DE102022112596A1 - Method for controlling a multi-phase electric motor with coupled inductors, control circuit and an electric motor having the same - Google Patents
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Abstract
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen Elektromotors mit gekoppelten Induktivitäten mittels eines Ansteuerschaltkreises bereitgestellt, wobei der Ansteuerschaltkreis einen ersten getakteten Umrichter und mindestens einen zweiten getakteten Umrichter zum Erzeugen von pulsweitenmodulierten Spannungssignalen, wobei an jeden der Ausgangsanschlüsse der Umrichter eine Induktivität gekoppelt ist und die mit gleichnamigen Ausgangsanschlüssen der Umrichter gekoppelten Induktivitäten paarweise miteinander induktiv gekoppelt sind, und einen Regelungsschaltkreis zum Ansteuern der Umrichter aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines ersten Trägersignals, um auf dessen Basis mittels eines trägerbasierten Modulationsverfahrens das erste Schaltsignal bereitzustellen; Bereitstellen eines zweiten Trägersignals, um auf dessen Basis mittels eines trägerbasierten Modulationsverfahrens das zweite Schaltsignal bereitzustellen; und Einstellen einer Phasenverschiebung zwischen dem ersten Trägersignal und dem zweiten Trägersignal oder zwischen einem im Rahmen des trägerbasierten Modulationsverfahrens verwendeten Referenzsignal und den Trägersignalen in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt des Elektromotors.In various embodiments, a method for controlling a multi-phase electric motor with coupled inductors by means of a control circuit is provided, the control circuit having a first clocked converter and at least a second clocked converter for generating pulse width modulated voltage signals, an inductance being coupled to each of the output connections of the converters and the inductors coupled to output terminals of the same name of the converters are inductively coupled to one another in pairs, and has a control circuit for controlling the converters, the method comprising: providing a first carrier signal in order to provide the first switching signal on its basis by means of a carrier-based modulation method; Providing a second carrier signal in order to provide the second switching signal based on it using a carrier-based modulation method; and setting a phase shift between the first carrier signal and the second carrier signal or between a reference signal used as part of the carrier-based modulation method and the carrier signals depending on an operating point of the electric motor.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen Elektromotors mit gekoppelten Induktivitäten mittels eines geeignet eingerichteten Ansteuerschaltkreises. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Ansteuerschaltkreis für einen mehrphasigen Elektromotor mit gekoppelten Induktivitäten sowie einen solchen Elektromotor in Kombination mit dem Ansteuerschaltkreis.The present invention relates to a method for controlling a multi-phase electric motor with coupled inductors by means of a suitably configured control circuit. The present invention further relates to a control circuit for a multi-phase electric motor with coupled inductors and to such an electric motor in combination with the control circuit.
In der heutigen Zeit gewinnt das Thema Elektromobilität zunehmend an Bedeutung und dementsprechend mit einem Elektromotor ausgestattete Fahrzeuge an Marktanteil. Elektromotoren von Traktionsantrieben werden aktuell in der Regel dreiphasig mit einer konzentrierten Wicklung, Durchmesserwicklung oder einer gesehnten Wicklung ausgebildet. Der Elektromotor wird mit der Energie der Traktionsbatterie angetrieben, wobei meist spannungsbasierte Wechselrichter (engl.: voltage source inverter, VSI) als Umrichter verwendet werden, um die Spannung geeignet umzuwandeln und den Elektromotor entsprechend zu steuern bzw. zu regeln. Dazu wird an den Ausgängen des Umrichters ein getaktetes Spannungssignal bereitgestellt, welches durch die großen Induktivitäten des Elektromotors einen annähernd sinusförmigen Stromfluss zur Folge hat. Die verwendeten getakteten Umrichter arbeiten nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM) oder Pulsamplitudenmodulation (PAM), wobei erstere bei Elektroantrieben häufiger anzutreffen ist.Nowadays, the topic of electromobility is becoming increasingly important and vehicles equipped with an electric motor are gaining market share. Electric motors of traction drives are currently usually designed as three-phase with a concentrated winding, diameter winding or a stretched winding. The electric motor is powered by the energy of the traction battery, whereby voltage-based inverters (voltage source inverters, VSIs) are usually used as converters to convert the voltage appropriately and to control or regulate the electric motor accordingly. For this purpose, a clocked voltage signal is provided at the outputs of the converter, which results in an approximately sinusoidal current flow due to the large inductances of the electric motor. The clocked converters used work according to the principle of pulse width modulation (PWM) or pulse amplitude modulation (PAM), the former being more common in electric drives.
Dieser Umrichter umfasst typischerweise zwei Leistungshalbleiterschalter pro Phase (Halbbrücke), bspw. IGBTs, Si-Mosfets, SiC-Mosfets, oder GaN-Transistoren, und einen Filterkondensator im Zwischenkreis. Der Umrichter wandelt die Batteriespannung durch n-Halbbrücken in n-phasige Wechselspannungen gemäß einem gewählten Pulsweitenmodulationsschema (PWM), z.B. mittels Raumzeigermodulation. Die Wechselspannungen wiederum erzeugen den nötigen Motorstrom pro Phase, um das gewünschte Motordrehmoment M und die Soll-Drehgeschwindigkeit ω zu erhalten.This converter typically includes two power semiconductor switches per phase (half bridge), for example IGBTs, Si-Mosfets, SiC-Mosfets, or GaN transistors, and a filter capacitor in the intermediate circuit. The inverter converts the battery voltage through n-half bridges into n-phase alternating voltages according to a selected pulse width modulation (PWM) scheme, e.g. using space vector modulation. The alternating voltages in turn generate the necessary motor current per phase in order to obtain the desired motor torque M and the target rotational speed ω.
Der Motorstrom wird durch eine Grundschwingungsspannung induziert, welche das Drehfeld erzeugt und für die Drehmomentbildung zuständig ist. Durch die Bereitstellung der Spannung mittels getakteter Umrichter entstehen jedoch unerwünschte Oberschwingungsspannungen, welche die Grundschwingungsspannung überlagern. Die Oberschwingungsspannungen in den Leiterspannungen entstehen beispielsweise in den Seitenbändern mit der Taktfrequenz und Vielfachen der Taktfrequenz des Umrichters, welcher die Spannungspulse bereitstellt. Die Taktfrequenz entspricht üblicherweise der Frequenz des dreieckförmigen Trägersignals, das im Rahmen der trägerbasierten Modulation verwendet wird. Durch Fourier-Transformation der gepulsten Spannung können diese unerwünschten Komponenten hinsichtlich ihrer Amplitude und Phase bestimmt werden. Die Amplituden der Oberschwingungsspannungen sind insbesondere von der Zwischenkreisspannung und vom Modulationsgrad (Aussteuergrad) des Umrichters abhängig.The motor current is induced by a fundamental voltage, which generates the rotating field and is responsible for torque generation. However, by providing the voltage using clocked converters, undesirable harmonic voltages arise, which superimpose the fundamental voltage. The harmonic voltages in the conductor voltages arise, for example, in the sidebands with the clock frequency and multiples of the clock frequency of the converter, which provides the voltage pulses. The clock frequency usually corresponds to the frequency of the triangular carrier signal used in carrier-based modulation. By Fourier transforming the pulsed voltage, these unwanted components can be determined in terms of their amplitude and phase. The amplitudes of the harmonic voltages depend in particular on the intermediate circuit voltage and the degree of modulation (modulation level) of the converter.
