DE102017204108A1

DE102017204108A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters

Info

Publication number: DE102017204108A1
Application number: DE102017204108.0A
Authority: DE
Inventors: Mesut ER; Oussama Jabloun; Vitali Borokh; Notkar Amann; Karl-Hermann Ketteler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2018-09-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters (104), wobei das Verfahren einen Schritt des Regelns eines Winkels und einer Länge eines Spannungszeigers (122) unter Verwendung einer feldorientierten Regelung (116) und einen Schritt des Umschaltens zwischen einer Pulsweitenmodulation und einer Synchronmodulation zur Modulation des Spannungszeigers (122) auf Steuersignale (110) zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters (104), wobei bei der Pulsweitenmodulation der Winkel und die Länge des Spannungszeigers (122) auf Schaltzeitpunkte und/oder Amplituden der Steuersignale (110) moduliert werden und bei der Synchronmodulation der Winkel des Spannungszeigers (122) auf die Schaltzeitpunkte der Steuersignale (110) moduliert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung oder ein Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Ein Elektromotor kann über einen Wechselrichter mit elektrischer Energie versorgt werden. Dabei können eine Drehzahl und ein Drehmoment des Elektromotors beeinflusst werden.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters, eine verbesserte Vorrichtung zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters, ein verbessertes Antriebssystem und ein verbessertes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Drehzahl und Drehmoment eines Elektromotors können bei der Verwendung einer Pulsweitenmodulation zum Erzeugen der Antriebsströme für die Spulen des Elektromotors innerhalb von Grenzen beeinflusst werden. Aufgrund der Art der Erzeugung der Ströme mittels aufeinanderfolgenden Pulsen kann jedoch nicht die volle Eingangsspannung des Wechselrichters an die Spulen angelegt werden, wodurch auch nicht das maximal mögliche Drehmoment erreicht werden kann.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird zum Abrufen des maximal möglichen Drehmoments am Elektromotor von einer Pulsweitenmodulation auf eine Grundfrequenzmodulation umgeschaltet.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Regeln eines Winkels und einer Länge eines Spannungszeigers unter Verwendung einer feldorientierten Regelung; und
Umschalten zwischen einer Pulsweitenmodulation und einer Synchronmodulation zur Modulation des Spannungszeigers auf Steuersignale zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters, wobei bei der Pulsweitenmodulation der Winkel und die Länge des Spannungszeigers auf Schaltzeitpunkte und/oder Amplituden der Steuersignale moduliert werden und bei der Synchronmodulation der Winkel des Spannungszeigers auf die Schaltzeitpunkte der Steuersignale moduliert wird.

Insbesondere kann die Synchronmodulation als Grundfrequenzmodulation bezeichnet werden. Bei der Synchronmodulation werden die Steuersignale umso schneller durchgeschaltet, umso schneller der Elektromotor drehen soll. Vorteilhafterweise kann bei der feldorientierten Regelung auf die Ströme geregelt werden. Die feldorientierten Regelung kann mit zwei Freiheitsgraden als Mehrgrößenregelung regeln. Vorteilhafterweise kann dadurch auf bestehende Systeme aufgesetzt werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Einlesens eines Umschaltsignals aufweisen. Dabei wird der Schritt des Umschaltens ansprechend auf das Umschaltsignal zwischen der Pulsweitenmodulation und der Synchronmodulation umgeschaltet. Das Umschaltsignal kann abhängig von einem Arbeitspunkt des Elektromotors sein. Durch das Umschaltsignal kann ein Umschaltzeitpunkt genau definiert werden.
Das Umschaltsignal kann einen von dem Winkel und/oder der Länge des Spannungszeigers abhängigen Umschaltzeitpunkt zum Umschalten kennzeichnen. Wenn eine Leistungsanforderung an den Elektromotor ein hohes Drehmoment notwendig macht, kann umgeschaltet werden.
