DE102018129161B3

DE102018129161B3 - Umschalten einer elektrischen Drehstrommaschine zwischen einem Sternschaltung-Betriebsmodus und einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus

Info

Publication number: DE102018129161B3
Application number: DE102018129161.2A
Authority: DE
Inventors: Tobias Engelhardt; Thomas Hubert; Jörg Schneider
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2038-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschalten einer elektrischen Drehstrommaschine mit mindestens drei Wicklungen zwischen einem Sternschaltung-Betriebsmodus und einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt während des Betriebs der Drehstrommaschine, wobei die Drehstrommaschine mindestens drei Dreieck-Schaltvorrichtungen aufweist, die jeweils mit einer Anschlussklemme der Drehstrommaschine und mit einer Wicklung verbunden sind, und mindestens zwei Stern-Schaltvorrichtungen aufweist, die jeweils mit einem gemeinsamen Sternpunkt und mit einer Wicklung verbunden sind, wobei das Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt über mindestens einen Zwischenzustand erfolgt, in welchem sowohl mindestens eine Stern-Schaltvorrichtung leitend geschaltet und mindestens eine Dreieck-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet ist, wobei das Schalten der Dreieck-Schaltvorrichtungen und/oder der Stern-Schaltvorrichtungen von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand während eines Nulldurchgangs des durch die entsprechende Schaltvorrichtung fließenden Stroms erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschalten einer elektrischen Drehstrommaschine mit mindestens drei Wicklungen zwischen einem Sternschaltung-Betriebsmodus und einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt während des Betriebs der Drehstrommaschine.
Eine elektrischen Drehstrommaschine ist beispielsweise aus der WO 2005/078 896 A1 bekannt. Diese Drehstrommaschine ist als dreiphasige Synchronmaschine ausgestaltet und kann wahlweise in einem Sternschaltung-Betriebsmodus betrieben werden, in welchem die Wicklungen der Drehstrommaschine in einer Sternschaltung verschaltet sind oder in einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus, in welchem die Wicklungen in einer Dreieckschaltung verschaltet sind. Eine weitere Drehstrommaschine, die zwischen einem Sternschaltung-Betriebsmodus und einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus umschaltbar ist, wird in der US 2007/0 210 733 A1 beschrieben.
Das Umschalten solcher Drehstrommaschinen kann während des Betriebs der Drehstrommaschine erfolgen, also während die Anschlussklemmen mit Drehstrom bestromt sind. Hierdurch ist es möglich, die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der jeweiligen Drehstrommaschine einzustellen. Allerdings kann es beim Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt zu unerwünschten Unterbrechungen des durch die Drehstrommaschine bereitgestellten Drehmoments kommen. Zudem kann es zu Überspannungen an Schaltelementen kommen, die zum. Umschalten zwischen den genannten Betriebszuständen verwendet werden. Solche Überspannungen können die Lebensdauer der Schaltelemente beeinträchtigen.
Aus der DE 32 05 949 A1 ist eine steuerbare Schaltung bekannt, über welche drei Lasten wahlweise in eine Sternschaltung-Betriebsmodus oder einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus betrieben werden können und wobei das Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus über einen Zwischenzustand erfolgt.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das durch die Drehstrommaschine bereitgestellte Drehmoment beim Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus möglichst konstant aufrechtzuerhalten.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zum Umschalten einer elektrischen Drehstrommaschine mit mindestens drei Wicklungen zwischen einem Sternschaltung-Betriebsmodus und einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt während des Betriebs der Drehstrommaschine, wobei die Drehstrommaschine mindestens drei Dreieck-Schaltvorrichtungen aufweist, die jeweils mit einer Anschlussklemme der Drehstrommaschine und mit einer Wicklung verbunden sind, und mindestens zwei Stern-Schaltvorrichtungen aufweist, die jeweils mit einem gemeinsamen Sternpunkt und mit einer Wicklung verbunden sind, wobei in dem Sternschaltung-Betriebsmodus die Stern-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet und die Dreieck-Schaltvorrichtungen nicht-leitend geschaltet sind und in dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus die Dreieck-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet und die Stern-Schaltvorrichtungen nicht-leitend geschaltet sind, wobei das Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt über mindestens einen Zwischenzustand erfolgt, in welchem sowohl mindestens eine Stern-Schaltvorrichtung leitend geschaltet und mindestens eine Dreieck-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet ist, wobei das Schalten der Dreieck-Schaltvorrichtungen und/oder der Stern-Schaltvorrichtungen von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand während eines Nulldurchgangs des durch die entsprechende Schaltvorrichtung fließenden Stroms erfolgt.
