DE102018201321A1

DE102018201321A1 - Verfahren zum Betreiben einer Anordnung aus einer elektrischen Maschine und einem Gleichrichter

Info

Publication number: DE102018201321A1
Application number: DE102018201321.7A
Authority: DE
Inventors: Felix Egbert; Min Xu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2019-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung aus einer elektrischen Maschine (100) und einem Gleichrichter (200), bei der die elektrische Maschine (100) über Phasenanschlüsse (112) mit dem Gleichrichter (200) verbunden und der Gleichrichter (200) über Gleichspannungsanschlüsse (B+, B-) in ein Bordnetz eines Fahrzeugs eingebunden ist, in einem generatorischen Betrieb, wobei eine Größe (Uz) überwacht wird, die eine an einer Zwischenkreiskapazität anliegende Spannung charakterisiert, und wobei, wenn die überwachte Größe (Uz) einen vorgegebenen Schwellwert (U_ref) überschreitet, elektrische Energie aus dem Zwischenkreis in wenigstens eine in der Anordnung befindliche Last (L) überführt wird, um die überwachte Größe (Uz) oder die an der Zwischenkreiskapazität anliegende Spannung zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung aus einer elektrischen Maschine und einem Gleichrichter, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie eine solche Anordnung.
Stand der Technik
Zur Speisung von Gleichstromsystemen aus Drehstromsystemen (z.B. aus dem öffentlichen Drehstromnetz) werden typischerweise Gleichrichter verwendet, die aus mehreren Brückenschaltungen aufgebaut sind. Als Gleichrichterelemente dienen herkömmlicherweise Dioden. Entsprechende Gleichrichter werden auch als passive (Brücken-)Gleichrichter bezeichnet. Die Dioden eines passiven Brückengleichrichters benötigen keine Ansteuerschaltung, da sie selbstständig zum richtigen Zeitpunkt in den leitenden oder sperrenden Zustand übergehen.
In Kraftfahrzeugen wird typischerweise mittels einer elektrischen Maschine Drehstrom erzeugt. Beispielsweise können in diesem Zusammenhang Klauenpolgeneratoren zum Einsatz kommen. Vereinfacht wird eine entsprechende elektrische Maschine nachfolgend auch als Generator bezeichnet, obwohl auch ein motorischer Betrieb vorgesehen sein kann, beispielsweise bei einem sogenannten Startergenerator. Die Erfindung eignet sich beispielsweise für Generatoren in Klauenpolbauweise, aber auch für elektrische Maschinen anderer Bauart.
Passive Gleichrichter besitzen eine durch die Dioden und den Ausgangsstrom vorgegebene, beträchtliche Verlustleistung. Durch schaltungstechnische Maßnahmen (z.B. Parallelschalten von Dioden) lässt sich diese nur unwesentlich verkleinern. Anstelle eines passiven Brückengleichrichters kann daher zur Reduzierung der Verlustleistung ein aktiver Brückengleichrichter eingesetzt werden. Bei diesem sind die Dioden durch aktive Schalter (z.B. MOS-Transistoren) ersetzt.
Weil Generatoren der erläuterten Art häufig eine hohe Induktivität im Erregerfeld und damit eine hohe Zeitkonstante in der Regelung besitzen, müssen Schutzstrategien eingesetzt werden, die bei Lastabwürfen oder Lastabschaltungen (nachfolgend wird für beide Fälle der Begriff Lastabwurf, engl. Load Dump, verwendet) negative Effekte verhindern. Bei einem Lastabwurf handelt es sich um ein Ereignis, bei dem sich bei hoch erregter Maschine und einem entsprechend hohen abgegebenen Strom die Last am Generator bzw. dem zugehörigen Gleichrichter schlagartig verringert und nicht durch kapazitiv wirkende Elemente im Bordnetz, beispielsweise durch eine Batterie, abgefangen werden kann.
