DE102016217493A1 - Method for changing the direction of a DC voltage for generating pulse width modulated signals in a vehicle electrical system - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Wechselrichtung einer Gleichspannung zur Erzeugung von mindestens zwei pulsweitenmodulierten und jeweils mehrphasigen Spannungssignalen in einem Fahrzeugbordnetz beschrieben. Es wird ein Soll-Modulationsgrad (m) vorgegeben. Es wird für den Soll-Modulationsgrad eine Gesamt-Trägersignalverschiebung (V) ermittelt anhand einer vorgegebenen Abbildung, welche für verschiedene Modulationsgrade verschiedenen Gesamt-Trägersignalverschiebungen zugehörige Strombelastungen (B) zuordnet, bei dem die Strombelastung eines Zwischenkreises minimal ist; Es wird ein erstes und ein zweites Pulsmusters jeweils mit den Soll-Tastverhältnisses (m) erzeugt. Die Pulsmuster sind um die Gesamt-Trägersignalverschiebung (V) zueinander versetzt. Die beiden Sollspannungszeiger, aus denen die beiden Pulsmuster berechnet werden, sind um den geometrischen Versatz der beiden Wicklungssysteme und die Gesamt-Trägersignalverschiebung winkelkorrigiert. Es wird ein erstes und ein zweites, pulsweitenmodulierten Spannungssignals (SIG1, SIG2) gemäß dem ersten und dem zweiten Pulsmuster abgegeben.A method is described for the reversal of a DC voltage for generating at least two pulse-width-modulated and respectively multi-phase voltage signals in a vehicle electrical system. It is a nominal modulation (m) specified. An overall carrier signal shift (V) is determined for the desired degree of modulation on the basis of a predetermined mapping which allocates associated current loads (B) for different modulation levels to different total carrier signal shifts, in which the current load of a DC link is minimal; A first and a second pulse pattern are respectively generated with the desired duty cycle (m). The pulse patterns are offset from one another by the total carrier signal shift (V). The two reference voltage vectors, from which the two pulse patterns are calculated, are angle-corrected by the geometric offset of the two winding systems and the total carrier signal shift. A first and a second pulse-width-modulated voltage signal (SIG1, SIG2) in accordance with the first and the second pulse pattern are output.
Description
Elektrische Antriebsmaschinen in der Kraftfahrzeugtechnik werden meist mit spannungsgespeisten Pulswechselrichtern angesteuert. Dadurch können Drehstrommaschinen verwendet werden, wobei die Gleichspannung, das heißt die Versorgungsspannung des Fahrzeugbordnetzes, von Pulswechselrichtern in ein (Drehstrom-)Wechselssignal gewandelt wird. Dies erlaubt es, eine gewünschte effektive Spannungshöhe für jede Phase einzustellen bzw. ein Leistungssignal(etwa ein Sinussignal) zu definieren, wobei das pulsweitenmodulierte Signal zwischen zwei Pegeln (Plus- und Minuspol des Energiespeichers des Bordnetzes) umschalten kann. Der Tastgrad gibt hierbei das Verhältnis des Ein-Zustands des entsprechenden Schalters des Pulswechselrichters im Verhältnis zur Periodendauer an. Um einen im Wesentlichen sinusförmigen Phasenstrom bei Drehstrommaschinen einzustellen, sollte die Taktfrequenz wesentlich größer sein als die elektrische Frequenz (d.h. die Grundfrequenz des Drehstroms) des Elektromotors. Grund hierfür ist, dass das Pulswechselsignal ein Rechtecksignal ist, welches das Sinussignal eines Drehstromsignals annähernd nachbildet. Electric drive machines in automotive engineering are usually driven by voltage-fed pulse inverters. As a result, three-phase machines can be used, wherein the DC voltage, that is, the supply voltage of the vehicle electrical system, is converted by pulse inverters in a (three-phase) AC signal. This makes it possible to set a desired effective voltage level for each phase or to define a power signal (such as a sinusoidal signal), wherein the pulse width modulated signal between two levels (positive and negative pole of the energy storage of the on-board network) can switch. The duty cycle indicates the ratio of the on state of the corresponding switch of the pulse inverter in relation to the period. In order to set a substantially sinusoidal phase current in three-phase machines, the clock frequency should be much greater than the electrical frequency (i.e., the fundamental frequency of the three-phase current) of the electric motor. The reason for this is that the pulse change signal is a rectangular signal which approximately simulates the sine signal of a three-phase current signal.
Ein Bestandteil von Pulswechselrichtern oder allgemein von Wechselrichtern ist ein Zwischenkreis, der gemäß der Schaltfrequenz des Wechselrichters Energie zur Ansteuerung der Antriebsmaschine bereitstellt. Der Zwischenkreis umfasst insbesondere einen oder mehrere Energiespeicher in Form eines Kondensators (und/oder einer Spule), wobei im Wesentlichen der gesamte Wechselanteil des pulsweitenmodulierten Signals aus dem Zwischenkreis bezogen wird. Durch die Ansteuerung ergibt sich je nach Modulationsgrad eine relativ große Belastung des Zwischenkreises. Zur besseren Verständlichkeit wird der Zwischenkreis bzw. dessen Energiespeicher (insbesondere der Kondensator oder die Kondensatoren) als „Zwischenkreiskondensator“ bezeichnet. A component of pulse inverters or in general of inverters is an intermediate circuit which provides energy for controlling the drive machine according to the switching frequency of the inverter. The intermediate circuit comprises in particular one or more energy stores in the form of a capacitor (and / or a coil), wherein substantially the entire alternating component of the pulse width modulated signal is obtained from the intermediate circuit. The control results in a relatively large load on the DC link, depending on the degree of modulation. For better understanding, the intermediate circuit or its energy store (in particular the capacitor or the capacitors) is referred to as a "DC link capacitor".
Im Folgenden soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, mit der sich die Belastung des Zwischenkreiskondensators verringern lässt. In the following, a possibility is to be shown with which the load of the DC link capacitor can be reduced.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Möglichkeiten, Alternativen, Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und den Figuren. This object is achieved by the method according to claim 1. Further possibilities, alternatives, advantages and characteristics emerge from the subclaims as well as from the description and the figures.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Es wird vorgeschlagen, in einem Fahrzeugbordnetz zwei zueinander zeitlich versetzte Pulsmuster zur Ansteuerung zu verwenden. Aus den Pulsmustern werden Spannungssignale erzeugt, die zur Ansteuerung einer Last dienen können. Es wurde erkannt, dass die Belastung eines gemeinsamen Zwischenkreiskondensators, welcher die Erzeugung der Spannungssignale stützt, durch eine geeignete Gesamt-Verschiebung zwischen den Pulsmustern verringert werden kann. Der Begriff „Verschiebung“ ist als zeitlicher Versatz zu betrachten. It is proposed to use in a vehicle electrical system two mutually time-staggered pulse pattern for driving. From the pulse patterns voltage signals are generated, which can be used to control a load. It has been recognized that the loading of a common link capacitor, which supports the generation of the voltage signals, can be reduced by an appropriate overall shift between the pulse patterns. The term "displacement" should be considered as a time lag.
Die Belastung kann auf diese Weise gegenüber einer Pulsweiten-modulation mit gleicher Leistung, welche nur ein (1) Pulsmuster verwendet, verringert werden. Dadurch kann der Zwischenkreiskondensator für geringere Belastungen ausgelegt werden. Zum Einen kann dies Kosten sparen und zum Anderen kann dadurch der Bauraum verringert werden, der für den Zwischenkreiskondensator erforderlich ist. Zudem kann sich eine höhere Verlässlichkeit ergeben, da der Zwischenkreiskondensator weniger belastet wird. The load can be reduced in this way compared to a pulse width modulation with the same power, which uses only one (1) pulse pattern. As a result, the intermediate circuit capacitor can be designed for lower loads. On the one hand, this can save costs and, on the other hand, this can reduce the installation space required for the DC link capacitor. In addition, a higher reliability may result, since the DC link capacitor is less loaded.
