei sind die erste und die dritte Stromsammelschiene mit den Kontakten des Modulenergiespeichers verbunden. Die zweite Stromsammelschiene, über welche der von den Brückenzweigen der Schalthalbbrücken gesammelte Strom an die jeweils angeschlossene Wicklung geleitet wird, ist auch eine bis wenigstens 500 A beständige Stromsammelschiene, sodass die Wicklung mit einem hohen Strom versorgt werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung ist ferner das wenigstens eine Energiespeicherelement, wie beispielsweise wenigstens ein Speicherkondensator, auf der der ersten Leiterplatte gegenüber angeordneten zweiten Leiterplatte vorgesehen.
Diese zweite Leiterplatte ist lediglich mit den Gleichspannungsanschlüssen, die durch die erste und die dritte Stromsammelschiene zur Verfügung gestellt werden, verbunden.
Im Ganzen ergibt sich ein kompaktes Stromrichtermodul, bei welchem trotz Verwendung eines einfachen Leiterplattenaufbaus und einfacher Bauelemente hohe Ströme für die Bestromung der Wicklungen der Drehfeldmaschine zur Verfügung gestellt werden können. Darüber hinaus können in der erfindungsgemäß verwendeten Stromrichterschaltung schnelle und schaltverlustarme Leistungsschalter, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren oder IGBTs verwendet werden, sodass auch hohe Ströme mit besonders hoher Frequenz zur Verfügung gestellt werden können. An die Leistungsschalter sind zudem keine erhöhten Anforderungen an deren Stromfestigkeit zu stellen, sodass preiswerte Leistungsschalter verwendet werden können, wodurch die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung kostengünstig herstellbar ist. Hinzu kommt, dass die erfindungsgemäße Anordnung mit nur zwei Dritteln der bei bisherigen Anordnungen benötigten Leistungsschalter auskommt.
Vorzugsweise weist das Stromrichtermodul wenigstens zwei zueinander parallel geschaltete Schaltungsblöcke auf, wobei jeder Schaltungsblock dieser Schaltungsblockgruppe mit einer zweiten Stromsammelschiene zur Bestromung einer Phase der Drehfeldmaschine verbunden ist. Entsprechend kann durch jeden Schaltungsblock eine Phase der Drehfeldmaschine geeignet bestromt werden. Dabei sind die Phasen der Drehfeldmaschine typischerweise in Form einer Sternschaltung miteinander gekoppelt. Grundsätzlich können mit der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung ohne Nachteile auch in Dreieckschaltung verbundene Wicklungen bestromt werden.
Bei einer Variante der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung können an der Drehfeldmaschine mehrere Stromrichtermodule vorgesehen sein, wobei jeder Phase eine Wicklung und jeder der Wicklungen der Drehfeldmaschine eines der Stromrichtermodule zugeordnet ist. Das heißt, bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Stromsammelschiene des Stromrichtermoduls jeweils mit der Wicklung einer Phase der Drehfeldmaschine elektrisch verbunden. Wenn die Drehfeldmaschine beispielsweise dreiphasig betrieben wird, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung für jede der Phasen ein separates Stromrichtermodul vorgesehen.
Aus Platz- und Masseverteilungsgründen ist es hierbei besonders günstig, wenn die Stromrichtermodule gleichmäßig verteilt um einen Außenumfang der Drehfeldmaschine angeordnet sind.
In einer besonders funktionellen Ausbildung der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung weist die Stromrichterschaltung mehrere in Reihe geschaltete Schaltungsblöcke auf, die nebeneinander auf der ersten Leiterplatte angeordnet sind, wobei ein erster Leistungsanschluss eines ersten Leistungsschalters des ersten Schaltungsblockes der in Reihe geschalteten Schaltungsblöcke mit dem negativen Spannungspol und der ersten Stromsammelschiene verbunden ist, und wobei ein zweiter Leistungsschalter des letzten Schaltungsblockes der in Reihe geschalteten Schaltungsblöcke mit dem positiven Spannungspol und der dritten Stromsammelschiene verbunden ist. Durch die mehreren in Reihe geschalteten Schaltungsblöcke kann die Gesamtgleichspannung über den einzelnen Schaltungsblöcken, die als Spannungsteiler dienen, aufgeteilt werden. Entsprechend fällt über jedem Schaltungsblock nur eine Teilspannung ab, sodass für die Schaltungsblöcke Bauelemente mit relativ geringer Spannungsfestigkeit, das heißt z. B. kostengünstige Feldeffekttransistoren, verwendet werden können. Durch die mehreren zweiten Stromsammelschienen kann jede Phase der Drehfeldmaschine geeignet bestromt werden. Somit stellt diese Variante der erfindungsgemäßen Stromvorrichtung eine besonders kompakte Anordnung zur Gesamtbestromung einer Drehfeldmaschine dar.
Besonders variabel wird diese Anordnung der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung, wenn nicht nur mehrere Schaltungsblöcke, sondern mehrere parallel geschaltete Schaltungsblockgruppen zueinander in Reihe geschaltet werden. Dabei können innerhalb der jeweils parallel geschalteten Schaltungsblockgruppen verschiedene Phasen der Drehfeldmaschine durch die einzelnen Schaltungsblöcke bestromt werden, während durch die Reihenschaltung der Schaltungsblockgruppen eine geeignete Spannungsaufteilung auf die Schaltungsblockgruppen ermöglicht wird.
