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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Umformung der elektrischen Energie für ein Fahrzeugbordnetz.
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Es sind bereits stromrichtergespeiste
Drehstromantriebe bekannt. Diese sind überwiegend als 3-Phasen-Maschinen
mit Pulswechselrichter ausgeführt.
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Einen wesentlichen Kostenfaktor bei
der Auslegung des Stromrichters stellt der Zwischenkreiskondenstor
dar. Normalerweise wird ein Elektrolytkondensator für die auftretende
Wechselstrombelastung im Zwischenkreis ausgelegt. Die Kapazität dieses
Kondensators ist in den meisten Fällen groß.
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Aus der
DE 199 47 476 A1 ist ein
Umrichter für
die Umformung von elektrischer Energie bekannt. Dieser umfasst wenigstens
eine Halbbrücke,
die wenigstens einen High-Side- und
einen Low-Side-Schalter mit einer vorgebbaren Anzahl von Schaltern
umfasst. Die Schalter stehen mit einem Drehstromgenerator und mit einem
parallel zur Halbbrücke
angeordneten Zwischenkreiskondensator in Verbindung. Der Drehstromgenerator
weist drei Phasenwicklungen auf, die jeweils vier parallele Wicklungszweige
haben. Die elektrische Phasenverschiebung zweier benachbarter Phasenwicklungen
voneinander beträgt
jeweils 120°.
Die vier parallelen Wicklungszweige der Phasenwicklungen werden
jeweils versetzt getaktet bzw. geschaltet. Dadurch wird die Wechselstrombelastung
des Zwischenkreiskondensators im Betrieb des Wechselrichters reduziert.
Dies ermöglicht
eine Verwendung eines Zwischenkreiskondensators mit verkleinerter
Kapazität.
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Aus der
DE 100 36 099 A1 ist ein
Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine mit Pulswechselrichter
bekannt. Dieses bekannte Verfahren lässt durch eine gezielte Übersteuerung
der Pulsweitenmodulation einen sicheren Übergang von einem sinusförmigen Regelbetrieb
in einen Blockbetrieb und weiter in einen zweiten Regelbereich zu.
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Demgegenüber weist eine Vorrichtung
mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen den Vorteil auf, dass
auch im Blockbetrieb die Wechselstrombelastung des Zwischenkreiskondensators
reduziert ist. Dadurch wird die Möglichkeit erhalten, auch bei
Durchführung
eines Blockbetriebes den Zwischenkreiskondensator klein zu dimensionieren.
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Dieser Vorteil wird im wesentlichen
dadurch erreicht, dass der Stator der elektrischen Maschine eine Anzahl
von Spulen aufweist, die größer ist
als drei, und dass die Spulen derart angeordnet sind, dass sie ein Mehrphasensystem
bilden, bei welchem die Anzahl der Phasen größer ist als drei, vorzugsweise
ein ganzzahliges Vielfaches von drei.
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Dieser Vorteil wird bei dem aus der
DE 199 47 476 A1 bekannten
System nicht erreicht, da dort bei einem übersteuerten Betrieb des Pulswechselrichters
bzw, im Blockbetrieb die Wirkung des versetzten Taktens der jeweils
vier parallelen Wicklungszweige verloren geht, da dort die Phasenverschiebung
der Teilphasen bezogen auf die Stromgrundfrequenz zu klein ist,
um eine Entlastung des Zwischenkreiskondensators zu bewirken.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht darin, dass durch die Mehrphasigkeit der elektrischen Maschine
Rast momente, wie sie typischerweise bei PM-Synchronmaschinen auf
treten, reduziert werden.
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In vorteilhafter Weise können die
Spulen auch zu Gruppen geschaltet werden, um beliebige Phasenzahlen
zu realisieren. Dabei sind jedoch die durch die Spulen hervorgerufenen
Phasenverschiebungen zu beachten und die resultierende Strangspannung
aus den Spulenspannungen phasenrichtig zu addieren. Dies entspricht
einem Wicklungsfaktor, der das Verhältnis aus geometrischer Summe
und arithmetischer Summe der Spulenspannungen ausdrückt.
