DE102013004218A1

DE102013004218A1 - Circuit arrangement for operating a reluctance machine

Info

Publication number: DE102013004218A1
Application number: DE102013004218.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Pfau; Ralf Michael Oswald
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer geschalteten Reluktanzmaschine (SRM) an einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, bei der eine Steuerung (CU) mittels einer steuerbaren Schalteinrichtung an die Magnetspulen (L1 bis L3) der Reluktanzmaschine (SRM) in Schaltphasen nacheinander die Betriebsspannung (Ub+) anlegt. Ein modifizierter B6-Inverter (3) mit sechs Halbleiterschaltern (T1 bis T6) dient als steuerbare Schalteinrichtung, bei dem die elektrischen Verbindungen zwischen in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern (T1 bis T6) des B6-Inverters (3) aufgetrennt und als Leistungsanschlüsse (U1 bis U2) zur Stromeinspeisung in die Magnetspulen (L1 bis L3) der Reluktanzmaschine (SRM) ausgebildet sind.The invention relates to a circuit arrangement for operating a switched reluctance machine (SRM) on an electrical system of a motor vehicle, in which a control (CU) by means of a controllable switching device to the magnetic coils (L1 to L3) of the reluctance machine (SRM) in switching phases successively the operating voltage (Ub + ) applies. A modified B6 inverter (3) with six semiconductor switches (T1 to T6) serves as a controllable switching device in which the electrical connections between series-connected semiconductor switches (T1 to T6) of the B6 inverter (3) separated and as power terminals (U1 to U2) are designed for current injection into the magnet coils (L1 to L3) of the reluctance machine (SRM).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer geschalteten Reluktanzmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for operating a switched reluctance machine according to the preamble of patent claim 1.

Geschaltete Reluktanzmaschinen werden auch mit der Abkürzung SRM bezeichnet, die von der englischen Bezeichnung „switched reluctance motor” abgeleitet ist. Die Reluktanzmaschinen können beispielsweise eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen an Rotor und Stator besitzen, wobei Statorzähne mit Magnetspulen umwickelt sind. Im Betrieb der Reluktanzmaschine werden die Magnetspulen abwechselnd so ein- und ausgeschaltet, dass die Zähne am Rotor in Richtung der bestromten Magnetspulen der Statorzähne bewegt werden. Daraufhin wird in der nächsten Schaltphase dann auf Magnetspulen anderer Statorzähne umgeschaltet, so dass diese den Rotor zur Weiterdrehung veranlassen. Die aufeinanderfolgenden Schaltphasen der verwendeten Magnetspulen sorgen somit insgesamt dafür, dass der Rotor in Rotation versetzt wird.Switched reluctance machines are also referred to by the abbreviation SRM, which is derived from the English term "switched reluctance motor". The reluctance machines may, for example, have a different number of teeth on the rotor and the stator, with stator teeth being wound with magnetic coils. During operation of the reluctance machine, the magnet coils are alternately switched on and off in such a way that the teeth on the rotor are moved in the direction of the energized magnet coils of the stator teeth. Then, in the next switching phase then switched to magnetic coils of other stator teeth, so that they cause the rotor to continue rotation. The successive switching phases of the magnetic coils used thus ensure overall that the rotor is set in rotation.

Zum Schalten der Magnetspulen einer Reluktanzmaschine können Metall-Oxid-Halbleiterschalter, so genannte MOSFETs, oder auch andere Halbleiterschalter verwendet werden, die für Leistungsanwendungen geeignet sind. Mittels derartiger Halbleiterschalter lassen sich die einzelnen Magnetspulen der Reluktanzmaschine separat und in einer gewünschten Reihenfolge nacheinander bestromen, so dass die Reluktanzmaschine mit einer gewünschten elektrischen Leistung und Drehzahl betrieben werden kann.For switching the magnetic coils of a reluctance machine metal-oxide semiconductor switches, so-called MOSFETs, or other semiconductor switches are suitable, which are suitable for power applications. By means of such semiconductor switches, the individual magnet coils of the reluctance machine can be energized separately and in a desired sequence one after the other, so that the reluctance machine can be operated with a desired electrical power and speed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer geschalteten Reluktanzmaschine anzugeben, die möglichst einfach realisierbar ist.The invention has for its object to provide a circuit arrangement for operating a switched reluctance machine, which is as simple as possible.