Elektrische Maschinen mit einer aktiven Ansteuerung mittels eines Inverters, wie ein aktiver Brückengleichrichter auch bezeichnet wird, verfügen üblicherweise über einen Überspannungsschutz, welcher die sog. Zwischenkreisspannung des Inverters (eine Spannung, die zwischen Gleichspannungsanschlüssen des Gleichrichters bzw. Inverters anliegt) auf einen maximalen Wert beschränken soll. Elektrische Maschinen mit entsprechenden Überspannungsschutzfunktionen können auf verschiedenen Spannungsebenen in Fahrzeugen Anwendung finden.
Generell ist es bei erkannten Lastabwürfen gewünscht, die Überspannung möglichst schnell abzubauen, um mögliche Schäden oder Gefährdungen durch zu hohe Spannung zu vermeiden. Ein Überspannungsschutz zu diesem Zweck ist beispielsweise aus der DE 10 2012 201 097 A1 bekannt. Dort wird die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine durch eine Schnellentregung des Läufers bzw. der Läuferwicklung oder durch eine Phasenwinkelverschiebung reduziert.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung mit einer elektrischen Maschine und einem Gleichrichter, eine Recheneinheit, ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie eine solche Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Anordnung mit einer elektrischen Maschine und einem Gleichrichter, insbesondere einem aktiven Brückengleichrichter, bei der die elektrische Maschine über Phasenanschlüsse mit dem Gleichrichter verbunden und der Gleichrichter über Gleichspannungsanschlüsse in ein Bordnetz eines Fahrzeugs eingebunden ist, in einem generatorischen Betrieb. Bei der elektrischen Maschine kann es sich somit insbesondere um einen Generator oder auch Startergenerator handeln, beispielsweise in Form einer fremderregten Synchronmaschine. Die Anzahl der Phasen (die zu den Phasenanschlüssen gehören) ist für die vorliegende Erfindung wenig relevant, kann aber bevorzugt drei, fünf oder sieben betragen. Besonders bevorzugt ist auch die Verwendung der Anordnung als ein sog. Boost-Rekuperations-System, d.h. ein System, dass in einem Fahrzeug sowohl motorisch den Verbrennungsmotor unterstützend als auch rekuperativ bremsend arbeiten kann.
Hier wird nun eine Größe überwacht, die eine an einer Zwischenkreiskapazität anliegende Spannung charakterisiert. Hierunter sind insbesondere solche Größen zu verstehen, die zu dieser an der Zwischenkreiskapazität anliegenden Spannung äquivalent sind und beispielsweise ein gleiches oder vergleichbares Verhalten hinsichtlich zeitlicher Änderung aufweisen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine zwischen den Gleichspannungsanschlüssen anliegende Zwischenkreisspannung handeln. Diese Zwischenkreisspannung kann dabei direkt der zwischen den Gleichspannungsanschlüssen abgreifbaren Spannung entsprechen, denkbar ist aber auch ein Abgriff der Spannung über einen zusätzlich vorgesehenen Spannungsteiler, wodurch ebenfalls auf einen Wert der Spannung an den Gleichspannungsanschlüssen und damit im Bordnetz geschlossen werden kann. Bei der Zwischenkreiskapazität kann es sich insbesondere im die gesamte im Zwischenkreis vorhandenen Kapazität handeln. Denkbar als die zu überwachende Größe sind aber insbesondere auch eine Änderung eines Gleichstroms, eine Phasenspannung, eine Änderung eines Phasenstroms oder eine Änderung eines Stroms oder einer Stromdichte in Zuleitungen der Zwischenkreiskapazität und/oder weiterer Zwischenkreiskapazitäten. Weiterhin sind als solche überwachte Größe eine Änderung eines Magnetfeldes, welches durch einen Stromfluss oder durch eine Stromflussänderung entsteht, oder ein Strom über eine Zenerdiode, die ab einer vorbestimmten Spannung leitend wird, denkbar.