In dem Sternschaltung-Betriebsmodus sind die Wicklungen der Drehstrommaschine mit einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden. In dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus sind die Wicklungen hingegen jeweils mit zwei Phasen des entsprechenden Drehstromsystems verbunden. Um das Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus und umgekehrt zu ermöglichen, umfasst die Drehstrommaschine mindestens drei Dreieck-Schaltvorrichtungen, die jeweils mit einer Anschlussklemme der Drehstrommaschine und mit einer Wicklung verbunden sind, sowie mindestens zwei Stern-Schaltvorrichtungen, die jeweils mit einem gemeinsamen Sternpunkt und mit einer Wicklung verbunden sind. Die Stern-Schaltvorrichtungen sind in dem Sternschaltung-Betriebsmodus leitend geschaltet und die Dreieck-Schaltvorrichtungen sind nicht-leitend geschaltet. In dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus sind die Dreieck-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet und die Stern-Schaltvorrichtungen sind nicht-leitend geschaltet.
Beim Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus wird erfindungsgemäß ein Zwischenzustand eingenommen, in welchem sowohl mindestens eine Stern-Schaltvorrichtung leitend geschaltet und mindestens eine Dreieck-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet ist. Insofern stellt der Zwischenzustand einen Zustand da, in welchem die Wicklungen weder in Sternschaltung noch in Dreieckschaltung verschaltet sind. Ferner erfolgt das Schalten der Dreieck-Schaltvorrichtungen und/oder der Stern-Schaltvorrichtungen von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand während eines Nulldurchgangs des durch die entsprechende Schaltvorrichtung fließenden Stroms. Hierdurch werden unerwünschte Überspannungen an den Dreieck-Schaltvorrichtungen und/oder der Stern-Schaltvorrichtungen vermieden. Der Stromfluss durch die Wicklungen der Drehstrommaschine wird beim Umschalten nicht unterbrochen. Die Stromrichtung in den Wicklungen bleibt beim Umschalten erhalten. Das Drehmoment der Drehstrommaschine kann daher im Wesentlichen aufrechterhalten werden.
Gemäß der Erfindung besteht der Zwischenzustand für eine Dauer, die kürzer ist als eine Periode des Drehfelds der Drehstrommaschine. Bevorzugt besteht der Zwischenzustand im Wesentlichen für die Dauer eines Drittels einer Periode des Drehfelds der Drehstrommaschine. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Dauer des Umschaltvorgangs abhängig von der Frequenz des Drehstroms ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Stern-Schaltvorrichtungen und/oder die Dreieck-Schaltvorrichtungen ein oder mehrere Halbleiterbauelemente, insbesondere ein oder mehrere Leistungshalbleiter, aufweisen. Beispielsweise ist es möglich, dass die Stern-Schaltvorrichtungen und/oder die Dreieck-Schaltvorrichtungen ein bidirektionales Halbleiterbauelement aufweisen, also ein Halbleiterbauelement, welches einen elektrischen Strom in zwei entgegengesetzten Richtungen führen und Schalten kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Stern-Schaltvorrichtungen und/oder die Dreieck-Schaltvorrichtungen zwei antiparallel geschaltete unidirektionale Halbleiterbauelemente aufweisen, also zwei antiparallel geschaltete Halbleiterbauelemente, die einen elektrischen Strom jeweils nur ein einer Richtung führen können.