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Weiterhin kann in vorteilhafter Weise
für eine
Teilmaschine, d. h. ein dem Mehrphasensystem zugehöriges 3-Phasen-System, ein
standardisiertes Transformationsverfahren für eine feldorientierte Regelung
verwendet werden. Aus den ermittelten Regelgrößen können die Soll-Phasenspannungen
für die
anderen Teilmaschinen des Mehrphasensystems durch einfache mathematische
Transformationen generiert werden. Liegt beispielsweise ein 9-Phasen-System vor, dann
wird nur ein dem 9-Phasen-System zugehöriges 3-Phasen-System mit einer
feldorientierten Regelung geregelt, und die Sollspannungen für die anderen
beiden 3-Phasen-Systeme des 9-Phasen-Systems werden dadurch generiert,
dass die Ausgangstransformation, d. h. die Transformation von feldorientierten
Koordinaten in das 3-Phasen-System,
um jeweils 40° phasenverschoben
durchgeführt
wird. Dies bewirkt eine erhebliche Reduzierung des zu treibenden
Rechenaufwandes im Mikrocontroller.
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Nachfolgend wird anhand der Figuren
ein Ausführungsbeispiel
für die
Erfindung näher
erläutert.
Die 1 zeigt ein Ersatzschaltbild
für den
Leistungskreis einer 9-Phasen-Maschine. Die 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung
der Spannungswelligkeit unterschiedlicher Stromrichterschaltungen.
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Die 1 zeigt
ein Ersatzschaltbild für
den Leistungskreis einer 9-Phasen-Maschine. Die dargestellte Vorrichtung
weist eine elektrische Maschine 1, einen Stromrichter 2 und
einen Zwischenkreiskondensator 3 auf.
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Der Stromrichter 2 enthält eine
Brückenschaltung
mit insgesamt neun Highside-Schaltern und neun Lowside-Schaltern.
Der Stromrichter 2 weist drei Teilstromrichter 2a, 2b, 2c auf,
wobei ein Teilstromrichter jeweils drei Phasenlagen zugeordnet ist
und wobei alle Phasenlagen aller Teilstromrichter voneinander verschieden
sind. Die Abstände
der Phasenlagen ergeben sich aus 360°/Phasenzahl. Je höher die
Phasenzahl, desto kleiner ist die Welligkeit im Zwischenkreis.
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Der Zwischenkreiskondensator 3 ist
parallel zu den Teilstromrichtern angeordnet und folglich ein den Teilstromrichtern
gemeinsamer Zwischenkreiskondensator. Die zwischen dem Highside-Schalter
und dem Lowside-Schalter der Phasen der Teilstromrichter gezeigten
Verbindungspunkte sind jeweils mit einem Anschluss einer Spule des
Stators der elektrischen Maschine 1 verbunden. Die anderen
Anschlüsse
der Spulen U1, V1 und W1 bzw. U2, V2 und W2 sowie U3, V3 und W3
sind jeweils zu einem Sternpunkt zusammengeführt.
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Der Stator der elektrischen Maschine,
bei der es sich um eine neunphasige Maschine für einen Kurbelwellenstartergenerator
handelt, weist insgesamt ein Vielfaches von 9 (18, 27,
...) Spulen auf, von denen in der 1 neun
Spulen U1, U2, U3, V1, V2, V3, W1, W2, W3 gezeigt sind. Dabei sind
die Spulen U1, V1 und W1 mit den Schaltern des Teilstromrichters 2a,
die Spulen U2, V2 und W2 mit den Schaltern des Teilstromrichters 2b und
die Spulen U3, V3 und W3 mit den Schaltern des Teilstromrichters 2c verbun den.
Die Spulen bilden insgesamt ein 9-Phasen-System. Die in der 1 nicht gezeigten neuen
weiteren Spulen sind den Spulen U1, U2, U3, V1, V2, V3, W1, W2,
W3 jeweils parallel geschaltet.
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Die Spulen sind zur Realisierung
einer kreuzungsfreien Ankerwicklung konzentriert um die Zähne der Maschine
gewickelt, wobei jedem Zahn eine Spule zugeordnet ist. Bei gegebener
Anzahl von Spulen im Stator der Maschine ergibt sich der elektrische
Phasenwinkel zwischen einander benachbarten Spulen zu
γ = p⋅α, wobei p die
Polpaarzahl des Rotors und ? der mechanische Winkel zwischen zwei
benachbarten Spulenachsen ist.
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Sind z Spulen gleichmäßig am Umfang
des Ständers
verteilt, dann gilt für
den elektrischen Phasenwinkel
γ =
p⋅2⋅π/z.
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Die Spulen bilden allgemein ein Vielphasensystem
mit der Phasenzahl z. Der größte gemeinsame
Teiler ggT aus z und 2⋅p
gibt an, wieviele Spannungszeiger identisch sind.