Wenn nun die überwachte Größe einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird elektrische Energie aus dem Zwischenkreis in wenigstens eine in der Anordnung befindliche Last überführt, um die überwachte Größe oder die Zwischenkreisspannung zu reduzieren. Durch den erwähnten Zusammenhang ergibt sich in der Folge eine Reduktion aller genannten Größen, insbesondere aber der Zwischenkreisspannu ng.
Eine Energieüberführung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass ein Strom in die Last eingeprägt bzw. ein dort bereits eingeprägter erhöht wird. Damit wird Strom zusätzlich über diese bzw. in diese Last geführt und so die Überspannung im Zwischenkreis abgebaut. Mit anderen Worten wird der Zwischenkreis aktiv entladen, indem der Strom in der Last erhöht wird.
Als solche Last kommt dabei insbesondere der Läufer der elektrischen Maschine bzw. die Läuferwicklung in Betracht. Ebenfalls ist als Last der Ständer der elektrischen Maschine bzw. die Ständerwicklung bevorzugt. Auch ist es bevorzugt, wenn eine zusätzlich in der Anordnung vorgesehene Last verwendet wird. Unter einer solchen zusätzlich vorgesehen Last kann insbesondere eine Last oder eine Komponente verstanden werden, die nicht für den regulären Betrieb der elektrischen Maschine nötig ist, insbesondere ein Lastwiderstand. Sie ist eigens für den Zweck des Abbaus der Überspannung vorgesehen.
Wie eingangs bereits erwähnt, ist es wünschenswert, Überspannungen zu vermeiden bzw. schnell abzubauen. Bislang kann dies beispielsweise über eine sog. Schnellentregung erfolgen, bei der das Erregerfeld des Läufers der elektrischen Maschine sehr schnell abgebaut wird, so dass keine Polradspannung mehr erzeugt wird, wodurch die Überspannung begrenzt wird. Bei dieser Lösung wird jedoch der Strom im Läufer im Unterschied zur Erfindung gerade reduziert und nicht erhöht.
Ebenso kann bislang ein Phasenkurzschluss erzeugt werden, d.h. entweder alle Highside- bzw. Lowside-Schalter der Halbbrücken im Gleichrichter bzw. Inverter zur Ansteuerung der elektrischen Maschine werden kurzgeschlossen. Dadurch wird keine Energie von der Ständerwicklung in den Zwischenkreis des Inverters übertragen, im Unterschied zur Erfindung aber auch keine Energie aus dem Zwischenkreis entfernt.
Weiterhin kann die Zwischenkreisspannung durch Dioden begrenzt werden. Diese werden ab einer bestimmten Spannung leitend und reduzieren dadurch die maximal erreichte Zwischenkreisspannung.
Allerdings kann die Überspannung bislang oftmals nicht schnell genug abgebaut werden, wofür das vorgeschlagene Verfahren nun Abhilfe schafft, da nun aktiv Energie aus dem Zwischenkreis abgeführt wird. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, diese in den Läufer und/oder Stator und/oder eine spezielle Last zum Abbau der Überspannung zu überführen. Insbesondere elektrische Maschinen im sog. 48-V-Bordnetz, d.h. einem Bordnetz mit einer Sollspannung von 48 V, bei dem jedoch die maximale Betriebsspannung in der Regel bis zu 54 V betragen darf, können bislang im Falle eines Lastabwurfes im System eine sog. Berührschutzspannung von 60 V für einen kurzen Zeitraum (meist wenige Millisekunden) in den meisten Betriebssituationen nicht einhalten und erzeugen Spannungen von mehr als 60 V. Ein Grund dafür ist, dass die Zeit bis zur Fehlererkennung zu groß ist. Weiterhin ist die erwähnte Schnellentregung in der Regel nicht schnell genug, um das Erregerfeld vor Erreichen der Überspannung abzubauen.