Bevorzugt weisen die Stern-Schaltvorrichtungen und/oder die Dreieck-Schaltvorrichtungen antiparallel angeordnete Thyristoren auf. Die Verwendung von Thyristoren bringt den Vorteil mit sich, dass diese ohne großen schaltungstechnischen Aufwand in einem Nulldurchgang des durch sie fließenden Stroms abgeschaltet werden können. Die Antiparallelschaltung ermöglicht einen Stromfluss in beiden Richtungen durch die jeweilige Stern-Schaltvorrichtung und/oder die Dreieck-Schaltvorrichtung.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Stern-Schaltvorrichtungen und/oder die Dreieck-Schaltvorrichtungen als Triac ausgebildet sind. Ein Triac ist ein Halbleiterbauelement, welches eine Antiparallelschaltung zweier Thyristoren in einem gemeinsamen Halbleiterbauelement realisiert. Durch die Verwendung eines solchen Triacs kann somit eine besonders kompakte Ausgestaltung ermöglicht werden.
Gemäß.einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass beim Umschalten von dem Sternschaltung-Betriebsmodus in den Dreieckschaltung-Betriebsmodus in dem Zwischenzustand sowohl mindestens eine Stern-Schaltvorrichtung leitend geschaltet ist und mindestens zwei Dreieck-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet sind. Hierdurch kann ein Zwischenzustand ermöglicht werden, in dem Stromsteilheiten an den Wicklungen reduziert sind.
Vorteilhaft ist es, wenn beim Umschalten von dem Sternschaltung-Betriebsmodus in den Dreieckschaltung-Betriebsmodus, bevorzugt nach dem Schalten einer Stern-Schaltvorrichtung von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand, zwei Dreieck-Schaltvorrichtungen, bevorzugt gleichzeitig, von ihrem nicht-leitenden in ihren leitenden Zustand geschaltet werden. Beispielsweise können die beiden Dreieck-Schaltvorrichtungen können einen Stromfluß durch eine Wicklung ermöglichen, die unmittelbar mit der in dem vorhergehenden Schritt nicht-leitend geschalteten Stern-Schaltvorrichtung verbunden ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass beim Umschalten von dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus in den Sternschaltung-Betriebsmodus in dem Zwischenzustand sowohl mindestens zwei Stern-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet sind und mindestens eine Dreieck-Schaltvorrichtung leitend geschaltet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Drehstrommaschine genau drei Dreieck-Schaltvorrichtungen aufweist, die jeweils mit einer Anschlussklemme der Drehstrommaschine und mit einer Wicklung verbunden sind, und genau zwei Stern-Schaltvorrichtungen aufweist, die jeweils mit einem gemeinsamen Sternpunkt und mit einer Wicklung verbunden sind, wobei in dem Sternschaltung-Betriebsmodus die Stern-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet und die Dreieck-Schaltvorrichtungen nicht-leitend geschaltet sind und in dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus die Dreieck-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet und die Stern-Schaltvorrichtungen nicht-leitend geschaltet sind. Bei einer derartigen Ausgestaltung sind somit insgesamt lediglich fünf Schaltvorrichtungen erforderlich, um die Drehstrommaschine zwischen den beiden Betriebszuständen umschalten zu können.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine elektrische Drehstrommaschine mit mindestens drei Wicklungen, wobei die Drehstrommaschine mindestens drei Dreieck-Schaltvorrichtungen aufweist, die jeweils mit einer Anschlussklemme der Drehstrommaschine und mit einer Wicklung verbunden sind, und mindestens zwei Stern-Schaltvorrichtungen aufweist, die jeweils mit einem gemeinsamen Sternpunkt und mit einer Wicklung verbunden sind, wobei in einem Sternschaltung-Betriebsmodus die Stern-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet und die Dreieck-Schaltvorrichtungen nicht-leitend geschaltet sind und in einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus die Dreieck-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet und die Stern-Schaltvorrichtungen nicht-leitend geschaltet sind, wobei die Drehstrommaschine eine Steuereinrichtung aufweist, die derart eingerichtet ist, dass ein Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt über mindestens einen Zwischenzustand erfolgt, in welchem sowohl mindestens eine Stern-Schaltvorrichtung leitend geschaltet und mindestens eine Dreieck-Schaltvorrichtungen leitend geschaltet ist, wobei das Schalten der Dreieck-Schaltvorrichtungen und/oder der Stern-Schaltvorrichtungen von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand während eines Nulldurchgangs des durch die entsprechende Schaltvorrichtung fließenden Stroms erfolgt, wobei die Steuereinrichtung zudem derart eingerichtet ist, dass der Zwischenzustand für eine Dauer besteht, die kürzer ist als eine Periode des Drehfelds der Drehstrommaschine.