Obwohl grundsätzlich ein Energiespeicherelement, das parallel zu den Schalthalbbrücken geschaltet ist, erfindungsgemäß ausreichend ist, können die Kosten für die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung noch gesenkt werden, wenn jeder Schalthalbbrücke jeweils ein Energiespeicherelement in Form eines Kondensators auf der zweiten Leiterplatte zugeordnet ist. Die Kondensatoren sind dabei zueinander als auch zu den Schalthalbbrücken parallel geschaltet. Somit können besonders einfache und preiswerte Kondensatoren mit vergleichsweise geringer Größe verwendet werden, wodurch nicht nur der Preis, sondern auch die Größe der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung gesenkt werden kann.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Energiespeicherelement so auf der zweiten Leiterplatte angeordnet, dass es den Leistungsschaltern gegenüber ist und in wenigstens einen der Zwischenräume zwischen erster und zweiter Stromsammelschiene oder zwischen zweiter und dritter Stromsammelschiene ragt. Bei einer solchen Anordnung wird der Platz zwischen den beiden Leiterplatten effektiv für die Anordnung der Bauelemente ausgenutzt, sodass die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung insgesamt mit geringen Abmessungen zur Verfügung gestellt werden kann.
In einer geeigneten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung sind die Stromsammelschienen als aufrecht auf der ersten Leiterplatte stehende Leisten ausgebildet. Die Leisten können vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet sein. Solche Leisten eignen sich besonders gut, um die auf der Leiterplatte vorgesehenen Bauelementkontakte quer zu verbinden und einen hohen Strom zu leiten. Indem die Stromsammelschienen aufrecht stehen, nehmen sie in der horizontalen Ausrichtung der Leiterplatte kaum Platz ein, sodass auf und zwischen den Leiterplatten genügend Platz für die Bauelemente der Strom richterschaltung ist.
Vorzugsweise verlaufen die Stromsammelschienen zueinander parallel. Auf diese Weise kann ein geeigneter, gleichbleibender Abstand zwischen den Stromsammelschienen hergestellt werden, um einerseits Kurzschlüsse zwischen den Stromsammelschienen vermeiden und andererseits in den Zwischenräumen zwischen den Stromsammelschienen geeignet die Bauelemente der Stromrichterschaltung anordnen zu können. Dabei ist es besonders günstig, wenn die ersten und zweiten Stromsammelschienen an einander gegenüber liegenden Rändern der ersten und der zweiten Leiterplatte vorgesehen sind und die zweite Stromsammelschiene etwa über die Mitte der ersten Leiterplatte verläuft. Somit können außen an den Leiterplatten die Gleichspannungskontakte zur Verfügung gestellt werden, während durch die über die Mitte der ersten Leiterplatte verlaufende zweite Stromsammelschiene die Brückenzweige der Schalthalbbrücken der Stromrichterschaltung kontaktiert und der gesammelte Strom an eine Wicklung geleitet werden kann.
Wird eine erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung mit mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Schaltungsblöcken und somit mehreren zweiten Stromsammelschienen verwendet, können die zweiten Stromsammelschienen direkt nebeneinander, aber voneinander elektrisch isoliert verlaufen. So können die zweiten Stromsammelschienen platzsparend direkt nebeneinander mit dazwischen vorgesehenen Isolationsschichten im Wesentlichen über die Mitte der ersten Leiterplatte verlaufen und am Ende der Leiterplatte nach außen geführt werden. In dem Bereich, in dem die zweiten Stromsammelschienen nach außen geführt werden, ist es von Vorteil, die Kontaktbereiche der zweiten Stromsammelschienen wieder voneinander abzuzweigen, um Kurzschlüsse zwischen den bestromten Wicklungen ausschließen zu können.
Bei einer solchen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung mit mehreren Schaltungsblöcken und somit mehreren zweiten Stromsammelschienen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die zweiten Stromsammelschienen unterschiedliche Längen aufweisen, wobei die Längen an die Position des durch die jeweilige zweite Stromsammelschiene zu kontaktierenden Schaltungsblockes auf der ersten Leiterplatte angepasst ist. Das heißt, bei dieser Ausführungsform sind die zweiten Stromsammelschienen versetzt zueinander beispielsweise entlang der Mitte der ersten Leiterplatte vorgesehen. Diese Anordnung ermöglicht es, die zweiten Stromsammelschienen geeignet seitlich kontaktieren zu können, obwohl alle zweiten Stromsammelschienen nebeneinander mittig über die erste Leiterplatte verlaufen.
Es hat sich ferner gezeigt, dass es praktisch ist, wenn die erste und die dritte Stromsammelschiene wenigstens auf ihrer der zweiten Leiterplatte zugewandten Seite L-förmig ausgebildet, wie z. B. gebogen, sind. An den L-förmigen Biegeabschnitten lässt sich auf einfache Weise die Leiterplatte, beispielsweise mit Hilfe einer Schraubverbindung, montieren. Außerdem wird durch die L-förmigen Abschnitte ein vorteilhafter Kontaktbereich zwischen den jeweiligen Stromsammelschienen und den Spannungsanschlüssen auf der zweiten Leiterplatte realisiert.
Bei der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung ist es möglich, dass die zu bestromende Wicklung der Drehfeldmaschine direkt an der zweiten Stromsammelschiene des Stromrichtermoduls montiert ist. Es bedarf somit bei dieser Ausführungsform keiner separaten Zuleitung von dem Stromrichtermodul zu der Wicklung. Der hohe, durch die zweite Stromsammelschiene zur Verfügung gestellte Strom kann hierdurch unmittelbar an die Wicklung der Drehfeldmaschine geleitet werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die erste Leiterplatte auf einem Träger montiert ist. Unter dem Träger wir hierbei nicht das Leiterplattensubstrat, sondern eine separate Einheit verstanden, auf welcher die Leiterplatte platzierbar und montierbar ist. Dadurch kann Aluminiumkernleiterplattenmaterial mit einer üblichen Kupferlagendicke von beispielsweise 70 μm für die Ausbildung der ersten Leiterplatte gewählt werden, wobei ein effizienter Wärmetransport von den Leistungsschaltern weg ermöglicht wird. An dem Träger können vorteilhafte Montageeinheiten, wie Verschraubungen oder Klemmeinrichtungen, vorgesehen sein, mithilfe derer die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung bzw. einzelne Stromrichtermodule der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung beispielsweise direkt an der Drehfeldmaschine montiert und/oder mit einer Wicklung der Drehfeldmaschine verbunden werden können.
