DE102013016960A1 - Inverter unit for electric machine has control device to control inverter switches and bridge switches to close, and to cause free-wheel to control one of bridge switches and other inverter switches to open in response to error signal - Google Patents
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- H02H9/047—Free-wheeling circuits
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Wechselrichtereinheit für eine elektrische Maschine mit einem DC/DC-Wandler einschließlich einer Brücke mit zwei Brückenzweigen, die jeweils einen Brückenschalter aufweisen, einem Stromzwischenkreis am Ausgang der Brücke, einem an den Stromzwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter mit mehreren Phasen, die jeweils zwei Wechselrichterschalter pro Zweig aufweisen, und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Brückenschalter und der Wechselrichterschalter. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Wechselrichtereinheit.The invention relates to an inverter unit for an electrical machine with a DC / DC converter including a bridge with two bridge branches, each having a bridge switch, a power link at the output of the bridge, a connected to the power link inverter with multiple phases, each two inverter switches per branch, and a controller for controlling the bridge switch and the inverter switch. Moreover, the present invention relates to a method for operating such an inverter unit.
Eine Wechselrichtereinheit mit Stromzwischenkreis kann als Leistungsglied für einen Traktionsantrieb eingesetzt werden. Im Fall einer Störung müssen alle Systemkomponenten (elektrische Maschine, Wechselrichtereinheit und Batterie) in einen sicheren Zustand gebracht werden. Während des Abschaltvorgangs können aufgrund der passiven Komponenten im System sehr hohe Überspannungen und -ströme entstehen. Diese müssen durch geeignete Abschaltstrategien beherrscht werden, um die Bauteile während des Abschaltvorgangs zu schützen. Es ist daher wünschenswert, entsprechende Abschaltstrategien für den Einsatz einer Wechselrichtereinheit mit Stromzwischenkreis zu finden.An inverter unit with current intermediate circuit can be used as a power element for a traction drive. In the event of a fault, all system components (electrical machine, inverter unit and battery) must be brought to a safe state. During the shutdown process, very high overvoltages and currents may occur due to the passive components in the system. These must be controlled by suitable switch-off strategies in order to protect the components during the switch-off process. It is therefore desirable to find corresponding switch-off strategies for the use of an inverter unit with current intermediate circuit.
Aus der Druckschrift
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Wechselrichtereinheit mit Stromzwischenkreis bereitzustellen, die sicher betrieben und insbesondere sicher abgeschaltet werden kann. Darüber hinaus soll ein entsprechendes Betriebsverfahren bereitgestellt werden.The object of the present invention is thus to provide an inverter unit with current intermediate circuit, which can be operated safely and in particular safely switched off. In addition, a corresponding operating method should be provided.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Wechselrichtereinheit für eine elektrische Maschine mit
- – einem DC/DC-Wandler einschließlich einer Brücke mit zwei Brückenzweigen, die jeweils einen Brückenschalter aufweisen,
- – einem Stromzwischenkreis am Ausgang der Brücke,
- – einem an den Stromzwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter mit mehreren Phasen, die jeweils zwei Wechselrichterschalter aufweisen, und
- – einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Brückenschalter und der Wechselrichterschalter, wobei
- – die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem Fehlersignal in einem ersten Schritt einen aktiven Kurzschluss zu bewirken, indem alle Wechselrichterschalter geschlossen werden und ein Brückenschalter geschlossen wird, und in einem zweiten Schritt einen Freilauf zu bewirken, indem die Wechselrichterschalter eines Brückenbeins geschlossen und die übrigen Wechselrichterschalter geöffnet werden.
- A DC / DC converter including a bridge with two bridge branches, each having a bridge switch,
- A current intermediate circuit at the output of the bridge,
- A multiphase inverter connected to the power link, each having two inverter switches, and
- - A control device for controlling the bridge switch and the inverter switch, wherein
- - The control device is adapted to cause in response to an error signal in a first step, an active short circuit by all inverter switches are closed and a bridge switch is closed, and to effect a freewheel in a second step by the inverter switches a bridge leg closed and the remaining inverter switches are opened.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Betreiben einer Wechselrichtereinheit für eine elektrische Maschine mit einem DC/DC-Wandler einschließlich einer Brücke mit zwei Brückenzweigen, die jeweils einen Brückenschalter aufweisen, einem Stromzwischenkreis am Ausgang der Brücke und einem am den Stromzwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter mit mehreren Phasen, die jeweils zwei Wechselrichterschalter aufweisen, durch
- – Erfassen eines Fehlersignals,
- – Bewirken eines aktiven Kurzschlusses von Anschlüssen der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von dem Fehlersignal, indem alle Wechselrichterschalter geschlossen werden und ein Brückenschalter geschlossen wird, und
- – Bewirken eines Freilaufs der elektrischen Maschine, indem die Wechselrichterschalter eines der Brückenbeine geschlossen und die übrigen Wechselrichterschalter geöffnet werden.