Bei der elektrischen Drehstrommaschine können dieselben Vorteile erreicht werden wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind.
Ferner können auch die um Zusammenhang mit dem Verfahren zum Umschalten der elektrischen Drehstrommaschine zwischen einem Sternschaltung-Betriebsmodus und einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale alternativ oder in Kombination bei der elektrischen Drehstrommaschine Anwendung finden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

1 ein System mit einer elektrischen Drehstrommaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Schaltbild;
2 ein beispielhafter Verlauf der Ströme in den Wicklungen der Drehstrommaschine;
3-5 mehrere Schaltbilder des Systems nach 1 zur Veranschaulichung des Übergangs von einem Sternschaltung-Betriebsmodus in einen Dreieckschaltung-Betriebsmodus;
6 eine Drehstrommaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
7-13 mehrere Darstellungen der Drehstrommaschine nach 6 zur Veranschaulichung der Abläufe beim Umschalten von einem Sternschaltung-Betriebsmodus in einen Dreieckschaltung-Betriebsmodus;
14-17 mehrere Schaltbilder des Systems nach 1 zur Veranschaulichung des Übergangs von einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus in einen Sternschaltung-Betriebsmodus; und
18-23 mehrere Darstellungen der Drehstrommaschine nach 6 zur Veranschaulichung der Abläufe beim Umschalten von einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus in einen Sternschaltung-Betriebsmodus.

In der 1 ist ein System 1 dargestellt, welches eine Drehstrommaschine 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist. Das System 1 umfasst ferner einen Stromrichter 2, der mit den Anschlussklemmen U, V, W der Drehstrommaschine verbunden und dazu eingerichtet ist, ein Drehstromsystem zum Betrieb der Drehstrommaschine 3 an diesen Anschlussklemmen U, V, W bereitzustellen. Die Drehstrommaschine 3 weist genau drei Wicklungen L1, L2, L3 auf und kann beispielsweise als Asynchronmaschine oder als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Ein durch das Drehstromsystem in den Wicklungen L1, L2, L3 erzeugter Stromverlauf in beispielhaft in 2 dargestellt.
Die Drehstrommaschine 3 gemäß 1 kann wahlweise in einem in 3 gezeigten Sternschaltung-Betriebsmodus oder in einem in 5 gezeigten Dreieckschaltung-Betriebsmodus betrieben werden. Das Umschalten zwischen diesen Betriebsmodi ist im laufenden Betrieb möglich, d.h. während der Stromrichter 2 mit den Anschlussklemmen U, V, W verbunden ist und ein Drehstromsystem zum Betrieb der Drehstrommaschine bereitstellt. Um die Wicklungen L1, L2, L3 der Drehstrommaschine 3 in dem Sternschaltung-Betriebsmodus in einer Sternschaltung zu schalten, d.h. mit einem gemeinsamen Sternpunkt S zu verbinden, weist die Drehstrommaschine 3 zwei Stern-Schaltvorrichtungen S1, S2 auf. Diese Stern-Schaltvorrichtungen S1, S2 sind in dem Sternschaltung-Betriebsmodus leitend geschaltet.
Um die Wicklungen L1, L2, L3 der Drehstrommaschine 3 in dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus in einer Dreieckschaltung zu verbinden, d.h. die Wicklungen L1, L2, L3 jeweils zwischen zwei Anschlussklemmen U, V, W zu verschalten, weist die Drehstrommaschine 3 drei Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 auf. Die Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 sind in dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus leitend geschaltet, wobei die Stern-Schaltvorrichtungen S1, S2 nicht-leitend geschaltet sind. In 3 bis 5 sind nicht-leitende Schaltvorrichtungen mit gestrichelten und leitende Schaltvorrichtungen mit durchgezogenen Linien gekennzeichnet.