Es wird ein Verfahren zur Wechselrichtung einer Gleichspannung zur Erzeugung von mindestens zwei pulsweitenmodulierten Spannungssignalen in einem Fahrzeugbordnetz vorgeschlagen. Die pulsweitenmodulierten Spannungssignale sind jeweils mehrphasig, insbesondere dreiphasig, wobei auch eine höhere Anzahl an Phasen verwendet werden kann. Die pulsweitenmodulierten Spannungssignale weisen jeweils eine Spannung auf, die gemäß der Pulsmuster zwischen zwei Werten wechselt. Einer dieser Werte ist Null, der andere Wert kann beispielsweise der Gleichspannung entsprechen, der der Wechselrichtung unterzogen wird, etwa dem Pluspotential der Eingangsspannung. Durch die Pulsweitenmodulation wird insbesondere ein (angenähertes) Sinussignal erzeugt, das beispielsweise einer elektrischen Maschine zugeführt werden kann. Die Spannungssignale sind insbesondere Drehstromsignale, deren Grundfrequenz-Anteil (bezogen auf die Signalleistung) mindestens 30%, 50% oder 70% und vorzugsweise mindestens 80% oder 90% der gesamten Signalleistung und besonders bevorzugt mindestens 98% oder 99% ausmacht. Der Phasenversatz zwischen den einzelnen Phasen jedes der Spannungssignale ist vorzugsweise gleich, beispielsweise 120° bei einem dreiphasigen System. A method is proposed for the reversal of a DC voltage for generating at least two pulse width modulated voltage signals in a vehicle electrical system. The pulse width modulated voltage signals are each multi-phase, in particular three-phase, whereby a higher number of phases can be used. The pulse width modulated voltage signals each have a voltage that changes between two values according to the pulse pattern. One of these values is zero, the other value may, for example, correspond to the DC voltage which is subjected to the alternating direction, for example the positive potential of the input voltage. In particular, an (approximate) sinusoidal signal is generated by the pulse width modulation, which can be supplied, for example, to an electrical machine. The voltage signals are, in particular, three-phase signals whose fundamental frequency component (based on the signal power) amounts to at least 30%, 50% or 70% and preferably at least 80% or 90% of the total signal power and particularly preferably at least 98% or 99%. The phase offset between the individual phases of each of the voltage signals is preferably the same, for example 120 ° in a three-phase system.
Um die Leistung der Spannungssignale zu regeln, wird ein Soll-Modulationsgrad m vorgegeben. Dieser kann insbesondere von einer Steuerungseinheit vorgegeben sein, wobei die Spannungssignale in einer nachgeordneten Wechselrichterschaltung, insbesondere in einer Inverterschaltung, umgesetzt werden. Mit den Pulsmustern werden (mehrere, insbesondere mindestens zwei) Brücken einer Inverterschaltung angesteuert. Jedes Pulsmuster steuert eine eigene Brücke (einer Inverterschaltung) an. In order to regulate the power of the voltage signals, a desired modulation degree m is specified. This can in particular be predetermined by a control unit, wherein the voltage signals are converted in a downstream inverter circuit, in particular in an inverter circuit. With the pulse patterns are (several, in particular at least two) driven bridges of an inverter circuit. Each pulse pattern drives its own bridge (an inverter circuit).
Es wird für diesen Soll-Modulationsgrad m eine (zeitliche) Gesamt-Trägersignalverschiebung ermittelt. Hierbei kann der Begriff „Trägersignalverschiebung“, auch als CSS („Carrier Signal Shift“) bezeichnet werden. Die Gesamt-Verschiebung wird derart ermittelt, dass sich für den Soll-Modulationsgrad m eine minimale Strombelastung für den Zwischenkreiskondensator ergibt. Die Gesamt-Trägersignalverschiebung (bzw. die Gesamt-CSS) ist der zeitliche Versatz zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungssignal bzw. zwischen dem ersten und dem zweiten Pulsmuster. Das erste und das zweite Spannungssignal entsprechen innerhalb eines Zeigermodells der komplexen Wechselstromrechnung zusammen einem Soll-Zeiger, der ein (sinusförmiges) Drehstromsignal repräsentiert. Die Summe der Spannungssignale ergibt somit ein mehrphasiges, angenähertes Sinussignal; der Soll-Zeiger ergibt sich aus der Summe der beiden Zeiger, die die Spannungssignale wiedergeben. Als Verschiebung wird hier insbesondere eine Verzögerung bezeichnet. Die Verschiebung bezieht sich wie erwähnt auf die Dimension Zeit. It is determined for this nominal modulation degree m a (temporal) total carrier signal shift. Here, the term " Carrier signal shift ", also referred to as CSS (" Carrier Signal Shift "). The total displacement is determined in such a way that a minimum current load for the intermediate circuit capacitor results for the desired modulation degree m. The total carrier signal shift (or the total CSS) is the time offset between the first and the second voltage signal or between the first and the second pulse pattern. Within a pointer model of the complex AC calculation, the first and the second voltage signal together correspond to a setpoint pointer, which represents a (sinusoidal) three-phase current signal. The sum of the voltage signals thus results in a multi-phase, approximated sine signal; the desired pointer results from the sum of the two hands that represent the voltage signals. A shift is referred to here in particular as a delay. As mentioned, the shift refers to the dimension time.
Jedem Spannungssignal (bzw. jedem Wicklungssystem, das mit dem betreffenden Spannungssignal versorgt wird) ist ein eigener Soll-Spannungszeiger zugeordnet. Das Pulsmuster wird aus den Spannungszeigern für jedes Wicklungssystem separat berechnet. Each voltage signal (or each winding system, which is supplied with the relevant voltage signal) is assigned its own desired voltage vector. The pulse pattern is calculated separately from the voltage phasors for each winding system.
Das erste und das zweite Pulsmuster werden aus winkelkorrigierten Spannungszeigern erzeugt. Die winkelkorrigierten Spannungszeiger sind hinsichtlich des geometrischen Versatzes (d.h. der geometrische Winkel zwischen Wicklungssystemen) korrigiert. Ferner sind die winkelkorrigierten Spannungszeiger hinsichtlich der Trägersignalverschiebung korrigiert. The first and second pulse patterns are generated from angle corrected voltage vectors. The angle corrected voltage phasors are corrected for geometric offset (i.e., the geometric angle between winding systems). Furthermore, the angle corrected voltage phasors are corrected for carrier signal shift.
Um die Gesamt-CSS anhand des Soll-Modulationsgrads zu bilden, kann eine vorgegebene Abbildung verwendet werden. Diese Abbildung ordnet verschiedenen Gesamt-CSS zu zugehörigen Strombelastungen zu. Die Abbildung ordnet die verschiedenen Gesamt-CSS insbesondere zu zugehörigen Strombelastungen für verschiedene Modulationsgrade zu. Die Abbildung kann somit dreidimensional sein. Ist der Modulationsgrad vorgegeben und entspricht dem Soll-Modulationsgrad m, so bildet die Abbildung (ausgehend von dem Soll-Modulationsgrad) verschiedene Gesamt-CSS auf zugehörige Strombelastungen ab. Es kann die minimale Strombelastung (für den Soll-Modulationsgrad m, welcher vorgegeben ist) ermittelt werden, sowie der zugehörige Gesamt-CSS. Die Spannungssignale werden gemäß der ermittelten Gesamt-CSS erzeugt (für den die Strombelastung minimal ist und für den der Soll-Modulationsgrad m gilt). Die erzeugten Pulsmuster werden dann abgegeben, insbesondere an Wechselrichterschaltungen. Die Abbildung kann grundsätzlich Wertepaaren, die jeweils ein Soll-Tastverhältnis und eine Gesamt-Verschiebung wiedergeben, zu einer Strombelastung zuordnen. To form the overall CSS based on the desired modulation depth, a given mapping can be used. This mapping assigns different total CSS to associated power loads. The figure assigns the various total CSS in particular to associated current loads for different degrees of modulation. The image can thus be three-dimensional. If the degree of modulation is predetermined and corresponds to the desired degree of modulation m, then the mapping (based on the desired degree of modulation) maps different total CSS to corresponding current loads. It can be the minimum current load (for the desired modulation depth m, which is given) are determined, as well as the associated overall CSS. The voltage signals are generated according to the determined total CSS (for which the current load is minimal and for which the desired modulation degree m holds). The generated pulse patterns are then output, in particular to inverter circuits. The mapping can in principle assign value pairs, which respectively represent a desired duty cycle and a total shift, to a current load.