Die Lösung dieser Aufgabe erhält man mit den Merkmalen des Patentanspruch 1. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The solution to this problem is obtained by the features of claim 1. Particularly advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruch 1 umfasst die Schaltungsanordnung einen insbesondere modifizierten B6-Inverter mit sechs Halbleiterschaltern als steuerbare Schalteinrichtung, wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern des B6-Inverters aufgetrennt und als Leistungsanschlüsse zur Stromeinspeisung in die Magnetspulen der Reluktanzmaschine ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäße Modifizierung des B6-Inverters kann die Schaltungsanordnung unter Verwendung eines herkömmlichen B6-Inverters sehr kostengünstig realisiert werden, da derartige Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter in verhältnismäßig großen Stückzahlen und mit einer entsprechend hohen Fertigungsqualität am Markt verfügbar sind.According to the characterizing part of claim 1, the circuit arrangement comprises a particular modified B6 inverter with six semiconductor switches as a controllable switching device, wherein the electrical connections between the series-connected semiconductor switches of the B6 inverter are separated and formed as power terminals for power supply to the magnetic coils of the reluctance machine , The inventive modification of the B6 inverter, the circuit arrangement using a conventional B6 inverter can be realized very cheaply, since such DC AC inverters are available in relatively large quantities and with a correspondingly high quality manufacturing on the market.

Ein wichtiger Erfindungsaspekt betrifft eine Reluktanzmaschine mit integrierten Entladungsdioden. Erst die integrierten Entladungsdioden erlauben die Bereitstellung eines modularen Inverters für den Betrieb einer Asynchronmaschine (ASM), einer permanenterregten Elektromaschine (PSM) und letztlich auch einer Reluktanzmaschine (SRM). Allgemein ausgedrückt sind daher die erforderlichen Entladungsdioden den Magnetspulen zuzuordnen, beziehungsweise in unmittelbarer Nähe an der Reluktanzmaschine bzw. integriert in der Reluktanzmaschine an deren Magnetspulen anzuordnen. Die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Magnetspulen und den Entladungsdioden können auf diese Weise sehr kurz ausgebildet werden, was einen großen Vorteil hinsichtlich zu vermeidender Störstrahlungen hat. Die kurzen Verbindungsleitungen und die unmittelbare Anordnung im Bereich der Magnetspulen reduziert damit die auftretenden Störstrahlungseinflüsse auf sonstige Steuereinrichtungen. Dies ist besonders wesentlich, wenn die Reluktanzmaschine in einem Kraftfahrzeug als Startergenerator eingesetzt wird, so dass die übrigen im Kraftfahrzeug angeordneten Steuereinrichtungen von auftretenden Störstrahlungen nicht beeinflusst werden.An important aspect of the invention relates to a reluctance machine with integrated discharge diodes. Only the integrated discharge diodes allow the provision of a modular inverter for the operation of an asynchronous machine (ASM), a permanent-magnet electric machine (PSM) and ultimately also a reluctance machine (SRM). Generally speaking, therefore, the required discharge diodes are assigned to the magnetic coils, or to be arranged in the immediate vicinity of the reluctance machine or integrated in the reluctance machine at the magnetic coils. The electrical connection lines between the magnetic coils and the discharge diodes can be made very short in this way, which has a great advantage in terms of avoidable interference radiation. The short connecting lines and the immediate arrangement in the field of magnetic coils thus reduces the interference occurring on other control devices. This is particularly important when the reluctance machine is used in a motor vehicle as a starter generator, so that the other arranged in the motor vehicle control devices are not affected by the interference occurring.

Weiterhin kann eine zusätzliche Zwischenkreiskapazität an der Bordnetzspannung im Bereich der Reluktanzmaschine angeordnet sein, um auftretende Störstrahlungseinflüsse zu reduzieren.Furthermore, an additional DC link capacitance can be arranged on the vehicle electrical system voltage in the region of the reluctance machine in order to reduce occurring interference radiation influences.

Die Schaltungsanordnung kann sehr vorteilhaft für den Betrieb einer als Startergenerator dienenden Reluktanzmaschine vorgesehen sein, jedoch sind auch andere Einsatzbereiche möglich. Wird die Reluktanzmaschine als Startergenerator eingesetzt, kann diese an einem Bordnetz von beispielsweise 24 V Gleichstrom unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung betrieben werden.The circuit arrangement can be provided very advantageously for the operation of a reluctance machine serving as a starter generator, but other applications are possible. If the reluctance machine is used as a starter generator, it can be operated on a vehicle electrical system of, for example, 24 V direct current using the circuit arrangement according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen naher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments illustrated in the drawings. Show it:

1 eine herkömmliche Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Reluktanzmaschine, 1 a conventional circuit arrangement for controlling a reluctance machine,

2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Reluktanzmaschine und 2 a circuit arrangement according to the invention for controlling a reluctance machine and

3 einen herkömmlich aufgebauter B6-Inverter für den Betrieb eines Drei-Phasen-Motors in Sternschaltung. 3 a conventionally constructed B6 inverter for the operation of a star-connected three-phase motor.

1 zeigt den Stand der Technik einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer geschalteten Reluktanzmaschine SRM, die die Magnetspulen U, V, W besitzt. 1 shows the state of the art of a circuit arrangement for driving a switched reluctance SRM, which has the magnetic coils U, V, W.