Beim Umschalten von dem in 3 gezeigten Sternschaltung-Betriebsmodus in den in 5 gezeigten Dreieckschaltung-Betriebsmodus wird ein Zwischenzustand eingenommen, der in 4 veranschaulicht ist. In dem Zwischenzustand ist genau eine Stern-Schaltvorrichtung S2 leitend geschaltet und mindestens eine, hier genau zwei, Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2 sind leitend geschaltet. Die Wicklungen L1, L2; L2 sind in diesem Zwischenzustand weder in, Sternschaltung noch in Dreieckschaltung verschaltet. Sobald der Strom I_u in dem Stern-Betriebszustand (3) durch eine erste Wicklung L2 auf Null abfällt, d.h. einen Nulldurchgang aufweist, wird eine erste mit der ersten Wicklung L2 unmittelbar verbundene Stern-Schaltvorrichtung S1 nicht-leitend geschaltet, vgl. 3. Gleichzeitig oder kurz darauffolgend werden die beiden Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2 leitend geschaltet, die nicht unmittelbar mit der ersten Stern-Schaltvorrichtung S1 verbunden sind. Insofern erfolgt das Schalten der ersten Stern-Schaltvorrichtung von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand während eines Nulldurchgangs des durch die erste Stern-Schaltvorrichtung S1 fließenden Stroms.
Ausgehend von dem in 4 gezeigten Zwischenzustand wird in den Zeitpunkt, zu dem der Strom I_w durch eine zweite Wicklung L3 auf Null, abfällt, d.h. einen Nulldurchgang aufweist, eine zweite, mit der zweiten Wicklung unmittelbar verbundene Stern-Schaltvorrichtung S2 in ihren nicht-leitenden Zustand geschaltet. Ferner wird die dritte Dreieck-Schaltvorrichtung D3 aus ihrem nicht-leitenden Zustand in ihren leitenden Zustand versetzt.
Die Darstellung in 6 zeigt eine Drehstrommaschine 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit drei Wicklungen L1, L2, L3, zwei Stern-Schaltvorrichtungen S1, S1 und drei Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3, die alle jeweils antiparallel geschaltete Thyristoren aufweisen.
Gemäß der Darstellung in 7 befindet sich die Drehstrommaschine 3 in dem Sternschaltung-Betriebsmodus. Die Stern-Schaltvorrichtungen S1, S2 sind leitend geschaltet und die Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 sind nicht-leitend geschaltet. Die Ströme in den jeweiligen Wicklungen sind durch Pfeile angegeben. Kurz vor dem Nulldurchgang des Stroms I_L3 in der mit L3 bezeichneten Wicklung kann bereits ein Ausschaltvorgang der Stern-Schaltvorrichtung S2 eingeleitet werden. Das Einleiten des Ausschaltvorgangs kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Gatestrom an einem Gate-Anschluss des jeweiligen Thyristors der Stern-Schaltvorrichtung S2 auf Null gesetzt wird.
Zu dem in 8 gezeigten Zeitpunkt ist der Strom in der Stern-Schaltvorrichtung S2 kleiner als der Haltestrom der Stern-Schaltvorrichtung S2, d.h. kleiner als der Strom, der zur Aufrechterhaltung der internen Mitkopplung des Thyristors der Ster-Schaltvorrichtung S2 erforderlich ist. Die Stern-Schaltvorrichtung S2 ist in ihren nicht-leitenden Zustand übergegangen. Die Dreieck-Schaltvorrichtungen D2, D3 werden zu diesem Zeitpunkt mit einem Zündimpuls an dem Gate-Anschluss des jeweiligen Thyristors gezündet.
Zu dem in 9 gezeigten Zeitpunkt geht die Drehstrommaschine in einen Zwischenzustand über, in welchem die Wicklungen L1, L2, L3 weder sternförmig noch im Dreieck geschaltet sind. Die Dreieck-Schaltvorrichtungen D2, D3 sind leitend. Die Stromsteilheit wird durch die Induktivitäten der Wicklungen 11, 12, L3 begrenzt.
Zu dem in 10 gezeigten Zeitpunkt durchläuft der Strom in der mit L2 bezeichneten Wicklung den Nullpunkt. Die Drehstrommaschine 3 befindet sich weiterhin im Zwischenzustand. Zu diesem Zeitpunkt kann bereits die Stern-Schaltvorrichtung zum Abschalten beim nächsten Nulldurchgang vorbereitet werden, beispielsweise indem ein Gatestrom an einem Gate-Anschluss des jeweiligen Thyristors der Stern-Schaltvorrichtung S1 auf Null gesetzt wird. Im weiteren Verlauf, tritt, wie in 11 gezeigt, keine Veränderung des Zustands der Drehstrommaschine 3 auf. Die Drehstrommaschine 3 befindet sich weiterhin im Zwischenzustand.