Falls die Abbildung von vorneherein gemäß dem Soll-Modulationsgrad m, welcher vorgegeben ist, parametrisiert ist, dann kann die Abbildung reduziert werden auf eine Abbildung bzw. Funktion, die verschiedenen Gesamt-CSS zu Strombelastungen zuordnet, unter der Maßgabe, dass der Modulationsgrad dem vorgegebenen Soll-Modulationsgrad m entspricht. If the mapping is parametrized in advance according to the desired modulation degree m, which is predetermined, then the mapping can be reduced to a map or function associating different overall CSS with current loads, provided that the degree of modulation matches the given one Nominal modulation degree m corresponds.
Eine Möglichkeit der Umsetzung ist es, von einem vorgegebenen Grund-Modulationsgrad auszugehen und hierfür das Minimum der Strombelastung (und die zugehörige Trägersignalverschiebung bzw. CSS) zu ermitteln. Der Grund-Modulationsgrad kann von vorneherein vorgegeben sein, beispielsweise bei der Implementierung des Verfahrens in einer Steuereinheit. Ausgehend hiervon kann eine Differenz zwischen dem Grund-Modulationsgrad und dem (aktuellen, gegebenenfalls veränderlichen) Soll-Modulationsgrad gebildet werden. Eine Funktion ordnet unterschiedlichen Differenzen zwischen Grund-Modulationsgrad und Soll-Modulationsgrad zu zugehörigen variablen Trägersignalverschiebungen (d.h. zu zugehörigen variablen CSS-Werten) zu. Die variable Trägersignalverschiebung, die sich für den Soll-Modulationsgrad ergibt, wird zu einer konstanten Trägersignalverschiebung (d.h. zu einem konstanten CSS-Wert) addiert. Die konstante Trägersignalverschiebung ist diejenige, bei der die Strombelastung ausgehend von dem Grund-Modulationsgrad minimal ist. Die konstante Trägersignalverschiebung und die variable Trägersignalverschiebung addieren sich zusammen zu der Gesamt-Trägersignalverschiebung. Die Spannungssignale werden gemäß dieser Gesamt-Trägersignalverschiebung pulsweitenmoduliert. Die Möglichkeiten zur Berechnung der Gesamt-Trägersignalverschiebung werden im Weiteren näher erläutert. One possibility of implementation is to start from a given basic degree of modulation and for this purpose determine the minimum of the current load (and the associated carrier signal shift or CSS). The basic modulation level can be predefined from the outset, for example when implementing the method in a control unit. On the basis of this, a difference between the basic modulation degree and the (current, possibly variable) desired modulation degree can be formed. A function allocates different differences between the basic modulation level and the desired modulation level to associated variable carrier signal shifts (i.e., to associated variable CSS values). The variable carrier signal shift resulting in the desired modulation level is added to a constant carrier signal shift (i.e., to a constant CSS value). The constant carrier signal shift is the one in which the current load is minimal from the basic modulation level. The constant carrier signal shift and the variable carrier signal shift add up to the total carrier signal shift. The voltage signals are pulse width modulated according to this total carrier signal shift. The possibilities for calculating the total carrier signal shift will be explained in more detail below.
Es werden (zumindest) ein erstes und ein zweites Pulsmuster als zwei (oder mehr als zwei) gleiche Pulsmuster erzeugt, die jeweils den Soll-Modulationsgrad aufweisen. Die Pulsmuster werden derart erzeugt, dass diese um die Gesamt-Tastsignalverschiebung zueinander versetzt sind. Dies kann beispielsweise durch zwei (oder mehr als zwei) gekoppelte Signalgeneratoren geschehen, oder durch einen Signalgenerator, dessen Ausgang gemäß der Gesamt-Trägersignalverschiebung versetzt wird und der zum Einen direkt und zum Anderen versetzt die Pulsweitenmodulation steuert. Es kann eine Brücke der Inverterschaltung direkt angesteuert und eine weitere Brücke kann gemäß der Gesamt-Trägersignalverschiebung verzögert angesteuert werden. Alternativ wird eine Brücke von einem Signalgenerator angesteuert und eine andere Brücke wird von einem anderen Signalgenerator angesteuert. Es kann ein Mikroprozessor vorgesehen sein, der mehrere (physikalische oder logische) Ausgänge bzw. Ausgangskanäle aufweist, wobei an den mehreren Ausgängen ein erstes Pulsmuster und (mindestens) ein zweites, dazu (gemäß der Gesamt-Trägersignalverschiebung) verschobenes Pulsmuster ausgegeben wird. Ein auf dem Mikroprozessor ablaufendes Computerprogramm steuert die Ausgänge wie erwähnt an. There are generated (at least) a first and a second pulse pattern as two (or more than two) same pulse pattern, each having the desired modulation depth. The pulse patterns are generated such that they are offset from each other by the total Tastsignalverschiebung. This can be done, for example, by two (or more than two) coupled signal generators, or by a signal generator whose output is offset according to the total carrier signal shift and which controls the pulse width modulation directly on the one hand and on the other, for example. One bridge of the inverter circuit can be controlled directly and another bridge can be triggered in a delayed manner according to the total carrier signal shift. Alternatively, one bridge is driven by one signal generator and another bridge is driven by another signal generator driven. A microprocessor can be provided which has a plurality of (physical or logical) outputs or output channels, wherein a first pulse pattern and (at least) a second pulse pattern (in accordance with the total carrier signal shift) are output at the plurality of outputs. A running on the microprocessor computer program controls the outputs as mentioned.
Die Pulsmuster dienen insbesondere zur Ansteuerung von Wechselrichterschaltungen. Diese setzen die Pulsmuster um und erzeugen Spannungssignale. Diese Spannungssignale sind eingerichtet, an eine Last angelegt zu werden, insbesondere an eine elektrische Maschine. Die Spannungssignale weisen Pegel auf, die an die Nennspannung der elektrischen Maschine angepasst sind. Die Spannungssignale werden als Leistungssignale abgegeben, d.h. durch Aufprägen von Strömen, deren Höhe an einen Nennstrom der Last angepasst ist. The pulse patterns are used in particular for controlling inverter circuits. These convert the pulse patterns and generate voltage signals. These voltage signals are adapted to be applied to a load, in particular to an electrical machine. The voltage signals have levels that are adapted to the rated voltage of the electrical machine. The voltage signals are delivered as power signals, i. by impressing currents whose magnitude is adapted to a rated current of the load.
Es wird anhand der Pulsmuster ein erstes, pulsweitenmoduliertes Spannungssignal (mehrphasig) abgegeben bzw. erzeugt, und es wird ein zweites, pulsweitenmoduliertes Spannungssignal (mehrphasig) gemäß dem zweiten Pulsmuster abgegeben bzw. erzeugt. Eine Inverterschaltung mit mehreren Brücken setzt die Pulsmuster (als Ansteuersignale) in die Spannungssignale (als Leistungs-Ausgangssignale) um. Based on the pulse pattern, a first pulse-width-modulated voltage signal (multiphase) is delivered or generated, and a second, pulse-width-modulated voltage signal (multiphase) is output or generated in accordance with the second pulse pattern. An inverter circuit having a plurality of bridges converts the pulse patterns (as drive signals) into the voltage signals (as power output signals).
Es werden bei der Umsetzung der Pulsmuster, d.h. bei der Abgabe der Spannungssignale mehrere Brücken (bzw. Brückenschaltungen) verwendet, die insbesondere einem Wechselrichter angehören. Die Brücken haben jeweils einen Gleichspannungsanschluss (d.h. einen positiven und einen negativen Anschluss). Die Gleichspannungsanschlüsse der Brücken sind parallel geschaltet. Parallel hierzu ist der Zwischenkreiskondensator geschaltet. Dieser versorgt die Brücken mit Wechselstrom. Die Brücken weisen jeweils Arme in einer Anzahl auf, die der Anzahl der Phasen einer Brücke entspricht. Jeder Arm weist Schaltelemente auf, insbesondere zwei serielle (steuerbare) Schaltelemente (ein Schaltelement als Lowside-Schalter und ein Schaltelement als Highside-Schalter). Bei einer sogenannten kontinuierlichen Pulsweitenmodulation werden innerhalb jeder Brücke alle Schalter geschaltet. Bei der sogenannten nicht-kontinuierlichen Pulsweitenmodulation werden innerhalb jeder Brücke alle Schalter bis auf die Schalter eines Arms geschaltet. In the implementation of the pulse patterns, i. used in the delivery of the voltage signals a plurality of bridges (or bridge circuits), which belong in particular to an inverter. The bridges each have a DC terminal (i.e., a positive and a negative terminal). The DC voltage connections of the bridges are connected in parallel. Parallel to this, the DC link capacitor is connected. This supplies the bridges with alternating current. The bridges each have arms in a number corresponding to the number of phases of a bridge. Each arm has switching elements, in particular two serial (controllable) switching elements (a switching element as a low-side switch and a switching element as a high-side switch). In a so-called continuous pulse width modulation, all switches are switched within each bridge. In so-called non-continuous pulse width modulation, all switches within each bridge are switched except for the switches of one arm.