Dabei ist es besonders günstig, wenn die Form des Trägers an eine Außen- oder Innenkontur der Drehfeldmaschine angepasst ist. Auf diese Weise kann das Stromrichtermodul besonders günstig an einem Außenmantel oder an einem Innenbereich der Drehfeldmaschine angeordnet werden. Dies erspart zusätzliche Stromzuleitungen und entsprechende Verluste. Die Effektivität als auch die Kompaktheit der Drehfeldmaschine können somit erhöht werden.
Beispielsweise kann das Stromrichtermodul direkt an einer Außenkontur, im Gehäuse oder in einer Hohlwelle der Drehfeldmaschine montiert sein.
Die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung eignet sich besonders für eine Anwendung bei Drehfeldmaschinen, die als Transversalflussmotor ausgebildet sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zur Stromregelung an einer Elektroarbeitsmaschine gemäß der oben angegebenen Verfahrensgattung gelöst, wobei eine Spannung innerhalb einer festen Einschaltdauer angelegt wird, daraufhin die Spannung abgeschaltet wird, der Ist-Strom nach einer Sperrzeit innerhalb einer der Spannungsabschaltung nachfolgenden Abmagnetisierungsphase gemessen wird, und in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll-Strom und Ist-Strom durch sukzessive Spannungserhöhung oder Spannungsverringerung, nachfolgende Spannungsabschaltung und während der Spannungsabschaltung erfolgende Strommessung der Ist-Strom an den Soll-Strom angepasst wird, wobei der aktuelle Ist-Strom stets nach einer Sperrzeit innerhalb der der Spannungsabschaltung nachfolgenden Abmagnetisierungsphase gemessen wird.
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise zur Stromregelung besitzt den Vorteil, dass die Einschaltdauer der Spannung jeweils so bemessen werden kann, dass der jeweilige Ist-Strom nicht zu einer kritischen Stromüberhöhung über den Soll-Strom hinaus führt, sondern im Wesentlichen immer unterhalb des Soll-Stromes gehalten werden kann. Auf diese Weise können Zerstörungen bzw. Schädigungen der Bauelemente und/oder der Leitbahnen der verwendeten Stromrichtervorrichtung vermieden werden. Da erfindungsgemäß die Strommessung in der im Vergleich zur Aufmagnetisierung deutlich langsameren Abmagnetisierungsphase vorgenommen wird, kann eine hoch zuverlässige Strommessung durchgeführt werden. Dies erhöht die Genauigkeit der Stromregelung und ermöglicht eine dauerhaft ordnungsgemäße Funktion der Elektroarbeitsmaschine.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
1 schematisch eine Ausführungsform einer Stromrichterschaltung der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung zeigt;
2 schematisch eine Variante eines Schaltungsblockes einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strom richtervorrichtung zeigt;
3 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei ein Stromrichtermodul der Stromrichtervorrichtung an einer Außenkontur einer Drehfeldmaschine montiert ist;
4 schematisch Elemente einer Variante eines erfindungsgemäß verwendeten Stromrichtermoduls in einer perspektivischen Ansicht zeigt;
5 schematisch eine Möglichkeit der Bestromung von drei Wicklungen einer Drehfeldmaschine mit Hilfe einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung zeigt;
6 schematisch eine weitere Möglichkeit der Bestromung von drei Phasen einer Drehfeldmaschine mit Hilfe einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung zeigt, wobei jeder Phase der bestromten Drehfeldmaschine zwei Wicklungen zugeordnet sind (Wicklungsaufteilung);
7 schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel eines Transversalflussmotors zeigt, an dessen Außenkontur Stromrichtermodule einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung angeschlossen sind, wobei jedes Stromrichtermodul einer einer Phase des Transversalflussmotors zugeordneten Wicklung zugeordnet ist;
8 die Ausführungsform von 7 in einem Querschnitt durch den Transversalflussmotor und die daran vorgesehenen Stromrichtermodule zeigt;
9 die Vorgehensweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Stromregelung an einer Elektroarbeitsmaschine anhand eines Flussdiagramms veranschaulicht; und
10 schematisch einzelne Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stromregelung an einer Elektroarbeitsmaschine anhand eines Strom-Zeit-Diagramms zeigt.
1 zeigt schematisch eine Stromrichterschaltung 3 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung, wie beispielsweise der Stromrichtervorrichtung 1 aus 7. Die Stromrichterschaltung 3 weist neun Schaltungsblöcke 5 auf. Bei den Schaltungsblöcken 5 bilden die jeweils ersten drei zueinander parallel geschalteten Schaltungsblöcke 5 eine Schaltungsblockgruppe 5a, die nächsten drei zueinander parallel geschalteten Schaltungsblöcke 5 eine Schaltungsblockgruppe 5b und die letzten drei zueinander parallel geschalteten Schaltungsblöcke 5 eine Schaltungsblockgruppe 5c. Die Schaltungsblockgruppen 5a, 5b und 5c sind zueinander in Reihe geschaltet.
Jeder der Schaltungsblöcke 5 besteht aus einer Parallelschaltung von Energiespeicherelementen 7 und wenigstens zwei aus jeweils zwei Leistungsschaltern 61, 62 ausgebildeten Schalthalbbrücken 6. Die Strichlinien in den einzelnen Schaltungsblöcken 5 sollen verdeutlichen, dass auch mehr als zwei Schalthalbbrücken 6 und auch mehr als der gezeigten drei Energiespeicherelemente 7 in einem Schaltungsblock 5 zueinander parallel geschaltet werden können. Die verwendeten Leistungsschalter 61, 62 sind in dem Beispiel von 1 MOSFET'S (metal oxide semiconductor field effect transistors), die jeweils zwei Leistungsanschlüsse (Source und Drain), einen mit einem der Leistungsanschlüsse verbundenen Volumen- bzw. Bulkanschluss sowie eine Steuerelektrode (Gate) aufweisen.
