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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verteilung der Verlustleistung von Schaltelementen eines Wechselrichters beim Betrieb einer elektrischen Maschine.
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Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit Synchronmaschinen kommt es in bestimmten Sonderfällen wie Berganfahrt oder Bordsteinklettern im Pulswechselrichter des Fahrzeugs zu einer großen Belastung einer Phase und einer ungleichmäßigen Belastung der Schaltelemente, beispielsweise von Transistoren, in der Halbbrücke dieser Phase des Wechselrichters. Die ungleichmäßige Belastung erzeugt eine hohe thermische Belastung des Halbleiters in diesem Arbeitspunkt und führt zu einer Verringerung der Lebensdauer. Dieses Problem tritt auch in industriellen Anlagen mit Synchronmaschinen auf, die in vergleichbaren Arbeitspunkten angewendet werden.
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Bisher bekannt ist eine Reduzierung der Schaltfrequenz zur allgemeinen Reduktion der Verluste bei niedrigen Drehzahlen, da Schaltverluste proportional zur Schaltfrequenz sind. Der Nachteil ist hier, dass die Verluste zwar reduziert werden, aber immer noch ungleich verteilt sind.
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Die
US 9,190,896 B2 offenbart ein System, welches eine Wechselrichterschaltung und ein Strategiemodul für die Pulsweitenmodulation (PWM) umfasst, das dafür ausgelegt ist, einen Wechselrichter-Phasenstrom von einem Bauelement mit höheren Verlusten auf ein Bauelement mit niedrigeren Verlusten zu verlagern, um die Wechselrichter-Hotspottemperatur und die Leistungsverluste zu verringern. Das PWM-Strategiemodul ist dafür ausgelegt, den Phasenstrom zu verlagern, wenn sich ein mit der Wechselrichterschaltung gekoppelter Motor in einem Motorverriegelungszustand befindet. Der Strom wird von einem IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit relativ hohen Verlusten auf eine Diode in demselben Phasenzweig mit relativ niedrigeren Verlusten verlagert. Das PWM-Strategiemodul ist weiter dafür ausgelegt, ein zum Bereitstellen van PWM-Steuersignalen verwendetes PWM-Modulationssignal zu modifizieren, um Motorbefehlsspannungen zu genügen. Das PWM-Strategiemodul ist weiter dafür ausgelegt, Strom zu verlagern, ohne sich auf die Trägerfrequenz oder Wechselrichterausgabe auszuwirken.
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Das in
DE 10 2012 216 103 A1 offenbarte System bezieht sich im Wesentlichen auf eine allgemeine Reduzierung der Verluste einer Wechselrichterschaltung. Als Schaltelemente werden IGBTs herangezogen. Die Wechselrichterschaltung soll zur Ansteuerung von permanenterregten Synchronmaschinen ausgelegt sein.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verteilen der Verlustleistung von Schaltelementen eines Wechselrichters beim Betrieb einer elektrischen Maschine anzugeben, welches für verschiedenste Synchronmaschinen und verschiedenste Schaltelemente geeignet ist.
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Die vorgenannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Verteilung der Verlustleistung von Schaltelementen eines Wechselrichters beim Betrieb einer elektrischen Maschine. Dabei wird ein Sternpunktpotential so verschoben, dass in einer vorrangig belasteten Halbbrücke des Wechselrichters die Verlustleistung zwischen einem oberen Schaltelement und einem unteren Schaltelement in einem Sollverhältnis aufgeteilt wird.
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Nach dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt eine Verschiebung des existierenden oder gedachten Sternpunktpotentials zu Gunsten der Verlustverteilung in der am stärksten belasteten Phase eines, insbesondere pulsförmig angesteuerten, Wechselrichters, beim Betrieb einer Synchronmaschine. Dabei wird durch die Verteilung der anteiligen Leitdauern von oberem und unterem Schaltelement einer vorrangig belasteten Halbbrücke die Verteilung der Leitverluste beeinflusst, um die ungleichmäßige Verteilung der Schaltverluste zu kompensieren.
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Spannungen an Statorspulen der elektrischen Maschine, sogenannte Strangspannungen sind für die Regelung des Phasenstroms in der entsprechenden Halbbrücke des Wechselrichters verantwortlich. Die Klemmenpotentiale des Wechselrichters gegenüber einem gedachten Mittelpunktpotential können in den Grenzen einer Zwischenkreisspannung frei gewählt werden, solange die Strangspannungen als Resultat identisch bleiben.
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Durch eine Verschiebung des Klemmenpotentials der am stärksten belasteten Phase, lassen sich die Leitdauern der Schaltelemente dieser Phase beeinflussen.