Durch das aktive Überführen der Energie aus dem Zwischenkreis in die Last (bzw. einem aktiven Zuschalten der Last) wie beispielsweise die wenigstens eine zusätzliche Last in der Anordnung, die insbesondere direkt im Gleichrichter, ggf. auch in der elektrischen Maschine vorgesehen sein kann, kann die Überspannung jedoch schneller als bislang abgebaut werden, sodass unerwünschte Situationen vermieden werden. Hierbei wird dann insbesondere auch ein Kurzschluss der Phasenanschlüsse vorgenommen. Als die wenigstens eine zusätzlich in der Anordnung vorgesehene Last kommt dabei insbesondere ein Widerstand und/oder eine Kapazität und/oder eine Induktivität in Betracht, die dann zweckmäßigerweise geeignet dimensioniert sind. Wie erwähnt, sind jedoch auch der Läufer bzw. der Ständer als Last bevorzugt. Im Falle des Läufers (bzw. des Rotors) als Last erfolgt bei dem vorgeschlagenen Verfahren eine Umladung der in der Zwischenkreiskapazität gespeicherten Energie in die Induktivität des Läufers bzw. dessen Wicklungen. Damit wird der Strom im Läufer erhöht und nicht, wie bisher bei der Schnellentregung bekannt, abgebaut.
Aufgrund der erwähnten Spannungsgrenze von maximal 60 V als Berührschutzspannung und dem hier geringen Abstand zur maximalen Betriebsspannung von nur 6 V ist das vorgeschlagene Verfahren bei einem 48-V-Bordnetz besonders zweckmäßig.
Insbesondere wird, wenn die überwachte Größe den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, und der Strom in den Läufer der elektrischen Maschine eingeprägt bzw. die elektrische Energie in den Läufer überführt wird, um die Zwischenkreisspannung bzw. die überwachte Größe zu reduzieren, zudem ein Kurzschluss der Phasenanschlüsse vorgenommen.
Bevorzugt ist es auch, dass, wenn die überwachte Größe den vorgegebenen Schwellwert überschreitet und der Strom in den Ständer der elektrischen Maschine eingeprägt bzw. die elektrische Energie in den Ständer überführt wird, um die Zwischenkreisspannung bzw. die überwachte Größe zu reduzieren, zweckmäßigerweise zudem der Strom derart gesteuert oder geregelt wird, dass ein motorisches Moment der elektrischen Maschine reduziert oder vermieden bzw. möglichst gering gehalten wird. Auch dies stellt nicht nur eine alternative Möglichkeit dar, die Überspannung schnell zu reduzieren, sondern eignet sich auch als Möglichkeit zusätzlich zur Zuschaltung der zusätzlichen Last.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Mikrocontroller in einem bzw. für einen Gleichrichter oder auch ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin Anordnung mit einer elektrischen Maschine und einem Gleichrichter, bei der die elektrische Maschine über Phasenanschlüsse mit dem Gleichrichter verbunden und der Gleichrichter über Gleichspannungsanschlüsse in ein Bordnetz eines Fahrzeugs einbindbar ist, mit wenigstens einer zusätzlich in der Anordnung vorgesehene Last, und mit einer erfindungsgemäßen Recheneinheit.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung in einer bevorzugten Ausführungsform, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
2 zeigt schematisch einen Spannungsverlauf bei einem Lastabwurf ohne und mit erfindungsgemäßem Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
3 zeigt einen Ausschnitt aus der Anordnung aus 1 in detaillierterer Ansicht.
4 zeigt schematisch einen Spannungsverlauf bei einem Lastabwurf mit erfindungsgemäßem Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Anordnung umfasst hier eine elektrische Maschine 100, die im generatorischen Betrieb betrieben werden soll, sowie einen Gleichrichter 200.