- Detecting an error signal,
- - causing an active short circuit of terminals of the electric machine in response to the error signal by all inverter switches are closed and a bridge switch is closed, and
- - To cause a freewheel of the electric machine by the inverter switch one of the bridge legs closed and the other inverter switches are opened.
In vorteilhafter Weise wird also im Fehlerfall, wenn ein Fehlersignal erfasst wird, zunächst ein aktiver Kurzschluss am Ausgang des Wechselrichters bewirkt, und anschließend ein Freilauf der elektrischen Maschine. Dies hat den Vorteil, dass zunächst bei dem aktiven Kurzschluss geringe Überspannungen auftreten und die dabei auftretenden hohen Spitzendrehmomente durch die anschließende Schaltung in den Freilauf reduziert werden.In the event of a fault, when an error signal is detected, an active short circuit at the output of the inverter is advantageously effected first, followed by a freewheeling of the electrical machine. This has the advantage that initially low overvoltages occur during the active short circuit and the high peak torques occurring during this process are reduced by the subsequent switching to the freewheeling system.
Vorzugsweise ist an dem Eingang des DC/DC-Wandlers ein Batterieschütz angeordnet, der in dem ersten Schritt geöffnet wird, um im Fehlerfall die Batterie abzutrennen.Preferably, a battery contactor is arranged at the input of the DC / DC converter, which is opened in the first step in order to disconnect the battery in the event of a fault.
Darüber hinaus kann der Stromzwischenkreis eine Spule aufweisen, und die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, in einem an dem zweiten Schritt anschließenden dritten Schritt sämtliche Brückenschalter und Wechselrichterschalter zu öffnen, wenn die Spule bis zu einem vorgegebenen Maß entmagnetisiert ist. In diesem Zustand kann das System sicher abgeschaltet werden.In addition, the current intermediate circuit may comprise a coil, and the Control device may be configured to open in a third step subsequent to the second step, all bridge switches and inverter switches when the coil is demagnetized to a predetermined extent. In this state, the system can be shut down safely.
Außerdem kann die Wechselrichtereinheit eine Spannungsschätzeinrichtung aufweisen, mit der eine Spannung am Ausgang des Wechselrichters oder an einer daran angeschlossenen Filtereinrichtung schätzbar ist, und die Steuereinrichtung kann dann dazu ausgelegt sein, in Abhängigkeit von der geschätzten Spannung von dem ersten Schritt zu dem zweiten Schritt zu schalten. Dadurch kann das Schalten vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf in Abhängigkeit von maximal zulässigen Bauteilspannungen erfolgen.In addition, the inverter unit may comprise voltage estimation means for estimating a voltage at the output of the inverter or a filter means connected thereto, and the controller may then be configured to switch from the first step to the second step depending on the estimated voltage , As a result, the switching from the active short circuit to the freewheel can take place as a function of the maximum permissible component voltages.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:The present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.The embodiments described in more detail below represent preferred embodiments of the present invention.
Die Wechselrichtereinheit
Die beiden Leitungen des Stromzwischenkreises
Der Wechselrichter
Sowohl die Brückenschalter S_dcdc_1, S_dcdc_2 als auch die Wechselrichterschalter S1 bis S6 aber auch die Batterieschütze S_Battschutz_1, S_Battschutz_2 sind hier geöffnet, so dass sich das System im „aus”-Zustand befindet. Dieser Zustand soll aus einem normalen Betriebszustand heraus im Fehlerfall sicher erreicht werden können. Der DC/DC-Wandler dient zu Rekuperationszwecken.Both the bridge switches S_dcdc_1, S_dcdc_2 and the inverter switches S1 to S6 but also the battery contactors S_Battschutz_1, S_Battschutz_2 are opened here so that the system is in the "off" state. This state should be able to be safely reached from a normal operating state in the event of a fault. The DC / DC converter is used for recuperation purposes.