Das Umschaltsignal kann einen Wechsel zwischen einem ersten wirkungsgradoptimierten Bereich für die Pulsweitenmodulation und einem zweiten wirkungsgradoptimierten Bereich für die Synchronmodulation kennzeichnen. Der Elektromotor kann in bestimmten Arbeitspunkten einen höheren Wirkungsgrad aufweisen, wenn er über die Synchronmodulation angesteuert wird.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:

eine Einrichtung zum Bereitstellen zumindest einer Führungsgröße für eine feldorientierte Regelung zum Regeln eines Winkels und einer Länge eines Spannungszeigers; und
eine Einrichtung zum Ansteuern eines Modulators, wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, den Modulator zwischen einer Pulsweitenmodulation und einer Synchronmodulation zur Modulation des Spannungszeigers auf Steuersignale zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters umzuschalten, wobei bei der Pulsweitenmodulation der Winkel und die Länge des Spannungszeigers auf Schaltzeitpunkte und/oder Amplituden der Steuersignale moduliert werden und bei der Synchronmodulation der Winkel des Spannungszeigers auf die Schaltzeitpunkte der Steuersignale moduliert wird.

Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Die Vorrichtung kann eine Regeleinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die feldorientierte Regelung auszuführen und den Winkel und die Länge des Spannungszeigers in Abhängigkeit von der Führungsgröße auszugeben. Weiterhin kann die Vorrichtung einen Modulator zum Modulieren des Spannungszeigers auf die Steuersignale aufweisen, wobei der Modulator durch die Einrichtung zum Ansteuern angesteuert wird. Die Regeleinrichtung und der Modulator können auch eigenständige Funktionseinheiten sein.
Ferner wird ein Wechselrichter mit zumindest zwei Phasen vorgestellt, wobei der Wechselrichter durch eine Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz angesteuert wird.
Weiterhin wird ein Antriebssystem mit einem mehrphasigen Elektromotor und einem mehrphasigen Wechselrichter gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt. Bei dem Elektromotor kann es sich beispielsweise um eine asynchrone oder eine permanenterregte Maschine handeln. Somit ist der beschriebene Ansatz sehr vielseitig einsetzbar.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

1 ein Bockschaltbild eines Antriebssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung eines Wechselrichters;
3 eine Darstellung von Spannungsverläufen auf drei Phasen eines Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Darstellung eines Spannungszeigers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt ein Bockschaltbild eines Antriebssystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Antriebssystem 100 umfasst einen mehrphasigen Elektromotor 102, der über einen mehrphasigen Wechselrichter 104 elektrisch angeschlossen ist. Der Wechselrichter 104 bezieht seine Energie aus einer Gleichspannungsquelle 106, wie beispielsweise einer Batterie oder einem Gleichrichter.
Der Wechselrichter 104 wird von einer Vorrichtung 108 zum Betreiben des Wechselrichters 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung über Steuersignale 110 angesteuert. Die Vorrichtung 108 weist eine Einrichtung 112 zum Bereitstellen zumindest einer Führungsgröße 114 für eine Regeleinrichtung 116 und eine Einrichtung 118 zum Ansteuern eines Modulators 120 auf. Die Regeleinrichtung 116 stellt in Abhängigkeit von der Führungsgröße 114 einen Spannungszeiger 122 als Sollwert bereit. Der Spannungszeiger 122 weist eine Länge und einen Winkel auf. Der Modulator 120 liest den Spannungszeiger 122 ein und moduliert diesen auf die Steuersignale 110 auf. Hier sind die Regeleinrichtung 116 und der Modulator 120 eigenständige Module des Antriebssystems 100. Die Regeleinrichtung 116 und der Modulator 120 können auch Bestandteile der Vorrichtung 108 sein.