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Dabei werden vorteilhaft immer alle Klemmenpotentiale verschoben. So können die Klemmenpotentiale ϕ
u, ϕ
v, ϕ
w mit den entsprechenden Vorgaben ϕ
Vorgabe_u, ϕ
Vorgabe_v, ϕ
Vorgabe_w und dem Verschiebungswert ϕ
Verschiebung, wie folgt dargestellt werden:
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Durch optimierte Verteilung der Leitverluste in dieser Phase, lässt sich die ungleichmäßige Verteilung der Schaltverluste kompensieren, welche durch die Richtung der Phasenströme beeinflusst werden
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Die Klemmenpotentiale werden beispielsweise durch Pulsweitenmodulation eingestellt. Dies ist ein Standardverfahren für Halbbrücken und Wechselrichter. Das vorgeschlagene Verfahren zur Verlustverteilung wirkt sich auf die Vorgabe des Tastgrades für eben jene Pulsweitenmodulation aus. Die Klemmenpotentiale werden dabei immer im zeitlichen Mittel einer Periode der Pulsweitenmodulation betrachtet.
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Die Anpassung zur realen Umsetzung des Verfahrens findet also nicht in der Hardware, sondern in der Steuerung des Wechselrichters statt.
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Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist eine gleichmäßige Verteilung der Verluste in diesem Betriebsfall. Dadurch kann dieser Arbeitspunkt länger gehalten werden, da eine geringere thermische Belastung auftritt. Außerdem führt eine geringere Belastung zudem zu einer höheren Lebensdauer der Schaltelemente.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der Wechselrichter mittels einer Pulsweitenmodulation angesteuert werden. Die Pulsweitenmodulation ist ein übliches Verfahren zur Ansteuerung der Halbbrücken eines Wechselrichters.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Sternpunktpotential so verschoben werden, dass eine anteilige Dauer einer Leitphase des oberen Schaltelements und eine anteilige Dauer der Leitphase des unteren Schaltelements jeweils so beeinflusst wird, dass eine ungleichmäßige Verteilung von Verlusten, insbesondere von Schaltverlusten, kompensiert wird. Dadurch kann günstigerweise eine gleichmäßige Verteilung der Verluste erreicht werden, was zu einer geringeren thermischen Belastung und in Folge zu einer höheren Lebensdauer der Schaltelemente des Wechselrichters führt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Verschieben des Sternpunktpotentials durch gemeinsames Erhöhen oder Senken der Klemmenpotentiale des Wechselrichters vorgenommen werden. Die Klemmenpotentiale des Wechselrichters gegenüber einem gedachten Mittelpunktpotential können in den Grenzen einer Zwischenkreisspannung frei gewählt werden, solange die Strangspannungen als Resultat identisch bleiben. Durch eine Verschiebung des Klemmenpotentials der am stärksten belasteten Phase, lassen sich vorteilhaft die Leitdauern der Schaltelemente dieser Phase beeinflussen. Durch optimierte Verteilung der Leitverluste in dieser Phase, lässt sich weiter die ungleichmäßige Verteilung der Schaltverluste kompensieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Klemmenpotentiale des Wechselrichters so eingestellt werden, dass resultierende Spannungen an Statorspulen der elektrischen Maschine unverändert bleiben. Dadurch bleiben die in den Statorspulen fließenden Phasenströme gleich, wodurch das Verhalten der elektrischen Maschine nicht beeinflusst wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Dauer der Leitphase der Schaltelemente durch Verschieben des Klemmenpotentials verändert werden. Dadurch kann günstigerweise eine gleichmäßige Verteilung der Verluste erreicht werden, was zu einer geringeren Belastung und in Folge zu einer höheren Lebensdauer der Schaltelemente des Wechselrichters führt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Klemmenpotentiale der Halbbrücken gemeinsam verschoben werden. Dabei bildet jene Halbbrücke, welche einen betragsmäßig höchsten Phasenstrom trägt, eine Vorgabe für das Verschieben der Klemmenpotentiale. Dadurch findet vorteilhaft eine Verlustverteilung der Phase in der Halbbrücke statt, deren thermische Belastung am kritischsten ist.
