DE102014000331A1

DE102014000331A1 - Elektrisches System zur Einspeisung von elektrischer Energie für den Betrieb eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102014000331A1
Application number: DE102014000331.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Neuburger; Georg Schmidt
Original assignee: HOCHSCHULE ESSLINGEN
Current assignee: HOCHSCHULE ESSLINGEN
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2015-07-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches System mit einem Elektromotor, einer mit dem Elektromotor verbundenen Inverterschaltung, die an einem Eingang anliegende Gleichspannung einer ersten elektrischen Energiequelle in Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors wandelt, und wenigstens einem Eingang für den Anschluss einer zweiten elektrischen Energiequelle, bspw. eines Photovoltaik-Moduls. Der Eingang für den Anschluss der zweiten elektrischen Energiequelle ist bei dem vorgeschlagenen System direkt mit dem Sternpunkt des Elektromotors verbunden. Bei diesem elektrischen System und dem zugehörigen Verfahren wird damit die von der zweiten elektrischen Energiequelle bereitgestellte elektrische Energie über den Sternpunkt direkt in den Elektromotor eingespeist. Dadurch wird die Anzahl an erforderlichen Komponenten für ein derartiges Motorsystem gegenüber dem Stand der Technik verringert und die Effizienz der Nutzung von bspw. Solarenergie oder anderen alternativen Energien erhöht.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches System mit einem Elektromotor, einer mit dem Elektromotor verbundenen Inverterschaltung, die an einem ersten Eingang anliegende Gleichspannung einer ersten elektrischen Energiequelle in Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors wandelt, und einem zweiten Eingang für den Anschluss wenigstens einer zweiten elektrischen Energiequelle, die Gleichspannung bzw. Gleichstrom liefert, insbesondere eines Photovoltaik-Moduls. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren für den Betrieb eines Elektromotors mit einer ersten elektrischen Gleichspannungs-Energiequelle und wenigstens einer zweiten elektrischen Gleichspannungs-Energiequelle, insbesondere einem Photovoltaik-Modul.
Neue Antriebskonzepte, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, nutzen Elektromotoren entweder als einzige Antriebsquelle in Elektro-Fahrzeugen oder zusammen mit einem Benzin- oder Dieselmotor in Hybrid-Fahrzeugen. Ein grundsätzliches Problem stellt bei diesen Fahrzeugen die Bereitstellung der elektrischen Energie dar, da diese im Kraftfahrzeug gespeichert werden muss. Das hohe Gewicht und die nur begrenzte Speicherkapazität der bisher eingesetzten Akkumulatoren begrenzt die Reichweite eines reinen Elektro-Fahrzeugs. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Reichweite stellt die mobile Nutzung von Solarenergie im Fahrzeug dar, durch die zusätzliche elektrische Energie für den Betrieb des Elektromotors bereitstellt werden kann. Hierzu werden am Kraftfahrzeug Photovoltaik-Module angebracht, deren elektrische Energie für den Betrieb des Elektromotors genutzt wird.