Generell sind Spannungskomponenten bei Oberschwingungsfrequenzen in den Seitenbändern unerwünscht, da sie in der Regel zu Verlusten in der Maschine führen. Durch die Oberschwingungsspannungen werden Oberschwingungsströme hervorgerufen, die nur durch die wirksamen Resistanzen sowie die wirksamen Oberschwingungsreaktanzen begrenzt werden und somit von der Auslegung des Elektromotors abhängen. Die Oberschwingungsströme führen zu zusätzlichen Verlusten sowohl in der Wicklung (Stromwärmeverluste) als auch im Blechpaket (Eisenverluste), die wiederum eine unerwünschte Erhöhung der Betriebstemperatur des Elektromotors bedingen. Ferner kommt es auch zu Verlusten in den Permanentmagneten im Rotor (Wirbelstromverluste). Diese zusätzlichen Verluste können im rotorkritischen System, also einem an der Grenztemperatur arbeitenden System, die Dauerleistung signifikant reduzieren und führen zudem zur Reduktion der Reichweite im batteriebetriebenen Fahrzeug. Gegebenenfalls können durch die Oberschwingungsströme auch störende Geräusche angeregt werden. Zusammenfassend führen die unerwünschten Effekte der Oberschwingungsspannungen also zum einen zu einer Reduktion der Lebenserwartung von Elektromotoren und zum anderen zu einer Leistungsreduzierung während des Betriebes.In general, voltage components at harmonic frequencies in the sidebands are undesirable because they usually lead to losses in the machine. The harmonic voltages cause harmonic currents, which are only limited by the effective resistances and the effective harmonic reactances and therefore depend on the design of the electric motor. The harmonic currents lead to additional losses both in the winding (current heat losses) and in the laminated core (iron losses), which in turn cause an undesirable increase in the operating temperature of the electric motor. There are also losses in the permanent magnets in the rotor (eddy current losses). These additional losses can significantly reduce the continuous power in the rotor-critical system, i.e. a system operating at the limit temperature, and also lead to a reduction in the range in the battery-powered vehicle. If necessary, disruptive noises can also be excited by the harmonic currents. In summary, the undesirable effects of harmonic voltages lead, on the one hand, to a reduction in the life expectancy of electric motors and, on the other hand, to a reduction in power during operation.
Die konventionelle dreiphasige Speisung des Elektromotors bietet kaum Möglichkeiten die durch die Umrichterspeisung bedingten Oberschwingungsfelder wirksam zu unterdrücken, ohne das Maschinenverhalten signifikant zu beeinflussen. So kann beispielsweise versucht werden durch den Einsatz geeigneter Filter (z.B. Tiefpassfilter) den unerwünschten Oberschwingungsanteil der Spannung zu reduzieren. Diese Filter müssen in aller Regel jedoch groß dimensioniert werden und eignen sich daher nur bedingt für mobile Anwendungen - deshalb wird bisher auf den Versuch, diese Signale zu reduzieren, üblicherweise verzichtet. Die dann eintretenden nachteiligen Folgen der Oberschwingungsströme, wie Verluste in den Permanentmagneten, können durch Sekundärmaßnahmen wie Magnetsegmentierung reduziert werden. Diese Maßnahmen sind jedoch aufwendig und teuer.The conventional three-phase supply of the electric motor offers hardly any opportunity to effectively suppress the harmonic fields caused by the converter supply without significantly influencing the machine behavior. For example, you can try to reduce the unwanted harmonic component of the voltage by using suitable filters (e.g. low-pass filters). However, these filters usually have to be large in size and are therefore only suitable for mobile applications to a limited extent - which is why attempts to reduce these signals have so far been avoided. The adverse consequences of harmonic currents that then occur, such as losses in the permanent magnets, can be reduced by secondary measures such as magnet segmentation. However, these measures are complex and expensive.
Ungeachtet der oben beschriebenen Herausforderungen sind dreiphasige Elektromotoren weit verbreitet. Der Einsatz von Elektromotoren mit mehr als drei Phasen kann diesen gegenüber mit zahlreichen Vorteilen aufwarten, wie zum Beispiel eine geringere Anfälligkeit gegen den Ausfall von einzelnen Phasen und die Möglichkeit zur Reduktion von unerwünschten Schwingungen in der Maschine. Wird beispielsweise eine elektrische Maschine mit sechs Phasen betrieben, besteht die Möglichkeit, diese mit zwei konventionellen Umrichtern für dreiphasige Maschinen zu betreiben.Despite the challenges described above, three-phase electric motors are widely used. The use of electric motors with more than three phases can offer numerous advantages over them, such as a lower susceptibility to the failure of individual phases and the possibility of reducing unwanted vibrations in the machine. For example, if an electrical machine is operated with six phases, it is possible to operate it with two conventional converters for three-phase machines.
