DE102019126434A1 - Converter and method for controlling a switched reluctance machine - Google Patents
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- H02P25/08—Reluctance motors
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Abstract
Die Erfindung betrifft Umrichter für geschaltete Reluktanzmaschinen, mit einer Anzahl von Phasen enthaltend eine induktive elektrische Last, mit einer Anzahl jeweils den Phasen zugeordneten ersten Schaltelementen, so dass in einem geschlossenen Zustand der Anzahl von ersten Schaltelementen die jeweilige Phase mit einer Eingangsenergiequelle verbunden ist zum Aufmagnetisieren der jeweiligen Phase, mit einer Hilfsenergiequelle, mit einer Anzahl von der Hilfsenergiequelle zugeordneten zweiten Schaltelementen, so dass in einem geöffneten Zustand der Anzahl von ersten Schaltelementen die Hilfsenergiequelle geladen wird, wobei die Anzahl der zweiten Schaltelemente derart eingerichtet ist, dass die in der Hilfsenergiequelle geladene Energie im geschlossenen Zustand der Anzahl von ersten Schaltelementen an die derselben zugeordneten Phase übertragen wird.The invention relates to converters for switched reluctance machines, with a number of phases containing an inductive electrical load, with a number of first switching elements assigned to the respective phases, so that in a closed state of the number of first switching elements, the respective phase is connected to an input energy source for magnetization of the respective phase, with an auxiliary energy source, with a number of second switching elements assigned to the auxiliary energy source, so that the auxiliary energy source is charged in an open state of the number of first switching elements, the number of second switching elements being set up such that the one charged in the auxiliary energy source Energy in the closed state of the number of first switching elements is transferred to the phase assigned to the same.
Description
Die Erfindung betrifft Umrichter für geschaltete Reluktanzmaschinen, mit einer Anzahl von Phasen enthaltend eine induktive elektrische Last, mit einer Anzahl jeweils den Phasen zugeordneten ersten Schaltelementen, so dass in einem geschlossenen Zustand der Anzahl von ersten Schaltelementen die jeweilige Phase mit einer Eingangsenergiequelle verbunden ist zum Aufmagnetisieren der jeweiligen Phase, mit einer Hilfsenergiequelle, mit einer Anzahl von der Hilfsenergiequelle zugeordneten zweiten Schaltelementen, so dass in einem geöffneten Zustand der Anzahl von ersten Schaltelementen die Hilfsenergiequelle geladen wird.The invention relates to converters for switched reluctance machines, with a number of phases containing an inductive electrical load, with a number of first switching elements assigned to the respective phases, so that in a closed state of the number of first switching elements, the respective phase is connected to an input energy source for magnetization of the respective phase, with an auxiliary energy source, with a number of second switching elements assigned to the auxiliary energy source, so that the auxiliary energy source is charged in an open state of the number of first switching elements.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer geschalteten Reluktanzmaschine, wobei eine vorgegebene Anzahl von Phasen nacheinander zur Aufmagnetisierung derselben ein- und zur Abmagnetisierung derselben ausgeschaltet wird.The invention also relates to a method for controlling a switched reluctance machine, a predetermined number of phases being switched on one after the other to magnetize the same and turn off to demagnetize the same.
Aus der
Aus dem Dokument
Nachteilig an den bekannten Umrichtern ist, dass sie lediglich dafür eingerichtet sind, die Stromsteilheit beim Aufmagnetisieren der jeweiligen Phasen zu erhöhen. Zudem ist keine Energierückspeisung in die Eingangsenergiequelle möglich.The disadvantage of the known converters is that they are only set up to increase the rate of current steepness when magnetizing the respective phases. In addition, no energy can be fed back into the input energy source.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Umrichter sowie ein Verfahren zum Ansteuern von Maschinen derart anzugeben, dass auf vereinfachte Weise Stromsteilheiten beim Auf- und Abmagnetisieren der Maschine betragsmäßig wesentlich erhöht werden.The object of the present invention is to specify a converter and a method for controlling machines in such a way that, in a simplified manner, the rate of current steepness when the machine is magnetized and demagnetized is substantially increased in terms of amount.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der zweiten Schaltelemente derart eingerichtet ist, dass die in der Hilfsenergiequelle geladene Energie im geschlossenen Zustand der Anzahl von ersten Schaltelementen an die derselben zugeordneten Phase übertragen wird.To solve this problem, the invention with the preamble of
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auf einfache Weise ein Auf- und Abmagnetisieren der Maschine zeitdynamisch verbessert wird. Hierbei wird Abmagnetisierungsenergie in einer Hilfsenergiequelle gespeichert, die für das Aufmagnetisieren einer nachfolgenden Phase genutzt werden kann. Dies erfolgt auf schaltungstechnisch einfache Weise.The particular advantage of the invention is that magnetizing and demagnetizing the machine is improved in a simple manner in terms of time dynamics. Demagnetization energy is stored in an auxiliary energy source, which can be used for magnetizing a subsequent phase. This is done in a simple manner in terms of circuitry.