Die Schaltungsblockgruppen 5a, 5b, 5c, das heißt drei Parallelschaltungen der jeweils drei Schaltungsblöcke 5, sind in Reihe an einen Modulenergiespeicher 4 in Form einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Dabei sind die ersten Leistungsanschlüsse 611 der ersten Leistungsschalter 61 der ersten in der Reihe angeordneten Schaltungsblöcke 5 der Schaltungsblockgruppe 5a mit einem positiven Spannungspol 41 des Modulenergiespeichers 4 verbunden, während jeweils zweite Leistungsanschlüsse 622 und das Bulk 623 von zweiten Leistungsschaltern 62 der letzten in der Reihe befindlichen Schaltungsblöcke 5 der Schaltungsblockgruppe 5c mit einem negativen Spannungspol 42 des Modulenergiespeichers 4 verbunden sind.
Die Brückenzweige 60 der Schalthalbbrücken 6 jedes Schaltungsblockes 5 sind jeweils miteinander verbunden und jeweils mit einer Wicklung A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3 einer in 1 nicht dargestellten Drehfeldmaschine 2 elektrisch verbunden.
Über den Schaltungsblockgruppen 5a, 5b, 5c teilt sich die Gleichspannung U_DC des Modulenergiespeichers 4, wie es beispielhaft durch die angegebenen Spannungsbeträge U_DC/3 veranschaulicht ist, gleichmäßig auf. Das heißt, in dem Beispiel von 1 liegt über jeder Schaltungsblockgruppe 5a, 5b, 5c nur ein Drittel der Gesamtgleichspannung U_DC der Stromrichterschaltung 3 an. Entsprechend können für die einzelnen Schaltungsblöcke 5 Schaltelemente mit einer geringen Spannungsfestigkeit, wie die in 1 verwendeten Leistungsschalter 61, 62, eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann bei der Stromrichterschaltung 3 aus 1 ein relativ hoher Gesamtstrom I verwendet werden, da sich dieser in den Parallelzweigen der Schaltungsblöcke 5a, 5b, 5c jeweils verzweigt. So teilt sich in jedem Schaltungsblock 5a, 5b, 5c der Gesamtstrom 1 derart auf, dass ein Teil über den jeweiligen Energiespeicherelementen 7 und weitere Teile über die jeweiligen Schalthalbbrücken 6 fließen. Bedingt durch die verwendeten wenigstens zwei Schalthalbbrücken 6 pro Schaltungsblock 5 sind die Teilströme, die durch jede der Schalthalbbrücken 6 fließen, im Vergleich zu dem Gesamtstrom 1 relativ gering. Dies schafft die Möglichkeit, für die Ausbildung der Leiterbahnen der Schaltungsblöcke 5 herkömmliche Leiterplattenmaterialien mit einer herkömmlichen Stromfestigkeit einzusetzen. So kann jeder der Schaltungsblöcke 5 auf einer Leiterplatte mit einer Kupferschichtdicke von beispielsweise 70 μm kontaktiert werden.
Unter einer Leiterplatte wird erfindungsgemäß ein mit Leitbahnen und Kontaktanschlüssen für Bauelemente oder Anschlussleitungen versehenes Leiterplattensubstrat verstanden. Das Leiterplattensubstrat besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Es ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, eine flache Platte. Die Leitbahnen und die Kontaktanschlüsse sind aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise aus Kupfer, ausgebildet. Die Leitbahnen können beispielsweise geätzte linienförmige Leitbahnen sein.
Je mehr Schalthalbbrücken 6 bei der Stromrichterschaltung 3 der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1 pro Schaltungsblock 5 verwendet werden, umso geringer sind die Anforderungen an die Stromfestigkeit der verwendbaren Leiterplatinen.
2 zeigt beispielsweise eine Variante eines Schaltungsblockes 5' einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1 mit wenigstens fünf parallel geschalteten Schalthalbbrücken 6. Durch die zusätzlich vorgesehenen Schalthalbbrücken 6 ergeben sich hier besonders geringere Teilströme in den einzelnen Leiterzügen der Schaltungsblöcke 5'. Somit kann bei Verwendung des Schaltungsblockes 5' aus 2 in einer Stromrichterschaltung 3, wie sie in 1 gezeigt ist, besonders günstiges Leiterplattenmaterial zum Einsatz kommen und dennoch mit einem hohen Gesamtstrom 1 gearbeitet werden. Der Gesamtstrom 1 wird hierbei, wie es bereits in 1 schematisch dargestellt ist, an erste Leistungsanschlüsse 611 von ersten Leistungsschaltern 61 der jeweils ersten in Reihe befindlichen Schaltungsblöcke 5 bzw. 5' der Schaltungsblockgruppe 5a herangeführt und von zweiten Leistungsanschlüssen 622 von zweiten Leistungsschaltern 62 der letzten Schaltungsblöcke 5 bzw. 5' der Schaltungsblockgruppe 5c der jeweils verwendeten Reihenschaltung von Schaltungsblöcken 5 bzw. 5' wieder abgeführt. Die jeweils zweiten Leistungsanschlüsse 612 der ersten Leistungsschalter 61 und die jeweils ersten Leistungsanschlüsse 621 der zweiten Leistungsschalter 62 der jeweiligen Schaltungsblöcke 5 bzw. 5' sind mit den Brückenzweigen 60 der Schalthalbbrücken 6 verbunden. Über den Brückenzweigpolen wird der Strom gesammelt und an die jeweils zugehörige Wicklung A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3, wie in 1 gezeigt, geleitet.