Stand der Technik
Das elektrische System eines Elektromotors umfasst neben dem Elektromotor mit den entsprechenden Wicklungen eine mit diesem verbundene Inverterschaltung, die an einem Eingang anliegende Gleichspannung der elektrischen Energiequelle, insbesondere eines als Energiequelle benutzten Akkumulators, in Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors wandelt. Bei zusätzlicher Nutzung eines Photovoltaik-Moduls, wie dies beispielsweise in E. J. Simburger et al., „PV Prius", IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record, vol. 2, 2006, Seiten 2404 bis 2406, beschrieben ist, wird die vom Photovoltaik-Modul bereitgestellte elektrische Leistung über einen DC/DC-Umsetzer in den Akkumulator geleitet und anschließend aus dem Akkumulator über die Inverterschaltung in den Elektromotor.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektrisches System sowie ein Verfahren für den Betrieb eines Elektromotors anzugeben, mit denen zusätzliche elektrische Energie, die in Form einer Gleichspannung bzw. eines Gleichstroms bereitgestellt wird, wie beispielsweise Solarenergie, effizienter und kostengünstiger für den Antrieb der Elektromotors genutzt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem elektrischen System und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Systems sowie des zugehörigen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Das vorgeschlagene elektrische System, im Folgenden auch als Motorsystem bezeichnet, umfasst einen Elektromotor, der eine elektrische Sternschaltung mit einem Sternpunkt aufweist, eine mit dem Elektromotor verbundene Inverterschaltung, die eine an einem ersten Eingang anliegende Gleichspannung einer ersten elektrischen Energiequelle in Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors wandelt, und einen zweiten Eingang für den Anschluss wenigstens einer zweiten elektrischen Energiequelle, beispielsweise eines Photovoltaik-Moduls, die eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom liefert. Das Motorsystem zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Eingang für den Anschluss der zweiten elektrischen Energiequelle mit dem Sternpunkt des Elektromotors verbunden ist.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren für den Betrieb eines Elektromotors mit einer elektrischen ersten Gleichspannungs-Energiequelle und wenigstens einer elektrischen zweiten Gleichspannungs-Energiequelle, beispielsweise eines Photovoltaik-Moduls, wird die von der zweiten Gleichspannungs-Energiequelle bereitgestellte elektrische Energie somit über den Sternpunkt der Elektromotors direkt in den Elektromotor eingespeist. Die Versorgung über die elektrische erste Gleichspannungs-Energiequelle erfolgt in bekannter Weise über die Inverterschaltung zwischen der ersten Gleichspannungs-Energiequelle und dem Elektromotor.
Durch das vorgeschlagene elektrische System und das zugehörige Verfahren wird somit die von der zweiten elektrischen Energiequelle zusätzlich bereitgestellte elektrische Energie direkt, d. h. ohne zusätzlichen DC/DC-Umsetzer, in den Elektromotor eingespeist. Die Inverterschaltung für die erste elektrische Energiequelle erfüllt in diesem Fall zwei Funktionen. Zum einen wandelt sie die von der ersten elektrischen Energiequelle wie bspw. einem Akkumulator am Gleichspannungseingang (erster Eingang) bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung für den Betrieb der Elektromotors. Zum anderen ermöglicht sie die Steuerung des Leistungsflusses von der zweiten elektrischen Energiequelle, beispielsweise einem Photovoltaik-Modul oder einer Brennstoffzelle, in den Elektromotor über das durch entsprechende Ansteuerung der Inverterschaltung einstellbare elektrische Potential am Sternpunkt. Im Vergleich zu der bisher realisierten Einspeisung von auf Solarenergie basierender elektrischer Leistung über den Gleichspannungseingang an der Inverterschaltung werden somit weniger Komponenten für ein derartiges Motorsystem benötigt. Damit wird eine Gewichtseinsparung und eine kostengünstigere und effizientere Nutzung der Solarenergie oder einer anderen Form elektrischer Energie für den Betrieb des Elektromotors erreicht.
Das vorgeschlagene elektrische System und das zugehörige Verfahren lassen sich für alle Arten von Elektromotoren einsetzen, die eine elektrische Sternschaltung der Wicklungen mit einem Sternpunkt aufweisen. Dies können sowohl synchrone als auch asynchrone elektrische Maschinen, elektrische Maschinen mit Permanentmagneten oder auch fremd- oder hybriderregte Elektromotoren sein. Die elektrische Energie aus der zweiten elektrischen Energiequelle, beispielsweise einem Photovoltaik-Modul, wird direkt in den Sternpunkt des Elektromotors eingeleitet. Der Elektromotor verwendet somit den Strom leistungsabhängig von der ersten elektrischen Energiequelle bzw. dem Akkumulator, direkt aus der zweiten elektrischen Energiequelle oder aus beiden Quellen. Bei Energieüberschuss wird die aus der zweiten elektrischen Energiequelle gelieferte überschüssige elektrische Energie im Akkumulator gespeichert.
Das elektrische System und das zugehörige Verfahren lassen sich für alle Anwendungen einsetzen, in denen ein Elektromotor neben einer stationären elektrischen Energiequelle auch mit Solarenergie oder einer anderen Form von elektrischer Energie betrieben werden soll, die in Form einer Gleichspannung bzw. eines Gleichstroms bereitgestellt wird. Ein Beispiel hierfür ist der Bereich der Elektromobilität, insbesondere Kraftfahrzeuge mit Hybrid- oder reinem Elektroantrieb. Das vorgeschlagene elektrische System bzw. Motorsystem und das zugehörige Verfahren erhöhen hierbei die Reichweite derartiger Fahrzeuge. Ein weiteres Beispiel für den Einsatz des vorgeschlagenen Systems und des zugehörigen Verfahrens ist die Energieversorgung einer Mobilfunk-Basisstation in wenig erschlossenen Gebieten, bei der beispielsweise ein Dieselgenerator und ein Photovoltaik-Modul kombiniert werden können.