Die Regeleinrichtung 116 weist neben anderen Komponenten einen Spannungsregler 124, einen Stromregler 126 und eine Umrechnungseinrichtung 128 auf. Der Spannungsregler 124 regelt in Abhängigkeit von der Führungsgröße 114 eine Sollspannung. Der Stromregler 126 regelt in Abhängigkeit von der Führungsgröße 114 und/oder der Sollspannung einen Sollstrom. Die Umrechnungseinrichtung 128 rechnet die Sollwerte von einem Berechnungskoordinatensystem in ein Koordinatensystem des Spannungszeigers 122 um und gibt den Spannungszeiger 122 aus. Beispielsweise rechnet die Umrechnungseinrichtung 128 die Sollwerte von einem rotorfesten, rotierenden Koordinatensystem in ein statorfestes, nicht rotierendes Koordinatensystem um.
Der Modulator 120 zerlegt den Spannungszeiger 122 entsprechend der Anzahl und Lage der Phasen des Wechselrichters 104 und des Elektromotors 102 in die jeweiligen Phasenanteile und moduliert diese auf die Steuersignale 110. Die Steuersignale 110 steuern dabei die Schalter der Brückenschaltung des Wechselrichters 104 an.
Die Vorrichtung 108 liest zum Betreiben des Wechselrichters 104 Größen 130, wie beispielsweise eine aktuelle Drehzahl (rpm) des Elektromotors 102, ein Soll-Drehmoment (MRef), eine Spannung (Udc) der Spannungsquelle 106 und einen Stromfluss (i123) in den Phasen des Elektromotors 102. Daraus berechnet die Vorrichtung 108 die Führungsgröße 114. Aus der Führungsgröße 114 berechnet die Regeleinrichtung 116 den Spannungszeiger 122.
Der Spannungszeiger 122 kennzeichnet durch seine Länge eine erforderliche elektrische Leistung, um den Elektromotor 102 mit dem gewünschten Drehmoment anzutreiben. Der Winkel des Spannungszeigers 122 kennzeichnet eine dafür erforderliche Ausrichtung des durch den Stromfluss im Stator erzeugten Magnetfelds. Der Winkel ändert sich ständig beziehungsweise läuft um, um ein magnetisches Drehfeld im Stator zu erzeugen.
Der Modulator 120 setzt den Spannungszeiger 122 in die Steuersignale 110 um. Bei der Pulsweitenmodulation PWM werden die Schalter der Brückenschaltung im Wechselrichter 104 in hochfrequenten Pulsen betätigt. Ein Füllfaktor zwischen einem angeschalteten Abschnitt eines Pulses und einem ausgeschalteten Abschnitt des Pulses bestimmt den resultierenden Stromfluss in der angesteuerten Phase. Bei der Pulsfrequenzmodulation werden die Schalter mit variabler Frequenz angesteuert. Dabei bestimmt ein Abstand zwischen gleichbleibenden Pulsen den Füllfaktor. Das Drehmoment kann so näherungsweise unabhängig von der Drehzahl eingestellt werden.
Wenn der Spannungszeiger 122 in den Bereich seiner maximalen Länge kommt, wird am Elektromotor näherungsweise sein maximales Drehmoment abgerufen. Dann steuert die Einrichtung 118 zum Ansteuern den Modulator 120 so an, dass die Pulsweitenmodulation in eine Grundfrequenzmodulation wechselt. Dabei wird die Spannung nicht mehr gepulst erzeugt, sondern die maximale Spannung der Spannungsquelle 106 wird für durch den Winkel des Spannungszeigers 122 vorgegebenen Zeitabschnitte konstant an den Wicklungen des Elektromotors 102 angelegt.
Mit anderen Worten zeigt 1 die Vorrichtung 108 als Umschaltlogik für die Art der Modulation. Je nach Arbeitspunkt wird auf eine für das System 100 günstigere Modulationsart umgeschaltet. Bei der feldorientierten Regelung 116 ist die Struktur der Regelung 116 unverändert und regelt weiterhin auf die Ströme. Der Aussteuerungsregler 124 sorgt dafür, dass die Spannung je nach Modulationsart eingeregelt wird. Der Modulator 120 wechselt in die jeweilige Modulationsart und gibt die Steuersignale 110 an den Wechselrichter 104 unter Verwendung der Pulsweitenmodulation oder der synchronen Taktung weiter.