Vor diesem Hintergrund kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, ein Verfahren zum Ansteuern bzw. Betreiben eines mehrphasigen Elektromotors bereitzustellen, dessen Betrieb im Hinblick auf die nachteiligen durch Oberschwingungsspannungen hervorgerufen Folgen optimiert werden kann.Against this background, the object of the present invention can be seen as providing a method for controlling or operating a multi-phase electric motor, the operation of which can be optimized with regard to the disadvantageous consequences caused by harmonic voltages.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens zum Ansteuern eines mehrphasigen Elektromotors mit gekoppelten Induktivitäten mittels eines geeignet eingerichteten Ansteuerschaltkreises, ferner mittels des Ansteuerschaltkreises für einen mehrphasigen Elektromotor mit gekoppelten Induktivitäten sowie eines solchen Elektromotors mit dem Ansteuerschaltkreis gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen. This object is achieved by means of a method for controlling a multi-phase electric motor with coupled inductances by means of a suitably configured control circuit, further by means of the control circuit for a multi-phase electric motor with coupled inductances and such an electric motor with the control circuit. Further preferred embodiments of the invention can be found in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen Elektromotors mit gekoppelten Induktivitäten bereitgestellt, wobei das Ansteuern mittels eines Ansteuerschaltkreises erfolgt. Hierbei weist der Ansteuerschaltkreis einen ersten getakteten Umrichter und mindestens einen zweiten getakteten Umrichter auf, wobei der erste Umrichter und der mindestens zweite Umrichter eine vorbestimmte Anzahl von Ausgangsanschlüssen aufweisen und eingerichtet sind, bei Ansteuerung mittels eines Schaltsignals an jedem ihrer Ausgangsanschlüsse ein erstes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal bzw. ein zweites pulsweitenmoduliertes Spannungssignal bereitzustellen, wobei an jeden der Ausgangsanschlüsse eine Induktivität gekoppelt ist und die mit gleichnamigen Ausgangsanschlüssen der Umrichter gekoppelten Induktivitäten paarweise miteinander induktiv gekoppelt sind. Wie hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt, sind die an den Ausgangsanschlüssen eines getakteten Umrichters bereitgestellten grundfrequenten Anteile der Spannungssignale gegeneinander phasenverschoben, bei einem für eine dreiphasige Wicklung eines Elektromotors um 120°.According to the invention, a method for driving a multi-phase electric motor with coupled inductors is provided, the driving being carried out by means of a driving circuit. Here, the control circuit has a first clocked inverter and at least one second clocked inverter, the first inverter and the at least second inverter having a predetermined number of output connections and being set up to send a first pulse width modulated voltage signal or to provide a second pulse width modulated voltage signal, an inductance being coupled to each of the output connections and the inductances coupled to output connections of the same name of the converter being inductively coupled to one another in pairs. As is well known from the prior art, the fundamental frequency components of the voltage signals provided at the output connections of a clocked converter are out of phase with one another, by 120° for a three-phase winding of an electric motor.
Der Ansteuerschaltkreis weist ferner einen Regelungsschaltkreis auf, welcher mit dem ersten Umrichter und mit dem mindestens zweiten Umrichter gekoppelt ist und eingerichtet ist, ein erstes Schaltsignal für den ersten Umrichter und ein zweites Schaltsignal für den zweiten Umrichter bereitzustellen.The control circuit further has a control circuit which is coupled to the first converter and to the at least second converter and is set up to provide a first switching signal for the first converter and a second switching signal for the second converter.
Das erfindungsgemäße Verfahren, welches auf Basis des Ansteuerschaltkreises bereitgestellt wird, weist Bereitstellen eines ersten Trägersignals, um auf dessen Basis mittels eines trägerbasierten Modulationsverfahrens das erste Schaltsignal bereitzustellen, und analog dazu Bereitstellen eines zweiten Trägersignals auf, um auf dessen Basis mittels eines trägerbasierten Modulationsverfahrens das zweite Schaltsignal bereitzustellen. Ferner weist das erfindungsgemäße Verfahren Einstellen einer Phasenverschiebung zwischen dem ersten Trägersignal und dem zweiten Trägersignal oder zwischen einem im Rahmen des trägerbasierten Modulationsverfahrens verwendeten Referenzsignal und den Trägersignalen auf - in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt des Elektromotors. Für die folgende Beschreibung wird nur auf die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen Bezug genommen.The method according to the invention, which is provided on the basis of the control circuit, comprises providing a first carrier signal in order to provide the first switching signal on its basis using a carrier-based modulation method, and, analogously, providing a second carrier signal in order to provide the second on its basis using a carrier-based modulation method To provide switching signal. Furthermore, the method according to the invention includes setting a phase shift between the first carrier signal and the second carrier signal or between a reference signal used as part of the carrier-based modulation method and the carrier signals - depending on an operating point of the electric motor. For the following description, reference will only be made to the phase shift between the carrier signals.
Der Betriebspunkt des Elektromotors kann durch mindestens einen Betriebsparameter bestimmt sein, wird jedoch üblicherweise durch ein n-Tupel spezifiziert, welches durch n Betriebsparameter charakterisiert ist. Beispielsweise kann es sich bei den Betriebsparametern um die Drehzahl des Elektromotors und das von diesem erzeugte Drehmoment handeln.The operating point of the electric motor can be determined by at least one operating parameter, but is usually specified by an n-tuple, which is characterized by n operating parameters. For example, the operating parameters can be the speed of the electric motor and the torque generated by it.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise bei einem sechsphasigen Elektromotor zum Einsatz kommen. Jeder getaktete Umrichter kann drei Ausgangsanschlüsse aufweisen und an jedem kann eine Phase bereitgestellt werden, wobei die Grundschwingungen der Phasen jeweils paarweise um 120° gegeneinander phasenverschoben sind. Der Ansteuerschaltkreis kann also insbesondere für eine sechsphasige elektrische Maschine ausgelegt sein, welche zwei identische Wicklungen aufweist. Für eine solche 2x3-phasige elektrische Maschine können zwei übliche 3-phasige Umrichter verwendet werden. Die beiden Umrichter können auf halben Maximalstrom (gegenüber einem herkömmlichen 3-phasigen System) ausgelegt werden. Damit einhergehend kann die Windungszahl pro Wicklungssystem dahingehend angepasst werden, dass die Durchflutung und respektive die Grundschwingungsflussdichte unbeeinflusst bleibt, also der Durchflutung bzw. der Grundschwingungsflussdichte eines herkömmlichen 3-phasigen Systems entspricht. Es sei jedoch drauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Ansteuerschaltkreis neben sechs Phasen auch Vielfache davon aufweisen kann, um für den Betrieb mit einem Elektromotor ausgelegt zu sein, welcher entsprechend sechs Phasen bzw. Vielfache davon aufweist.The method according to the invention can be used, for example, in a six-phase electric motor. Each clocked inverter can have three output connections and a phase can be provided at each, with the fundamental oscillations of the phases being phase-shifted in pairs by 120° relative to one another. The control circuit can therefore be designed in particular for a six-phase electrical machine which has two identical windings. Two standard 3-phase inverters can be used for such a 2x3-phase electrical machine. The two inverters can be designed for half the maximum current (compared to a conventional 3-phase system). At the same time, the number of turns per winding system can be adjusted so that the flow and the fundamental oscillation flux density remain unaffected, i.e. correspond to the flow or the fundamental oscillation flux density of a conventional 3-phase system. However, it should be noted that the control circuit according to the invention can have, in addition to six phases, multiples thereof in order to be designed for operation with an electric motor, which correspondingly has six phases or multiples thereof.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Einstellung der Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen bezüglich jeder Gruppe (jedem Paar, wenn zwei mehrphasige Teilsysteme verwendet werden, etwa ein 2x3-phasiges System) von korrespondierenden pulsweitenmodulierten Spannungssignalen der Umrichter, d.h. bezüglich den Trägersignalen zu Erzeugung derjenigen pulsweitenmodulierten Spannungssignale, die ohne die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hinzugefügte bzw. eingestellte Phasenverschiebung gleichphasig oder gegenphasig wären - je nach dem, ob die einander korrespondierenden Schalter in den Umrichtern gleichphasig oder gegenphasig betrieben werden. Bei dem Trägersignal kann es sich beispielsweise um ein Dreieckssignal handeln.In the method according to the invention, the phase shift between the carrier signals is set with respect to each group (each pair, if two multi-phase subsystems are used, for example a 2x3-phase system) of corresponding pulse width modulated voltage signals of the converters, ie with respect to the carrier signals for generating those pulse width modulated voltage signals, which would be in phase or antiphase without the phase shift added or set as part of the method according to the invention - depending on whether the corresponding switches in the converters are operated in phase or antiphase. The carrier signal can be, for example, a triangle signal.