Zu dem in 12 gezeigten Zeitpunkt kommt es zu einem Nulldurchgang des Stroms in der mit L1 bezeichneten Wicklung. Der Strom durch die Stern-Schaltvorrichtung S1 fällt unter den Haltestrom der Stern-Schaltvorrichtung S1, so dass diese in ihren nicht-leitenden Zustand übergeht. Gleichzeitig wird die Dreieck-Schaltvorrichtung D1 mit einem Zündimpuls an dem Gate-Anschluss des jeweiligen Thyristors gezündet. Die Dreieck-Schaltvorrichtung D1 wird leitend und die Drehstrommaschine 3 geht in den in 13 dargestellten Dreieck-Betriebsmodus über.
Im Folgenden soll anhand der Darstellungen in 14 bis 17 das Umschalten von einem Dreieck-Betriebsmodus in einen Stern-Betriebsmodus näher erläutert werden.
In dem Dreieck-Betriebsmodus sind insgesamt drei Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 leitend, die beim Übergang in den Stern-Betriebsmodus in ihren nicht-leitenden Zustand geschaltet werden. Hierzu sind insgesamt drei Strom-Nulldurgänge erforderlich. Daher werden beim Umschalten von dem in 14 gezeigten Dreieckschaltung-Betriebsmodus in den in 17 gezeigten Sternschaltung-Betriebsmodus zwei Zwischenzustände eingenommen, die in 15 und 16 veranschaulicht sind. Hierbei nimmt zunächst der Strom durch die mit L1 bezeichnete Wicklung (Phasenstrom U-V) den Wert Null an, gefolgt von dem Strom durch die mit L3 bezeichnete Wicklung und dem Strom durch die mit L2 bezeichnete Wicklung.
In dem in 15 gezeigten, ersten Zwischenzustand ist genau eine Stern-Schaltvorrichtung S1 leitend geschaltet und genau zwei Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D3 sind leitend geschaltet. Die Wicklungen L1, L2; L2 sind in diesem ersten Zwischenzustand weder in Sternschaltung noch in Dreieckschaltung verschaltet.
In dem in 16 gezeigten, zweiten Zwischenzustand sind genau zwei Stern-Schaltvorrichtung S1, S2 leitend geschaltet und genau eine Dreieck-Schaltvorrichtung D3 isst leitend geschaltet. Die Wicklungen L1, L2; L2 sind in auch diesem zweiten Zwischenzustand weder in Sternschaltung noch in Dreieckschaltung verschaltet.
Gemäß der Darstellung in 18 befindet sich die Drehstrommaschine 3 in dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus. Die Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 sind leitend geschaltet und die Stern-Schaltvorrichtungen S1, S2 sind nicht-leitend geschaltet. Die Ströme in den jeweiligen Wicklungen 11, L2, L3 sind durch Pfeile angegeben. Kurz vor dem Nulldurchgang des Stroms I_L1 in der mit L1 bezeichneten Wicklung kann bereits ein Ausschaltvorgang der Dreieck-Schaltvorrichtung D1 eingeleitet werden. Das Einleiten des Ausschaltvorgangs kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Gatestrom an einem Gate-Anschluss des jeweiligen Thyristors der Dreieck-Schaltvorrichtung D1 auf Null gesetzt wird.
Zu dem in 19 gezeigten Zeitpunkt ist der Strom in der Dreieck-Schaltvorrichtung D1 kleiner als der Haltestrom der Dreieck-Schaltvorrichtung D1, d.h. kleiner als der Strom, der zur Aufrechterhaltung der internen Mitkopplung des Thyristors der Dreieck-Schaltvorrichtung D1 erforderlich ist. Die Dreieck-Schaltvorrichtung D1 ist in ihren nicht-leitenden Zustand übergegangen. Die Stern-Schaltvorrichtung S1 wird zu diesem Zeitpunkt mit einem Zündimpuls an dem Gate-Anschluss des jeweiligen Thyristors gezündet.