Dabei erfolgt die Umschaltung zwischen der PWM-Modulation mit zwei Freiheitsgraden und der Grundfrequenztaktung mit einem Freiheitsgrad. Die zwei Freiheitsgrade sind Winkel und Länge des Spannungszeigers 122. Der eine Freiheitsgrat ist der Winkel des Spannungszeigers 122 mit einer gegebenen maximalen Länge. Die Umschaltung erfolgt mittels der Logik 108, die erstens einen optimalen Zeitpunkt für die Umschaltung berechnet und zweitens nach Wirkungsgrad optimierte Bereiche für die verschiedenen Modulationsarten berücksichtigt.
Die Struktur innerhalb der Regelung 116 beziehungsweise der Software kann unverändert bleiben. Die feldorientierte Regelung (FOR) regelt weiterhin mit zwei Freiheitsgraden als sogenannte Mehrgrößenregelung. Dadurch, dass keine Strukturumschaltung stattfindet, ist das Systemverhalten kontinuierlicher und ohne größere Sprünge in den Systemgrößen, wie Strom und/oder Spannung. Die Integratoren in den Reglern 124, 126 können ohne Zurücksetzten weiter betrieben werden.
Durch das Vorhandensein des Spannungsreglers 124 wird die Länge des Spannungszeigers 122 auf die gegebene, maximale Spannung geregelt. Dadurch wirkt sich der Stromregler 126 mit zwei Freiheitsgraden trotzdem nur auf den Winkel des Spannungszeigers 122 aus. Dadurch ist der Stromregler 126 ist immer noch aktiv und kann auf Störungen reagieren.
Der Stromregler 126 und der Spannungsregler 124 sind auch in der PWM-Modulationsart aktiv, aber der Spannungsregler 124 regelt auf eine andere Sollspannung. Die Sollspannung wird durch einen Aussteuerungsfaktor je nach Modulationsart bestimmt.
Bei der Raumzeigermodulation ist die Taktungsart asynchron und ein Aussteuerungsfaktor von $0 \dots \frac{1}{\sqrt{3}}$
wird erreicht. Bei der Mehrfachtaktung ist die Taktungsart synchron und ein Aussteuerungsfaktor von $\frac{1}{\sqrt{3}} \dots \frac{2}{π}$
wird erreicht. Bei der Grundfrequenztaktung ist die Taktungsart ebenfalls synchron und ein Aussteuerungsfaktor von $\frac{2}{π}$
wird erreicht. Die Modulationsart ist synchron falls die Schaltfrequenz fs gleich der Grundfrequenz der Ausgangsspannungen oder ein Vielfaches davon ist. Der Aussteuerungsfaktor ist durch $\frac{U_{s S t r a n g}}{U_{d c}}$
definiert.
Der hier vorgestellte Ansatz ist funktionsfähig für alle Drehfeldmaschinentypen, sowohl ASM als auch PSM. Dabei wird weiterhin auf die Ströme geregelt, statt einem gesteuerten Betrieb. Es erfolgt eine arbeitspunktabhängige Umschaltung der Modulationsart. Durch eine bessere Spannungsausnutzung sind mehr Leistung und ein besserer Wirkungsgrad erreichbar. Es ist keine Regelungsstrukturumschaltung nötig. Das Verfahren beschränkt sich nicht nur auf dreiphasige Maschinen 102 beziehungsweise Systeme 100. Der hier vorgestellte Ansatz ist robust.