Die Stromzu- und -ableitung zu bzw. von der Stromrichterschaltung 3 erfolgt, wie es ebenfalls in 2 schematisch dargestellt ist, über mit den jeweiligen Spannungspolen 41, 42' bzw. Brückenzweigen 60 gekoppelte Stromsammelschienen 11, 12, 13. Die Stromsammelschienen 11, 12, 13 sind vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet. Die Stromsammelschienen 11, 12, 13 können beispielsweise auf der Leiterplatte, auf der die Leistungsschalter 61, 62 angeordnet sind, senkrecht aufstehen. Eine erste Stromsammelschiene 11 ist dabei mit dem positiven Spannungspol (Pluspol P) 41 verbunden, mit welchem auch die ersten Leistungsanschlüsse 611 der ersten Leistungsschalter 61 der ersten, in der Reihenschaltung befindlichen Schaltungsblöcke 5, 5' der Schaltungsblockgruppe 5a verbunden sind. Eine dritte Stromsammelschiene 13 ist mit dem negativen Spannungspol (Minuspol M) 42 des Modulenergiespeichers 4 elektrisch verbunden, mit welchem auch die zweiten Leistungsanschlüsse 622 der zweiten Leistungsschalter 62 der letzten, in der Reihenschaltung befindlichen Schaltungsblöcke 5, 5' der Schaltungsblockgruppe 5c verbunden sind.
Ferner ist für jeden der verwendeten Schaltungsblöcke 5, 5' eine zweite Stromsammelschiene (L) 12 vorgesehen, die die jeweiligen Brückenzweige 60 der Schalthalbbrücken 6 des jeweiligen Schaltungsblockes 5, 5' miteinander elektrisch verbindet und deren Strom gesammelt zu der zugehörigen Wicklung A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3 führt.
In der Ausführungsform von 2 ist zu jeder Schalthalbbrücke 6 ein Energiespeicherelement 7 parallel geschaltet. Die Energiespeicherelemente 7 befinden sich nicht auf der gleichen Leiterplatte wie die Leistungsschalter 61, 62, sondern auf einer dieser gegenüber liegenden Leiterplatte 10, wie es im Folgenden anhand von 3 näher veranschaulicht ist. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Energiespeicherelementen 7, beispielsweise in Form von Speicherkondensatoren, können Speicherkondensatoren mit verringerter Stromfestigkeit verwendet werden.
3 zeigt schematisch ein Stromrichtermodul 101 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht. Das Stromrichtermodul 101 ist an einer Außenkontur einer Drehfeldmaschine 2 montiert.
Das Stromrichtermodul 101 weist eine Leiterplatte 9 auf, auf welcher Leistungsschalter, 61, 62, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren oder IGBTs, montiert und elektrisch kontaktiert sind. Im Ausführungsbeispiel von 3 finden in dem Stromrichtermodul 101 jeweils fünf Leistungsschalter 61 und fünf Leistungsschalter 62 Anwendung, wobei jeweils ein Leistungsschalter 61 und ein weiterer Leistungsschalter 62 in Form einer Schalthalbbrücke 6 miteinander verbunden sind und jeweils fünf solcher Schalthalbbrücken 6 zueinander parallel geschaltet sind, wie es beispielsweise aus 1 und 2 ersichtlich ist.
Die Leistungsschalter 61, 62 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel herkömmliche, preiswerte Feldeffekttransistoren. Die verwendete Leiterplatte 9 ist ebenfalls eine Standardleiterplatte, auf welcher Leiterzüge ausgebildet sind, die bis zu 100 A beständig sind. Beispielsweise können die Leiterzüge der Leiterplatte 9 eine Kupferschichtdicke von 70 μm aufweisen.
Die Brückenzweige 60 der Schalthalbbrücken 6 sind mittels einer zweiten Stromsammelschiene 12 elektrisch miteinander verbunden. Die zweite Stromsammelschiene 12 ist direkt mit einer Wicklung A1 zur Bestromung einer Phase der Drehfeldmaschine 2 verbunden.
Darüber hinaus sind erste Leistungsanschlüsse der Leistungsschalter 61 mit einem positiven Spannungspol 41 einer beispielsweise in 1 dargestellten Modulenergiespeichers 4 verbunden, während zweite Leistungsanschlüsse der Leistungsschalter 62 mit einem negativen Spannungspol 42 des Modulenergiespeichers 4 verbunden sind. Die positiven Spannungspole 41 sind über eine erste Stromsammelschiene 11 miteinander elektrisch verbunden, während die negativen Spannungspole 42 über eine dritte Stromsammelschiene 13 miteinander elektrisch verbunden sind.
Die ersten und dritten Stromsammelschienen 11, 13 sind in dem Ausführungsbeispiel von 3 als winkelförmige Aluminiumplatten ausgebildet. Dabei weisen die Stromsammelschienen 11, 13 auf ihrer der Leiterplatte 9 weggewandten Seite L-förmige Biegungen 111, 131 auf. In dem Beispiel von 3 liegt auf den L-förmigen Biegungen 111, 131 eine zweite Leiterplatte 10 auf. Auf der Leiterplatte 10 sind die Energiespeicherelemente 7, vorliegend Speicherkondensatoren, montiert und elektrisch kontaktiert. Die Energiespeicherelemente 7 sind derart auf der Leiterplatte 10 elektrisch kontaktiert, dass sie parallel zu den parallel geschalteten Schalthalbbrücken 6 auf der ersten Leiterplatte 9 geschaltet sind. Die Schalthalbbrücken 6 sowie die dazu parallel geschalteten Energiespeicherelemente 7 bilden gemeinsam einen Schaltungsblock 5 aus. Innerhalb des Schaltungsblockes 5 wird der Gesamtstrom, der durch das Stromrichtermodul 101 fließt, auf die parallel geschalteten Schalthalbbrücken 6 und die ebenfalls dazu parallel geschalteten Energiespeicherelemente 7 aufgeteilt. Somit erfährt jede Schalthalbbrücke 6 nur eine entsprechend der Anzahl der Parallelzweige verringerte Strombelastung. In der Summe können jedoch dem Stromrichtermodul 101 über die strombeständigen Stromsammelschienen 11, 13 geeignet hohe Gesamtströme zu- und wieder abgeführt werden. Ferner können über die zweite Stromsammelschiene 12 geeignet hohe Wicklungsströme an die mit der zweiten Stromsammelschiene 12 verbundene Wicklung A1 geleitet werden.