Es können daher gemäß eines Pulsmodulationsverfahrens Schaltelemente aller Arme mehrerer steuerbaren Brücken geschaltet werden (innerhalb einer Phase des betreffenden Arms). Alternativ können (innerhalb einer Phase des betreffenden Arms) die Schaltelemente aller Arme mehrerer steuerbaren Brücken – bis auf Schaltelemente eines Arms der jeweiligen Brücke – gemäß einem Pulsmodulationsverfahren geschaltet werden. Das erste und das zweite Pulsmuster können als kontinuierlich oder nicht kontinuierlich pulsweitenmodulierte Gleichspannung erzeugt werden. Therefore, according to a pulse modulation method, switching elements of all the arms of a plurality of controllable bridges can be switched (within one phase of the relevant arm). Alternatively, (within one phase of the respective arm) the switching elements of all the arms of a plurality of controllable bridges-except for switching elements of one arm of the respective bridge-can be switched in accordance with a pulse modulation method. The first and the second pulse pattern can be generated as a continuous or non-continuous pulse width modulated DC voltage.
Gemäß einer Ausführungsform wird das erste Spannungssignal an ein erstes Wicklungssystem und das zweite Spannungssignal wird an ein zweites Wicklungssystem derselben elektrischen Maschine abgegeben, oder an eine elektrodynamische Anlage mit dem ersten und dem zweiten Wicklungssystem, wobei diese beiden kraft- bzw. drehmomentübertragend (direkt oder indirekt) miteinander verbunden sind. Die beiden Wicklungssysteme können in zwei separaten elektrischen Maschinen liegen, die mechanisch gekoppelt sein können. Die beiden Wicklungssysteme können direkt miteinander verbunden sein, etwa über eine Welle, oder können indirekt oder schaltbar miteinander verbunden sein, etwa über ein Getriebe oder über eine Kupplung. Ein relevanter Aspekt ist es, dass jedes Wicklungssystem definitionsgemäß eigenständig elektrische in mechanische Energie umwandeln kann. According to one embodiment, the first voltage signal is applied to a first winding system and the second voltage signal is applied to a second winding system of the same electric machine, or to an electrodynamic system with the first and the second winding system, these two transmitting torque (directly or indirectly ) are interconnected. The two winding systems can be located in two separate electrical machines, which can be mechanically coupled. The two winding systems can be directly connected to each other, for example via a shaft, or can be connected to each other indirectly or switchably, for example via a transmission or via a coupling. A relevant aspect is that each winding system can by definition independently convert electrical to mechanical energy.
Die Wicklungssysteme sind jeweils mehrphasig. Die Wicklungssysteme können geometrisch zueinander versetzt sein. Als „dieselbe elektrische Maschine“ ist auch eine Anordnung von mehreren Statoren oder Rotoren zu verstehen, die die Wicklungssysteme aufweisen, und die auf die gleiche Welle wirken oder mittels dieser verbunden sind. Im Rahmen des Abgebens der Spannungssignale werden Einzelwicklungen eines ersten und eines zweiten Wicklungssystems derselben elektrischen Maschine (bzw. derselben elektrodynamischen Anlage) mit dem Spannungssignal versorgt. The winding systems are each multi-phase. The winding systems can be geometrically offset from each other. As the "same electric machine" is also an arrangement of a plurality of stators or rotors to understand that have the winding systems, and act on the same shaft or are connected by this. As part of the output of the voltage signals individual windings of a first and a second winding system of the same electric machine (or the same electrodynamic system) are supplied with the voltage signal.
Die Spannungssignale können an Einzelwicklungen abgegeben werden. Somit umfasst das Verfahren das Versorgen von Einzelwicklungen. Insbesondere werden erste und zweite Wicklungssysteme versorgt, die die Einzelwicklungen umfassen. Die Einzelwicklungen entsprechen den einzelnen Phasen der Wicklungssysteme. Die Einzelwicklungen jedes Wicklungssystems sind gleichmäßig über den gleichen Winkel verteilt. Die Einzelwicklungen werden jeweils über einen eigenen, eineindeutig zugeordneten Arm der Brücke versorgt. The voltage signals can be delivered to single windings. Thus, the method includes providing single windings. In particular, first and second winding systems are supplied which comprise the individual windings. The individual windings correspond to the individual phases of the winding systems. The individual windings of each winding system are evenly distributed over the same angle. The individual windings are each supplied via a separate, uniquely assigned arm of the bridge.
Die Berechnung der Gesamt-Trägersignalverschiebung zwischen den Spannungssignalen bzw. zwischen den Pulsmustern kann einen hohen Rechenaufwand erfordern, insbesondere wenn sich der Soll-Modulationsgrad schnell ändert. Daher kann ein Teil der Ermittlung der Gesamt-Trägersignalverschiebung bereits bei der Implementierung oder der Entwicklung einer Umsetzung des Verfahrens (beispielsweise eines Steuergeräts oder eines Programmcodes innerhalb des Steuergeräts) durchgeführt werden. The calculation of the total carrier signal shift between the voltage signals or between the pulse patterns can require a high level of computation, in particular if the nominal modulation level changes rapidly. Therefore, part of the determination of the total carrier signal shift may already be involved in the implementation or development of an implementation of the method (for example, of a controller or of a controller) Program codes within the controller).
Es kann vorgesehen sein, dass ein Minimum für eine Strombelastung eines Zwischenkreiskondensators innerhalb einer vorgegebenen Funktion ermittelt wird. Diese vorgegebene Funktion ordnet für einen vorgegebenen Grund-Modulationsgrad, beispielsweise 1, verschiedene Grund-Trägersignalverschiebungen zugehörige Strombelastungen zu. Der Grund-Modulationsgrad kann ferner beliebige weitere Werte haben, beispielsweise auch 0, 0.5, 0.75 oder 0.25. Es wird anhand der vorgegebenen Funktion diejenige Trägersignalverschiebung ermittelt, die dem Minimum (der Strombelastung) entspricht. Hierbei wird vorausgesetzt, dass der Modulationsgrad dem Grund-Modulationsgrad entspricht. It can be provided that a minimum for a current load of a DC link capacitor within a predetermined function is determined. For a given basic modulation level, for example 1, this predetermined function assigns different current loadings to different fundamental carrier signal shifts. The basic modulation level can also have any further values, for example also 0, 0.5, 0.75 or 0.25. The carrier signal shift which corresponds to the minimum (the current load) is determined on the basis of the predetermined function. It is assumed that the degree of modulation corresponds to the basic degree of modulation.
Insbesondere die vorgegebene Funktion ordnet CSS-Werte zugehörige Strombelastungen zu unter der Voraussetzung, dass der Modulationsgrad dem Grund-Modulationsgrad entspricht. Es wird diejenige Trägersignalverschiebung ermittelt, welche zur minimalen Strombelastung des Zwischenkreiskondensators führt. Dies wird anhand der vorgegeben Funktion durchgeführt, wobei diese Trägersignalverschiebung als konstante Verschiebung K ermittelt wird. Diese ist Teil der Gesamt-Trägersignalverschiebung der Gesamt-Trägersignalverschiebung. Insbesondere ist die Gesamt-Trägersignalverschiebung die Summe aus der konstanten Trägersignalverschiebung und einer variablen Trägersignalverschiebung. Das in diesem Absatz beschriebene Ermitteln des Minimums und der zugehörigen Trägersignalverschiebung anhand der zugehörigen Funktion kann insbesondere auch vor Inbetriebnahme, bei Montage, bei der Auslieferung oder bei der Programmierung eines Steuergeräts bzw. eines Wechselrichters ausgeführt werden. Anstatt der Ermittlung des Minimums der Strombelastung und der Ermittlung der Trägersignalverschiebung kann auch die konstante Trägersignalverschiebung vorgegeben werden anhand der eingangs erwähnten Abbildung, die für einen Modulationsgrad entsprechend dem Grund-Modulationsgrad angewendet wird, wobei auch ferner die hier beschriebene Funktion verwendet werden kann oder auch andere, empirische Ergebnisse, die für den vorgegebene Grund-Modulationsgrad gelten. In particular, the given function assigns associated current loads to CSS values, provided that the degree of modulation corresponds to the basic modulation depth. It is determined that carrier signal shift, which leads to the minimum current load of the DC link capacitor. This is done on the basis of the given function, wherein this carrier signal shift is determined as a constant displacement K. This is part of the total carrier signal shift of the overall carrier signal shift. In particular, the total carrier signal shift is the sum of the constant carrier signal shift and a variable carrier signal shift. The determination of the minimum and the associated carrier signal shift described in this paragraph on the basis of the associated function can in particular also be carried out before commissioning, during assembly, during delivery or during the programming of a control device or an inverter. Instead of determining the minimum of the current load and the determination of the carrier signal shift and the constant carrier signal shift can be specified by the above-mentioned figure, which is applied for a modulation degree corresponding to the basic modulation level, and also the function described here can be used or others , empirical results that apply to the given basic modulation level.