In der Ansteuerung von E-Maschinen 102 hat sich kein Modulationsverfahren als das optimale für alle Anforderungen und Betriebspunkte durchgesetzt. Die Raumzeigermodulation, hier Pulsweitenmodulation beziehungsweise PWM genannt, ist üblicherweise die Standardmodulation. Diese asynchrone Modulationsart hat jedoch zwei entscheidenden Schwächen. Pulsweitenmodulation nutzt die Batteriespannung nicht vollständig aus. Ab einem bestimmten Verhältnis zwischen Schaltfrequenz und Antriebsfrequenz ergeben sich störende Stromoberwellen und gegebenenfalls Schwebungen. Diese beiden Schwächen sind zugleich die Stärken der synchronen Modulationsverfahren. Die hier vorgestellte Variation des Modulationsverfahrens ermöglicht es, das Antriebsystem 100 unter den gegebenen Randbedingungen optimal zu betreiben. Durch den hier vorgestellten Ansatz können beim Umschalten ungewünschte Ausgleichströme vermieden werden, welche zu Systemausfall führen könnten.
Um beim Umschalten zwischen den Modulationsverfahren keine bauteilgegebenen Stromgrenzen zu verletzen, beziehungsweise größere Ausgleichsvorgänge zu vermeiden, die im Regelkreis 116 zu Instabilitäten führen können, wird durch den hier vorgestellten Ansatz ein sanfter Übergang ermöglicht.
Allgemein wird dabei das Modulationsverfahren von einer Pulsweitenmodulation über eine Übergangsmodulation auf eine Grundfrequenztaktung umgestellt. Zurück wird von der Grundfrequenztaktung über die Übergangsmodulation auf die Pulsweitenmodulation gewechselt. Als Übergangsmodulation kann dabei eine Pulsweiten-Übermodulation beziehungsweise PWM-OVM oder eine Mehrfachtaktung verwendet werden.
Sobald ein Modulationsverfahren freigegeben wird, wird es nicht sofort aktiv. Für den Umschaltzeitpunkt von der Pulsweitenmodulation in die synchrone Taktung wird gewartet, bis Bedingungen erfüllt sind. Eine der wichtigsten Bedingungen ist die Spannungszeigerlänge und der Winkel.
In eine synchrone Taktung wird nur umgeschaltet, wenn der rotierende Spannungszeiger 122 sich in einem definierten Spannungsbereich befindet. Die Spannungszeigerlänge muss eine gewisse Länge überschritten haben. Die zu regelnde Aussteuerungsspannung wird beim Umschalten auf die jeweilige modulationsartabhängige Austeuerung geführt.
Falls die Spannungszeigerlänge einen vorgegebenen Wert unterschreitet, wird sofort in die Pulsweitenmodulation umgeschaltet. Die Umschaltung über die Spannungszeigerlänge erfolgt mit einer Hysterese. Es können andere Nebenbedingungen wie beispielsweise Ströme, Drehmomente und Drehzahlen berücksichtigt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz ist funktionsfähig für alle Drehfeldmaschinentypen, sowohl asynchrone als auch permanenterregte Maschinen (ASM, PSM). Dabei ergeben sich sanfte Übergänge zwischen den Modulationsarten und keine größeren Spannungssprünge beziehungsweise Ausgleichsströme durch die Modulationsartumschaltung. Durch die Übermodulation resultiert ein kontinuierlicher Übergang zwischen der Pulsweitenmodulation bis zur Grundfrequenztaktung. Durch eine Mehrfachtaktung, beispielsweise eine dreifach, fünffach oder siebenfach Taktung und/oder eine Mittenpulstaktung oder Flankenpulstaktung ergibt sich eine hohe Robustheit.
2 zeigt eine Darstellung eines Wechselrichters 104. Der Wechselrichter 104 entspricht dabei im Wesentlichen dem Wechselrichter in 1. Der Wechselrichter 104 ist hier dreiphasig. Dazu weist er pro Phase zwei Schalter 200 auf, die die Phase entweder mit einem hohen Spannungspotenzial 202 oder mit einem niedrigen Spannungspotenzial 204 der Spannungsquelle 106 verbinden. Eine Phase ist jeweils mit einer Spule des Elektromotors 102 verbunden. Die Spulen sind im Elektromotor 102 beispielsweise in einer Sternschaltung verschalten.