Bei der elektrischen Maschine 100 kann es sich insbesondere um eine fremderregte elektrische Maschine handeln. Hier sind beispielhaft fünf Phasen bzw. Phasenwicklungen 111 (von denen nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist) an einem Ständer bzw. Stator 110 vorgesehen. Weiterhin weist die elektrische Maschine 100 einen Läufer bzw. Rotor 120 auf, hier mit einem Riemenrad 125, bei dem eine Erregerwicklung bzw. Läuferwicklung 121 vorgesehen ist.
Der Gleichrichter 200, hier insbesondere in Form einer elektronischen Ansteuerschaltung, weist fünf Halbbrücken auf, die jeweils einen High-Side Schalter 211 und einen Low-Side-Schalter 212 aufweisen. Diese Halbbrücken des Gleichrichters sind mit Phasenspannungsanschlüssen 112 der Phasen 111 verbunden, welche hier zudem in Form eines Pentagramms verschaltet sind. Weiterhin weist der Gleichrichter 200 einen positiven Gleichspannungsanschluss B+ sowie einen negativen Gleichspannungsanschluss B-, der insbesondere auch Masse entsprechen kann, auf.
Weiterhin ist ein Spannungsteiler mit Widerständen R₁ und R₂ vorgesehen, mittels dessen die Zwischenkreisspannung UZ zwischen den Gleichspannungsanschlüssen erfasst und mit einem Schwellwert bzw. Referenzwert Uref verglichen werden kann, hier über eine Komparatorschaltung. Zudem ist eine Diode bzw. Zenerdiode 220 vorgesehen.
Weiterhin ist eine zusätzliche Last L vorgesehen, bei der es sich beispielsweise um einen Kondensator, einen Widerstand oder eine Induktivität handeln kann, und die mittels eines Schalters zuschaltbar ist. Hierauf soll später noch detaillierter eingegangen werden.
Weiterhin ist beispielhaft ein Mikrocontroller 240 als Recheneinheit vorgesehen, der den Verlauf der Zwischenkreisspannung überwachen und mit dem Schwellwert vergleichen kann, insbesondere auch unter Verwendung der erwähnten Komparatorschaltung. Über diesen Mikrocontroller können zudem die Halbbrücken des Gleichrichters durch Brückentreiber 260 angetrieben werden, die von dem Mikrocontroller 250 beispielsweise ein geeignetes PWM-Ansteuersignal erhalten.
Weiterhin ist ein Brückentreiber 250 vorgesehen, der ebenfalls über den Mikrocontroller 240 angesteuert werden kann und zum Ansteuern bzw. Antreiben der Erregerbrücke 230 für die Erregerwicklung dient.
In 2 ist schematisch ein Spannungsverlauf bei einem Lastabwurf ohne (mit V bezeichnet) und mit erfindungsgemäßem Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform (mit V' bezeichnet) dargestellt. Hierzu ist eine Spannung U, beispielsweise die Zwischenkreisspannung, über der Zeit t aufgetragen.
Zunächst beträgt die Spannung beispielsweise 48 V, hier mit U₁ dargestellt. Zum Zeitpunkt t₀ tritt ein Lastabwurf, z.B. durch Abschalten eines großen Verbrauchers, ein, d.h. eine Überspannung wird ausgelöst. Die Spannung steigt dann beispielsweise mit einer Steigung von 11,8 V pro 100 µs an. Bereits zum Zeitpunkt t₁ tritt ein sog. Hardware-Interrupt auf, d.h. es wird durch einen Hardware-Baustein das Signal zum Auslösen von Gegenmaßnahmen bzw. zum Reduzieren der Überspannung gegeben. Dies kann beispielsweise bei einem Spannungswert von 62 V erfolgen, hier mit U₂ bezeichnet.
Zum Zeitpunkt t₂ lösen nun die Dioden bzw. Zenerdioden, wie in 1 gezeigt aus, woraufhin die Spannung weniger steigt. Die Steigung ist hier nur noch durch einen Temperaturanstieg dieser Dioden bedingt. Zum Zeitpunkt t₃ wird nun ein Phasenkurzschluss, wie er eingangs bereits erwähnt wurde, als Gegenmaßnahme ausgelöst. Die Zeitverzögerung Δt zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₃ ist dabei durch nötige Software zum Umsetzen der Gegenmaßnahme bedingt.