Der Eingang für den Anschluss der zweiten elektrischen Energiequelle – und somit der Ausgang der zweiten elektrischen Energiequelle – ist bei dem vorgeschlagenen elektrischen System vorzugsweise über wenigstens eine Diode mit dem Sternpunkt des Elektromotors verbunden, um einen Rückfluss elektrischer Energie vom Elektromotor in die zweite elektrische Energiequelle zu verhindern. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Eingang für das Photovoltaik-Modul über eine Reihenschaltung aus wenigstens einer Diode und wenigstens einer Induktivität mit dem Sternpunkt des Elektromotors verbunden. Die zusätzliche Induktivität reduziert die Stromwelligkeit und damit Halbleiter- und Induktivitätsverluste im elektrischen System. Anstelle einer Diode lässt sich in den obigen Ausgestaltungen auch jede andere elektrische Schaltung einsetzen, die einen Rückfluss elektrischer Energie vom Elektromotor in die zweite elektrische Energiequelle verhindert.
Die Inverterschaltung ist in bekannter Weise vorzugsweise als bidirektionale B6-Brückenschaltung ausgeführt. Die Inverterschaltung kann hierbei bspw. aus wenigstens sechs Halbleiterschaltern mit jeweils parallel geschalteten Freilaufdioden gebildet sein.
Eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Inverterschaltung steuert die einzelnen Schalter der Inverterschaltung derart, dass der für den Betrieb des Elektromotors erforderliche Spannungsverlauf, beispielsweise ein dreiphasiger sinusförmiger Verlauf, erzeugt wird. Über die Inverterschaltung lässt sich dabei durch geeignete Ansteuerung ein variabler Gleichspannungs-Offset einstellen, so dass am Sternpunkt des Elektromotors eine entsprechende einstellbare Gleichspannung V_ST = V_DC/2·p_v vorliegt, die über den Parameter p_v einstellbar ist. V_DC stellt hierbei die am Gleichspannungseingang anliegende Gleichspannung der ersten elektrischen Energiequelle dar. Über die Einstellung der Gleichspannung V_ST am Sternpunkt lässt sich die Einspeisung der elektrischen Energie aus der zweiten elektrischen Energiequelle, beispielsweise einem Photovoltaik-Modul, in den Elektromotor steuern. Ein signifikanter Stromfluss von der zweiten elektrischen Energiequelle in den Elektromotor findet nur dann statt, wenn die Ausgangsspannung der zweiten elektrischen Energiequelle größer der am Sternpunkt eingestellten Spannung V_ST ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene elektrische System sowie das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen elektrischen Systems;
2 ein Beispiel für den durch den Akkumulator erzeugten Stromverlauf einer Phase des elektrischen Systems;
3 ein Beispiel für den durch das Photovoltaik-Modul erzeugten Stromverlauf einer Phase des elektrischen Systems; und
4 ein Beispiel für eine Simulation des Betriebs eines Elektromotors mit dem vorgeschlagenen Verfahren.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen elektrischen Systems bzw. Motorsystems als in schematischer Darstellung. Als Elektromotor 1 wird in diesem Beispiel eine Synchronmaschine mit einem Permanentmagneten angenommen. Der Elektromotor 1 ist dabei hauptsächlich durch die intern erzeugte Spannung V_di charakterisiert. Diese wird in der vorliegenden Darstellung durch drei individuelle Sinus-Spannungen (V_i,u, V_i,v, V_i,w) modelliert, die gegeneinander phasenverschoben sind. Zusätzlich müssen die Phaseninduktivitäten L_P berücksichtigt werden, wie dies in dem Ersatzschaltbild der Figur ebenfalls angedeutet ist. Aufgrund der Symmetrie des Elektromotors 1 sind alle Phaseninduktivitäten für die drei Phasen u, v und w gleich (einschließlich ihrer in der Figur nicht dargestellten Ohm'schen Widerstände R_L,P). Zwischen dem Akkumulator 3 als elektrischer Energiequelle und dem Elektromotor 1 ist eine Inverterschaltung 2 verschaltet, die die am Eingang anliegende Gleichspannung des Akkumulators 3 in die phasenverschobenen Wechselspannungen für die drei Phasen u, v, w des Elektromotors 1 wandelt. Derartige Inverterschaltungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Inverterschaltung eine B6-Brückenschaltung, die aus IGBT-Halbleiterschaltern mit parallel geschalteten freilaufenden Dioden gebildet ist.