Für die Ansteuerung von Gleichstrommaschinen und Drehfeldmaschinen 102 werden überwiegend Spannungszwischenkreis-Wechselrichter (WR) 104 verwendet. 2 zeigt den Aufbau eines Wechselrichters 104 für Drehfeldmaschinen 102. Mittels unterschiedlichen Modulationsverfahren können die gewünschten Spannungen am Ausgang des Wechselrichters 104 durch Generierung der Pulsweitenmodulationswerte eingestellt werden.
Die generierten PWM-Werte aus der Regelung oder der Steuerung zur Erzeugung eines bestimmten Spannungsvektors ändern sich mit der gewünschten Spannungsfrequenz und -amplitude.
3 zeigt eine Darstellung von Spannungsverläufen 300, 302 auf drei Phasen eines Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die drei Phasen entsprechen im Wesentlichen den drei Phasen in 2. Die Spannungsverläufe 300, 302, 304 sind in drei übereinander angeordneten Diagrammen dargestellt. Auf den Abszissen ist ein normierter Winkel beziehungsweise eine Zeit angetragen, auf den Ordinaten eine normierte Spannungsamplitude. Die Spannungsverläufe der einzelnen Phasen sind gleich, weisen aber einen Phasenversatz zueinander auf. Für jede der drei Phasen sind Spannungsverläufe 300, 302, 304 von drei verschiedenen Modulationsarten dargestellt. Die erste Modulationsart ist eine Sinusmodulation 300, die einem Sinusverlauf stark angenähert ist. Die zweite Modulationsart ist eine Raumzeigermodulation 302, die näherungsweise dem Sinusverlauf entspricht, jedoch geringe Abweichungen davon aufweist. Die dritte Modulationsart ist eine Grundfrequenzmodulation 304, bei der der Sinusverlauf durch ein Rechtecksignal nachempfunden ist. Die Sinusmodulation 300 und die Raumzeigermodulation 302 werden durch eine Pulsweitenmodulation erreicht. Dabei werden die Verläufe 300, 302 durch viele Pulse mit variabler Pulsweite beziehungsweise variablem Füllfaktor erzeugt. Die Grundfrequenzmodulation 304 weist demgegenüber eine geringe Anzahl an Schaltvorgängen auf.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird von der Raumzeigermodulation 302 auf die Grundfrequenzmodulation 304 gewechselt, wenn ein bestimmter Betriebszustand erreicht ist. Bei der Grundfrequenzmodulation 304 liegt an einer Phase über eine Halbwelle die volle Spannung der Spannungsquelle an.
Mit anderen Worten zeigt 3 den Unterschied zwischen der Raumzeigermodulation und der Grundfrequenztaktung. Dabei zeigt die Kurve 300 die Sinusmodulation, die Kurve 302 die Raumzeigermodulation und die Kurve 304 die Grundfrequenztaktung.
4 zeigt eine Darstellung eines Spannungszeigers 122 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Spannungszeiger 122 ist in einem statorfesten Koordinatensystem mit den Achsen α, β dargestellt. Der Spannungszeiger 122 ist ein vom Koordinatenursprung ausgehender Vektor. Der Spannungszeiger 122 weist damit eine Länge und einen Winkel auf. Die Länge des Spannungszeigers 122 ist zwischen null und eins variabel, Der Winkel kann jeden Wert aufweisen. Damit kann die Spitze des Spannungszeigers theoretisch jeden Punkt innerhalb eines Kreises um den Koordinatenursprung mit dem Radius eins erreichen. Der Spannungszeiger 122 kann als Raumzeiger bezeichnet werden.