Bei den Umrichtern kann es sich um aus dem Stand der Technik bekannte Umrichter handeln, welche üblicherweise zwischen der Traktionsbatterie und dem Elektromotor geschaltet sind und im Wesentlichen einem Wechselrichter entsprechen. Die verwendeten mindestens zwei Umrichter können hinsichtlich der verwendeten Bauteile und ihrer Spezifikationen im Wesentlichen gleich sein, so dass gleiche Eingangsparameter zu gleichen Ausgangsgrößen führen (im Rahmen der Fertigungstoleranz). Für die Umwandlung der Spannung können die Umrichter gemäß einem Modulationsverfahren betrieben werden, beispielsweise gemäß der Pulsweitenmodulation (PWM). Hierbei kann das Unterschwingungsverfahren verwendet werden, bei dem ein Referenzsignal mit einem Trägersignal (z. B. Dreieckssignal) verglichen wird und bei Unter- bzw. Überschreiten des Referenzsignals die Brückenschalter im Umrichter geöffnet bzw. geschlossen werden.The converters can be converters known from the prior art, which are usually connected between the traction battery and the electric motor and essentially correspond to an inverter. The at least two inverters used can be essentially the same in terms of the components used and their specifications, so that the same input parameters lead to the same output variables (within the manufacturing tolerance). To convert the voltage, the converters can be operated according to a modulation method, for example according to pulse width modulation (PWM). The undershoot method can be used here, in which a reference signal is compared with a carrier signal (e.g. triangular signal) and if the reference signal falls below or exceeds the bridge switches in the converter are opened or closed.
Zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Umrichter mittels des Regelungsschaltkreises geeignet angesteuert werden, wodurch der Betrieb eines an den Umrichter angeschlossenen Elektromotors geregelt wird. Hierfür kann der Regelungsschaltkreis mittels entsprechender Steuerungsleitungen mit Steuereingängen des ersten und des zweiten Umrichters gekoppelt sein. Die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen des ersten und des mindestens zweiten Umrichters kann in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Elektromotors so eingestellt werden, dass durch eine gegenseitig kompensierende Überlagerung von Oberschwingungen deren Dämpfung bewirkt wird. Die kompensierende Überlagerung findet dabei bezüglich gleicher Oberschwingungen statt, also z.B. bezüglich gleichnamiger Oberschwingungen in den geradzahligen oder ungeradzahligen Trägerbändern (Seitenbändern) in den pulsweitenmodulierten Spannungssignalen.To implement the method according to the invention, the converters can be suitably controlled by means of the control circuit, whereby the operation of an electric motor connected to the converter is regulated. For this purpose, the control circuit can be coupled to control inputs of the first and second converters using appropriate control lines. The phase shift between the carrier signals of the first and at least the second converter can be adjusted depending on the operating point of the electric motor in such a way that their attenuation is effected by a mutually compensating superimposition of harmonics. The compensating superposition takes place with respect to the same harmonics, for example with regard to harmonics of the same name in the even or odd carrier bands (sidebands) in the pulse width modulated voltage signals.
Voraussetzung für die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die einander phasenmäßig entsprechenden Strompfade (Ausgangspfade) des ersten und des mindestens zweiten Umrichters jeweils paarweise durch zwei Induktivitäten (Spulen) und zusätzlich bevorzugt durch ein stark magnetisierbares Material magnetisch gekoppelt sind. Die so paarweise magnetisch gekoppelten Induktivitäten an den Ausgangsanschlüssen der Phasen bilden jeweils eine gekoppelte Induktivität (engl.: mutually coupled inductor, MCI).The prerequisite for implementing the method according to the invention is that the phase-corresponding current paths (output paths) of the first and at least second converters are each magnetically coupled in pairs by two inductors (coils) and additionally preferably by a highly magnetizable material. The inductors magnetically coupled in pairs at the output connections of the phases each form a mutually coupled inductor (MCI).
Eine grundsätzlich unerwünschte Oberschwingungsspannung hat einen Oberschwingungsstrom zur Folge, welcher in der entsprechenden Wicklung des Elektromotors wiederum einen magnetischen Fluss hervorruft. Die Oberschwingungsströme bzw. die dadurch hervorgerufenen magnetischen Flüsse tragen nicht zur mittleren Drehmomentbildung im Elektromotor bei. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch gezieltes Einstellen der Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Elektromotors gewählt werden, welche Oberschwingungen gedämpft werden sollen. Das ist von Vorteil, weil je nach Betriebspunkt des Elektromotors die Amplituden der Oberschwingungsspannungen variieren. Die Dämpfung wird durch eine destruktive Überlagerung der entsprechenden magnetischen Flüsse in den miteinander induktiv gekoppelten Induktivitäten erreicht. Dadurch werden die entsprechenden Oberschwingungen gedämpft und ihr Einfluss auf den Betrieb des Elektromotors reduziert oder im Optimalfall minimiert. Die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen kann beispielsweise so eingestellt werden, dass die magnetischen Flüsse in der elektrischen Maschine, die durch Oberschwingungen hervorgerufen werden, reduziert bzw. gänzlich minimiert werden.A fundamentally undesirable harmonic voltage results in a harmonic current, which in turn causes a magnetic flux in the corresponding winding of the electric motor. The harmonic currents or the magnetic fluxes caused by them do not contribute to the average torque formation in the electric motor. In the method according to the invention, which harmonics should be dampened can be selected by specifically adjusting the phase shift between the carrier signals depending on the operating point of the electric motor. This is advantageous because the amplitudes of the harmonic voltages vary depending on the operating point of the electric motor. The attenuation is achieved by a destructive superposition of the corresponding magnetic fluxes in the inductors that are inductively coupled to one another. This dampens the corresponding harmonics and reduces or, ideally, minimizes their influence on the operation of the electric motor. The phase shift between the carrier signals can, for example, be adjusted so that the magnetic fluxes in the electrical machine, which are caused by harmonics, are reduced or completely minimized.