Der Elektromotor 1 weist eine Sternschaltung mit einem Sternpunkt auf. Dieser Sternpunkt ist im vorliegenden Beispiel über eine Reihenschaltung aus einer Diode D und einer Induktivität L_PV mit dem Ausgang eines Photovoltaik-Moduls 4 verbunden, wie dies in 1 dargestellt ist. Die Induktivität L_PV ist nicht in jedem Falle erforderlich. Allerdings sind typische Phaseninduktivitäten um mehrere Größenordnungen kleiner als die Induktivitäten in Photovoltaik-Umsetzern, so dass bei Nutzung der zusätzlichen Induktivität L_PV die Stromwelligkeit verringert und damit auch Halbleiter- und Induktivitätsverluste reduziert werden.
Bei dem in 1 dargestellten Motorsystem wird ein Strom vom Photovoltaik-Modul 4 nur dann in den Elektromotor 1 eingespeist, wenn die photovoltaische Spannung einen Schwellwert überschreitet, der über die Spannung am Sternpunkt eingestellt wird. Ein Stromfluss vom Sternpunkt in das Photovoltaik-Modul 4 wird durch die Diode D verhindert.
Im Folgenden wird die Funktion eines derartigen Motorsystems sowie des zugehörigen Verfahrens näher erläutert. Die Inverterschaltung 2 konvertiert die am Gleichspannungsanschluss eingespeiste elektrische Energie durch Ansteuerung der Schalter in Abhängigkeit von der benötigten Leistung des Elektromotors, die bei einem Kraftfahrzeug durch den Fahrer abgerufen wird. Die Schaltsequenz der einzelnen Schalter der Inverterschaltung, auch als Modulation bezeichnet, wird dabei entsprechend angepasst bzw. verändert. Im vorliegenden Beispiel wird eine reine Sinus-Modulation genutzt. Selbstverständlich ist das vorgeschlagene Motorsystem sowie das zugehörige Verfahren nicht auf eine Sinus-Modulation beschränkt. Die reine Sinus-Modulation wird beim vorgeschlagenen Verfahren und dem zugehörigen Motorsystem durch einen variablen Gleichspannungs-Offset ergänzt, der über den Offset-Parameter p_V eingestellt wird. Die Spannung für jede Phase u, v, w verändert sich mit der Zeit und kann für alle Phasen wie folgt beschrieben werden:
Der Modulationsindex m ∊ [0, 1] repräsentiert die Amplitude des Sinussignals und φ_uvw ∊ (0; 2π/3; –2π/3) beschreibt die Phasenverschiebung der Spannung um ±2π/3 zwischen jeder Phase u, v, w des Elektromotors. n gibt die Rotationsgeschwindigkeit der Elektromotors an. Aufgrund der Stromversorgung über den Akkumulator 3 ist die Phasenspannung nach unten durch den Wert von 0 V und aufgrund der Akkumulatorspannung nach oben durch V_DC begrenzt. Damit ist der Bereich des Offset-Parameters p_V durch folgende Beziehung festgelegt: m ≤ p_V ≤ 2 – m (2)
Für eine maximale Leistung mit m = 1 muss p_V auf 1 gesetzt werden. Dies entspricht einem typischen Wert eines konventionellen Motorsystems und zeigt, dass der Freiheitsgrad bei der Wahl des Parameters p_V mit zunehmender Leistung geringer wird.