Zum Zeitpunkt t₄ wird nun eine Last, beispielsweise eine zusätzliche Last wie sie in 1 beispielhaft gezeigt wurde, bzw. der Ständer oder der Läufer, zugeschaltet. Die Spannung sinkt damit deutlich schneller ab als ohne eine solche Last. Insbesondere kann die Spannung so auch beispielsweise sehr schnell unter einen Wert von 60 V abgesenkt werden.
In 3 ist Ausschnitt aus der Anordnung aus 1 in detaillierterer Ansicht dargestellt. Insbesondere sind hier die Erregerbrücke 230, der Mikrocontroller 240, der Brückentreiber 250, die Widerstände R₁ und R₂ sowie eine Zwischenkreiskapazität C gezeigt. Diese Zwischenkreiskapazität stellt dabei die gesamte Kapazität des Zwischenkreises dar.
In der Erregerbrücke 230 ist hier zudem die Erregerwicklung 121 angedeutet, um deren Verschaltung mit Schaltern 231 (von denen nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist) zu zeigen. Es versteht sich, dass die tatsächliche Anordnung anders ausgebildet sein kann.
Nachdem eine Überspannung, wie oben erläutert, erkannt wurde, wird der Zwischenkreis, hier durch die Zwischenkreiskapazität gezeigt, aktiv entladen. Im Falle von fremderregten elektrischen Maschinen kann die aktive Entladung des Zwischenkreises durch die Einprägung eines Stromes I (und damit eine Überführung der elektrischen Energie des Zwischenkreises) beispielsweise in den Rotor bzw. die Erregerwicklung 121 realisiert werden, wie hier gezeigt. Dies kann insbesondere zusätzlich zu der bereits erwähnten Zuschaltung der Last erfolgen.
Beim Einprägen eines Stromes in die Erregerwicklung bei gleichzeitigem Durchführen eines Phasenkurzschlusses des Stators bzw. dessen Phasen wird die Spannung schnell reduziert und es entsteht kein (in diesem Zeitpunkt unerwünschtes) Moment am Ausgang der elektrischen Maschine
In 4 ist schematisch ein Spannungsverlauf bei einem Lastabwurf mit erfindungsgemäßem Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, ähnlich zu 2. Hierzu ist eine Spannung U, beispielsweise die Zwischenkreisspannung, über der Zeit t aufgetragen.
Zum Zeitpunkt t₀ tritt auch hier der Lastabwurf und damit die Erhöhung der Spannung ein. Vor der Entladung des Zwischenkreises, also vor dem Zeitpunkt t₄ , ist dieser noch auf beispielsweise 63 V geladen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Spannung nach dem Zeitpunkt t₀ nahezu konstant auf diesem Spannungsniveau bleibt, da keine elektrische Last an der elektrischen Maschine angeschlossen ist.
Durch die aktive Entladung des Zwischenkreises zum Zeitpunkt 4, beispielsweise durch eine der erwähnten Gegenmaßnahmen, kann die Spannung in diesem Beispiel innerhalb von beispielsweise 6 ms (hier bis zum Zeitpunkt t₅ ) um etwa 10 V reduziert werden. Dadurch sinkt die Spannung unter die Überspannungsgrenze von 60 V.
Alternativ kann der Strom anstatt in den Rotor auch in den Stator bzw. die Phasen bzw. Phasenwicklungen eingeprägt bzw. die elektrische Energie dahin überführt werden. In diesem Fall ist eine Steuerung oder Regelung des Stromes angebracht, welche einen momenten-neutralen Strom in die Phasen der elektrischen Maschine einprägt. Bei mehrphasigen Maschinen ist eine solche momenten-neutrale Stromeinprägung z.B. durch eine Injektion möglich.