Beispielsweise kann in einem Betriebspunkt des Elektromotors die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen derart eingestellt werden, dass die durch die pulsweitenmodulierten Spannungssignale erzeugten magnetischen Flüsse in den paarweise gekoppelten Induktivitäten derart überlagert werden, dass die Oberschwingungen in geradzahligen Seitenbändern stark bzw. maximal gedämpft werden, während die Oberschwingungen in ungeradzahligen Seitenbändern wenig Dämpfung erfahren oder umgekehrt.For example, at an operating point of the electric motor, the phase shift between the carrier signals can be adjusted in such a way that the magnetic fluxes generated by the pulse width modulated voltage signals are superimposed in the paired inductors in such a way that the harmonics in even-numbered sidebands are strongly or maximally damped, while the harmonics experience little attenuation in odd-numbered sidebands or vice versa.
Beispielsweise kann in einem weiteren Betriebspunkt des Elektromotors die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen derart eingestellt werden, dass die durch die pulsweitenmodulierten Spannungssignale erzeugten magnetischen Flüsse in den paarweise gekoppelten Induktivitäten derart überlagert werden, dass Oberschwingungen gedämpft werden. Hier sei betont, dass die Einführung einer Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Grundschwingung hat.For example, in a further operating point of the electric motor, the phase shift between the carrier signals can be adjusted such that the magnetic fluxes generated by the pulse width modulated voltage signals are superimposed in the paired inductors in such a way that harmonics are dampened. It should be emphasized here that the introduction tion of a phase shift between the carrier signals essentially has no influence on the fundamental oscillation.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können bei dem zugrundeliegenden Ansteuerschaltkreis die paarweise miteinander gekoppelten Induktivitäten so relativ zueinander angeordnet sein, dass sich ihre magnetischen Flüsse gleichsinnig oder gegensinnig überlagern. Beispielsweise können die paarweise miteinander gekoppelten Induktivitäten mittels eines Elements aus einem stark magnetisierbaren Material, d.h. einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität (ferromagnetisches Material), z.B. Eisen oder Ferrit miteinander gekoppelt sein. Hierbei können die Induktivitäten je nach Orientierungssinn bzw. je nach Richtung des sie durchfließenden Stromes magnetisch positiv oder magnetisch negativ miteinander gekoppelt sein. Die Art der magnetischen Kopplung (also positiv oder negativ) kann an das Gesamtsystem angepasst werden und davon abhängen, ob die Umrichter gleich oder gegenphasig betrieben werden und ob die korrespondierenden Spulen innerhalb der mehrphasigen Wicklungen relativ zueinander parallel oder antiparallel verschaltet sind, also ob die Wicklungssysteme der elektrischen Maschine um 0° oder um 180° elektrisch, beziehungsweise mechanisch, gedreht sind.According to further embodiments of the method, in the underlying control circuit, the inductors coupled to one another in pairs can be arranged relative to one another in such a way that their magnetic fluxes are superimposed in the same direction or in opposite directions. For example, the inductors coupled to one another in pairs can be coupled to one another by means of an element made of a highly magnetizable material, i.e. a material with high magnetic permeability (ferromagnetic material), for example iron or ferrite. Here, the inductors can be magnetically positively or magnetically negatively coupled to one another, depending on the sense of orientation or depending on the direction of the current flowing through them. The type of magnetic coupling (i.e. positive or negative) can be adapted to the overall system and depends on whether the converters are operated in the same or anti-phase and whether the corresponding coils within the multi-phase windings are connected in parallel or anti-parallel relative to one another, i.e. whether the winding systems of the electrical machine are rotated electrically or mechanically by 0° or 180°.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können bei dem zugrundeliegenden Ansteuerschaltkreis die paarweise miteinander gekoppelten Induktivitäten jeweils um einen gemeinsamen Kern, z.B. einen Ringkern, aus dem stark magnetisierbaren Material gewickelt sein, so dass sich die magnetischen Flüsse der Induktivitäten im Kern gleichsinnig oder gegensinnig überlagern.According to further embodiments of the method, in the underlying control circuit, the inductors coupled to one another in pairs can each be wound around a common core, for example a toroidal core, made of the highly magnetizable material, so that the magnetic fluxes of the inductors in the core overlap in the same direction or in opposite directions.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens kann die Phasenverschiebung derart eingestellt werden, dass in den magnetischen Flüssen im Luftspalt der Maschine mindestens die jeweils dominante Oberschwingung gedämpft und im Optimalfall ausgelöscht wird. Unter einer dominanten Oberschwingung ist eine solche Oberschwingung gemeint, welche einen dominanten bzw. unter allen Oberschwingungen größten Spannungs- und Strombeitrag liefert. Werden mehrere dominante Oberschwingungen gedämpft oder ausgelöscht, so kann es sich um Oberschwingungen handeln, welche in absteigender Reihenfolge die größten Auswirkungen auf das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine liefern. Das erfindungsgemäße Verfahren verfolgt hierbei eine dynamische Einstellung der Phasenverschiebung gemäß momentanem Betriebspunkt des Elektromotors, da die Beiträge der Oberschwingungen ebenfalls davon abhängig sind und so in jedem Betriebspunkt individuell ein verbesserter oder optimaler Betrieb des Elektromotors erreicht werden kann.According to further embodiments of the method, the phase shift can be adjusted such that at least the dominant harmonic in the magnetic fluxes in the air gap of the machine is dampened and, in the optimal case, extinguished. A dominant harmonic refers to a harmonic that delivers a dominant voltage and current contribution or the largest contribution among all harmonics. If several dominant harmonics are dampened or extinguished, these may be harmonics which, in descending order, have the greatest impact on the operating behavior of the electrical machine. The method according to the invention pursues a dynamic adjustment of the phase shift according to the current operating point of the electric motor, since the contributions of the harmonics are also dependent on this and improved or optimal operation of the electric motor can be achieved individually at each operating point.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens weist dieses ferner Abgleichen des momentanen Betriebspunktes des Elektromotors mit einem in diskrete Bereiche unterteilten Betriebspunkt-Kennfeld des Elektromotors, wobei jedem diskreten Bereich eine Phasenverschiebung zugeordnet ist, und Einstellen der Phasenverschiebung gemäß der dem diskreten Bereich zugeordneten Phasenverschiebung auf, welchem der momentane Betriebspunkt zugeordnet worden ist. Anders ausgedrückt kann die Einstellung der Phasenverschiebung in diskreten Werten erfolgen, was die Anforderungen an die verwendete Rechenhardware in dem Regelungsschaltkreis reduzieren kann. Wenn eine feinere Abstimmung des Elektromotors gewünscht ist, kann die Einstellung selbstverständlich kontinuierlich, also ohne Diskretisierung des Betriebspunkt-Kennfeldes erfolgen.According to further embodiments of the method, this further comprises comparing the current operating point of the electric motor with an operating point map of the electric motor that is divided into discrete areas, a phase shift being assigned to each discrete area, and adjusting the phase shift in accordance with the phase shift assigned to the discrete area, to which the current operating point has been assigned. In other words, the adjustment of the phase shift can be done in discrete values, which can reduce the requirements for the computing hardware used in the control circuit. If a finer tuning of the electric motor is desired, the adjustment can of course be carried out continuously, i.e. without discretization of the operating point map.
