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Die vorliegende Erfindung betrifft den Betrieb elektrischer Synchronmaschinen, die über einen Wechselrichter oder Frequenzumrichter mit einer Wechselspannung variabler Frequenz versorgt werden.
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Stand der Technik
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Elektrische Synchronmaschinen laufen synchron mit einem durch den Stator erzeugten Drehfeld, in dem sich der Rotor bewegt. Um die Synchronmaschine mit variabler Drehzahl betreiben zu können, wird somit eine Wechselspannung mit variabler Frequenz benötigt. Eine solche Wechselspannung kann beispielsweise in einem Wechselrichter oder Frequenzumrichter aus einer Quell-Gleichspannung, bzw. aus einer Quell-Wechselspannung, erzeugt werden. Ein derartiger Stromrichter verbindet die drei oder mehr Phasen seines Ausgangs nach einem vorgegebenen Zeitprogramm im Wechsel mit der Quell-Gleichspannung, bzw. mit der Quell-Wechselspannung, so dass an seinem Ausgang eine zumindest näherungsweise sinusförmige Ziel-Wechselspannung mit der gewünschten Ziel-Frequenz anliegt.
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Hierbei kommt es darauf an, dass das Drehfeld die Sinusform möglichst gut annähert, da Abweichungen von der Sinusform zu Wirbelstromverlusten im Rotor führen können. Um die Sinusform möglichst gut anzunähern, ist es wiederum wichtig, in dem vorgegebenen Zeitprogramm mit einer möglichst hohen Modulationsfrequenz zu schalten. Je höher die Modulationsfrequenz ist, desto geringer ist der Effekt der Diskretisierung, dass eine Phase des Ausgangs zu einem beliebigen Zeitpunkt nur entweder mit der Quell-Gleichspannung oder Quell-Wechselspannung verbunden sein kann oder eben nicht. Aus der
DE 10 2018 217 051 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem durch Parallelbetrieb mehrerer Wechselrichter oder Frequenzumrichter eine besonders hohe Modulationsfrequenz bereitgestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Synchronmaschine entwickelt.
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Bei diesem Verfahren wird eine Quell-Gleichspannung U=,Q oder eine Quell-Wechselspannung U∼,Q mit einer Quell-Frequenz fQ bereitgestellt. Diese Quell-Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U=,Q wird in einem Wechselrichter oder Frequenzumrichter durch zeitlich moduliertes Schalten einer Anordnung aus Halbleiterschaltern in eine Ziel-Wechselspannung U~,Z mit einer Ziel-Frequenz fZ umgewandelt. Die Ziel-Wechselspannung U~,Z kann insbesondere drei- oder mehrphasig sein. Durch das Schalten kann jede der Phasen der Ziel-Wechselspannung U~,Z nach einem vorgegebenen Zeitprogramm im Wechsel mit den Polen der Quell-Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U=,Q verbunden werden. Die Synchronmaschine wird mit der Ziel-Wechselspannung U~,Z gespeist.
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Dabei wird während mindestens eines Beschleunigungsvorgangs der Synchronmaschine die Anordnung aus Halbleiterschaltern mit einer mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet, die geringer ist als die während des stationären Betriebes der Synchronmaschine mit konstanter Drehzahl genutzte Nominalfrequenz fN.
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Es wurde erkannt, dass gerade derartige Beschleunigungsvorgänge bislang auslegungsbestimmend für die Dimensionierung der verwendeten Halbleiterschalter waren.
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Das Schalten mit hoher Modulationsfrequenz fN führt dazu, dass die Ziel-Wechselspannung gut der Sinusform angenähert wird und dementsprechend weniger Wirbelstromverluste im Rotor entstehen. Wenn das Drehfeld in jeder Phase sinusförmig ist, befindet sich der Rotor in einem fest mit dem Rotor verbundenen Bezugssystem in einem konstanten Magnetfeld, so dass keine Wirbelströme induziert werden. Abweichungen von der Sinusform, wie beispielsweise Oberwellen, schlagen hingegen auf das rotorfeste Bezugssystem durch und führen zu Wirbelströmen.