Zum Schalten der Magnetspulen U, V, W sind Halbleiterschalter T1 bis T6 vorgesehen, die als Lestungs-MOSFETs ausgebildet sind. Die Halbleiterschalter T1 bis T6 werden jeweils an ihrem Gate, welches den Steuereingang darstellt, von einer Steuerung CU gesteuert. Zur Bestromung der Magnetspule U schaltet die Steuerung CU die Halbleiterschalter T1 und T2 auf Durchgang, so dass gemäß der strichpunktierten Linie 1 ein Ladestrom durch die Magnetspule U fließt. Werden die Halbleiterschalter T1 und T2 von der Steuerung CU danach wieder abgeschaltet, fließt ein Entladestrom entsprechend der unterbrochenen Linie 2 über Dioden D1 und D2. Ein Kondensator C1 dient als Entstörkapazität und ist an die Betriebsspannung zwischen Ub+ und Ub– angeschlossen.For switching the magnetic coils U, V, W semiconductor switches T1 to T6 are provided, which are designed as latching MOSFETs. The semiconductor switches T1 to T6 are each controlled at their gate, which represents the control input, by a controller CU. To energize the solenoid U, the controller CU switches the semiconductor switches T1 and T2 to passage, so that according to the dot-dash line 1 a charging current flows through the magnetic coil U. If the semiconductor switches T1 and T2 are then switched off again by the controller CU, a discharge current flows according to the broken line 2 via diodes D1 and D2. A capacitor C1 serves as a suppression capacity and is connected to the operating voltage between Ub + and Ub-.

In gleicher Weise laufen die Schaltphasen an den Halbleiterschaltern T3, T4 bzw. T5, T6 ab.In the same way, the switching phases take place at the semiconductor switches T3, T4 and T5, T6.

2 zeigt nun die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der die Halbleiterschalter T1 bis T6 Bestandteil eines herkömmlichen B6-Inverters 3 sind, der jedoch bzgl. seiner internen Leitungsverbindungen so abgeändert wurde, dass zum Einen jeder der Halbleiterschalter T1 bis T6 und zum Anderen die Spannungsversorgung zu einer externen Verbindungsleitung U1, V1, W1 und W2, V2, U2 sowie Ub+ und Ub– führt. 2 now shows the circuit arrangement according to the invention, in which the semiconductor switches T1 to T6 part of a conventional B6 inverter 3 However, with respect to its internal line connections, it has been modified such that, on the one hand, each of the semiconductor switches T1 to T6 and, on the other hand, the voltage supply leads to an external connection line U1, V1, W1 and W2, V2, U2 as well as Ub + and Ub-.

In 3 ist die Verdrahtung innerhalb eines herkömmlich aufgebauten B6-Inverters ersichtlich, der dort zum Betrieb einer Dreiphasen-Maschine in Sternschaltung dient. Zur Verwendung des B6-Inverters von 3 als steuerbare Schalteinrichtung zur Ansteuerung einer Reluktanzmaschine, wie dies in 2 dargestellt ist, müssen die elektrischen Leitungsverbindungen zwischen den in 3 dargestellten Halbleiterschaltern T1 und T4 bzw. T2 und T5 bzw. T3 und T6 jeweils aufgetrennt werden. Die aufgetrennten Leitungsverbindungen zwischen den Halbleiterschaltern sind dann gemäß 2 aus dem als unterbrochene Linie 4 dargestellten Gehäuse des B6-Inverters einzeln zu den Verbindungsleitungen U1, V1, W1 und W2, V2, U2 herausgeführt.In 3 Figure 3 shows the wiring within a conventionally constructed B6 inverter used to drive a three-phase machine in star connection. To use the B6 inverter of 3 as a controllable switching device for controlling a reluctance machine, as in 2 is shown, the electrical wiring between the in 3 shown semiconductor switches T1 and T4 or T2 and T5 or T3 and T6 are each separated. The disconnected line connections between the semiconductor switches are then according to 2 from the broken line 4 shown housing of the B6 inverter individually led out to the connecting lines U1, V1, W1 and W2, V2, U2.

2 zeigt weiterhin, dass unmittelbar an den Magnetspulen L1 bis L3 des Stators der Reluktanzmaschine SRM Entladungsdioden D1 bis D6 angeordnet sind, über die ein Entladestrom von Ub– nach Ub+ an jeder einzelnen Magnetspule abfließen kann. 2 further shows that directly to the magnetic coils L1 to L3 of the stator of the reluctance SRM discharge diodes D1 to D6 are arranged, via which a discharge current of Ub- to Ub + can flow at each solenoid.