Zu dem in 20 gezeigten Zeitpunkt geht die Drehstrommaschine in einen ersten Zwischenzustand über, in welchem die Wicklungen L1, L2, L3 weder sternförmig noch im Dreieck geschaltet sind. Die Stern-Schaltvorrichtung S1 ist leitend. Am Sternpunkt S erfolgt eine Potentialverschiebung. Zu diesem Zeitpunkt kann bereits die Dreieck-Schaltvorrichtung D3 zum Abschalten beim nächsten Nulldurchgang vorbereitet werden, beispielsweise indem ein Gatestrom an einem Gate-Anschluss des jeweiligen Thyristors der Dreieck-Schaltvorrichtung D3 auf Null gesetzt wird.
Zu dem in 21 gezeigten Zeitpunkt geht die Drehstrommaschine in einen zweiten Zwischenzustand über, in welchem die Wicklungen L1, L2, L3 weder sternförmig noch im Dreieck geschaltet sind. Der Strom in der Dreieck-Schaltvorrichtung D3 ist kleiner als der Haltestrom der Dreieck-Schaltvorrichtung D3, so dass diese in ihren nicht-leitenden Zustand übergeht. Die Stern-Schaltvorrichtung S2 wird zu diesem Zeitpunkt mit einem Zündimpuls an dem Gate-Anschluss des jeweiligen Thyristors gezündet.
In dem in 22 gezeigten Zeitpunkt des weiteren Verlaufs kann die Dreieck-Schaltvorrichtung D2 zum Abschalten beim nächsten Nulldurchgang vorbereitet werden, beispielsweise indem ein Gatestrom an einem Gate-Anschluss des jeweiligen Thyristors der Dreieck-Schaltvorrichtung D2 auf Null gesetzt wird. Dieser Nulldurchgang erfolgt in dem in 23 gezeigten Zeitpunkt, in welchem die Drehstrommaschine in den Stern-Betriebszustand übergeht.
Bei den vorstehend beschriebenen Abläufen eines Verfahrens zum Umschalten einer elektrischen Drehstrommaschine 3 mit mindestens drei Wicklungen L1, L2, L3 zwischen einem Sternschaltung-Betriebsmodus und einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt während des Betriebs der Drehstrommaschine 3 weist die Drehstrommaschine 3 mindestens drei Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 auf, die jeweils mit einer Anschlussklemme U, V, W der Drehstrommaschine 3 und mit einer Wicklung L1, L2, L3 verbunden sind, und mindestens zwei Stern-Schaltvorrichtungen S1, S2, die jeweils mit einem gemeinsamen Sternpunkt S und mit einer Wicklung L1, L2, L3 verbunden sind. In dem Sternschaltung-Betriebsmodus sind die Stern-Schaltvorrichtungen S1, S2 leitend geschaltet und die Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 nicht-leitend geschaltet und in dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus sind die Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 leitend geschaltet und die Stern-Schaltvorrichtungen S1, S2 nicht-leitend geschaltet. Das Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt erfolgt über mindestens einen Zwischenzustand erfolgt, in welchem sowohl mindestens eine Stern-Schaltvorrichtung S1, S2 leitend geschaltet und mindestens eine Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 leitend geschaltet ist, wobei das Schalten der Dreieck-Schaltvorrichtungen D1, D2, D3 und/oder der Stern-Schaltvorrichtungen S1, S2 von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand während eines Nulldurchgangs des durch die entsprechende Schaltvorrichtung D1, D2, D3, S1, S2 fließenden Stroms erfolgt. Dabei kann das durch die Drehstrommaschine 3 bereitgestellte Drehmoment beim Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus möglichst konstant aufrechterhalten werden.