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Auf der anderen Seite führen hohe Modulationsfrequenzen fN in Verbindung mit hohen Strömen zu Schaltverlusten in den Halbleiterschaltern, die wiederum zu einer Erwärmung dieser Halbleiterschalter führen. Während eines Beschleunigungsvorgangs werden besonders hohe Ströme benötigt. Beispielsweise kann der Leistungsbedarf einer Synchronmaschine, die einen elektrischen Turbokompressor antreibt und im stationären Betrieb mit konstanter Drehzahl etwa 15 kW elektrische Leistung benötigt, beim Erhöhen der Drehzahl von 20.000 1/min auf 100.000 1/min um etwa 5-6 kW in die Höhe schnellen. Die Halbleiterschalter müssen dafür ausgelegt sein, dass auch bei den hierfür nötigen hohen Strömen ihre Sperrschichttemperatur niemals den höchstzulässigen Wert überschreitet, da ansonsten irreversible Schäden an den Halbleiterschaltern drohen. Die Auslegung für höhere Ströme wiederum ist mit einer verbesserten Kühlung der Halbleiterschalter allein meistens nicht zu schaffen, sondern erfordert es auch, die Halbleiter größer zu bauen.
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Halbleiterschalter mit größeren Halbleitern sind jedoch im Verhältnis zur Erhöhung der Stromfestigkeit überproportional teurer in der Herstellung. Dies liegt unter anderem darin begründet, dass einkristallines Halbleitermaterial meistens nur mit einer bestimmten Defektdichte pro Einheit Fläche oder Volumen erhältlich ist. Je größer das Stück Halbleiter ist, das für die Fertigung eines Halbleiterschalters benötigt wird, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich dort ein Defekt befindet, und desto geringer ist die Ausbeute in der Massenfertigung. Dies schlägt sich im Endpreis für den Halbleiterschalter nieder, insbesondere wenn das Ausgangsmaterial ein teurer Halbleiter mit besonders breiter Bandlücke ist, wie etwa Siliziumkarbid.
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Es wurde nun erkannt, dass speziell bei Synchronmaschinen für den Antrieb von Turbokompressoren die hohen Ströme für das Erhöhen der Drehzahl nur für sehr kurze Zeit benötigt werden, da diese Kompressoren sehr kompakt gebaut sind. Typischerweise wird für die besagte Beschleunigung von 20.000 1/min auf 100.000 1/min nur etwa eine Sekunde benötigt. Wenn für diese kurze Zeit nun die Modulationsfrequenz der Halbleiterschalter vermindert wird, wird in Kauf genommen, dass in dieser Zeit die Ziel-Wechselspannung U~,Z Oberwellen und andere Abweichungen von der Sinusform beinhaltet und der Rotor entsprechend durch Wirbelstromverluste erwärmt wird. Der Rotor hat jedoch eine gewisse Wärmekapazität, so dass er die Erwärmung für eine kurze Zeit verträgt, bevor seine höchstzulässige Temperatur erreicht ist. Die Erwärmung kann nach dem Ende des Beschleunigungsvorgangs durch die Kühlung des Rotors wieder abgeführt werden. Zugleich wird durch die verringerte Modulationsfrequenz fM eine übermäßige Erwärmung der Halbleiterschalter trotz der hohen angeforderten Ströme für die Beschleunigung vermieden, so dass es nicht mehr erforderlich ist, die Halbleiterschalter im bisherigen Maße überzudimensionieren.
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Sollte der Beschleunigungsvorgang länger dauern als der Rotor mit seiner Wärmekapazität die Erwärmung durch Wirbelströme abpuffern kann, sollte die erhöhte Belastung durch die Wirbelströme beendet werden. Daher wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die mittlere Modulationsfrequenz fM in Antwort darauf, dass eine Beschleunigung der Synchronmaschine angefordert wird, zunächst vermindert. Bevor die Temperatur TR des Rotors der Synchronmaschine einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird die Modulationsfrequenz fM wieder auf die Nominalfrequenz fN erhöht, und der Strom I, der der der Synchronmaschine zugeführt wird, wird vermindert. Das bedeutet, dass der Beschleunigungsvorgang im Zweifel abgeschwächt oder gar abgebrochen wird, wenn die verminderte Modulationsfrequenz fM nicht länger beibehalten werden kann.
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Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Halbleiterschalter nicht dafür ausgelegt sind, die während des Beschleunigungsvorgangs erhöhten Ströme auch bei einer der Nominalfrequenz entsprechenden Modulationsfrequenz zu tragen. Wenn von der durch das Verfahren geschaffenen Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, die Halbleiterschalter kleiner als bislang zu dimensionieren, dann sollte dies nicht dazu führen, dass diese Halbleiterschalter in bestimmten Situationen überhitzen. Insbesondere führt ein schnelles Aufheizen auf eine zu hohe Sperrschichttemperatur dazu, dass das Material auf Grund der thermischen Ausdehnung mechanisch stark beansprucht wird. Die durch eine solche Beanspruchung verursachten Folgen sind nicht vollständig reversibel, sondern addieren sich mit der Zeit analog einem Summationsgift, bis der Halbleiterschalter irgendwann ausfällt.