Tritt nun in einem normalen Betriebszustand des Systems ein Fehlerfall auf, so muss die in
Erfindungsgemäß wird daher im Fehlerfall, d. h. bei vorliegendem Fehlersignal, zunächst ein aktiver Kurzschluss an den Ausgängen des Wechselrichters
Es wird also im Fehlerfall zunächst von der Steuereinrichtung in den in
Aufgrund der Nachteile des aktiven Kurzschlusses wird in den Freilauf gemäß
Beide Strategien (aktiver Kurzschluss und Freilauf) haben also Vor- und Nachteile. Der aktive Kurzschluss muss, ausgehend von einem statischen Zustand in der Regel zunächst aktiviert werden, sonst droht die Gefahr einer Bauteilzerstörung. Vorteil des Freilaufs ist, dass der Wechselrichter von der elektrischen Maschine getrennt ist, kein Stromfluss von der Maschine in den Wechselrichter erfolgt und die Zwischenkreisinduktivität über Schalter und Zwischenkreis entmagnetisiert werden, was einen anschließenden „aus”-Zustand ermöglicht.Both strategies (active short circuit and freewheeling) have advantages and disadvantages. The active short circuit must, starting from a static state, usually first be activated, otherwise there is a risk of a component destruction. The advantage of freewheeling is that the inverter is disconnected from the electrical machine, there is no current flow from the machine to the inverter and the DC link inductance is demagnetized via the switch and the DC link, which enables a subsequent "off" state.
Erfindungsgemäß werden also beide Strategien (aktiver Kurzschluss und Freilauf) kombiniert, wobei zunächst der aktive Kurzschluss erfolgt und nach Erfüllung bestimmter Kriterien ein Umschalten in den Freilauf erfolgt. Nach dem Umschalten in den Freilauf sollte solange gewartet werden, bis der Zwischenkreis entmagnetisiert ist. Danach können alle Schalter in den sicheren Zustand ausgeschaltet werden. Kritisch ist das Umschalten vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf. Dabei erfolgt ein forciertes Öffnen der Wechselrichterzweige. Der fließende Strom muss dabei auf die Filterkapazitäten übergehen. Nach dem Umschalten in den Freilauf ergibt sich ein elektrisches Netzwerk mit Kapazitäten des Filters
Mit Hilfe des oben erwähnten Überspannungsabschätzers wird nun abgeschätzt, ob die jeweiligen Überspannungen im Filter oder an den Schaltern zum jeweils aktuellen Zeitpunkt unterhalb einer vorgegebenen zulässigen Spannung im Freilauf liegen. Dazu kann insbesondere überwacht werden, ob sämtliche Spitzenspannungen an den Filterkondensatoren unter einer zulässigen Maximalspannung liegen. Dieses Entscheidungskriterium kann für das geregelte Umschalten vom aktiven Kurzschluss zum Freilauf verwendet werden.With the aid of the above-mentioned overvoltage estimator, it is now estimated whether the respective overvoltages in the filter or at the switches are in free-running at the respective current point in time below a predetermined permissible voltage. In particular, it can be monitored whether all the peak voltages at the filter capacitors are below a permissible maximum voltage. This decision criterion can be used for the regulated switching from active short circuit to freewheeling.
Ein weiteres Entscheidungskriterium für das geregelte Umschalten vom aktiven Kurzschluss zum Freilauf besteht in Bezug auf Leiter-Leiter-Spannungen zwischen den Leitern
Sind beide oben genannten Entscheidungskriterien erfüllt, kann die Steuereinrichtung vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf schalten.If both of the above-mentioned decision criteria are met, the control device can switch from the active short circuit to the freewheel.
Eine Fehlerfallregelung der batteriebetriebenen elektrischen Maschine
- a) Statischer Betrieb: Das System befindet sich in einem normalen Betriebsmodus. Eine Fehlerfallregelung ist inaktiv.
- b) Aktiver Kurzschluss: Im Fehlerfall wird der aktive Kurzschluss aktiviert. Die Batterie wird zunächst mit Hilfe von Leistungsschützen von der Leistungselektronik abgetrennt. Die Fehlerfallregelung wird aktiv und die Spannungen an den kritischen Bauteilen werden geschätzt. Der Regler bzw. die Steuereinrichtung löst ein Umschalten in den Freilauf aus, sobald vordefinierte Bedingungen bezüglich der geschätzten Spannungen erfüllt sind.
- c) Freilauf: Es erfolgt kein Stromfluss mehr von der elektrischen Maschine und den Filtern in den Wechselrichter. Der Zwischenkreis wird entmagnetisiert. Der Regler bzw. die Steuereinrichtung schaltet um in den „aus”-Zustand, sobald der Zwischenkreis entmagnetisiert ist.
- d) „aus”-Zustand: Alle Schalter sind ausgeschaltet. Die Batterie ist abgetrennt und der Zwischenkreis ist entmagnetisiert. Es liegt ein sicherer Zustand vor.
- a) Static operation: The system is in a normal operating mode. An error control is inactive.
- b) Active short circuit: In the event of a fault, the active short circuit is activated. The battery is first disconnected from the power electronics with the help of power contactors. The fault control becomes active and the voltages at the critical components are estimated. The controller or the control device triggers a switchover to the freewheel as soon as predefined conditions with regard to the estimated voltages are fulfilled.