Generell kann durch eine vorherige Simulation, z.B. durch eine vorherige FEM-Simulation, des dazugehörigen Elektromotors samt Leistungselektronik festgestellt werden, welche Oberschwingungen in Abhängigkeit des Betriebspunktes gedämpft werden sollten, um den Betrieb des Gesamtsystems zu optimieren. Anschließend lässt sich in der Regelungsschaltung des Ansteuerschaltkreises hinterlegen, wie die Ansteuersignale der Wechselrichter in Abhängigkeit vom Betriebspunkt verschoben werden sollten, um einen optimalen Betrieb des elektrischen Antriebs zu erreichen.In general, a previous simulation, e.g. a previous FEM simulation, of the associated electric motor including power electronics can be used to determine which harmonics should be dampened depending on the operating point in order to optimize the operation of the entire system. It can then be stored in the control circuit of the control circuit how the control signals of the inverters should be shifted depending on the operating point in order to achieve optimal operation of the electric drive.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Ansteuerschaltkreis für einen mehrphasigen Elektromotor mit gekoppelten Induktivitäten bereitgestellt, auf welchen bereits im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Bezug genommen worden ist. Der Ansteuerschaltkreis weist einen ersten getakteten Umrichter und mindestens einen zweiten getakteten Umrichter auf, wobei der erste Umrichter und der mindestens zweite Umrichter eine vorbestimmte Anzahl von Ausgangsanschlüssen aufweisen und eingerichtet sind, bei Ansteuerung mittels eines Schaltsignals an jedem ihrer Ausgangsanschlüsse ein erstes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal bzw. ein zweites pulsweitenmoduliertes Spannungssignal bereitzustellen, wobei an jeden der Ausgangsanschlüsse eine Induktivität gekoppelt ist und die mit gleichnamigen Ausgangsanschlüssen der Umrichter gekoppelten Induktivitäten paarweise miteinander induktiv gekoppelt sind, wobei die Spannungssignale an den Ausgangsanschlüssen eines jeweiligen Umrichters gegeneinander phasenverschoben sind. Der Ansteuerschaltkreis weist ferner einen Regelungsschaltkreis auf, welcher mit dem ersten Umrichter und mit dem mindestens zweiten Umrichter gekoppelt ist und eingerichtet ist, ein erstes Schaltsignal für den ersten Umrichter und ein zweites Schaltsignal für den zweiten Umrichter bereitzustellen, wobei der Regelungsschaltkreis eingerichtet ist, das hierin zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die paarweise magnetische Kopplung bezieht sich hierbei stets auf eine Phase des ersten Umrichters und eine korrespondierende Phase des mindestens zweiten Umrichters.According to the invention, a control circuit for a multi-phase electric motor with coupled inductors is also provided, to which reference has already been made in the context of the method according to the invention. The control circuit has a first clocked inverter and at least one second clocked inverter, wherein the first inverter and the at least second inverter have a predetermined number of output connections and are set up to receive a first pulse width modulated voltage signal or a first pulse width modulated voltage signal at each of their output connections when controlled by means of a switching signal to provide a second pulse width modulated voltage signal, wherein an inductance is coupled to each of the output connections and the inductances coupled to output connections of the same name of the converters are inductively coupled to one another in pairs, the voltage signals at the output connections of a respective converter being phase-shifted with respect to one another. The control circuit further has a control circuit which is coupled to the first converter and to the at least second converter and is set up to have a first switching signal for the first converter and a second switching signal for the second converter, the control circuit being set up to carry out the method according to the invention previously described herein. The paired magnetic coupling always refers to a phase of the first converter and a corresponding phase of the at least second converter.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Elektromotor mit gekoppelten Induktivitäten (wie zuvor beschrieben) und einem zuvor beschriebenen Ansteuerschaltkreis bereitgestellt. Dabei ist jeder Ausgangsanschluss des ersten Umrichters mit einer Phase einer ersten mehrphasigen Wicklung, bevorzugt einer dreiphasigen Wicklung, des Elektromotors und jeder Ausgangsanschluss des zweiten Umrichters mit einer Phase einer zweiten mehrphasigen Wicklung, ebenfalls einer bevorzugt dreiphasigen Wicklung, des Elektromotors gekoppelt.According to the invention, an electric motor with coupled inductors (as previously described) and a previously described control circuit is further provided. Each output connection of the first converter is coupled to a phase of a first multi-phase winding, preferably a three-phase winding, of the electric motor and each output connection of the second converter is coupled to a phase of a second multi-phase winding, also a preferably three-phase winding, of the electric motor.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Elektromotors können die paarweise gekoppelten Induktivitäten miteinander magnetisch positiv gekoppelt sein, wenn die Wicklungssysteme des Elektromotors entgegengesetzt gewickelt sind oder wenn der Regelungsschaltkreis eingerichtet ist, einander entsprechende Schalter der getakteten Umrichter zur Erzeugung der pulsweitenmodulierten Spannungssignale gegenphasig zu schalten. Anders ausgedrückt sind die Induktivitäten positiv gekoppelt (gleichsinnige Überlagerung der magnetischen Flüsse), wenn die Wicklungssysteme einen Winkelversatz von 180° haben. Hier ist zu beachten, dass der Winkelversatz zwischen den Wicklungssystemen im Allgemeinen sowohl baulich-mechanisch - durch entsprechende Platzierung der Ein- und Ausgänge der Wicklungsspulen - wie auch elektrisch - durch gleichphasigen oder gegenphasigen Betrieb der Umrichter - eingestellt wird.According to further embodiments of the electric motor, the paired inductors can be magnetically positively coupled to one another if the winding systems of the electric motor are wound in opposite directions or if the control circuit is set up to switch corresponding switches of the clocked converters in anti-phase to generate the pulse width modulated voltage signals. In other words, the inductors are positively coupled (superimposition of the magnetic fluxes in the same direction) if the winding systems have an angular offset of 180°. It should be noted here that the angular offset between the winding systems is generally adjusted both structurally and mechanically - through appropriate placement of the inputs and outputs of the winding coils - and electrically - through in-phase or anti-phase operation of the converters.