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Wie lange der Rotor eine erhöhte Erwärmung durch Wirbelströme abpuffern kann, hängt von der aktuellen Betriebssituation der Synchronmaschine ab. Daher wird in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung eine maximale Zeitdauer, für die die Anordnung aus Halbleiterschaltern mit der geringeren mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet wird, anhand eines Modells ermittelt, das mindestens aus
- • dem Strom-Zeit-Profil des der Synchronmaschine zugeführten Stroms I,
- • der Drehzahl n der Synchronmaschine und
- • der Umgebungstemperatur
die Entwicklung der Temperatur TR des Rotors vorhersagt. Diese Größen werden beim Betrieb der Synchronmaschine typischerweise ohnehin überwacht und stehen daher ohne Zusatzaufwand zur Verfügung.
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Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann die Temperatur TR des Rotors durch Messung überwacht werden. Hierzu kann beispielsweise ein berührungsloses Infrarot-Thermometer verwendet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die mittlere Modulationsfrequenz fM in Antwort darauf, dass eine Beschleunigung der Synchronmaschine angefordert wird, nur dann vermindert, wenn die betragsmäßige Differenz zwischen der angeforderten Soll-Drehzahl ns und der aktuellen Ist-Drehzahl nI einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Eine solche große Abweichung geht mit großen angeforderten Strömen IB einher. Kleinere Abweichungen können hingegen auch mit kleineren Strömen IB ausgeregelt werden, für die es nicht erforderlich ist, den Rotor als Wärmepuffer zu nutzen. Insbesondere wird durch den Schwellwert vermieden, dass die im normalen Betrieb immer wieder auftretenden kleinen Abweichungen zwischen Soll-Drehzahl nS und Ist-Drehzahl nI zu einem permanenten Wärmeeintrag in den Rotor führen, so dass der Rotor dann bei einer angeforderten größeren Beschleunigung nicht mehr mit seiner vollen Wärmekapazität als Wärmepuffer zur Verfügung steht.
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Sofern die Anordnung aus Halbleiterschaltern in Pulsweitenmodulation betrieben wird, kann die mittlere Modulationsfrequenz insbesondere beispielsweise reduziert werden, indem die Frequenz der Pulsweitenmodulation reduziert wird. Das Zeitprogramm für das Schalten wird dann lediglich zeitlich skaliert und bleibt ansonsten unverändert. Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann beispielsweise der Schaltzustand jeweils einer Phase der Anordnung über eine Periode der Pulsweitenmodulation konstant gehalten werden, wobei die hiervon betroffene Phase reihum gewechselt wird. Diese Abänderung des Zeitprogramms bewirkt nur eine geringe Abweichung der Ziel-Wechselspannung U~,Z von der Sinusform, vermindert jedoch die mittlere Modulationsfrequenz fM und damit die Wärmebelastung der Halbleiterschalter um ein Drittel.
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Sofern die Halbleiterschalter durch einen Stromregler angesteuert werden, um den der Synchronmaschine zugeführten Strom auf einen Sollwert zu regeln, kann die mittlere Modulationsfrequenz fM insbesondere beispielsweise reduziert werden, indem eine Hysterese und/oder eine Zeitkonstante des Stromreglers erhöht wird. Das im Interesse einer nicht zu großen Erwärmung der Halbleiterschalter zu erbringende „Opfer“ wird dann nicht in Form einer Abweichung der Ziel-Wechselspannung U~,Z von der Sinusform erbracht, sondern in Form einer etwas verminderten Regelgüte des Stromreglers. Das bedeutet, dass hierbei gar keine zusätzlichen Wirbelströme im Rotor erzeugt werden.
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Wie zuvor erläutert, wird vorteilhaft die mittlere Modulationsfrequenz fM so weit vermindert, dass während des Beschleunigungsvorgangs die maximale Sperrschichttemperatur TJ in der Anordnung aus Halbleiterschaltern unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts bleibt. Diese Temperatur TJ lässt sich direkt messen. Die Änderung der mittleren Modulationsfrequenz fM lässt sich also dynamisch anpassen. Sollte der Wärmepuffer, den der Rotor zur Verfügung stellt, quantitativ nicht ausreichen und sich die Sperrschichttemperatur TJ der kritischen Grenze nähern, kann beispielsweise der Strom I, der der Synchronmaschine zugeführt wird, vermindert werden, um den Beschleunigungsvorgang abzuschwächen oder ganz abzubrechen.