Nach einer ersten Variante der Erfindung ist je eine Hilfsenergiequelle parallel zu einem Phasenzweig der Maschine angeordnet, wobei der Phasenzweig lediglich die Phase und eine Anzahl von ersten Schaltelementen aufweist. Vorteilhaft kann die in der Hilfsenergiequelle gespeicherte Energie des Abmagnetisierens dieser Phase direkt zu Beginn eines neuen Schaltzyklus genau dergleichen Phase zum Aufmagnetisieren selbiger Phase genutzt werden.According to a first variant of the invention, an auxiliary energy source is arranged parallel to a phase branch of the machine, the phase branch only having the phase and a number of first switching elements. The energy stored in the auxiliary energy source for demagnetizing this phase can advantageously be used to magnetize the same phase directly at the beginning of a new switching cycle.
Nach der ersten Variante der Erfindung sind vorzugsweise zwei Freilaufdioden vorgesehen, über die die jeweilige Phase in einem Abmagnetisierungszeitintervall mit der Hilfsenergiequelle verbunden ist. Ein Abmagnetisieren erfolgt somit nicht über die Eingangsenergiequelle, die über eine Diode von der Hilfsenergiequelle entkoppelt ist.According to the first variant of the invention, two free-wheeling diodes are preferably provided, via which the respective phase is connected to the auxiliary energy source in a demagnetization time interval. Demagnetization therefore does not take place via the input energy source, which is decoupled from the auxiliary energy source via a diode.
Nach einer zweiten Variante der Erfindung ist ein Spannungs-Steuer-Schaltelement vorgesehen, mittels dessen sowohl das Abmagnetisieren der einen Phase als auch das Aufmagnetisieren der als nächstes zugeschalteten weiteren Phase beschleunigt werden kann. Das Spannungs-Steuer-Schaltelement ist parallel zu den jeweiligen Phasen und denselben zugeordneten Abmagnetisierungsdioden geschaltet. Wenn das Spannungs-Steuer-Schaltelement geöffnet ist, kann die Hilfsenergiequelle während des Abmagnetisierungszeitintervalls der jeweiligen Phase geladen werden. Befindet sich das Spannungs-Steuer-Schaltelement in dem Abmagnetisierungszeitintervall in einem geschlossenen Zustand, kann der jeweilige Phasenstrom an der Hilfsenergiequelle vorbei im Diodenfreilauf geführt werden. Befindet sich das Spannungs-Steuer-Schaltelement zu Beginn des Schaltzyklus' in einem geschlossenen Zustand, kann die in der Hilfsenergiequelle gespeicherte Energie für das Aufmagnetisieren einer Phase genutzt werden. Da die Hilfsenergiequelle eine wesentlich höhere Spannung zur Verfügung stellt, als die Eingangsenergiequelle, kann die Änderung des Phasenstroms betragsmäßig relativ groß sein.According to a second variant of the invention, a voltage control switching element is provided, by means of which both the demagnetization of one phase and the magnetization of the further phase connected next can be accelerated. The voltage control switching element is connected in parallel to the respective phases and demagnetizing diodes assigned to them. When the voltage control switching element is open, the auxiliary power source can be charged during the demagnetization time interval of the respective phase. If the voltage control switching element is in a closed state in the demagnetization time interval, the respective phase current can be guided past the auxiliary power source in the diode free-wheeling mode. If the voltage control switching element is in a closed state at the beginning of the switching cycle, the energy stored in the auxiliary energy source can be used to magnetize a phase. Since the auxiliary energy source provides a significantly higher voltage than the input energy source, the change in the phase current can be relatively large in terms of magnitude.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Spannungs-Steuer-Schaltelement insbesondere in dem Abmagnetisierungszeitintervall der jeweiligen Phase derart angesteuert, dass die Hilfsenergiequelle auf einem vorgegebenen Spannungswert geregelt wird. Vorteilhaft liegt hierdurch die gewünschte Spannung für die Aufmagnetisierung bzw. Abmagnetisierung der jeweiligen Phasen vor.According to a further development of the invention, the voltage control switching element is activated in particular in the demagnetization time interval of the respective phase in such a way that the auxiliary energy source is regulated to a predetermined voltage value. In this way, the desired voltage for magnetizing or demagnetizing the respective phases is advantageously available.