Da die Summe der Phasenströme 0 ist, kann für jede Phase die Sternpunktspannung V_ST unabhängig von der Zeit als
abgeleitet werden. Damit kann p_V innerhalb eines bestimmten Bereichs entsprechend Gleichung (2) gewählt werden, um die Spannung am Sternpunkt einzustellen. Während in typischen Konfigurationen P_V auf 1 gesetzt ist, was zu einer konstanten Spannung von V_DC/2 am Sternpunkt führt, kann p_V nun zwischen den Werten 0 und 2 variiert werden, was zu einem Spannungsbereich zwischen 0 V und der vollen Gleichspannung am Eingang der Inverterschaltung entsprechend Gleichung (3) führt.
Bei dem vorgeschlagenen Motorsystem ist die Spannung am Sternpunkt mit dem Ausgang des oder der Photovoltaik-Module verbunden. Solange die Spannung am Sternpunkt V_ST größer oder gleich der Spannung am Ausgang der Photovoltaik-Module liegt, ist der Stromfluss des gesamten Photovoltaik-Zweiges durch die sperrende Diode D blockiert. Wird jedoch die Spannung am Sternpunkt V_ST unterhalb der Ausgangsspannung der Photovoltaik-Module eingestellt, so fließt ein Strom von den Photovoltaik-Modulen in den Sternpunkt des Elektromotors. Damit ist die Summe der Phasenströme nicht mehr Null. Zum besseren Verständnis der Stromflüsse in dieser neuen Topologie kann bei Linearität des Systems das Superpositionsprinzip angewendet werden. Zu diesem Zweck werden im Folgenden die Ströme in dem Motorsystem in getrennten Schritten betrachtet. Zunächst wird der durch den Akkumulator im Motorsystem erzeugte Strom betrachtet. Danach wird der durch die Photovoltaik-Module im Motorsystem erzeugte Strom bestimmt. Schließlich werden beide Ströme durch Summation der beiden Ergebnisse überlagert.
2 zeigt zwei äquivalente elektrische Schaltungen, die den durch den Akkumulator 3 erzeugten Stromfluss in einer Phase u des Motorsystems für die beiden Schaltzuständen der Schalter S1 und S2 zeigen. Die Schaltzeiten sind in dem Diagramm unterhalb der beiden Schaltungen zu erkennen. Die äquivalenten elektrischen Schaltungen enden am Sternpunkt. Die durch den Elektromotor synchron erzeugte Spannung V_di kann als eine interne Sinusspannung V_i,u mit der Rotationsgeschwindigkeit n, der Zeit t und der Spitzenamplitude V_di beschrieben werden. Die synchron generierte Spannung selbst wird als V_di = n·k_i bestimmt, wobei k_i die Maschinenkonstante repräsentiert. Unter der Annahme eines Betriebspunktes ohne Feldschwächung für die Phase u kann die intern erzeugte Spannung als V_i,u = V_di·sin(2πnt) ausgedrückt werden.
Die Halbbrücke der Inverterschaltung kann hierbei als Tiefsetzsteller angesehen werden. Unter der Annahme eines Gleichgewichtszustandes ohne Dynamik im Gleichgewicht entspricht das vom Tiefsetzsteller eingestellte Spannungsniveau der Summe der Spannungen V_u (ähnlich zu V_uvw ohne Phasenverschiebung entsprechend Gleichung (1)) und V_ST. Das Tastverhältnis D_u(t) für die Phase u, das dem Verhältnis zwischen der Einschaltdauer t_on des Schalters S₁ und der Periode T entspricht, kann abgeleitet werden zu D_u(t) = 1 / 2·(p_V + m·sin(2πnt + φ_uvw)) (4)
Die Phasenverschiebung ist in diesem Fall φ_u = 0. Zur gleichen Zeit hat der Maschinenstrom i_mu der Phase u idealerweise eine Sinuswellenform mit einer Amplitude, die von der Zeit und dem Belastungszustand abhängt. i_mu(t) = I_tot·sin(2πnt + φ_iu) (5)
Die Spitzenamplitude I_tot kann durch den konstanten Gesamtstrom des Elektromotors ausgedrückt werden, der vom Akkumulator eingespeist wird, wenn keine Photovoltaik-Energie verfügbar ist. Dies entspricht dem Strom, der für den Betrieb der elektrischen Maschine bzw. des Elektromotors in konventioneller Weise benötigt wird.