Die Ermittlung der konstanten Trägersignalverschiebung kann als erster Schritt betrachtet werden, wobei in einem weiteren Schritt auf differentielle Weise der aktuelle (d.h. Soll-)Modulationsgrad bei der Berechnung der Gesamt-Trägersignalverschiebung berücksichtigt wird. Insbesondere kann in einem weiteren Schritt eine variable Trägersignalverschiebung ermittelt werden, die sich zu der konstanten Trägersignalverschiebung hinzu addiert, um so die Gesamt-Trägersignalverschiebung zu bilden. Dieser zweite Schritt wird vorzugsweise während des Betriebs durchgeführt, da sich während des Betriebs der Soll-Modulationsgrad ändern kann bzw. da während des Betriebs der Soll-Modulationsgrad vorgegeben wird. The determination of the constant carrier signal shift can be considered as a first step, wherein in a further step in a differential manner the current (i.e., nominal) modulation degree is taken into account in the calculation of the total carrier signal shift. In particular, in a further step, a variable carrier signal shift can be determined, which adds to the constant carrier signal shift, so as to form the total carrier signal shift. This second step is preferably carried out during operation, since during operation the desired modulation degree can change or because the desired modulation degree is specified during operation.
Der Modulationsgrad gibt das Verhältnis des Betrags des Spannungssignals zu einer Zwischenkreisspannung bzw. zu einer Spannung an einer Gleichspannungsseite des Wechselrichters an. Insbesondere gibt der Modulationsgrad (m) das Verhältnis des Betrags eines ausgegebenen Spannungszeigers (des Spannungssignals bzw. des Wicklungssystems) zur Zwischenkreisspannung an. Der Modulationsgrad kann wie folgt definiert werden:
- m:
- Modulationsgrad
- sqrt(3):
- Faktor für dreiphasige Systeme
- Û_ph:
- Spitzenspannung einer Phase des Spannungssignals
- U_DC:
- Zwischenkreisspannung bzw. Spannung an der Gleichspannungsseite des Wechselrichters
- m:
- modulation rate
- sqrt (3):
- Factor for three-phase systems
- Û_ph:
- Peak voltage of one phase of the voltage signal
- U_DC:
- DC link voltage or voltage on the DC side of the inverter
Das Verfahren kann somit ferner vorsehen, eine variable Trägersignalverschiebung zu ermitteln. Diese ist Teil der Gesamt-Trägersignalverschiebung. Zusammen mit der konstanten Trägersignalverschiebung K, die ebenso Teil der Gesamt-Trägersignalverschiebung ist, bildet die Summe dieser Trägersignalverschiebungs-Werte die Gesamt-Trägersignalverschiebung. Es wird hierbei von einer Differenz zwischen Grund-Modulationsgrad und Soll-Modulationsgrad ausgegangen. Die Differenz bildet ab, wie stark der tatsächliche Modulationsgrad von dem im Vorhinein eingestellten Grund-Modulationsgrad abweicht. Gemäß dieser Abweichung, ausgedrückt durch die Differenz, wird die variable Trägersignalverschiebung ermittelt, die zur konstanten Trägersignalverschiebung hinzu addiert werden kann. Hier wird von einer weiteren Funktion ausgegangen, die auf differentielle Weise unterschiedlichen Modulationsgraden jeweils eine zugehörige Trägersignalverschiebung zuordnet. Diese weitere Funktion ordnet unterschiedlichen Differenzen zwischen Grund-Modulationsgrad und Soll-Modulationsgrad m zugehörige variable Trägersignalverschiebungen zu. Die Funktion bildet somit die Differenz auf die variablen Trägersignalverschiebungen ab. Insbesondere bildet diese weitere (bzw. differentielle) Funktion die Differenzen (das heißt die Abweichungen zum Grund-Modulationsgrad) auf variable Trägersignalverschiebungen bzw. Trägersignalverschiebungswerte ab, für welche (addiert zu der konstanten Trägersignalverschiebung) die Strombelastung minimal ist. Diese weitere Funktion wird während des Betriebs verwendet, d.h. mit aktuellen Soll-Modulationsgrad, im Gegensatz zur erstgenannten Funktion, die im Vorneherein (etwa bei der Implementierung) ausgeführt bzw. genutzt wird. The method can thus further provide for determining a variable carrier signal shift. This is part of the overall carrier signal shift. Together with the constant carrier signal shift K, which is also part of the overall carrier signal shift, the sum of these carrier signal shift values forms the overall carrier signal shift. In this case, a difference between the basic degree of modulation and the desired degree of modulation is assumed. The difference reflects how much the actual modulation level deviates from the basic modulation level set in advance. According to this deviation, expressed by the difference, the variable carrier signal shift is determined, which can be added to the constant carrier signal shift. Here, a further function is assumed, which assigns a respective carrier signal shift in a differential manner to different degrees of modulation. This further function assigns different variable carrier signal shifts to different differences between the basic modulation degree and the desired modulation degree m. The function thus maps the difference to the variable carrier signal shifts. In particular, this further (or differential) function maps the differences (that is, the deviations to the basic modulation degree) to variable carrier signal shifts or carrier signal shift values for which the current load is minimal (added to the constant carrier signal shift). This additional function is used during operation, ie with current target modulation level, as opposed to the first mentioned function, which is executed or used in the beginning (eg during the implementation).
Die weitere Funktion bildet vorzugsweise nicht allgemein Modulationsgrad bzw. Differenzen hiervon auf Trägersignalverschiebungswerte ab, sondern bildet diese ab unter der Voraussetzung, dass die Strombelastung minimal ist. Die weitere Funktion kann insbesondere eine Näherungsfunktion sein, beispielsweise eine lineare Funktion oder eine Funktion, die zumindest abschnittsweise Modulationsgraden (bzw. Differenzen zwischen Grund- und Soll-Modulationsgrad) gemäß einer linearen Funktion Trägersignalverschiebungen zuordnet. Insbesondere kann die Funktion in einem ersten Intervall von Modulationsgraden bzw. von Differenzen von Modulationsgraden diese Modulationsgrade oder -Differenzen zu konstanten Trägersignalverschiebungen (CSS) bzw. zu variablen Trägersignalverschiebungen zuordnen und kann einem zweiten Intervall von Modulationsgraden bzw. Modulationsgraddifferenzen gemäß einer linearen Abbildung die Modulationsgrade bzw. -Differenzen zu verschiedenen Trägersignalverschiebungen zuordnen, für die die Strombelastung minimal ist. Ein Intervall wie das erste Intervall kann mehrfach vorkommen, insbesondere vor und nach dem Intervall, in dem eine lineare Funktion herrscht. The further function preferably does not generally map the degree of modulation or differences thereof to carrier signal shift values, but depicts them on the assumption that the current load is minimal. In particular, the further function may be an approximation function, for example a linear function or a function which assigns modulation grades (or differences between the basic and desired modulation depth) at least in sections according to a linear function. In particular, the function can assign these modulation degrees or differences to constant carrier signal shifts (CSS) or to variable carrier signal shifts in a first interval of modulation degrees or of differences in modulation depths and in a second interval of modulation degrees or modulation degree differences according to a linear mapping Assign differences to different carrier signal shifts for which the current load is minimal. An interval like the first interval can occur several times, in particular before and after the interval in which there is a linear function.