4 zeigt schematisch Elemente einer Variante eines erfindungsgemäß verwendeten Stromrichtermoduls 101' in einer perspektivischen Ansicht. Das Stromrichtermodul 101' weist im Wesentlichen ähnliche Elemente wie das Stromrichtermodul 101 aus 3 auf, weshalb an dieser Stelle auf obige Ausführungen zu dem Stromrichtermodul 101 verwiesen wird. Es sind allerdings in der Darstellung von 4 insbesondere die Bauelemente der Stromrichterschaltung der Übersichtlichkeit halber weggelassen, um den mechanischen Grundaufbau des Stromrichtermodules 101' besser erläutern zu können.
Das Stromrichtermodul 101' weist eine erste Leiterplatte 9 und eine zweite Leiterplatte 10 auf, wobei sich die ersten und dritten Stromsammelschienen 11, 13 senkrecht aufstehend auf der ersten Leiterplatte 9 bis hin zu der zweiten Leiterplatte 10 erstrecken. Entsprechend sind zwischen den Leiterplatten 9 und 10 Zwischenräume vorhanden, in welchen geeignet die hier nicht dargestellten Leistungsschalter 61, 62 und Energiespeicherelemente 7 eingebracht werden können. Dabei sind die Energiespeicherelemente 7 so auf der zweiten Leiterplatte 10 vorgesehen, dass sie den Leistungsschaltern 61, 62 auf der ersten Leiterplatte 9 gegenüber sind. Somit können die Zwischenräume zwischen den Leiterplatten 9, 10 effektiv zur Unterbringung der Bauelemente der Stromrichterschaltung 3 verwendet werden. Insbesondere können durch den relativ großen Zwischenraum zwischen den Leiterplatten 9, 10 preisgünstige Energiespeicherelemente 7 mit relativ großen Abmessungen im Vergleich zu den Leistungsschaltern 61, 62 untergebracht werden.
Das Stromrichtermodul 101' ist im Vergleich zu dem Stromrichtermodul 101 aus 3 für eine Unterbringung von drei zueinander parallel geschalteten Schaltungsblöcken 5 vorgesehen. Wie es auch aus 1 hervorgeht, werden hierbei jeweils die Brückenzweige 60 der einzelnen Schaltungsblöcke 5 elektrisch über jeweils eine zweite Stromsammelschiene 12a, 12b, 12c miteinander verbunden. Die Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c sind hierfür als etwa mittig und senkrecht auf der ersten Leiterplatte 9 aufstehende metallische Leisten ausgebildet. Die Länge dieser Leisten ist an die Position der jeweils zu kontaktierenden Leistungsschalter 61, 62 auf der Leiterplatte 9 angepasst, das heißt, die Leisten der Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c sind unterschiedlich lang, sodass das jeweilige offene Ende der Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c elektrisch kontaktiert werden kann.
Wie es ferner aus 4 ersichtlich ist, verzweigen sich die Enden der zweiten Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c an einer Endseite des Stromrichtermoduls 101', sodass an den herausgeführten Endkontakten 121a, 121b, 121c der zweiten Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c die jeweiligen, jeweils einer Phase zugeordneten Wicklungen A1, B1, C1 der Drehfeldmaschine 2 angeschlossen werden können.
Um die zweiten Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c direkt aneinander anliegend zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte 9, 10 führen zu können, sind zwischen den zweiten Stromsammelschienen 12a und 12b sowie zwischen den zweiten Stromsammelschienen 12b und 12c Isolatoren bzw. isolierende Schichten 122, 123 vorgesehen, um Kurzschlüsse zwischen den zweiten Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c ausschließen zu können.
Die erste Leiterplatte 9 ist auf einem Träger 14 angeordnet. Der Träger 14 kann beispielsweise an die Form einer Außenkontur der zu bestromenden Drehfeldmaschine 2 oder auch an eine Innenkontur einer solchen Drehfeldmaschine 2 angepasst sein. An dem Träger 14 sind Montageelemente 141 vorgesehen, mithilfe welcher der Träger 14 beispielsweise an einer Drehfeldmaschine 2 montiert werden kann.
5 zeigt schematisch eine Möglichkeit der Bestromung von drei Wicklungen A1, A2, A3 einer Drehfeldmaschine 2 mit Hilfe einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1. In dem Ausführungsbeispiel von 5 kommen drei Schaltungsblöcke 5 oder 5' zum Einsatz. Jeder der Schaltungsblöcke 5 ist mit einer Wicklung A1, B1, C1 gekoppelt. Die Schaltungsblöcke 5 sind hierzu parallel geschaltet. Die Schaltungsblöcke 5 sind ferner parallel zu einem Modulenergiespeicher 4 geschaltet. Die Wicklungen A1, B1, C1 sind in Sternschaltung miteinander verbunden.
6 zeigt schematisch eine weitere Möglichkeit der Bestromung von drei Phasen einer Drehfeldmaschine 2 mit Hilfe einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1, wobei jeder Phase der bestromten Drehfeldmaschine 2 jeweils zwei Wicklungen A1, A2; B1, B2; C1, C2 zugeordnet sind. In dem Beispiel von 6 kommen jeweils zwei Schaltungsblockgruppen 5a, 5b von drei parallel geschalteten Schaltungsblöcken 5 oder 5' zum Einsatz. Dabei ist die Schaltungsblockgruppe 5 zu der Schaltungsblockgruppe 5b sowie zu einem Modulenergiespeicher 4 in Reihe geschaltet. Jedem der Schaltungsblöcke 5 ist je eine Wicklung A1, B1, C1, A2, B2, C2 zugeordnet. Die Wicklungen A1, B1 und C1 sowie die Wicklungen A2, B2 und C2 sind jeweils in Sternschaltung miteinander verbunden.
7 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel einer Drehfeldmaschine 2 in Form einer Transversalflussmaschine, an deren Außenkontur Stromrichtermodule 101, 102, 103 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1 angeschlossen sind. Die Stromrichtermodule 101, 102, 103 können hierbei beispielsweise wie in 3 gezeigt und oben ausgeführt ausgebildet sein. Jedes der Stromrichtermodule 101, 102, 103 weist wenigstens einen Lastausgang (L), das heißt eine zweite Stromsammelschiene 12 auf, die mit einer Wicklung verbunden ist.