In symmetrischer Abwandlung zum vorherigen Fall können gemäß weiteren Ausführungsformen des Elektromotors die paarweise gekoppelten Induktivitäten miteinander magnetisch negativ gekoppelt sein, wenn die Wicklungssysteme des Elektromotors gleichphasig gewickelt sind oder wenn der Regelungsschaltkreis eingerichtet ist, einander entsprechende Schalter der getakteten Umrichter zur Erzeugung der pulsweitenmodulierten Spannungssignale gleichphasig zu schalten. Anders ausgedrückt sind die Induktivitäten negativ gekoppelt (gegensinnige Überlagerung der magnetischen Flüsse), wenn die Wicklungssysteme keinen Winkelversatz (bzw. einen Winkelversatz von 0°) aufweisen.In a symmetrical modification to the previous case, according to further embodiments of the electric motor, the paired inductors can be magnetically negatively coupled to one another if the winding systems of the electric motor are wound in phase or if the control circuit is set up to have corresponding switches of the clocked converters in phase to generate the pulse width modulated voltage signals switch. In other words, the inductors are negatively coupled (superposition of the magnetic fluxes in opposite directions) if the winding systems have no angular offset (or an angular offset of 0°).
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Betrieb eines elektrischen Antriebs im Hinblick auf seine Verluste und/oder Geräusche zu optimieren. Folglich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Phasenverschiebung zwischen dem ersten Trägersignal und dem zweiten Trägersignal im Hinblick auf eine Minimierung der im elektrischen Antrieb auftretenden Verlusten eingestellt werden, um also die Verluste des elektrischen Antriebs in jedem Betriebspunkt so gering wie möglich zu halten. Da die Amplituden der Oberschwingungsspannungen (und damit die Amplituden der störenden Oberschwingungsströme) insbesondere von der Zwischenkreisspannung und vom Modulationsgrad bzw. Aussteuergrad des jeweiligen Umrichters abhängig sind, kann in jedem Betriebspunkt die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen so eingestellt werden, dass die Verluste minimal sind oder zumindest gegenüber einem gewöhnlichen nicht erfindungsgemäß optimierten Betrieb reduziert werden. Aufgrund der linear mit der Frequenz ansteigenden Impedanz, die durch die Induktivität der Wicklungen hervorgerufen wird, wird kein nennenswerter Oberschwingungsstrom durch Oberschwingungsspannungen in Seitenbändern höherer Ordnung induziert werden und folglich auch keinen nennenswerten Störbeitrag leisten. Daher wird in der Praxis versucht die Oberschwingungen in den tiefen Seitenbändern zu dämpfen bzw. zu minimieren.The present invention is based on the idea of optimizing the operation of an electric drive with regard to its losses and/or noise. Consequently, in the method according to the invention, the phase shift between the first carrier signal and the second carrier signal can be adjusted with a view to minimizing the losses occurring in the electric drive, i.e. in order to keep the losses of the electric drive as low as possible at each operating point. Since the amplitudes of the harmonic voltages (and thus the amplitudes of the interfering harmonic currents) depend in particular on the intermediate circuit voltage and on the degree of modulation or control level of the respective converter, the phase shift between the carrier signals can be adjusted at each operating point so that the losses are minimal or at least compared to normal operation not optimized according to the invention. Due to the impedance, which increases linearly with frequency and is caused by the inductance of the windings, no significant harmonic current will be induced by harmonic voltages in higher-order sidebands and will therefore not make any significant contribution to interference. Therefore, in practice attempts are made to dampen or minimize the harmonics in the low sidebands.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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1A zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises, an den ein Elektromotor angeschlossen ist. -
1B zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises, an den ein Elektromotor angeschlossen ist. -
2 veranschaulicht die Kopplung zwischen jeweils zwei Phasen innerhalb des erfindungsgemäßen Ansteuerschaltkreises. -
3 zeigt ein Diagramm, in dem ein Frequenzspektrum eines beispielhaften pulsweitenmodulierten Spannungssignals veranschaulicht ist. -
4 zeigt ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der Amplituden der Oberschwingungen vom Aussteuergrad (PWM) veranschaulicht. -
5 zeigt ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit des Phasenunterschiedes der Seitenbänder in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung des Trägersignals veranschaulicht ist. -
6 zeigt ein Diagramm, in welchem die erfindungsgemäße betriebspunktabhängige Phasenverschiebung implementiert werden kann.
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1A shows an embodiment of the control circuit according to the invention, to which an electric motor is connected. -
1B shows a further embodiment of the control circuit according to the invention, to which an electric motor is connected. -
2 illustrates the coupling between two phases within the control circuit according to the invention. -
3 shows a diagram in which a frequency spectrum of an exemplary pulse width modulated voltage signal is illustrated. -
4 shows a diagram that illustrates the dependence of the amplitudes of the harmonics on the control level (PWM). -
5 shows a diagram in which the dependence of the phase difference of the sidebands as a function of the phase shift of the carrier signal is illustrated. -
6 shows a diagram in which the operating point-dependent phase shift according to the invention can be implemented.
Im Folgenden wird zwecks Erläuterung der Erfindung der Betrieb einer 2x3-phasigen Elektromaschine als beispielhaftem mehrphasigen Elektromotor betrachtet. Durch eine Verkopplung von paarweise miteinander gekoppelten Induktivitäten kann eine Dämpfung von unerwünschten Signalen erreicht werden, während das gewünschte Signal - die Grundschwingung - unverändert bleibt. Für eine solche Verschaltung ist es nötig, dass die Maschine über paarweise (anti-)parallel gewickelte Wicklungen (Spulen) verfügt. Die Induktivitäten werden positiv gekoppelt bei antiparallel gewickelten Wicklungen und negativ gekoppelt bei parallel gewickelten Wicklungen. So kann der Fall vermieden werden, dass die Grundschwingung zur Sättigung des Eisenkerns führt.In order to explain the invention, the operation of a 2x3-phase electric machine is considered below as an exemplary multi-phase electric motor. By coupling inductors coupled together in pairs, unwanted signals can be attenuated while the desired signal - the fundamental oscillation - remains unchanged. For such a connection it is necessary that the machine has windings (coils) wound in pairs (anti-)parallel. The inductors are positively coupled for anti-parallel wound windings and negatively coupled for parallel wound windings. In this way, the situation can be avoided in which the fundamental vibration leads to saturation of the iron core.