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Vorteilhaft können die Klemmenpotentiale unverändert gelassen werden, wenn zwei der Phasenströme gleich groß sind. Wenn beim Wechsel der Vorgabe zwei Phasenströme gleich groß sind, soll keine Verschiebung stattfinden, da dies der Verlustverteilung einer Phase zuträglich und der anderen entgegen wirkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann als elektrische Maschine eine Synchronmaschine angesteuert werden. Das vorgeschlagene Verfahren kann günstigerweise in jedem System mit mehrphasigen Synchronmaschinen angewendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können als Schaltelemente des Wechselrichters Halbleiterschalter, insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) oder Feldeffekttransistoren (FETs), eingesetzt werden. Der Vorteil ist besonders stark ausgeprägt bei IGBTs, da hier die Schaltverluste einen großen Anteil haben und sich sogar die Leitkennlinien unterscheiden. Bei Siliziumkarbid-MOSFETs neuster Generation ist der Vorteil geringer. Solange jedoch Schaltverluste vorhanden sind, die physikalisch nicht vermeidbar sind, ist ein Vorteil vorhanden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Schaltbild eines dreiphasigen Wechselrichters mit angeschlossener Synchronmaschine zur Anwendung eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein Diagramm der Verluste von oberem und unterem Schaltelement bei einem konstanten Phasenstrom in Abhängigkeit der Klemmenspannung; und
- 3 ein Diagramm eines normierten Phasenstroms aller drei Phasen in Abhängigkeit des Phasenwinkels.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt ein Schaltbild eines dreiphasigen Wechselrichters 100 mit angeschlossener Synchronmaschine 200 zur Anwendung eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Synchronmaschine 200 ist als Beispiel in Sternschaltung betrieben dargestellt. Der Wechselrichter weist beispielhaft Feldeffekttransistoren (FET) auf. Statorwiderstände der Synchronmaschine 200 sind dabei vernachlässigt.
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Der Wechselrichter 100 wird von einer Spannungsquelle mit Spannung Uzk gespeist. Die Spannung liegt bezüglich einem gedachten Mittelpunktpotential ϕ0 als +Uzk/2 und -Uzk/2 an dem Wechselrichter 100 an. Der Wechselrichter 100 weist drei Halbbrücken 22, 24, 26 jeweils mit den Schaltelementen 10, 16; 12, 18; 14, 20 auf.
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An den Mittelabgriffen der Halbbrücken 22, 24, 26 liegen die Klemmenpotentiale ϕu, ϕv, ϕw für die drei Statorspulen 30, 32, 34. An den Statorspulen 30, 32, 34, in welchen die Phasenströme Iu, Iv, Iw fließen, fallen die Strangspannungen eu, ev, ew ab. Induzierte Spannungen durch Rotation der Maschine eiu, eiv, eiw sind ebenfalls dargestellt. Das Sternpunktpotential ϕ* liegt am Zusammenschluss der drei Phasen der elektrischen Maschine als vorhandener oder gedachter Sternpunkt an.
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Der Wechselrichter 100 kann bevorzugt mittels einer Pulsweitenmodulation angesteuert werden.
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Als elektrische Maschine 200 kann beispielsweise eine dreiphasige Synchronmaschine angesteuert werden.
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Als Schaltelemente 10, 12, 14, 16, 18, 20 des Wechselrichters 100 können bevorzugt Halbleiterschalter, insbesondere IGBTs oder FETs, eingesetzt werden.
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Nach dem vorgeschlagenen Verfahren zur Verteilung der Verlustleistung von Schaltelementen 10, 12, 14, 16, 18, 20 eines Wechselrichters 100 beim Betrieb einer elektrischen Maschine 200 wird das Sternpunktpotential ϕ* so verschoben, dass in einer vorrangig belasteten Halbbrücke 22, 24, 26 des Wechselrichters 100 die Verlustleistung P zwischen einem oberen Schaltelement 10, 12, 14 und einem unteren Schaltelement 16, 18, 20 in einem Sollverhältnis aufgeteilt wird.
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Das Sternpunktpotential ϕ* kann dabei vorteilhaft so verschoben werden, dass eine anteilige Dauer einer Leitphase des oberen Schaltelements 10, 12, 14 und eine anteilige Dauer der Leitphase des unteren Schaltelements 16, 18, 20 jeweils so beeinflusst wird, dass eine ungleichmäßige Verteilung von Verlusten P, insbesondere von Schaltverlusten, kompensiert wird.
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Das Verschieben des Sternpunktpotentials ϕ* kann durch Einstellen von Klemmenpotentialen ϕu, ϕv, ϕw des Wechselrichters 100 vorgenommen werden, wobei vorteilhaft die Klemmenpotentiale ϕu, ϕv, ϕw des Wechselrichters 100 so eingestellt werden, dass resultierende Spannungen eu, ev, ew von Statorspulen 30, 32, 34 der elektrischen Maschine unverändert bleiben.