So kann bei der in 7 dargestellten Transversalflussmaschine eine Kaskadenanordnung aus beispielsweise drei Stator-Rotor-Stator-Anordnungen verwendet werden, wobei jede Wicklung jeder Stator-Rotor-Stator-Anordnung separat durch ein Stromrichtermodul 101, 102, 103 bestromt werden kann.
8 zeigt die Ausführungsform der Stromrichtervorrichtung 1 von 7 in einem Querschnitt durch die Transversalflussmaschine und die darin vorgesehenen Stromrichtermodule 101, 102, 103.
9 veranschaulicht die Vorgehensweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Stromregelung an einer Elektroarbeitsmaschine, wie einer Drehfeldmaschine bzw. einer Transversalflussmaschine, anhand eines Flussdiagramms.
10 zeigt schematisch einzelne Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stromregelung an der Elektroarbeitsmaschine anhand eines Strom-Zeit-Diagramms.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird wie folgt vorgegangen: Ausgehend von einem Anfangszustand (Zustand 1 in 9) wird innerhalb einer festen Einschaltzeit t₁ eine Spannung angelegt. Zum Zeitpunkt t₁ stellt sich somit der in 10 schematisch dargestellte Stromwert I_mess1 ein.
Sobald die Einschaltzeit t₁ erreicht ist, wird die Spannung abgeschaltet (Zustand 2 in 9/Einschaltsperre).
Daraufhin wird eine Sperrzeit t_Sperr abgewartet. Nach Ablauf der Sperrzeit t_Sperr erfolgt eine Strommessung. Dies ist im Beispiel von 10 der Zeitpunkt t_mess1, an welchem ein erster Stromwert I_Ist = I_mess1 gemessen wird. Der gemessene Ist-Strom I_mess1 wird mit einem vorgegebenen Soll-Stromwert I_Soll verglichen. Ist der erste Messstrom I_mess1 geringer als der Soll-Strom I_Soll, beginnt die in 9 veranschaulichte Regelung von Neuem. Das heißt, es wird wiederum während einer fest vorgegebenen Einschaltzeit, das heißt in 10 in der Zeit t₂ – t_mess1, eine weitere Spannung angelegt. Nach Ablauf einer vorgegebenen Einschaltzeit wird die Spannung wieder abgeschaltet. Nach einer Sperrzeit t_Sperr, das heißt in 10 nach Ablauf der Sperrzeit t_mess2 – t₂, erfolgt zum Zeitpunkt t_mess2 eine zweite Messung des Ist-Stromes. Der zweite gemessene Strom I_mess2 wird wiederum mit dem Soll-Strom I_Soll verglichen. Ergibt sich erneut eine Differenz zwischen Ist-Strom I_mess2 und Soll-Strom I_Soll, wird die Regeleung gemäß dem Schema von 9 fortgeführt. Die Regelung erfolgt solange, bis die gemessene Ist-Strom I_mess dem Soll-Strom I_Soll entspricht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Ist-Strom stets in der Abmagnetisierungsphase gemessen, in welcher Zeit der Messfehler deutlich geringer als während der Aufmagnetisierung ist. Ferner ist die erfindungsgemäße Verfahrensweise dadurch gekennzeichnet, dass in der Abmagnetisierungsphase stets eine Sperrzeit t_Sperr abgewartet wird, bis die Strommessung erfolgt. Die Sperrzeit t_Sperr entspricht der Mindestzeit, die erforderlich ist, um die Schaltfrequenz der verwendeten Leistungsschalter nicht zu überschreiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010008978 A1 [0004, 0005]

Claims

Stromrichtervorrichtung (1) für eine Drehfeldmaschine (2), mit einer Stromrichterschaltung (3), die wenigstens einen in Reihe mit einem Modulenergiespeicher (4) geschalteten Schaltungsblock (5, 5') aufweist, wobei der Schaltungsblock (5, 5') wenigstens eine aus Leistungsschaltern (61, 62) ausgebildete Brückenschaltung aufweist, bei welcher jeweils ein erster Leistungsanschluss (611) eines ersten Leistungsschalters (61) mit einem positiven Spannungspol (41), ein zweiter Leistungsanschluss (622) eines zweiten Leistungsschalters (6) mit einem negativen Spannungspol (42) und der zweite Leistungsanschluss (612) des ersten Leistungsschalters (61) sowie der erste Leistungsanschluss (621) des zweiten Leistungsschalters (62) mit einem Brückenzweig (60) der Brückenschaltung verbunden sind, parallel zu der Brückenschaltung ein Energiespeicherelement (7) geschaltet ist, und der Brückenzweig (60) des Schaltungsblockes (5) mit einer Wicklung (A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3) der Drehfeldmaschine (2) zur Ausbildung eines Stromflusses in der Wicklung (A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schaltungsblock (5, 5') wenigstens zwei parallelgeschaltete, jeweils zwei Leistungsschalter (61, 62) aufweisende Schalthalbbrücken (6) aufweist; der Schaltungsblock (5, 5') auf einer ersten Leiterplatte (9) angeordnet und kontaktiert ist; die Stromrichtervorrichtung (1) bis wenigstens 500 A beständige Stromsammelschienen (11, 12, 13) aufweist, wobei eine erste Stromsammelschiene (11) mit dem positiven Spannungspol (41) des Modulenergiespeichers (4), eine zweite Stromsammelschiene (12) mit den Brückenzweigen (60) der Schalthalbbrücken (6) und eine dritte Stromsammelschiene (13) mit dem negativen Spannungspol (42) des Modulenergiespeichers (4) elektrisch verbunden ist; das wenigstens eine Energiespeicherelement (7) auf einer der ersten Leiterplatte (9) gegenüber angeordneten zweiten Leiterplatte (10) vorgesehen ist und auf der zweiten Leiterplatte (10) mit der ersten und der dritten Stromsammelschiene (11, 13) elektrisch verbunden ist; die erste und die dritte Stromsammelschiene (11, 13) jeweils mit den Spannungspolen (41, 42) des Modulenergiespeichers (4) und die zweite Stromsammelschiene (12) mit einer Wicklung (A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3) der Drehfeldmaschine (2) elektrisch verbindbar oder verbunden sind; und die Leiterplatten (9, 10) mit den darauf vorgesehenen Bauelementen (61, 62, 7) und den Stromsammelschienen (11, 12, 13) unter Ausbildung eines Stromrichtermoduls (101, 102, 103) miteinander verbunden sind.