Die Funktion kann definiert werden durch Intervallgrenzen, zwischen denen ein konstanter Verschiebungswert herrscht, wobei dieser auch Teil der Definition ist, und weitere Intervallgrenzen, zwischen denen eine lineare Abhängigkeit herrscht, wobei die lineare Abhängigkeit definiert wird durch eine Verschiebungskonstante (entsprechend einer konstanten Trägersignalverschiebung) und einer Steigung, die die Änderung der Verschiebung abhängig vom Modulationsgrad wiedergibt (bei minimierter Strombelastung). The function may be defined by interval boundaries between which a constant displacement value exists, which is also part of the definition, and further interval boundaries between which there is a linear dependence, the linear dependence being defined by a displacement constant (corresponding to a constant carrier signal shift) and a slope that reflects the change in the shift depending on the degree of modulation (with minimized current load).
Das ersten und das zweite Wicklungssystem (und falls vorhanden: auch ein oder mehrere weitere Wicklungssysteme) können als Stern- oder Dreieckschaltung vorliegen und so mit dem Spannungssignal versorgt werden. Insbesondere werden die Wicklungssysteme als voneinander getrennte Systeme in Stern- oder Dreieckschaltung versorgt. Die mit den Spannungssignalen versorgten Wicklungssysteme weisen vorzugsweise alle die gleiche Konfiguration (d.h. in Stern- oder in Dreieckschaltung) auf. The first and the second winding system (and if present: also one or more other winding systems) can be present as a star or delta connection and thus supplied with the voltage signal. In particular, the winding systems are supplied as separate systems in star or delta connection. The winding systems supplied with the voltage signals preferably all have the same configuration (i.e., in star or delta connection).
Das erste und das zweite Wicklungssystem (und falls vorhanden: auch ein oder mehrere weitere Wicklungssysteme) können jeweils einen Sternpunkt aufweisen. Die Sternpunkte der Wicklungssysteme sind insbesondere nicht miteinander verbunden. The first and the second winding system (and, if present, also one or more further winding systems) may each have a star point. The neutral points of the winding systems are in particular not connected to each other.
Die Wicklungssysteme können unabhängig voneinander versorgt werden. Das heißt, dass das erste und das zweite Wicklungssystem als voneinander getrennte Systeme versorgt werden. The winding systems can be supplied independently of each other. That is, the first and second winding systems are supplied as separate systems.
Die Wicklungssysteme bzw. deren Einzelwicklungen können wie erwähnt über eine erste Brücke und eine zweite Brücke (oder über mindestens eine weitere Brücke) versorgt werden. Insbesondere wird das erste Wicklungssystem durch Schalten einer ersten Brücke versorgt, die steuerbare Schaltelemente aufweist. Das zweite Wicklungssystem wird versorgt durch Schalten einer zweiten Brücke, die ebenfalls steuerbare Schaltelemente aufweist. Die erste und die zweite Brücke werden vorzugsweise von der gleichen Spannungsquelle versorgt. Zu dieser Spannungsquelle ist der Zwischenkreiskondensator parallel geschaltet. Mit anderen Worten weist die erste und die zweite Brücke (und ggf. weitere Brücken) jeweils einen Gleichspannungseingang auf, wobei die Spannungseingänge der beiden Brücken parallel geschaltet sind und ferner ein Zwischenkreiskondensator parallel zu diesen Spannungseingängen geschaltet ist. Etwas allgemeiner formuliert kann das erste Spannungssignal abgegeben werden, indem die erste Brücke geschaltet wird, und das zweite Spannungssignal kann abgegeben werden, indem die zweite Brücke geschaltet wird. Hierbei können die Spannungssignale an eine Last abgegeben werden, oder insbesondere (wie vorangehend erwähnt) an Wicklungssysteme, insbesondere von elektrischen Maschinen, beispielsweise Drehstrommaschinen. The winding systems or their individual windings can, as mentioned, be supplied via a first bridge and a second bridge (or via at least one further bridge). In particular, the first winding system is supplied by switching a first bridge having controllable switching elements. The second winding system is powered by switching a second bridge, which also has controllable switching elements. The first and second bridges are preferably powered by the same voltage source. To this voltage source of the DC link capacitor is connected in parallel. In other words, the first and the second bridge (and possibly further bridges) each have a DC voltage input, wherein the voltage inputs of the two bridges are connected in parallel and further an intermediate circuit capacitor is connected in parallel to these voltage inputs. More generally, the first voltage signal may be delivered by switching the first bridge, and the second voltage signal may be delivered by switching the second bridge. Here, the voltage signals can be delivered to a load, or in particular (as mentioned above) to winding systems, in particular of electrical machines, such as three-phase machines.
Die erste und die zweite Brücke können jeweils als B6C-Brücke ausgebildet sein. Eine B6C-Brücke umfasst einen Gleichspannungseingang sowie für jede Phase einen Arm, in dem sich zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente befinden. Der Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen jedes Arms bildet einen Phasenanschluss. Da für jede Phase ein Arm vorgesehen ist, bestehen pro Arm ein Verbindungspunkt und somit ein Phasenanschluss. Vorzugsweise wird als Brücke eine B6C-Brücke verwendet, die sechs Schaltelemente aufweist. Diese sind in drei Armen verteilt wobei jeder Arm zwei seriell geschaltete Schaltelemente (ein High-Side-Schalter und ein Low-Side-Schalter) aufweist, und der Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen einen Phasenanschluss darstellt. The first and the second bridge can each be designed as a B6C bridge. A B6C bridge incorporates a DC input and, for each phase, an arm containing two series-connected switching elements. The connection point between the switching elements of each arm forms a phase connection. Since one arm is provided for each phase, there is one connection point per arm and thus a phase connection. Preferably, a B6C bridge having six switching elements is used as the bridge. These are distributed in three arms, each arm having two series-connected switching elements (a high-side switch and a low-side switch), and the connection point between the switching elements represents a phase connection.
Der Begriff „Brücke“ ist eine Kurzfassung für Brückenschaltung, insbesondere für eine Schaltung, bei der Schaltelemente in Brückenschaltung geschaltet sind. Als Brückenschaltung kommt insbesondere eine Vollbrückenschaltung in Betracht. Die Vollbrückenschaltung ist insbesondere als B6C-Brücke ausgebildet. Die Vollbrückenschaltung weist pro Phase einen Querzweig auf, der zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter aufweist. Phasen einer Last bzw. die Wicklungen (der Wicklungssysteme) werden jeweils an einen Verbindungspunkt angeschlossen, über den die genannten zwei Halbleiterschalter miteinander seriell verbunden sind. Die zwei Halbleiterschalter können als High-Side-Schalter und als Low-Side-Schalter bezeichnet werden. Bei einer Phasenzahl von drei ergeben sich drei Querzweige, die jeweils zwei Schalter aufweisen. Dies wird als B6C Brücke bezeichnet (die Ziffer 6 benennt die Anzahl der Schalter). Bei einer Phasenzahl von n ergeben sich n Querzweige mit jeweils zwei Schaltern, so dass insgesamt 2·n Schalter verwendet werden. Es kommen auch H-Brückenschaltungen in Betracht, um die Vollbrückenschaltung auszubilden. Als Low-Side-Schalter werden (von außen steuerbare) Schaltelemente bezeichnet, die direkt mit einem negativen oder Masse-Versorgungspotential verbunden sind. Als High-Side-Schalter werden (von außen steuerbare) Schaltelemente bezeichnet, die direkt mit einem positiven Versorgungspotential verbunden sind. Die Schaltelemente sind insbesondere von außen steuerbar, vorzugsweise in Form von elektronischen Schaltelementen. Die Schaltelemente können Halbleiter-Schaltelemente sein, insbesondere Transistoren wie Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren, beispielsweise IGBTs oder MOSFETs. The term "bridge" is an abbreviation for bridge circuit, in particular for a circuit in which switching elements are connected in bridge circuit. As a bridge circuit is in particular a full bridge circuit into consideration. The full bridge circuit is designed in particular as a B6C bridge. The full-bridge circuit has a shunt branch per phase, which has two series-connected semiconductor switches. Phases of a load or the windings (of the winding systems) are each connected to a connection point, over which said two semiconductor switches are connected to each other in series. The two semiconductor switches can be referred to as high-side switches and as low-side switches. With a phase number of three, three shunt branches result, each having two switches. This is called the B6C bridge (the number 6 indicates the number of switches). With a phase number of n, n shunt branches each having two switches result, so that a total of 2 × n switches are used. H-bridge circuits are also contemplated to form the full bridge circuit. Low-side switches are (externally controllable) switching elements that are directly connected to a negative or ground supply potential. High-side switches are (externally controllable) switching elements, which are directly connected to a positive supply potential. The switching elements are in particular controllable from the outside, preferably in the form of electronic switching elements. The switching elements may be semiconductor switching elements, in particular transistors such as bipolar transistors or field effect transistors, for example IGBTs or MOSFETs.