Da der Maschinenstrom über den Schalter S₁ für die Einschaltdauer t_on fließt, kann der Strom auf der Seite mit höherer Spannung i⁺ _u,DC und in ähnlicher Weise auch der Strom auf der Seite mit niedrigerer Spannung i^– _u,Dc ausgedrückt werden als Produkt des Maschinenstroms mit dem Tastverhältnis: i⁺ _u,DC = i_mu(t)·D(t) i^– _u,DC = –i_mu(t)·(1 – D(t)) (6)
3 zeigt den durch das Photovoltaik-Modul erzeugten Stromfluss durch das Motorsystem ebenfalls für die Phase u und beide Schaltzustände der Schalter S₁ und S₂. In den dargestellten äquivalenten Schaltkreisen ist hierzu auch das Photovoltaik-Modul 4 enthalten. Aufgrund der Induktivität L_PV kann der photovoltaische Strom I_PV als konstant angesehen werden. Aufgrund der Symmetrie der Inverterschaltung und des Elektromotors wird I_PV in drei gleiche Teile aufgeteilt. Aufgrund des Energieflusses in der Gegenrichtung kann diese Konfiguration als Hochsetzsteller angesehen werden. Die Ströme können dann wie folgt abgeleitet werden: i⁺ _u,PV = – 1 / 3·I_PV·D(t) (7) i^– _u,PV = + 1 / 3·I_PV·(1 – D(t)) (8)
Da alle Ströme auf der Seite mit der höheren Spannung und auf der Seite mit der niedrigeren Spannung unabhängig von der Quelle innerhalb ihrer entsprechenden Schaltereignisse fließen, kann eine Superposition aller Ströme auf beiden Seiten bezüglich der jeweiligen Phase erfolgen. Daher können die Stromwerte für die Phase u wie folgt abgeleitet werden: i⁺ _u = –(I_tot·sin(2πnt + φ_iu) + 1 / 3·I_PV)·D_u(t) (9) i^– _u = –(I_tot·sin(2πnt + φ_iu) + 1 / 3·I_PV)·(1 – D_u(t)) (10)
Bei Anwenden der Gleichung (5) auf die Gleichungen (9) und (10) ist ersichtlich, dass der photovoltaische Strom bei positiven Maschinenströmen für die Seite mit höherer Spannung (i⁺ _u,PV) und für die Seite mit niedrigerer Spannung (i^– _u,PV) in der Gegenrichtung zum Maschinenstrom i_mu und für negative Maschinenströme in gleicher Richtung wie der Maschinenstrom i_mu fließt.
Für die Betrachtung des gesamten Motorsystems müssen alle drei phasenverschobenen Phasenströme addiert werden, um den neuen Gesamteinspeisungsstrom I_DC für den positiven Anschluss I⁺ _DC und für den negativen Anschluss I^– _DC zu erhalten:
Bei einer konstanten Gleichspannung des Akkumulators repräsentiert I_DC den Leistungsverbrauch vom Gleichspannungsanschluss entsprechend der Gleichung (11). Es ist ersichtlich, dass die Gleichspannungsleistung durch die Menge an Photovoltaik-Leistung reduziert wird, die am Sternpunkt eingespeist wird. Dies resultiert aus dem bidirektionalen Energiefluss, der in der Inverterschaltung möglich ist. Die B6-Konfiguration mit der entsprechenden Phase des Elektromotors kann auch als drei bidirektionalparallele Tiefsetz-/Hochsetzsteller angesehen werden, mit unterschiedlichen Lasten aber der gleichen Eingangs- und Ausgangsspannung. Die Reduzierung der Last führt dazu zu einem geringeren Leistungsverbrauch. Steht zu viel Energie bereit, beispielsweise vom Photovoltaik-Modul, kann diese Energie zurück zum Gleichspannungsanschluss geliefert werden. Diese Energie lädt dann den Akkumulator ähnlich wie bei einer Energierückgewinnung auf. Auch eine Zweiwege-Ladung ist möglich, indem sowohl der Elektromotor als Generator als auch die überschüssige Leistung vom Photovoltaik-Modul zum Laden des Akkumulators genutzt werden.