- c) Freewheel: There is no current flow from the electrical machine and the filters in the inverter. The DC link is demagnetized. The controller or the control device switches to the "off" state as soon as the DC link is demagnetized.
- d) "off" state: all switches are off. The battery is disconnected and the DC link is demagnetized. There is a safe state.
Besonderheiten der Fehlerfallregelung bzw. -steuerung können bei Arbeitspunkten hoher mechanischer Leistung auftreten. Dazu gehören hohe Ströme und/oder hohe induzierte Spannungen, die zu unzulässig hohen Überspannungen führen. Außerdem kann ein Umschalten in den Freilauf erst dann ermöglicht werden, wenn die Drehzahl ausreichend abgesunken und damit die induzierte Spannung entsprechend niedrig ist. Dies wäre ein weiteres Entscheidungskriterium neben den maximal zulässigen Spannungen. Bei derartigen Arbeitspunkten kann das System also längere Zeit im aktiven Kurzschluss verweilen, wodurch die Nachteile eines solchen aktiven Kurzschlusses nicht vollständig kompensierbar wären.Special features of fault control or control can occur at operating points of high mechanical performance. These include high currents and / or high induced voltages that lead to excessively high overvoltages. In addition, a switch to the freewheel can only be made possible when the speed drops sufficiently and thus the induced voltage is correspondingly low. This would be another decision criterion in addition to the maximum allowable voltages. With such operating points, the system can therefore remain for a longer time in the active short circuit, whereby the disadvantages of such an active short circuit would not be fully compensated.
Zusammenfassend trennt also die Fehlerfallregelung im Fehlerfall die elektrische Maschine und die Filterkapazitäten von der Leistungselektronik. In einem solchen Fehlerfall erfolgt das Schalten in den aktiven Kurzschluss ohne Nebenbedingungen. Eine Regelung bzw. Steuerung zum Umschalten vom aktiven Kurzschluss in den Freilauf basiert auf einer Vorhersage der zu erwartenden Spannungsspitzen im Filter und über die Leistungselektronik. Dadurch lassen sich kritische Überspannungen vermeiden und hohe negative Drehmomentspitzen können durch den aktiven Kurzschluss verringert werden. Nach der Entmagnetisierung des Zwischenkreises werden alle Schalter ausgeschaltet und die Leistungselektronik ist somit vollständig abgetrennt.In summary, the fault control in the event of a fault thus separates the electrical machine and the filter capacitors from the power electronics. In such an error case, switching to the active short-circuit occurs without additional conditions. A control or control for switching from the active short circuit in the freewheel is based on a prediction of the expected voltage spikes in the filter and the power electronics. This can avoid critical overvoltages and high negative torque peaks can be reduced by the active short circuit. After the demagnetization of the DC link all switches are turned off and the power electronics is thus completely disconnected.
In vorteilhafter Weise kombiniert die vorliegende Erfindung somit die Vorteile beider Fehlerfallstrategien und meidet gleichzeitig die Nachteile vorzugsweise durch geeignete Bestimmung des Umschaltzeitpunktes durch einen Überspannungsabschätzer, so dass die elektrische Maschine sicher von der Wechselrichtereinheit mit Stromzwischenkreis abgeschaltet werden kann, ohne andere Systemkomponenten durch Überspannungen zu zerstören.Advantageously, the present invention thus combines the advantages of both failure strategies and at the same time avoids the disadvantages by properly determining the switchover time by a surge estimator so that the electrical machine can be safely shut down by the DC link inverter unit without destroying other system components by overvoltages.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- WechselrichtereinheitInverter unit
- 22
- Batteriebattery
- 33
- elektrische Maschineelectric machine
- 44
- DC/DC-WandlerDC / DC converter
- 55
- StromzwischenkreisCurrent intermediate circuit
- 66
- Wechselrichterinverter
- 77
- Leiterladder
- 88th
- Leiterladder
- 99
- Leiterladder
- 1010
- Filterfilter
- 1111
- Sternpunktstar point
- V_BattV_Batt
- ideale Spannungsquelleideal voltage source
- R_BattR_Batt
- Batteriewiderstandbattery resistance
- S_Battschutz_1S_Battschutz_1
- Batterieschützbattery contactor
- S_Battschutz_2S_Battschutz_2
- Batterieschützbattery contactor
- S_dcdc_1S_dcdc_1
- Brückenschalterbridge switch
- S_dcdc_2S_dcdc_2
- Brückenschalterbridge switch
- D1D1
- Diodediode
- D2D2
- Diodediode
- L_ZKL_ZK
- Induktivitätinductance
- S1 bis S6S1 to S6
- WechselrichterschalterInverter switch
- C_Filterc_filter
- Filterkondensatorfilter capacitor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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