Das Verfahren sieht insbesondere vor, eine elektrische Maschine zu versorgen, beispielsweise indem die Spannungssignale (das heißt zumindest das erste und das zweite Spannungssignal) an die elektrische Maschine abgegeben wird. Wie erwähnt kann die elektrische Maschine eine Drehstrommaschine sein, insbesondere eine Synchron- oder Asynchronmaschine. Die elektrische Maschine weist mindestens zwei Wicklungssysteme auf, die in ihrer Winkellage zueinander versetzt sein können, oder auch nicht zueinander (geometrisch) versetzt sind. Vorzugsweise findet sich eine Phase eines Wicklungssystems in der Mitte zwischen zwei Phasen des zweiten Wicklungssystems. Mit anderen Worten sind die Phasen der Wicklungssysteme in Umfangsrichtung gleich verteilt. Die Wicklungssysteme wirken auf die gleiche Welle. Die Wicklungssysteme können auf demselben Blechpaket angeordnet sein. Ferner können die Wicklungssysteme auf unterschiedlichen Blechpaketen angeordnet, sofern die Wicklungssysteme auf die gleiche Welle wirken. Die Wicklungssysteme können auf unterschiedliche Stellen der gleichen Welle einwirken. Als elektrische Maschine wird daher auch eine Vorrichtung verstanden, die mehrere Statoren (für die verschiedenen Wicklungssysteme und/oder mehrere Rotoren aufweist, die jedoch auf dieselbe Welle wirken. Die Wicklungssysteme können daher unterschiedliche Einwirkungsstellen aufweisen, die sich insbesondere axial zueinander versetzt sind, sofern diese auf die gleiche Welle oder auf den gleichen Rotor wirken. In particular, the method provides for supplying an electrical machine, for example by the voltage signals (that is, at least the first and the second voltage signal) being delivered to the electric machine. As mentioned, the electric machine may be a three-phase machine, in particular a synchronous or asynchronous machine. The electric machine has at least two winding systems, which may be offset in their angular position to each other, or are not offset from each other (geometrically). Preferably, one phase of a winding system is located midway between two phases of the second winding system. In other words, the phases of the winding systems are distributed equally in the circumferential direction. The winding systems act on the same shaft. The winding systems can be arranged on the same laminated core. Furthermore, the winding systems can be arranged on different laminated cores, as long as the winding systems act on the same shaft. The winding systems can act on different locations of the same shaft. An electrical machine is therefore also understood to mean a device which has a plurality of stators (for the different winding systems and / or a plurality of rotors, but which act on the same shaft.) The winding systems can therefore have different points of action, which are in particular offset axially relative to one another, if these act on the same shaft or on the same rotor.
Die elektrische Maschine wird versorgt, indem das erste Spannungssignal an das erste Wicklungssystem abgegeben wird, und das zweite Spannungssignal an das zweite Wicklungssystem. Es können auch mehr als zwei Wicklungssysteme vorgesehen sein, wobei vorzugsweise alle Wicklungssysteme zueinander (in Drehrichtung) versetzt sind und die Phasen aller Wicklungssystem gleich verteilt sind (in Umfangsrichtung gesehen). Es kann auch vorgesehen sein, dass die Wicklungssysteme nicht zueinander versetzt sind. In diesem Fall erhält jedes Wicklungssystem ein zugehöriges Spannungssignal, wobei die Spannungssignale verschiedene Wicklungssysteme zueinander Trägersignal-verschoben sind (d.h. es liegt eine zeitliche Verschiebung zwischen den einzelnen Spannungssignalen vor), insbesondere derart, dass sich ein Minimum der Belastung des Zwischenkondensators ergibt. The electrical machine is powered by delivering the first voltage signal to the first winding system and the second voltage signal to the second winding system. It can also be provided more than two winding systems, preferably all winding systems to each other (in the direction of rotation) are offset and the phases of all winding system are equally distributed (seen in the circumferential direction). It can also be provided that the winding systems are not offset from one another. In this case, each winding system receives an associated voltage signal, with the voltage signals different carrier systems being carrier-to-each other shifted (i.e., there is a time shift between the individual voltage signals), in particular such that a minimum of the load of the intermediate capacitor results.
Die benötigte bzw. bereitgestellte Scheinleistung der elektrischen Maschine kann in Wirk- und Blindleistung unterteilt werden. Der Zwischenkreiskondensator stellt die Blindleistung zur Verfügung, die zu einer Strombelastung führt. Die Strombelastung führt über den ohmschen Widerstand im Zwischenkreis bzw. im Bauteil (etwa im Zwischenkreiskondensator) zu einer thermischen Belastung. The required or provided apparent power of the electric machine can be divided into active and reactive power. The DC link capacitor provides the reactive power, which leads to a current load. The current load leads to a thermal load via the ohmic resistance in the DC link or in the component (for example in the DC link capacitor).
Die Trägersignalverschiebung (CSS) kann positiv sein im Sinne eines Verzögerns oder kann negativ sein im Sinne eines Verfrühens. Ferner kann das erste Pulsmuster gegenüber dem zweiten Pulsmuster verschoben werden, das zweite Pulsmuster gegenüber dem ersten Pulsmuster verschoben sein, oder es können beide Pulsmuster gegenüber einem zeitlichen Taktreferenzpunkt verschoben sein. Im letztgenannten Fall ergibt sich die Gesamt-Trägersignalverschiebung aus der Summe der (Teil-)Trägersignalverschiebung des ersten und des zweiten Pulsmusters. The carrier signal shift (CSS) may be positive in the sense of delaying or may be negative in the sense of premature. Furthermore, the first pulse pattern can be shifted relative to the second pulse pattern, the second pulse pattern can be shifted relative to the first pulse pattern, or both pulse patterns can be shifted relative to a temporal clock reference point. In the latter case, the total carrier signal shift results from the sum of the (partial) carrier signal shift of the first and the second pulse pattern.
Die Abbildung ergibt sich durch Berechnung des (normierten) Wechselstromanteils beider Spannungssignale bzw. Pulsmuster bei unterschiedlichen Modulationsgraden und unterschiedlichen Trägersignalverschiebungen. Zur Berechnung der Abbildung für einen bestimmten Modulationsgrad (bzw. zur Berechnung der Funktion) wird der betreffende Wechselstromanteil für verschiedene Trägersignalverschiebungen berechnet. Um die allgemeinere Abbildung zu erhalten, wird diese Berechnung für unterschiedliche Modulationsgrade durchgeführt. Die sich ergebende Kurvenschar gibt die Abbildung für unterschiedliche Trägersignalverschiebungen V und unterschiedliche Modulationsgrade m an. Alternativ können die Daten anhand eines (virtuellen) Modells empirisch ermittelt werden oder anhand eines (realen) Modells gemessen werden. The figure is obtained by calculating the (normalized) alternating current component of both voltage signals or pulse patterns at different degrees of modulation and different carrier signal shifts. To compute the map for a given degree of modulation (or to calculate the function), calculate the AC component for different carrier signal offsets. To obtain the more general mapping, this calculation is performed for different degrees of modulation. The resulting family of curves gives the mapping for different carrier signal shifts V and different modulation degrees m. Alternatively, the data can be determined empirically using a (virtual) model or measured using a (real) model.