Aus den Gleichungen ist auch ersichtlich, dass der Photovoltaik-Strom die Ströme auf der Seite mit höheren Spannungen reduziert, während er sie auf der Seite mit niedrigeren Spannungen erhöht. Wie aus den 2 und 3 ersichtlich ist, laufen die Ströme auf der Seite mit niedrigeren Spannungen nicht über die Kapazität des Gleichspannungsanschlusses, so dass die Stromwelligkeit des Gleichspannungsanschlusses reduziert wird.
Die von dem oder den photovoltaischen Modulen erzeugte Leistung kann optimiert werden, indem der so genannte MPP (maximum power point) eingestellt wird. Dies ist über eine geeignete Einstellung des Parameters p_V möglich, der direkt mit der Spannung am Sternpunkt korreliert und äquivalent mit der Spannung, die vom Photovoltaik-Modul geliefert wird. Vorzugsweise wird der Parameter p_V hierbei ständig überwacht und entsprechend gesteuert. Weiterhin sollte die String-Spannung bei mehreren in Reihe geschalteten Photovoltaik-Modulen so eingestellt werden, dass die maximale String-Spannung ohne Last kleiner als die Hälfte der minimalen Spannung am Eingang der Inverterschaltung ist, damit maximale Leistung vom Akkumulator und dem oder den Photovoltaik-Modulen genutzt werden kann.
Das obige Ausführungsbeispiel lässt sich ohne weitere Änderungen auch mit anderen Gleichspannungs-Energiequellen realisieren, die anstelle des Photovoltaik-Moduls eingesetzt werden.
4 zeigt das Ergebnis einer Simulation des vorgeschlagenen Motorsystems. Hierbei wurden als Parameter V_DC = 400 V, k_i = 0,08 Vmin^–1, die Schaltfrequenz f_S = 20 kHz, L_PV = 10 mH, R_L,PV = 1 Ω, L_P = 1 mH und R_L,P = 1 Ω gewählt. Für das Photovoltaik-Modul als beispielhafte Gleichspannungs-Energiequelle wurde eine Näherung erster Ordnung einer Spannungsquelle mit 180 V und einem internen Widerstand von 10 Ω angenommen.
Das Simulationsergebnis ist in 4 für den Leistungsverlauf 5 des Akkumulators, den Leistungsverlauf 6 des Photovoltaik-Moduls und den Leistungsverlauf 7 der Elektromotors über einen Zeitraum von 1,4 s mit zum Teil variierendem p_V und variierender Leistungsanforderung des Elektromotors dargestellt.
In der Simulation wurde die Maschinenleistung für eine feste Umdrehungsgeschwindigkeit von n = 1000 min^–1 über den Modulationsfaktor m gesteuert. Keine Feldschwächung wurde angewendet (i_d = 0 A). Am Anfang wurde die Maschinenleistung auf Null Leistung gesteuert.
Zunächst dauert es etwa 50 ms bis die Steuerung einen stabilen Betriebspunkt erreicht. Mit einem Faktor p_V = 0,6 wird eine Spannung am Sternpunkt von 240 V als Mittelwert erreicht. Diese Spannung ist höher als die photovoltaische Spannung. Als nächstes wird die Leistung der Elektromotors auf 300 W mit einer Anstiegszeit von 1000 W/s angehoben. Während dieser Anhebung bleibt die photovoltaische Leistung konstant. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung am Sternpunkt immer noch größer als die Ausgangsspannung des Photovoltaik-Moduls. Die Erhöhung der Leistung der Elektromotors wird alleine über die Einspeisung der Leistung des Akkumulators erreicht.