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromrichtermodul (101, 102, 103) wenigstens zwei zueinander parallel geschaltete Schaltungsblöcke (5, 5') aufweist, wobei jeder Schaltungsblock (5, 5') dieser Schaltungsblockgruppe mit einer zweiten Stromsammelschiene (12a, 12b, 12c) zur Bestromung einer Phase der Drehfeldmaschine (2) verbunden ist.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Drehfeldmaschine (2) mehrere Stromrichtermodule (101, 102, 103) vorgesehen sind, jeder Phase der Drehfeldmaschine (2) eine Wicklung (A1, B1, C1) und jeder Wicklung (A1, B1, C1) eines der Stromrichtermodule (101, 102, 103) zugeordnet ist.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichtermodule (101, 102, 103) gleichmäßig verteilt um einen Außenumfang der Drehfeldmaschine (2) angeordnet sind.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichterschaltung (3) mehrere in Reihe geschaltete Schaltungsblöcke (5, 5') aufweist, die nebeneinander auf der ersten Leiterplatte (9) angeordnet sind, wobei ein erster Leistungsanschluss (611) eines ersten Leistungsschalters (61) des ersten Schaltungsblockes (5a) der in Reihe geschalteten Schaltungsblöcke (5, 5') mit dem positiven Spannungspol (41) und der ersten Stromsammelschiene (11) verbunden ist, ein zweiter Leistungsschalter (62) des letzten Schaltungsblockes (5c) der in Reihe geschalteten Schaltungsblöcke (5, 5') mit dem negativen Spannungspol (42) und der dritten Stromsammelschiene (13) verbunden ist, und für jeden der Schaltungsblöcke (5a, 5b, 5c) eine zweite Stromsammelschiene (12a, 12b, 12c) vorgesehen ist, die mit den Brückenzweigen (60) der Schalthalbbrücken (6) des jeweiligen Schaltungsblockes (5a, 5b, 5c) verbunden ist.
Stromrichtervorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schaltungsblockgruppen in Reihe zueinander geschaltet sind.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schalthalbbrücke (6) ein jeweils parallel geschaltetes Energiespeicherelement (7) in Form eines Kondensators auf der zweiten Leiterplatte (10) zugeordnet ist.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Energiespeicherelement (7) so auf der zweiten Leiterplatte (10) angeordnet ist, dass es den Leistungsschaltern (61, 62) gegenüber ist und in wenigstens einem der Zwischenräume zwischen erster und zweiter Stromsammelschiene (11, 12) oder zwischen zweiter und dritter Stromsammelschiene (12, 13) vorgesehen ist.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsammelschienen (11, 12, 13) als aufrecht auf der ersten Leiterplatte (9) stehende Leisten ausgebildet sind.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsammelschienen (11, 12, 13) zueinander parallel verlaufen.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Stromsammelschienen (11, 12, 13) voneinander elektrisch isoliert nebeneinander verlaufen.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Stromsammelschienen (11, 12, 13) unterschiedliche Längen aufweisen, wobei die Längen an die Position des durch die jeweilige zweite Stromsammelschiene (11, 12, 13) zu kontaktierenden Schaltungsblockes (5, 5') auf der ersten Leiterplatte (9) angepasst sind.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die dritte Stromsammelschiene (11, 13) wenigstens auf ihrer der zweiten Leiterplatte (10) zugewandten Seite L-förmig ausgebildet sind.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3) der Drehfeldmaschine (2) direkt mit der zweiten Stromsammelschiene (12) des Stromrichtermoduls (101, 102, 103) verbunden ist.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (9) auf einem Träger (14) montiert ist.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Trägers (14) an eine Außen- oder Innenkontur der Drehfeldmaschine (2) angepasst ist.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromrichtermodul (101, 102, 103) direkt an einer Außenkontur, im Gehäuse oder in einer Hohlwelle der Drehfeldmaschine (2) montiert ist.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldmaschine (2) eine Transversalflussmaschine ist.
Verfahren zur Stromregelung an einer Elektroarbeitsmaschine, wobei eine Spannung an die Elektroarbeitsmaschine angelegt, mit Hilfe eines Stromsensors ein Ist-Strom (I_Ist) gemessen und in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem Soll-Strom (I_Soll) und Ist-Strom (I_Ist) durch erneutes Anlegen einer Spannung der Ist-Strom (I_Ist) solange verändert wird, bis der Ist-Strom I_Ist an den Soll-Strom (I_Soll) angepasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung innerhalb einer festen Einschaltdauer (t₁) angelegt wird, daraufhin die Spannung abgeschalten wird, der Ist-Strom (I_Ist) nach einer Sperrzeit (t_Sperr) innerhalb einer der Spannungsabschaltung nachfolgenden Abmagnetisierungsphase gemessen wird, und in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll-Strom (I_Soll) und Ist-Strom (I_Ist) durch sukzessive Spannungserhöhung oder Spannungsverringerung, nachfolgende Spannungsabschaltung und während der Spannungsabschaltung erfolgende Strommessung der Ist-Strom (I_Ist) an den Soll-Strom (I_Soll) angepasst wird, wobei der aktuelle Ist-Strom (I_Ist) stets nach einer Sperrzeit (t_Sperr) innerhalb der der Spannungsabschaltung nachfolgenden Abmagnetisierungsphase gemessen wird.