Zur Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Aufmagnetisierungszeitintervall sich ein der Phase zugeordnetes Schaltelement im geschlossenen Zustand und ein zu der Phase und einer Abmagnetisierungsdiode parallel geschaltetes Spannungs-Steuer-Schaltelement wahlweise im geöffneten oder geschlossen Zustand befindet, wobei im geschlossenen Zustand des Spannungs-Steuer-Schaltelementes die Phase zusätzlich durch eine im vorherigen Schaltzyklus' aufgeladenen Hilfsenergiequelle bereitgestellte Energie aufmagnetisiert wird, dass das Schaltelement am Ende des Aufmagnetisierungszeitintervalls in den geöffneten Zustand verbracht wird, so dass die Phase in dem anschließenden Abmagnetisierungszeitintervall abmagnetisiert wird unter Aufladen der Hilfsenergiequelle, und dass in dem Abmagnetisierungszeitintervall das Spannungs-Steuer-Schaltelement so ein- und ausgeschaltet wird, dass die an der Hilfsspannungsquelle abfallende Spannung auf einen Sollwert geregelt wird.To solve the method according to the invention, the invention in connection with the preamble of claim 16 is characterized in that, in a magnetization time interval, a switching element assigned to the phase is in the closed state and a voltage control switching element connected in parallel to the phase and a demagnetizing diode is optionally in the open state or closed state, wherein in the closed state of the voltage control switching element the phase is additionally magnetized by an energy provided in the previous switching cycle 'charged auxiliary energy source, so that the switching element is brought into the open state at the end of the magnetization time interval, so that the phase in the subsequent demagnetization time interval is demagnetized while charging the auxiliary power source, and that in the demagnetization time interval, the voltage control switching element is switched on and off so that the at de r auxiliary voltage source, the voltage dropping is regulated to a setpoint value.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch eine Hilfsenergiequelle eine relativ hohe Spannung zur Verfügung gestellt wird, mittels derer eine schnelle Aufmagnetisierung bzw. Abmagnetisierung der jeweiligen Phasen ermöglicht wird.The particular advantage of the method according to the invention is that a relatively high voltage is made available by an auxiliary energy source, by means of which a rapid magnetization or demagnetization of the respective phases is made possible.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings.
Es zeigen:
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1 ein Schaltplan eines Umrichters nach einer ersten Ausführungsform, -
2 ein Schaltplan eines Umrichters nach einer zweiten Ausführungsform und -
3 ein Schaltbild eines Umrichters für ein Elektro-/Hybrid-Fahrzeug.
-
1 a circuit diagram of a converter according to a first embodiment, -
2 a circuit diagram of a converter according to a second embodiment and -
3 a circuit diagram of a converter for an electric / hybrid vehicle.
Ein erfindungsgemäßer Umrichter kann insbesondere zum Ansteuern von geschalteten Reluktanzmaschinen eingesetzt werden. Die Reluktanzmaschine kann als Traktionsmaschine in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, integriert sein. Die Maschine kann beispielsweise als Radnabenmotor unmittelbar an den Rädern angeordnet sein.A converter according to the invention can in particular be used to control switched reluctance machines. The reluctance machine can be integrated as a traction machine in a vehicle, in particular a motor vehicle. The machine can be arranged directly on the wheels, for example as a wheel hub motor.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß
Wenn der Umrichter nicht auch im Generatorbetrieb betrieben werden soll, kann statt des Schaltelementes SA3 auch lediglich eine Diode DA3 vorgesehen sein. Die Diode DA3 bzw. der Schalter SA3 bewirken, dass in einem Motorbetrieb der Maschine der Phasenstrom I(t) nicht in Richtung der Eingangsenergiequelle E, die als eine Gleichspannungsquelle ausgebildet ist, zurückfließen kann.If the converter is not also to be operated in generator mode, only a diode D A3 can be provided instead of the switching element S A3 . The diode D A3 or the switch S A3 have the effect that, when the machine is operating as a motor, the phase current I (t) cannot flow back in the direction of the input energy source E, which is designed as a direct voltage source.
Die ersten Schaltelemente SA1, SA2 werden zu Beginn eines Schaltzyklus' in einen geschlossenen Zustand geschaltet, so dass die Phase
Parallel zu dem Phasenzweig
Der Hilfsenergiequelle CA sind als zweite Schaltelemente Dioden DA1, DA2 zugeordnet, die im geöffneten Zustand der ersten Schaltelemente SA1, SA2 zusammen mit der Phase
Die erste Diode DA1 der zweiten Schaltelemente ist an einem ersten Anschluss
Während des Abmagnetisierungszeitintervalls der Phase
Wird von der ersten Phase
Somit kann die mit dem erfindungsgemäßen Umrichter geschaltete Reluktanzmaschine bei relativ geringer Eingangsspannung von beispielsweise 48 V das gleiche Verhalten aufweisen als wenn sie an einer relativen hohen Eingangsspannung von 300 V bis 400 V anliegen würde.Thus, the reluctance machine switched with the converter according to the invention can have the same behavior at a relatively low input voltage of, for example, 48 V as if it were applied to a relatively high input voltage of 300 V to 400 V.