Die Länge des Spannungszeigers 122 repräsentiert eine am Elektromotor bereitzustellende elektrische Leistung. Da der Elektromotor eine endliche Anzahl an Spulen aufweist, können nicht alle durch den Spannungszeiger darstellbaren Arbeitspunkte erreicht werden. Tatsächlich kann ein Bereich 400 des Kreises erreicht werden, der hier durch ein Sechseck markiert ist. Dabei liegen die Ecken des Sechsecks 400 auf dem Kreis mit dem Radius eins. Eins entspricht dabei der Gleichspannung U_dc der Spannungsquelle. Innerhalb des Sechsecks 400 ist ein tangierender Kreis 402 mit dem Radius $\frac{1}{\sqrt{3}} U_{d c}$
dargestellt. Alle Arbeitspunkte innerhalb des Kreises 402 können mittels Pulsweitenmodulation beziehungsweise Raumzeigermodulation oder Spannungszeigermodulation erreicht werden.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden Arbeitspunkte innerhalb des Kreises über die Pulsweitenmodulation angesteuert. Wenn die Arbeitspunkte außerhalb des Kreises 402 liegen, wird auf Grundfrequenztaktung beziehungsweise Grundfrequenzmodulation umgeschaltet. Durch die Grundfrequenztaktung kann eine höhere Leistung am Elektromotor bereitgestellt werden, als mittels der Pulsweitenmodulation. Dabei kann effektiv $\frac{2}{π} U_{d c}$
erreicht werden.
Mit anderen Worten wird eine synchrone Taktung in der feldorientierten Regelung vorgestellt.
Bei der feldorientierten Regelung kann sowohl die Spannungszeigerlänge als auch der Winkel durch eine Pulsweitenmodulation geändert werden. Prinzipbedingt kann bei Grundfrequenztaktung nur der Winkel geändert werden. Die Spannungslänge ist durch die Zwischenkreisspannung gegeben.
Alternativ kann auf eine Steuerung umgeschaltet werden, sodass auf die Ströme nicht mehr geregelt wird, wie es bei einer Standard feldorientierten Regelung der Fall ist. Damit wird vermieden, dass ungewollt die Spannungslänge durch die Stromregler geändert wird. Bei einer Steuerung kann zusätzlich eine Strukturumschaltung durchgeführt werden.
Um die Drehfeldmaschine maximal auszunutzen, wird die maximal mögliche Spannung an den Maschinenklemmen angelegt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wechselrichterschalter mit der Grundfrequenz die drei Phasen ansteuern.
Um in der Regelung schwer beherrschbare Strukturumschaltungen zu vermeiden, wird die synchrone Taktung als Erweiterung in der feldorientierten Regelung umgesetzt, indem weiterhin auf die Ströme geregelt wird, ohne die Regelungsstruktur umzuschalten. Dabei zeigt das Sechseck 400 die maximal erreichbare Grundwelle der Strangspannung (peak value). Der eingeschriebene Kreis 402 zeigt die bei der Raumzeigermodulation maximal erreichbare Strangspannung von $\frac{1}{\sqrt{3}} U_{D C} .$
Der gestrichelte Kreis zeigt die bei der Grundfrequenztaktung effektiv erreichbare Strangspannung von $\frac{2}{π} U_{D C} .$
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann beispielsweise auf einer Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren weist einen Schritt 500 des Regelns und einen Schritt 502 des Umschaltens auf. Im Schritt 500 des Regelns werden ein Winkel und eine Länge eines Spannungszeigers unter Verwendung einer feldorientierten Regelung geregelt. Im Schritt 502 des Umschaltens wird zwischen einer Pulsweitenmodulation und einer Synchronmodulation zur Modulation des Spannungszeigers auf Steuersignale zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters umgeschaltet. Bei der Pulsweitenmodulation werden der Winkel und die Länge des Spannungszeigers auf Schaltzeitpunkte und/oder Amplituden der Steuersignale moduliert. Bei der Synchronmodulation wird der Winkel des Spannungszeigers auf die Schaltzeitpunkte der Steuersignale moduliert.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Antriebssystem
102: Elektromotor
104: Wechselrichter
106: Spannungsversorgung
108: Vorrichtung zum Betreiben
110: Steuersignale