Zusätzlich zu der in 2 dargestellten Kapazität C1, die im modifizierten B6-Inverter 3 vorgesehen ist, kann auch in der Reluktanzmaschine SRM eine weitere Zwischenkreiskapazität C2 vorgesehen sein.In addition to the in 2 shown capacity C1, the modified B6 inverter 3 is provided, a further intermediate circuit capacitance C2 may also be provided in the reluctance machine SRM.

Nachfolgend werden aufeinanderfolgende Schaltphasen beschrieben, die jeweils durch Ansteuerung der Halbleiterschalter T1 bis T6 an den jeweiligen Gate-Anschlüssen G1 bis G6 ausgeführt werden. Die Ansteuerung der Gate-Anschlüsse G1 bis G6 erfolgt dabei mittels einer Steuerung CU, wie diese in 1 dargestellt ist.Subsequently, successive switching phases will be described which are executed by driving the semiconductor switches T1 to T6 at the respective gate terminals G1 to G6, respectively. The control of the gate terminals G1 to G6 takes place by means of a controller CU, as this in 1 is shown.

Zur Bestromung der Magnetspule L1 werden die Halbleiterschalter T1 und T2 mittels einer Ansteuerung an ihren Gate-Anschlüssen G1 und G2 auf Durchgang geschaltet, so dass über die Halbleiterschalter T1 und T2 ein Ladestrom durch die Magnetspule L1 fließt. Bei Beendigung der Schaltphase werden die Halbleiterschalter T1 und T2 wieder gesperrt, wobei gleichzeitig bzw. nachfolgend die nächste Schaltphase an den Halbleiterschaltern T3 und T4 eingeleitet werden kann. Mit Beendigung der Schaltphase an den Halbleiterschaltern T1, T2 bewirkt die in der Magnetspule L1 induzierte Spannung einen Entladestrom, der über die Dioden D1 und D2 abfließt.For energizing the magnetic coil L1, the semiconductor switches T1 and T2 are switched to passage by means of a drive at their gate terminals G1 and G2, so that via the semiconductor switches T1 and T2, a charging current flows through the magnetic coil L1. Upon completion of the switching phase, the semiconductor switches T1 and T2 are disabled again, at the same time or subsequently, the next switching phase can be initiated at the semiconductor switches T3 and T4. Upon completion of the switching phase to the semiconductor switches T1, T2 induced in the solenoid L1 voltage causes a discharge current, which flows through the diodes D1 and D2.

Die an den Halbleiterschaltern T3, T4 eingeleitete nächste Schaltphase bewirkt, dass durch die Magnetspule L2 der Reluktanzmaschine SRM ein Ladestrom fließt, bis die Halbleiterschalter T3, T4 wieder abgeschaltet werden, worauf ein Entladestrom über die Dioden D3 und D4 nach Ub+ abfließt.The next switching phase introduced at the semiconductor switches T3, T4 causes a charging current to flow through the magnetic coil L2 of the reluctance machine SRM until the semiconductor switches T3, T4 are switched off again, whereupon a discharge current flows via the diodes D3 and D4 to Ub +.

In gleicher Weise kann dann die dritte Schaltphase durch ein Durchschalten der Halbleiterschalter T5, T6 erfolgen, bis diese dann am Ende der dritten Schaltphase wieder abgeschaltet bzw. gesperrt werden.In the same way then the third switching phase can be done by turning on the semiconductor switches T5, T6, until they are then turned off or disabled again at the end of the third switching phase.

Claims

Circuit arrangement for operating a switched reluctance machine (SRM) on an electrical system of a motor vehicle, in which a control (CU) by means of a controllable switching device to the magnetic coils (L1 to L3) of the reluctance machine (SRM) in switching phases successively the operating voltage (Ub +, Ub-) is applied, characterized in that the controllable switching device is an inverter, in particular a modified B6 inverter ( 3 ), with semiconductor switches (T1 to T6), in which the electrical connections between series-connected semiconductor switches (T1 to T6) of the B6 inverter ( 3 ) and separated via separate connecting lines (U1, V1, W1 and W2, V2, U2) for power supply to the magnetic coils (L1 to L3) of the reluctance machine (SRM) are formed.

Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that discharge diodes (D1 to D6) are integrated in the reluctance machine (SRM).

Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that a discharge diode (D1, D2; D3, D4; D5, D6) is connected to each magnet coil (L1 to L3) of the reluctance machine (SRM) on both sides.

Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the discharge diodes (D1 to D6) are connected to the reluctance machine (SRM) via shortest possible connecting lines to the magnetic coils (L1 to L3).

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between the poles of the vehicle electrical system voltage (Ub +, Ub-) in or on the reluctance machine (SRM) optionally a DC link capacitance (C2) is provided.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement is provided for the operation of a reluctance machine (SRM) serving as a starter generator.

Vehicle, in particular motor vehicle, with a circuit arrangement according to one of the preceding claims.