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Durch das Verschieben des Klemmenpotentials ϕu, ϕv, ϕw wird die Dauer der Leitphasen der Schaltelemente 10, 12, 14, 16, 18, 20 verändert. Dadurch kann vorteilhaft eine gleichmäßige Verteilung der Verluste in einer vorrangig belasteten Halbbrücke erreicht werden.
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Dabei werden die Klemmenpotentiale ϕu, ϕv, ϕw bei den Halbbrücken 22, 24, 25 nach Vorgabe jener Halbbrücke 22, 24, 25, welche den betragsmäßig höchsten Phasenstrom Iu, Iv, Iw aufweist, verschoben.
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Dabei werden vorteilhaft immer alle Klemmenpotentiale ϕ
u, ϕ
v, ϕ
w verschoben. So können die Klemmenpotentiale ϕ
u, ϕ
v, ϕ
w mit den entsprechenden Vorgaben ϕ
Vorgabe_u, ϕ
Vorgabe_v, ϕ
Vorgabe_w und dem Verschiebungswert ϕ
Verschiebung, wie folgt dargestellt werden:
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Die Klemmenpotentiale werden dabei immer im zeitlichen Mittel einer Periode der Pulsweitenmodulation betrachtet.
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2 zeigt ein Diagramm der Verluste P der Schaltelemente einer Halbbrücke auf der Ordinate bei einem konstanten Phasenstrom in Abhängigkeit der Klemmenspannung ϕ auf der Abszisse. Die beiden eingezeichneten Kurven entsprechen einem oberen Schaltelement, beispielsweise dem Schaltelement 10 des Wechselrichters 100 in 1, und einem unteren Schaltelement, beispielsweise dem Schaltelement 16 des Wechselrichters 100. Dargestellt sind beispielhafte Verluste P in W der Klemmenspannung ϕ in V.
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Der Arbeitspunkt wurde dabei mit den Kenndaten eines aktuellen Siliziumkarbid-Transistors berechnet. Dabei wurde eine Zwischenkreisspannung Uzk von 800 V, ein ausgehender Phasenstrom von 400 A und eine reduzierte Frequenz der Pulsweitenmodulation von 2 kHz angenommen.
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Es zeigt sich der Effekt einer möglichen Verschiebung des Sternpunktpotentials ϕ*. Bei einer Klemmenspannung ϕu von ungefähr ϕu = ϕVorgabe_u + ϕVerschiebung = 40 V kann die Belastung des beispielhaft oberen Schaltelements 10 um 8% reduziert werden.
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3 zeigt ein Diagramm eines normierten Phasenstroms I in der Ordinate für alle drei Phasen der drei Halbbrücken 22, 24, 26 in Abhängigkeit der Zeit. Die Zeit ist in der Abszisse normiert auf die Periodendauer als Phasenwinkel aufgetragen.
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Im unteren Teil 50 von 3 ist jeweils die Halbbrücke 22, 24, 26 eingezeichnet, welche die Vorgabe für die Verschiebung des Sternpunktpotentials ϕ* bildet. Gewählt für die Verschiebung des Sternpunktpotentials ϕ* wird also immer jene Phase mit dem betragsmäßig größten Phasenstrom.
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Die Sternpunktverschiebung führt auf den anderen Phasen ebenfalls zu einer Verschiebung der Verluste.
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Da immer die Phase gewählt wird, deren Phasenstrom Iu, Iv, Iw am größten ist und deren thermische Belastung somit am kritischsten ist, wirkt sich die Verschiebung bei den anderen Phasen zwar negativ aus, ist aber aufgrund der allgemein geringeren Belastung unkritisch.
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Ein Sonderfall stellt der Betriebszustand dar, bei dem zwei Phasenströme Iu, Iv, Iw beim Wechsel der Vorgabe gleich groß sind. In diesem Fall werden die Klemmenpotentiale ϕu, ϕv, ϕw unverändert gelassen, da eine Verschiebung des Sternpunktpotentials ϕ* in diesem Fall der Verlustverteilung einer Phase zuträglich wäre und der anderen Phase entgegen wirken würde.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltelement
- 12
- Schaltelement
- 14
- Schaltelement
- 16
- Schaltelement
- 18
- Schaltelement
- 20
- Schaltelement
- 22
- Halbbrücke
- 24
- Halbbrücke
- 26
- Halbbrücke
- 30
- Statorspule
- 32
- Statorspule
- 34
- Statorspule
- 50
- dominierende Halbbrücke
- 100
- Wechselrichter
- 200
- elektrische Maschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9190896 B2 [0004]
- DE 102012216103 A1 [0005]