Im Generatorbetrieb der Maschine wird die Diode DA3 durch das Schalten des Schaltelementes SA3 überbrückt.When the machine is in generator mode, the diode D A3 is bridged by switching the switching element S A3.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform des Umrichters nach
Die vorgenannten Schaltelemente, deren Index eine Ziffer aufweisen, sind entsprechend der Anzahl der Phasen vorgesehen. Die Schaltelemente, die in ihrem Index keine Ziffer aufweisen, sind lediglich einmalig vorgesehen. The aforementioned switching elements, whose index has a number, are provided according to the number of phases. The switching elements that do not have a number in their index are only provided once.
Ferner ist ein Spannungs-Steuer-Schaltelement SDump vorgesehen, das parallel zu einem aus der Phase
Der Phasenzweig
Der erste Anschluss
Die Phasen
Vorzugsweise wird das Spannungs-Steuer-Schaltelement SDump derart angesteuert bzw. geschaltet, dass die an der Hilfsenergiequelle CDump anliegende Spannung auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird. Dieser Sollwert kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 300 V und 400 V liegen, während an der Eingangsenergiequelle E die Eingangsspannungsquelle von 48 V aufweist.The voltage control switching element S Dump is preferably activated or switched in such a way that the voltage applied to the auxiliary energy source C Dump is regulated to a predetermined setpoint value. This setpoint value can, for example, be in a range between 300 V and 400 V, while the input voltage source at the input energy source E is 48 V.
Die an der Hilfsenergiequelle CDump abfallende Spannung ist mittels Toleranzbandreglers oder mittels eines pulsweiten Modulationsverfahrens regelbar.The voltage drop at the auxiliary energy source C Dump can be regulated by means of a tolerance band regulator or by means of a pulse-wide modulation method.
Alternativ oder zusätzlich kann das Spannungs-Steuer-Schaltelement SDump auch so angesteuert werden, dass es zu Beginn des Aufmagnetisierungszeitintervalls der jeweiligen Phase
Nach einer weiteren Ausführungsform des Umrichters gemäß
Zur Ermöglichung dieser Funktion ist eine Entkopplungsdiode DBATT1 zwischen einem Anschluss der Hilfsenergiequelle CDump und einem Minuspol der Eingangsenergiequelle E geschaltet, wobei das stromabwärtsseitige Ende der ersten Entkopplungsdiode DBATT1 mit dem Minuspol der Eingangsenergiequelle E verbunden ist.To enable this function, a decoupling diode D BATT1 is connected between a connection of the auxiliary energy source C Dump and a negative pole of the input energy source E, the downstream end of the first decoupling diode D BATT1 being connected to the negative pole of the input energy source E.
Ein Tiefsetzsteller mit den Elementen LBuck und SBuck befindet sich ebenfalls in einem Minuskontaktpfad der Eingangsenergiequelle E. Er ist - wie die Entkopplungsdiode DBATT1 - in den negativen Bereich der Schaltung gespiegelt, wenn die Schaltung nach
Vorteilhaft ermöglicht das Verbinden des Pluspoles der Eingangsenergiequelle E mit der Karosseriemasse nicht nur schaltungs- und sicherheitstechnische Vorteile, sondern auch EMV-Vorteile.The connection of the positive pole of the input energy source E to the body ground advantageously enables not only circuit and safety advantages, but also EMC advantages.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Maschine auch einphasig oder eine andere Anzahl von Phasen aufweisen als die beschriebenen fünf Phasen.According to an alternative embodiment of the invention, the machine can also have single-phase or a different number of phases than the five phases described.
Die Maschine kann als eine Traktionsmaschine für ein Fahrzeug ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Maschine als ein Radnabenmotor im Bereich eines Rades eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein.The machine can be designed as a traction machine for a vehicle. For example, the machine can be arranged as a wheel hub motor in the area of a wheel of a motor vehicle.
Die Anschlüsse bzw. Verbindungspunkte der dargestellten Umrichter sind mit denselben Bezugsziffern versehen.The connections or connection points of the inverters shown are provided with the same reference numbers.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 0802623 A1 [0003, 0004]EP 0802623 A1 [0003, 0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- „A Modified C-Dump Converter for Variable-Reluctance Machines‟ von Hava, Blasko und Lipo, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, Nr. 5, Sep./Okt. 1992 [0004]"A Modified C-Dump Converter for Variable-Reluctance Machines" by Hava, Blasko and Lipo, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, No. 5, Sep./Oct. 1992 [0004]
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