Im Folgenden soll auf eine solche momenten-neutrale DC-Injektion genauer eingegangen werden. Allgemein gilt für die Transformation von zeitlichen Größen im 5-phasigen System in das dq-Koordinatensystem: $[\begin{matrix} U_{d} \\ U_{q} \end{matrix}] = M_{d q} \cdot [\begin{matrix} U_{A} \\ U_{B} \\ U_{C} \\ U_{D} \\ U_{E} \end{matrix}]$
$[\begin{matrix} U_{d} \\ U_{q} \end{matrix}] = \frac{2}{5} [\begin{matrix} cos (φ) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{1}{5}) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{2}{5}) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{3}{5}) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{4}{5}) \\ - sin (φ) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{1}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{2}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{3}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{4}{5}) \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} U_{A} \\ U_{B} \\ U_{C} \\ U_{D} \\ U_{E} \end{matrix}]$
Der Faktor 2/5 sorgt dafür, dass der Betrag von U_dq der maximalen Amplitude der Phasenspannung entspricht.
Es gibt die Möglichkeit, bei mehrphasigen Systemen (insbesondere mehr als drei Phasen) Gleichströme in den einzelnen Phasen einzuprägen, die nicht im dq-Koordinatensystem wirksam werden und somit keinen Einfluss auf das Moment besitzen: $M = \frac{5}{2} p \cdot [i_{d} \cdot i_{q} (L_{d} - L_{q}) + i_{q} \cdot ψ_{R}]$
Beim 3-phasigen System (ohne angeschlossenem Nullleiter) ist das Gleichungssystem vollständig definiert: $[\begin{matrix} I_{d} \\ I_{q} \\ 0 \end{matrix}] = \frac{2}{3} [\begin{matrix} cos (φ) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{1}{3}) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{2}{3}) \\ - sin (φ) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{1}{3}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{2}{3}) \\ 1 & 1 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} I_{A} \\ I_{B} \\ I_{C} \end{matrix}]$
In einem mehrphasigen System ist das Gleichungssystem nicht vollständig definiert und es entstehen zusätzliche Freiheitsgrade.
Die nachfolgende Transformationsvorschrift stellt für das 5-phasige System sicher, dass die angelegten Phasenspannungen nicht im dq-Koordinatensystem wirksam werden und somit keinen Einfluss auf das Moment besitzen.
Transformationsvorschrift der Phasenspannungen in das gamma-delta-Koordinatensystem: $[\begin{matrix} U_{γ} \\ U_{δ} \end{matrix}] = M_{γ δ} \cdot [\begin{matrix} U_{A} \\ U_{B} \\ U_{C} \\ U_{D} \\ U_{E} \end{matrix}]$
$[\begin{matrix} U_{γ} \\ U_{δ} \end{matrix}] = \frac{2}{5} [\begin{matrix} cos (φ) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{2}{5}) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{4}{5}) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{1}{5}) & cos (φ - 2 π \cdot \frac{3}{5}) \\ - sin (φ) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{2}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{4}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{1}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{3}{5}) \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} U_{A} \\ U_{B} \\ U_{C} \\ U_{D} \\ U_{E} \end{matrix}]$
Transformationsvorschrift für die Rücktransformation aus dem gamma-delta Koordinatensystem: $[\begin{matrix} U_{A} \\ U_{B} \\ U_{C} \\ U_{D} \\ U_{E} \end{matrix}] = M_{γ δ}^{- 1} \cdot [\begin{matrix} U_{γ} \\ U_{δ} \end{matrix}] = \frac{2}{5} [\begin{matrix} cos (φ) & - sin (φ) \\ cos (φ - 2 π \cdot \frac{2}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{2}{5}) \\ cos (φ - 2 π \cdot \frac{4}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{4}{5}) \\ cos (φ - 2 π \cdot \frac{1}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{1}{5}) \\ cos (φ - 2 π \cdot \frac{3}{5}) & - sin (φ - 2 π \cdot \frac{3}{5}) \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} U_{γ} \\ U_{δ} \end{matrix}]$