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Das Verfahren kann insbesondere ganz oder teilweise computerimplementiert sein. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogramm mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden, den oder die Computer dazu veranlassen, eines der beschriebenen Verfahren auszuführen. In diesem Sinne sind auch Embedded-Systeme für technische Geräte sowie Steuergeräte für Fahrzeuge, die ebenfalls in der Lage sind, maschinenlesbare Anweisungen auszuführen, als Computer anzusehen.
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Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf einen maschinenlesbaren Datenträger und/oder auf ein Downloadprodukt mit dem Computerprogramm. Ein Downloadprodukt ist ein über ein Datennetzwerk übertragbares, d.h. von einem Benutzer des Datennetzwerks downloadbares, digitales Produkt, das beispielsweise in einem Online-Shop zum sofortigen Download feilgeboten werden kann.
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Weiterhin kann ein Computer mit dem Computerprogramm, mit dem maschinenlesbaren Datenträger bzw. mit dem Downloadprodukt ausgerüstet sein.
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Wie zuvor erläutert, ermöglicht das zuvor beschriebene Verfahren, bei der Erzeugung einer Ziel-Wechselspannung U~,Z mit variabler Frequenz fZ für eine elektrische Synchronmaschine mit einer Anordnung aus Halbleiterschaltern auf eine große Überdimensionierung dieser Halbleiterschalter zu verzichten. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf ein System mit einer elektrischen Synchronmaschine und einer Anordnung aus Halbleiterschaltern, in dem sich dieser Verzicht manifestiert.
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Die Anordnung aus Halbleiterschaltern ist dazu ausgebildet, eine Quell-Gleichspannung U=,Q oder eine Quell-Wechselspannung U∼,Q mit einer Quell-Frequenz fQ durch zeitlich moduliertes Schalten in eine Ziel-Wechselspannung U~,Z mit einer Ziel-Frequenz fZ umzuwandeln, die als Versorgungsspannung zu der elektrischen Synchronmaschine geführt ist. Dabei ist die Anordnung aus Halbleiterschaltern so ausgelegt, dass sie einen für Beschleunigungsvorgänge der Synchronmaschine vorgesehenen Strom IB nur bei einer geringeren mittleren Modulationsfrequenz fB als der für den stationären Betrieb der Synchronmaschine mit konstanter Drehzahl vorgesehenen Nominalfrequenz fN tragen kann.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
- 1 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100;
- 2 Auswirkungen eines beispielhaften Einsatzes des Verfahrens 100;
- 3 Ausführungsbeispiel des Systems 10.
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1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 zum Betreiben einer . In Schritt 110 wird eine Quell-Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U∼,Q mit einer Quell-Frequenz fQ bereitgestellt. In Schritt 120 wird die Quell-Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U~,Q in einem Wechselrichter oder Frequenzumrichter 1 durch zeitlich moduliertes Schalten einer Anordnung 1a aus Halbleiterschaltern in eine Ziel-Wechselspannung U~,Z mit einer Ziel-Frequenz fZ umgewandelt. Dabei wird in Schritt 130 während mindestens eines Beschleunigungsvorgangs der Synchronmaschine 2 die Anordnung 1a aus Halbleiterschaltern mit einer mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet, die geringer ist als die während des stationären Betriebes der Synchronmaschine 2 mit konstanter Drehzahl genutzte Nominalfrequenz fN. In Schritt 140 wird die elektrische Synchronmaschine 2 mit der Ziel-Wechselspannung U~,Z, die die Frequenz fZ hat, gespeist.
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Gemäß Block 131 kann die mittlere Modulationsfrequenz fM in Antwort darauf, dass eine Beschleunigung der Synchronmaschine 2 angefordert wird, vermindert werden. Gemäß Block 132 kann dann geprüft werden, ob die Temperatur TR des Rotors der Synchronmaschine 2 einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Wenn dies der Fall ist (Wahrheitswert 1), wird die Modulationsfrequenz fM gemäß Block 133 wieder auf die Nominalfrequenz fN erhöht, und gemäß Block 134 wird der der Synchronmaschine 2 zugeführte Strom I vermindert.
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Dabei kann gemäß Block 132a eine maximale Zeitdauer Δt, für die die Anordnung 1a aus Halbleiterschaltern mit der geringeren mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet wird, anhand eines Modells 3 ermittelt werden, das die Entwicklung der Temperatur TR des Rotors vorhersagt. Diese Temperatur TR kann gemäß Block 132b auch direkt gemessen werden.