Die
In der
Die rein beispielhafte konstante Verschiebung K (welche nur ein Teil der Gesamt-Trägersignalverschiebung zwischen SIG1 und SIG2 ist) in
Die dargestellte variable Trägersignalverschiebung D1 beträgt +5% der gesamten Periodendauer T. Die dargestellte variable Trägersignalverschiebung D2 beträgt –6% der gesamten Periodendauer T. Die variable Trägersignalverschiebung D1 bezieht sich auf eine zeitliche (variable) Verschiebung des ersten Signals SIG1 gegenüber einem Referenzzeitpunkt t = 0, der als Beginn der dargestellten Periode betrachtet werden kann. Die Trägersignalverschiebung D1 ist positiv und entspricht somit einer Verzögerung. Die variable Trägersignalverschiebung D2 bezieht sich auf eine zeitliche (variable) Verschiebung des zweiten Signals SIG2. Die Trägersignalverschiebung D2 ist negativ und entspricht somit einem zeitlichen Vorziehen bzw. einer Verfrühung. The illustrated variable carrier signal shift D1 is + 5% of the total period T. The illustrated variable carrier signal shift D2 is -6% of the total period T. The variable carrier signal shift D1 refers to a temporal (variable) shift of the first signal SIG1 relative to a reference instant t = 0, which can be considered the beginning of the period shown. The carrier signal shift D1 is positive and thus corresponds to a delay. The variable carrier signal shift D2 relates to a temporal (variable) shift of the second signal SIG2. The carrier signal shift D2 is negative and thus corresponds to a time preference or a premature.
Die Gesamt-Trägersignalverschiebung (CSS) V ergibt sich aus der Summe der konstanten Verschiebung K und den variablen (Teil-)Verschiebungen D1 und D2, wobei die betreffenden Vorzeichen zu berücksichtigen sind: V = K – D1 + D2 und ergibt sich im dargestellten Beispiel zu 36% – 5% + (–6%) = 25%. Die beiden variablen (Teil-)Trägersignalverschiebungen (CSS) können unabhängig voneinander eingestellt werden. The total carrier signal shift (CSS) V results from the sum of the constant displacement K and the variable (partial) displacements D1 and D2, taking into account the relevant signs: V = K - D1 + D2 and results in the illustrated example to 36% - 5% + (-6%) = 25%. The two variable (sub) carrier signal shifts (CSS) can be set independently.
Bei konstanter Schaltfrequenz der beiden Wicklungssysteme kann die maximale Gesamt-Trägersignalverschiebung erreicht werden, wenn die Teil-Trägersignalverschiebung (der einzelnen Spannungssignale) maximiert sind, also wenn beispielsweise beide Pulsmuster (in der Zeitachse) nach außen an den Rand geschoben werden. Dies ist jedoch eine Grenzbetrachtung: Meist wird der maximal mögliche Gesamt-CSS jedoch nicht benötigt und aus Gründen wie beispielsweise des Abtastzeitpunktes des Phasenstroms kann es sinnvoll sein, die Teil-Trägersignalverschiebung unterschiedlich zu gewichten. Es kann daher eine Gewichtung der Teil-Trägersignalverschiebungen (d.h. die Trägersignalverschiebungen der Spannungssignale) vorgenommen werden. Die Gewichtung kann derart ausgestaltet sein, dass sich ein gewünschter Abtastzeitpunkt ergibt, etwa ein Abtastzeitpunkt, der mit einem minimalen Oberwellenanteil des Phasenstroms verknüpft ist oder der mit einer minimalen Belastung des Zwischenkreises verknüpft ist. At a constant switching frequency of the two winding systems, the maximum total carrier signal shift can be achieved if the partial carrier signal shift (of the individual voltage signals) are maximized, that is, if, for example, both pulse patterns (in the time axis) are pushed outward to the edge. However, this is a boundary consideration: Most of the maximum possible total CSS is not needed and for reasons such as the sampling time of the phase current, it may be useful to weight the sub-carrier signal shift differently. Thus, a weighting of the sub-carrier signal shifts (i.e., the carrier signal shifts of the voltage signals) may be made. The weighting may be configured to yield a desired sampling instant, such as a sampling instant associated with a minimum harmonic content of the phase current, or associated with a minimum load on the intermediate circuit.
Die Gesamt-Trägersignalverschiebung V entspricht dem zeitlichen Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Pulse des Signals SIG1 und dem Schwerpunkt der Pulse des Signals SIG2. Als Schwerpunkt des Pulsmusters wird dessen Symmetrieachse bezeichnet (siehe strichpunktierte Linie). Diese Zeitpunkte sind mit der dickeren der beiden strichpunktierten Linien dargestellt. Die Schwerpunkte der Signale, wie sie bei einer Gesamt-Trägersignalverschiebung von V = K auftreten würde (d.h. ohne die variable Verschiebung D bzw. D1 und D2) sind mit der dünneren der beiden strichpunktierten Linien dargestellt. Die dickeren strichpunktierten Linien zeigen somit die Gesamt-Trägersignalverschiebung (incl. variabler Verschiebung), die dünneren strichpunktierten Linien zeigen die (Grund-)Trägersignalverschiebungen ohne variabler Verschiebung und die Differenz der beiden zeigt die variable Verschiebung bzw. Verschiebungen D1, D2. The total carrier signal shift V corresponds to the time interval between the center of gravity of the pulses of the signal SIG1 and the center of gravity of the pulses of the signal SIG2. The center of gravity of the pulse pattern is its axis of symmetry (see dot-dash line). These times are shown with the thicker of the two dash-dotted lines. The centroids of the signals, as would occur with a total carrier displacement of V = K (i.e., without the variable displacement D or D1 and D2, respectively) are shown with the thinner of the two dash-dotted lines. The thicker dot-dashed lines thus show the total carrier signal shift (incl. Variable displacement), the thinner dot-dashed lines show the (basic) carrier signal displacements without variable displacement and the difference of the two shows the variable displacements D1, D2.
Die konstante Trägersignalverschiebung K entspricht vorzugsweise dem Minimum der Strombelastung bei einem Modulationsgrad m = 1. Die
Es sei bemerkt, dass sich das Bezugszeichen V ausschließlich auf die Gesamt-Trägersignalverschiebung (CSS) bezieht, während die Bezeichnungen U1, U2, V1, V2, W1, W2 Bezeichnungen verschiedener Phasensignale sind. Alle Phasenbezeichnungen umfassen an der letzten Stelle eine Ziffer, während das Bezugszeichen der Gesamt-Trägersignalverschiebung (Bezugszeichen V) keine Ziffer umfasst. It should be noted that the reference V refers exclusively to the total carrier signal shift (CSS), while the designations U1, U2, V1, V2, W1, W2 are designations of different phase signals. All phase designations comprise a digit in the last position, while the reference symbol of the total carrier signal shift (reference symbol V) does not comprise a digit.
Die Signale SIG1 und SIG2 entsprechen einer kontinuierlichen Pulsweitenmodulation, bei der alle Phasen U1–W1 und U2–W2 innerhalb der Periodendauer eine Pegeländerung aufweisen. Eine nicht-kontinuierliche Pulsweitenmodulation würde eine Phase in einem Wicklungssystem aufweisen, die innerhalb der Periodendauer keine Pegeländerung aufweist, d.h. eine Phase wird innerhalb der Periode nicht geschaltet. Das nicht-Schalten einer Phase wechselt sich innerhalb einer elektrischen Periode gleichmäßig zwischen den einzelnen Phasen eines Wicklungssystems ab. Bei den
Die
Die
Die
Die
Bezugnehmend auf die
- m_Soll:
- Soll-Modulationsgrad
- m_Grund:
- Grund-Modulationsgrad.
- M_set:
- Target modulation degree
- m_Grund:
- Basic modulation depth.
Die Gesamt-Trägersignalverschiebung V ist:
In der
Die vereinfachte Abbildung von Modulationsgraden m auf V (mit minmaler Strombelastung) kann wiedergegeben werden durch eine erstes Intervall m = 0 bis m1, in dem V = Vmin konstant ist, ein zweites Intervall m = m1 bis m2, in dem V (insbesondere linear) mit zunehmendem m ansteigt, und ein drittes Intervall m größer gleich m2, in dem V = Vmax konstant ist. In
Die
Die
In der
Dem Inverter
Die Brückenschaltungen
Der Inverter
Die
Die Brücken
Die Wicklungssysteme
In
Die Schaltelemente der Brücken sind insbesondere Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren, insbesondere MOSFETS oder IGBTS. Die Batterie ist insbesondere ein Bordnetzakkumulator, etwa auf Lithium-Basis. Die Batterie kann eine Nennspannung von 12 Volt, 24 Volt und vorzugsweise 36 Volt, 48 Volt oder auch 60–800 Volt, insbesondere von 350–410 Volt, aufweisen. The switching elements of the bridges are in particular semiconductor switches, for example transistors, in particular MOSFETs or IGBTS. The battery is in particular a Bordnetzakkumulator, such as lithium-based. The battery may have a rated voltage of 12 volts, 24 volts, and preferably 36 volts, 48 volts, or even 60-800 volts, especially 350-410 volts.
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