Claims

Verfahren zum Umschalten einer elektrischen Drehstrommaschine (3) mit mindestens drei Wicklungen (L1, L2, L3) zwischen einem Sternschaltung-Betriebsmodus und einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt während des Betriebs der Drehstrommaschine (3), wobei die Drehstrommaschine (3) mindestens drei Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) aufweist, die jeweils mit einer Anschlussklemme (U, V, W) der Drehstrommaschine (3) und mit einer Wicklung (L1, L2, L3) verbunden sind, und mindestens zwei Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) aufweist, die jeweils mit einem gemeinsamen Sternpunkt (S) und mit einer Wicklung (L1, L2, L3) verbunden sind, wobei in dem Sternschaltung-Betriebsmodus die Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) leitend geschaltet und die Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) nicht-leitend geschaltet sind und in dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus die Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) leitend geschaltet und die Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) nicht-leitend geschaltet sind, wobei das Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt über mindestens einen Zwischenzustand erfolgt, in welchem sowohl mindestens eine Stern-Schaltvorrichtung (S1, S2) leitend geschaltet und mindestens eine Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) leitend geschaltet ist, wobei das Schalten der Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) und/oder der Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand während eines Nulldurchgangs des durch die entsprechende Schaltvorrichtung (D1, D2, D3, S1, S2) fließenden Stroms erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenzustand für eine Dauer besteht, die kürzer ist als eine Periode des Drehfelds der Drehstrommaschine (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) und/oder die Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) ein oder mehrere Halbleiterbauelemente, insbesondere ein oder mehrere Leistungshalbleiter, aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) und/oder die Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) antiparallel angeordnete Thyristoren aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2, S3) und/oder die Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) als Triac ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten von dem Sternschaltung-Betriebsmodus in den Dreieckschaltung-Betriebsmodus in dem Zwischenzustand sowohl mindestens eine Stern-Schaltvorrichtung (S1, S2) leitend geschaltet ist und mindestens zwei Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) leitend geschaltet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten von dem Sternschaltung-Betriebsmodus in den Dreieckschaltung-Betriebsmodus, bevorzugt nach dem Schalten einer Stern-Schaltvorrichtung (S1, S2) von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand, zwei Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3), bevorzugt gleichzeitig, von ihrem nicht-leitenden in ihren leitenden Zustand geschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten von dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus in den Sternschaltung-Betriebsmodus in dem Zwischenzustand sowohl mindestens zwei Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) leitend geschaltet sind und mindestens eine Dreieck-Schaltvorrichtung (D1, D2, D3) leitend geschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrommaschine (3) genau drei Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) aufweist, die jeweils mit einer Anschlussklemme (U, V, W) der Drehstrommaschine (3) und mit einer Wicklung (L1, L2, L3) verbunden sind, und genau zwei Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) aufweist, die jeweils mit einem gemeinsamen Sternpunkt (S) und mit einer Wicklung (L1, L2, L3) verbunden sind, wobei in dem Sternschaltung-Betriebsmodus die Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) leitend geschaltet und die Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) nicht-leitend geschaltet sind und in dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus die Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) leitend geschaltet und die Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2, S3) nicht-leitend geschaltet sind.
Elektrische Drehstrommaschine (3) mit mindestens drei Wicklungen (L1, L2, L3), wobei die Drehstrommaschine (3) mindestens drei Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) aufweist, die jeweils mit einer Anschlussklemme (U, V, W) der Drehstrommaschine (3) und mit einer Wicklung (L1, L2, L3) verbunden sind, und mindestens zwei Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) aufweist, die jeweils mit einem gemeinsamen Sternpunkt (S) und mit einer Wicklung (L1, L2, L3) verbunden sind, wobei in einem Sternschaltung-Betriebsmodus die Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) leitend geschaltet und die Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) nicht-leitend geschaltet sind und in einem Dreieckschaltung-Betriebsmodus die Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) leitend geschaltet und die Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) nicht-leitend geschaltet sind, wobei die Drehstrommaschine (3) eine Steuereinrichtung aufweist, die derart eingerichtet ist, dass ein Umschalten zwischen dem Sternschaltung-Betriebsmodus und dem Dreieckschaltung-Betriebsmodus oder umgekehrt über mindestens einen Zwischenzustand erfolgt, in welchem sowohl mindestens eine Stern-Schaltvorrichtung (S1, S2) leitend geschaltet und mindestens eine Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) leitend geschaltet ist, wobei das Schalten der Dreieck-Schaltvorrichtungen (D1, D2, D3) und/oder der Stern-Schaltvorrichtungen (S1, S2) von ihrem leitenden in ihren nicht-leitenden Zustand während eines Nulldurchgangs des durch die entsprechende Schaltvorrichtung (D1, D2, D3, S1, S2) fließenden Stroms erfolgt dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zudem derart eingerichtet ist, dass der Zwischenzustand für eine Dauer besteht, die kürzer ist als eine Periode des Drehfelds der Drehstrommaschine (3).