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Gemäß Block 135 kann geprüft werden, ob die betragsmäßige Differenz zwischen der angeforderten Soll-Drehzahl ns und der aktuellen Ist-Drehzahl nI einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Das Vermindern der mittleren Modulationsfrequenz fM gemäß Block 136 kann dann auf den Fall beschränkt werden, dass der Schwellwert überschritten ist (Wahrheitswert 1). Andernfalls (Wahrheitswert 0) unterbleibt dieses Vermindern.
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Die Anordnung 1a aus Halbleiterschaltern kann gemäß Block 121 beispielsweise in Pulsweitenmodulation betrieben werden. Gemäß Block 137a kann dann die mittlere Modulationsfrequenz fM reduziert werden, indem die Frequenz der Pulsweitenmodulation reduziert wird. Alternativ oder in Kombination hierzu kann gemäß Block 137b der Schaltzustand jeweils einer Phase der Anordnung 1a über eine Periode der Pulsweitenmodulation konstant gehalten werden, wobei die hiervon betroffene Phase reihum gewechselt wird.
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Die Halbleiterschalter können beispielsweise durch einen Stromregler angesteuert werden, um den der Synchronmaschine zugeführten Strom I auf einen Sollwert zu regeln. Gemäß Block 138 kann dann die mittlere Modulationsfrequenz fM reduziert werden, indem eine Hysterese und/oder eine Zeitkonstante des Stromreglers erhöht wird.
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Generell kann gemäß Block 139 die die mittlere Modulationsfrequenz fM so weit vermindert werden, dass während des Beschleunigungsvorgangs die maximale Sperrschichttemperatur TJ in der Anordnung 1a aus Halbleiterschaltern unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts bleibt.
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2 zeigt die Auswirkungen eines beispielhaften Einsatzes des Verfahrens 100 bei einem Beschleunigungsvorgang der Synchronmaschine 2. Über der in Sekunden gemessenen Zeit t sind Drehzahlen n, der der Synchronmaschine 2 zugeführte Strom I, die Modulationsfrequenz fM der Anordnung 1a von Halbleiterschaltern im Wechselrichter oder Frequenzumrichter 1, die Sperrschichttemperatur TJ in der Anordnung 1a von Halbleiterschaltern sowie die Temperatur TR des Rotors der Synchronmaschine 2 aufgetragen.
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Das Verfahren 100 geht von der Situation aus, dass die Soll-Drehzahl ns der Synchronmaschine 2 bei t=1 Sekunde von 20.000 1/min auf 120.000 1/min springt. Die tatsächliche Ist-Drehzahl nI zeichnet diesen Wunsch mit einer flacheren Flanke nach.
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In dem Moment, in dem die Soll-Drehzahl ns hochspringt, springt auch der der Synchronmaschine zugeführte Strom I hoch auf ein Beschleunigungs-Niveau IB. Kurz bevor die Ist-Drehzahl nI die Soll-Drehzahl ns erreicht, beginnt der Strom I zu sinken, bis er das stationäre Niveau Is erreicht und dort verharrt.
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Damit die Anordnung 1a aus Halbleiterschaltern den hohen Strom IB tragen kann, wird sie in der Zeit, in der der Strom I oberhalb des stationären Niveaus Is liegt, mit einer Modulationsfrequenz fM betrieben, die unterhalb der Nominalfrequenz fN für den stationären Strom IS liegt. Daher schießt die Sperrschichttemperatur TJ während des Beschleunigungsvorgangs weit weniger über den letztendlich erzielten stationären Zustand über als wenn die Anordnung 1a konstant mit der nominalen Modulationsfrequenz fN betrieben würde.
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Im Gegenzug steigt die Temperatur TR des Rotors der Synchronmaschine 2 während des Beschleunigungsvorgangs stärker an als wenn die Anordnung 1a konstant mit der nominalen Modulationsfrequenz fN betrieben würde. Dieser Überschuss an Temperatur TR wird jedoch nach dem Ende des Beschleunigungsvorgangs nach und nach abgebaut.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Systems 10 aus der Synchronmaschine 2 und dem Wechselrichter 1, der aus einer Quell-Gleichspannung U=,Q eine Ziel-Wechselspannung U~,Z mit Ziel-Frequenz fZ erzeugt. Die Anordnung 1a aus Halbleiterschaltern entspricht schaltungstechnisch einer für einen Inverter üblichen Anordnung. Sie unterscheidet sich hiervon jedoch durch die Dimensionierung der verwendeten Halbleiter. Die Halbleiter sind so dimensioniert, dass die Modulationsfrequenz fM unterhalb der Nominalfrequenz fN für den stationären Zustand abgesenkt werden muss, wenn der der Synchronmaschine 2 zugeführte Strom I größer wird als der für den stationären Zustand vorgesehene Strom Is.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018217051 A1 [0003]