In
In dem mit Bezugszeichen 12 markierten Kästchen ist ein beispielhaftes Wickelschema in Form einer Urwicklung gezeigt, also die kleinste wiederholbare Wicklungseinheit. Der Stator des Elektromotors 7 kann beispielsweise 12 Nuten aufweisen, in die die dargestellte Urwicklung doppelt eingesetzt vorliegt.In the box marked with
Wie dem Wickelschema 12 entnommen werden kann, sind die beiden Wicklungssysteme antiparallel zueinander angeordnet, da in jeder Nut die Anschlüsse der zum ersten Teilsystem gehörenden Spule zu den Anschlüssen der zum zweiten Teilsystem gehörenden Spule entgegengesetzt angeordnet sind. Daher sind einander entsprechende Phasen des ersten und zweiten Umrichters 2, 3 mittels der Koppelinduktivitäten 6 jeweils paarweise magnetisch positiv miteinander gekoppelt. Da die Spulen der zwei separaten Wicklungssysteme im Elektromotor 7 antiparallel verschaltet sind, werden die beiden Umrichter 2, 3 gegenphasig bzw. gegenläufig bestromt, d.h. einander korrespondierende Schalter innerhalb der Umrichter 2, 3 werden gegenphasig geschlossen und geöffnet. So kann gewährleistet werden, dass im Betrieb des Elektromotors 7 der durch die Grundschwingung hervorgerufene Stromfluss durch die Drähte der beiden separaten Wicklungen, die in einer Nut angeordnet sind, in die gleiche Richtung fließt und sich insbesondere die davon erzeugten magnetischen Flüsse nicht auslöschen. Da einander entsprechende Phasen der beiden Umrichter 2, 3 hingegen paarweise magnetisch positiv miteinander gekoppelt sind und passend dazu die Wicklungen der beiden Teilsysteme antiparallel verschaltet sind, heben sich die magnetischen Grundschwingungsflüsse in den jeweils paarweise induktiv gekoppelten Koppelinduktivitäten 6 auf. Wie bereits mehrfach erläutert, können durch Einstellen der Phasenverschiebung zwischen dem Trägersignal des ersten Umrichters 2 und des zweiten Umrichters 3 Oberschwingungen in dem pulsweitenmodulierten Spannungssignal gedämpft bzw. im Optimalfall eliminiert werden.As can be seen from the winding diagram 12, the two winding systems are arranged anti-parallel to one another, since in each slot the connections of the coil belonging to the first subsystem are arranged opposite to the connections of the coil belonging to the second subsystem. Therefore, corresponding phases of the first and
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Bei dem in
Im Vergleich zur Verwendung einer einzigen 3-phasigen Wicklung mit nur einem Umrichter, also eines (1x3)-phasigen Elektromotors, kann bei den in den
In dem in
In dem Diagramm 30 ist auf der x-Achse 31 eine Frequenz aufgetragen, normiert auf die Frequenz des Referenzsignals (und daher einheitenlos), und auf der y-Achse 32 ist die effektive Spannung in Volt aufgetragen, also die an dem entsprechenden Ausgangsanschluss des Umrichters ausgegebene Spannung. Nahe dem Ursprung des Diagramms 30 sieht man den größten Spannungsbeitrag 33, welcher den Grundschwingungsanteil repräsentiert. Im Bereich der einfachen Trägerfrequenz, welche der Taktfrequenz des Umrichters entspricht, ist eine erste Gruppe 34 von Spannungsbeiträgen erkennbar, die Oberschwingungsspannungen im ersten Seitenband entspricht. Analog ist im Bereich der doppelten Trägerfrequenz eine zweite Gruppe 35 von Spannungsbeiträgen erkennbar, die Oberschwingungsspannungen im zweiten Seitenband entspricht. Ferner sind weitere Gruppen von Spannungsbeiträgen erkennbar, die jedoch relativ kleine Amplituden aufweisen und zudem bei hohen Frequenzen liegen. Im Diagramm 30 sind nur die Amplituden der unterschiedlichen Oberschwingungsbeiträge gezeigt. Deren Phasenlage kann aus dem Diagramm 30 hingegen nicht abgelesen werden. In the diagram 30, a frequency is plotted on the
Wie bereits erwähnt, können durch geeignete Wahl der Phasenverschiebung zwischen dem Trägersignal 11 des ersten Umrichters 2 und des zweiten Umrichters 3 gezielt bestimmte Oberschwingungskomponenten in den gepulsten Spannungssignalen durch destruktive Überlagerung ihrer magnetischen Flüsse in den gekoppelten Induktivitäten im Wesentlichen eliminiert bzw. maximal gedämpft werden. Alternativ können mehrere Oberschwingungskomponenten gedämpft werden, dann aber im geringeren Maße.As already mentioned, through a suitable choice of the phase shift between the
Der Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, dass die mittels der paarweise gekoppelten Induktivitäten gedämpften bzw. eliminierten Oberschwingungen gar nicht erst die elektrische Maschine erreichen und darin auch keine entsprechenden Stromflüsse ausbilden können. Dadurch kann eine unnötig höhere Strom- und dadurch thermische Belastung der elektrischen Maschine schon im Vorfeld verhindert werden. Zudem können die für die Kopplung der Induktivitäten verwendeten Eisenkerne relativ filigran ausfallen, insbesondere im Vergleich zu Sinusfiltern, deren Verwendung zur Glättung der Phasenspannungen im Ansteuerschaltkreis einer elektrischen Maschine aus dem Stand der Technik bekannt ist, da durch die erfindungsgemäß zur Verschaltung der Wicklungen gegenläufige Kopplung der Koppelinduktivitäten eine Sättigung der Eisenkerne durch die Grundschwingungen vermieden wird.The basic idea of the invention can be seen in the fact that the harmonics damped or eliminated by means of the paired inductors do not even reach the electrical machine and cannot form corresponding current flows therein. This means that an unnecessarily higher current and therefore thermal load on the electrical machine can be prevented in advance. In addition, the iron cores used for coupling the inductors can be relatively delicate, especially in comparison to sine filters, the use of which for smoothing the phase voltages in the control circuit of an electrical machine is known from the prior art, since the coupling in opposite directions according to the invention for connecting the windings Coupling inductors prevent saturation of the iron cores due to the fundamental vibrations.
Das in
Anhand des in
Durch eine geeignete Einstellung der Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen 11 der beiden Umrichter 2, 3 können störende magnetische Flüsse, die durch Oberschwingungsspannungen in den Phasen der Umrichter 2, 3, die wiederum Oberschwingungsströme induzieren, reduziert werden. Die Wahl der Phasenverschiebung hängt dabei von den Seitenbändern, in denen die Oberschwingungen reduziert werden sollen, und damit maßgeblich von dem Betriebspunkt des Elektromotors 7 ab.By appropriately adjusting the phase shift between the carrier signals 11 of the two
In dem in
Die betriebspunktabhängige Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen ist in
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---|---|---|---|---|
DE102010003020A1 (en) | 2009-05-28 | 2010-12-02 | GM Global Technology Operations, Inc., Detroit | Automotive drive system comprises three-phase motor having two sets of polarity windings, and inverter module between energy source and motor and having sets of phase legs coupled to corresponding sets of polarity windings |
DE102020106758A1 (en) | 2020-03-12 | 2021-10-14 | Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft | Electric machine |
-
2022
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