112: Einrichtung zum Bereitstellen
114: Führungsgröße
116: Regeleinrichtung
118: Einrichtung zum Umschalten
120: Modulator
122: Spannungszeiger
124: Spannungsregler
126: Stromregler
128: Umrecheneinheit
130: Eingangsgrößen
200: Schalter
202: hohes Potenzial
204: niedriges Potenzial
300: Sinusmodulation
302: Raumzeigermodulation, Pulsweitenmodulation
304: Grundfrequenzmodulation
400: erster Bereich
402: zweiter Bereich
500: Schritt des Regelns
502: Schritt des Umschaltens

Claims

Verfahren zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters (104), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Regeln (500) eines Winkels und einer Länge eines Spannungszeigers (122) unter Verwendung einer feldorientierten Regelung (116); und Umschalten (502) zwischen einer Pulsweitenmodulation (302) und einer Synchronmodulation (304) zur Modulation des Spannungszeigers (122) auf Steuersignale (110) zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters (104), wobei bei der Pulsweitenmodulation (302) der Winkel und die Länge des Spannungszeigers (122) auf Schaltzeitpunkte und/oder Amplituden der Steuersignale (110) moduliert werden und bei der Synchronmodulation (304) der Winkel des Spannungszeigers (122) auf die Schaltzeitpunkte der Steuersignale (110) moduliert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt des Einlesens eines Umschaltsignals, wobei im Schritt (502) des Umschaltens ansprechend auf das Umschaltsignal zwischen der Pulsweitenmodulation (302) und der Synchronmodulation (304) umgeschaltet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Umschaltsignal einen von dem Winkel und/oder der Länge des Spannungszeigers (122) abhängigen Umschaltzeitpunkt zum Umschalten kennzeichnet.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Umschaltsignal einen Wechsel zwischen einem ersten wirkungsgradoptimierten Bereich für (302) die Pulsweitenmodulation und einem zweiten wirkungsgradoptimierten Bereich für die Synchronmodulation (304) kennzeichnet.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem bei der feldorientierten Regelung (116) auf Ströme geregelt wird.
Vorrichtung (108) zum Betreiben eines mehrphasigen Wechselrichters (104), wobei die Vorrichtung (108) die folgenden Merkmale aufweist: eine Einrichtung (112) zum Bereitstellen zumindest einer Führungsgröße (114) für eine feldorientierte Regelung (116) zum Regeln eines Winkels und einer Länge eines Spannungszeigers (122); und eine Einrichtung (118) zum Ansteuern eines Modulators (120), wobei die Einrichtung (118) dazu ausgebildet ist, den Modulator (120) zwischen einer Pulsweitenmodulation (302) und einer Synchronmodulation (304) zur Modulation des Spannungszeigers (122) auf Steuersignale (110) zum Ansteuern der Phasen des Wechselrichters (104) umzuschalten, wobei bei der Pulsweitenmodulation (302) der Winkel und die Länge des Spannungszeigers (122) auf Schaltzeitpunkte und/oder Amplituden der Steuersignale (110) moduliert werden und bei der Synchronmodulation (304) der Winkel des Spannungszeigers (122) auf die Schaltzeitpunkte der Steuersignale (110) moduliert wird.
Vorrichtung (108) gemäß Anspruch 6, mit einer Regeleinrichtung (116), die dazu ausgebildet ist, die feldorientierte Regelung auszuführen und den Winkel und die Länge des Spannungszeigers (122) in Abhängigkeit von der Führungsgröße (114) auszugeben, und einem Modulator (120) zum Modulieren des Spannungszeigers (122) auf die Steuersignale (110), wobei der Modulator (120) durch die Einrichtung (118) zum Ansteuern angesteuert wird.
Wechselrichter (104) mit zumindest zwei Phasen, wobei der Wechselrichter (104) durch eine Vorrichtung (108) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7 angesteuert wird.
Antriebssystem (100) mit einem mehrphasigen Elektromotor (102) und einem mehrphasigen Wechselrichter (104) gemäß Anspruch 8.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.