Bei einer Zeit von 0,7 s wird der Faktor P_V mit einem Abfall von 0,2 s^–1 verringert. Am Anfang erhöht sich die eingespeiste Photovoltaik-Leistung leicht. Dieser Anstieg wird durch die Verschiebung der Betriebspunkte der Hochsetzsteller verursacht, die noch im diskontinuierlichen Betriebsmodus arbeiten. Bei etwa 1,1 s wird der Punkt erreicht, bei dem die Spannung am Sternpunkt die Ausgangsspannung des Photovoltaik-Moduls unterschreitet, so dass die vom Photovoltaik-Modul eingespeiste Leistung stark anwächst. Während die Leistung des Elektromotors konstant bleibt, reduziert sich die vom Akkumulator abgerufene Leistung bis die vom Photovoltaik-Modul eingespeiste Leistung größer als die Leistung der Elektromotors ist. Ab diesem Zeitpunkt, im vorliegenden Beispiel bei etwa 1,35 s, wird der Energieüberschuss zurück in den Akkumulator gespeist. Damit kann der Akkumulator in diesem Zustand mit der überschüssigen Leistung des Photovoltaik-Moduls geladen werden.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Inverterschaltung
3: Akkumulator
4: Photovoltaik-Modul
5: Leistungsverlauf des Akkumulators
6: Leistungsverlauf des Photovoltaik-Moduls
7: Leistungsverlauf des Elektromotors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

E. J. Simburger et al., „PV Prius”, IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record, vol. 2, 2006, Seiten 2404 bis 2406 [0003]

Claims

Elektrisches System mit – einem Elektromotor (1), der eine elektrische Sternschaltung mit einem Sternpunkt aufweist, – einer mit dem Elektromotor (1) verbundenen Inverterschaltung (2), die an einem ersten Eingang anliegende Gleichspannung einer ersten elektrischen Energiequelle (3) in Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors (1) wandelt, und – einem zweiten Eingang für den Anschluss wenigstens einer zweiten elektrischen Energiequelle, die Gleichspannung oder Gleichstrom liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingang für den Anschluss der zweiten elektrischen Energiequelle mit dem Sternpunkt des Elektromotors (1) verbunden ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingang für den Anschluss der zweiten elektrischen Energiequelle über wenigstens eine Diode oder eine andere Vorrichtung, die zu einem Stromfluss in nur einer Richtung führt, mit dem Sternpunkt des Elektromotors (1) verbunden ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingang für den Anschluss der zweiten elektrischen Energiequelle über eine Reihenschaltung aus wenigstens einer Diode oder einer anderen Vorrichtung, die zu einem Stromfluss in nur einer Richtung führt, und wenigstens einer Induktivität mit dem Sternpunkt des Elektromotors (1) verbunden ist.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Akkumulatoren als erste elektrische Energiequelle (3) mit dem ersten Eingang der Inverterschaltung (2) verbunden sind.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverterschaltung (2) als bidirektionale B6-Brückenschaltung ausgeführt ist.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverterschaltung (2) aus wenigstens sechs Halbleiterschaltern mit jeweils einer parallelen freilaufenden Diode gebildet ist.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Inverterschaltung (2) so ausgebildet ist, dass sie die Inverterschaltung (2) für den Betrieb des Elektromotors (1) so steuert, dass am Sternpunkt eine über einen Parameter pv einstellbare Spannung V_ST = V_DC/2·p_v erzeugt wird, wobei V_DC die am ersten Eingang anliegende Gleichspannung der ersten elektrischen Energiequelle (3) darstellt.
Elektrisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Inverterschaltung (2) so steuert, dass für jede Phase des Elektromotors (1) eine sinusförmige Spannung mit einem Gleichspannungs-Offset erzeugt wird.
Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Energiequelle ein Photovoltaik-Modul (4) oder eine Brennstoffzelle ist.
Verfahren für den Betrieb eines Elektromotors (1) mit einer ersten Gleichspannungs-Energiequelle (3) und wenigstens einer zweiten Gleichspannungs-Energiequelle, bei dem die erste Gleichspannungs-Energiequelle (3) über eine Inverterschaltung (2) mit dem Elektromotor (1) verbunden ist, die eine Gleichspannung der ersten Gleichspannungs-Energiequelle (3) in Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors (1) wandelt, und der Elektromotor (1) eine elektrische Sternschaltung mit einem Sternpunkt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die von der zweiten Gleichspannungs-Energiequelle bereitgestellte elektrische Energie über den Sternpunkt direkt in den Elektromotor (1) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverterschaltung (2) so angesteuert wird, dass am Sternpunkt eine über einen Parameter pv einstellbare Spannung V_ST = V_DC/2·p_v erzeugt wird, wobei V_DC die Gleichspannung der ersten Gleichspannungs-Energiequelle (3) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Inverterschaltung (2) so angesteuert wird, dass für jede Phase des Elektromotors (1) eine sinusförmige Spannung mit einem Gleichspannungs-Offset erzeugt wird.