Es gilt: $[\begin{matrix} U_{d} \\ U_{q} \end{matrix}] = M_{d q} \cdot [\begin{matrix} U_{A} \\ U_{B} \\ U_{C} \\ U_{D} \\ U_{E} \end{matrix}] = M_{d q} \cdot M_{γ δ}^{- 1} \cdot [\begin{matrix} U_{γ} \\ U_{δ} \end{matrix}] = \underline{0} \cdot [\begin{matrix} U_{γ} \\ U_{δ} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix}]$
Die aus dem gamma-delta-Koordinatensystem erhaltenen Phasenspannungen weisen keine Anteile im dq-Koordinatensystem auf und tragen somit nicht zur Momentenbildung bei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012201097 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Anordnung aus einer elektrischen Maschine (100) und einem Gleichrichter (200), bei der die elektrische Maschine (100) über Phasenanschlüsse (112) mit dem Gleichrichter (200) verbunden und der Gleichrichter (200) über Gleichspannungsanschlüsse (B+, B-) in ein Bordnetz eines Fahrzeugs eingebunden ist, in einem generatorischen Betrieb, wobei eine Größe (Uz) überwacht wird, die eine an einer Zwischenkreiskapazität anliegende Spannung charakterisiert, und wobei, wenn die überwachte Größe (Uz) einen vorgegebenen Schwellwert (U_ref) überschreitet, elektrische Energie aus dem Zwischenkreis in wenigstens eine in der Anordnung befindliche Last (L, 110, 120) überführt, um die überwachte Größe (Uz) oder die an der Zwischenkreiskapazität (C) anliegende Spannung zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine in der Anordnung befindliche Last einen Läufer (120) der elektrischen Maschine (100) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei, wenn die elektrische Energie in den Läufer (120) der elektrischen Maschine überführt wird, zudem ein Kurzschluss der Phasenanschlüsse (112) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine in der Anordnung befindliche Last einen Ständer (110) der elektrischen Maschine (100) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei, wenn die elektrische Energie in den Ständer (110) der elektrischen Maschine überführt wird, zudem der Strom derart gesteuert oder geregelt wird, dass ein motorisches oder generatorisches Moment der elektrischen Maschine (100) vermieden wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine in der Anordnung befindliche Last eine zusätzlich in der Anordnung vorgesehene Last (L) umfasst, insbesondere einen Widerstand und/oder eine Kapazität und/oder eine Induktivität.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die wenigstens eine zusätzlich in der Anordnung vorgesehene Last (L) im Gleichrichter (200) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als die die Spannung an der Zwischenkreiskapazität (C) charakterisierende Größe eine Änderung eines Gleichstroms, eine Phasenspannung, eine Änderung eines Phasenstroms, eine Änderung eines Stroms oder einer Stromdichte in Zuleitungen der Zwischenkreiskapazität und/oder weiterer Zwischenkreiskapazitäten, eine Änderung eines Magnetfeldes, welches durch einen Stromfluss oder durch eine Stromflussänderung entsteht, oder ein Strom über eine Zenerdiode, die ab einer vorbestimmten Spannung leitend wird, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bordnetz als 48-V-Bordnetz betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anordnung als Teil eines Boost-Rekuperations-System verwendet wird.
Recheneinheit (240), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Anordnung aus einer elektrischen Maschine (100) und einem Gleichrichter (200), bei der die elektrische Maschine (100) über Phasenanschlüsse (112) mit dem Gleichrichter (200) verbunden und der Gleichrichter (200) über Gleichspannungsanschlüsse (B+, B-) in ein Bordnetz eines Fahrzeugs einbindbar ist, mit wenigstens einer zusätzlich in der Anordnung vorgesehene Last (L), und mit einer Recheneinheit (240) nach Anspruch 11.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (240) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (240) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.