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Die natürliche Phasenzahl pz der Maschine
berechnet sich dann zu
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In der nachfolgenden Tabelle 1 ist
für z =
18 beispielhaft dargestellt, welche Kombinationen aus Polpaarzahl
und Phasenzahl möglich
sind, wenn für
die Polpaarzahl 2⋅p
Werte zwischen 2 und 36 angenommen werden.
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Aus dieser Tabelle ist ersichtlich,
dass bei der Festlegung der Phasenzahlen Vielfache der Zahl 3 eine besondere
Bedeutung haben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass am Markt befindliche
Geräte
hauptsächlich für die Phasenzahl 3 konzipiert
sind.
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Es besteht auch die Möglichkeit,
die Spulen, gegebenenfalls in Serie, zu Gruppen zusammenzuschalten.
Dadurch können
auch andere Phasenzahlen als die natürlichen Pha-senzahlen realisiert werden. Bei diesem
Vorgehen sind je doch die durch die Spulen verursachten Phasenverschiebungen
zu berücksichtigen
und die resultierende Strangspannung ist aus den Spulenspannungen
phasenrichtig zu addieren. Dies entspricht einem Wicklungsfaktor,
der das Verhältnis
aus geometrischer und arithmetischer Summe der Spulenspannungen
ausdrückt.
Die Auswahlpalette des Verhältnisses
von Polzahl zu Zähnezahl
wird dadurch wesentlich erhöht.
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Für
die Ansteuerung der elektrischen Maschine mittels eines Spannungszwischenkreisumrichters
gilt, dass mit steigender Phasenzahl die Wechselstrombelastung des
Zwischenkreiskondensators sinkt. Der Zwischenkreiskondensator kann
folglich kleiner dimensioniert sein, je größer die Phasenzahl ist. Insbesondere
bei einem Betrieb mit Spannungsblöcken ergibt sich in vorteilhafter
Weise eine reduzierte Welligkeit im Zwischenstromkreis.
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In der 2 ist
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Spannungswelligkeit unterschiedlicher Stromrichterschaltungen
gezeigt, wobei nach rechts der elektrische Winkel in Grad und nach
oben die Spannung aufgetragen ist und wobei mit K1 eine sinusförmige Phasenspannung
bezeichnet ist. Es ist ersichtlich, dass bei einer 2-Puls-Gleichrichtung
(Kurve K2) die Spannungswelligkeit 100 Spitze-Spitze, bei einer 6-Puls-Gleichrichtung
(Kurve K3) 13,3% Spitze – Spitze
und bei einer 18-Puls-Gleichrichtung (Kurve K4) nur mehr 1,5% Spitze – Spitze
beträgt.
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Bei dem in der Tabelle 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
hat der Stator 18 Zähne.
Aus der Tabelle 1 kann abgeleitet werden, dass der Rotor dann für eine neunphasige
Maschine beispielsweise mit 20 oder 22 Polen ausgestattet
sein kann. Eine kleinere Polzahl ist wegen der geringen Startmomentausbeute
nicht empfehlenswert.
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Die Spulen der Statorwicklung werden
so geschaltet, dass sich drei jeweils um elektrische 40° versetzte
3-Phasen- Systeme
ergeben, wobei bei jedem dieser 3-Phasen-Systeme intern Phasenverschiebungen
von jeweils 120° auftreten.
Die Statorwicklung kann dabei in Stern- oder in Dreieckschaltung
ausgeführt
sein. Die drei 3-Phasen-Maschinen sind jeweils an einen dreiphasigen
Teilstromrichter 2a, 2b, 2c geschaltet.
Die Teilstromrichter haben den Zwischenkreiskondensator 3 gemeinsam.
Insgesamt liegt eine 18-pulsige Stromrichterschaltung vor, welche
eine entsprechend kleine Stromwelligkeit im Zwischenkreisstrom aufweist.
Folglich kann der Kapazitätswert
des Zwischenkreiskondensators 3 klein gewählt werden.
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Da gängige Regelungsverfahren für eine feldorientierte
Regelung in Hinblick auf 3-Phasen-Systeme standardisiert sind und
beim obigen Ausführungsbeispiel
eine 9-Phasen-Maschine
vorliegt, besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, eine feldorientierte
Regelung für
die einzelnen Teilmaschinen durchzuführen, welche Bestandteil der
9-Phasen-Maschine sind. Dies ist insbesondere auch deshalb von Vorteil,
weil auch die am Markt verfügbare
Leistungsmesstechnik nur für
3-Phasen-Systeme ausgelegt ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung
besteht darin, nur eine der Teilmaschinen mittels einer feldorientierten
Regelung zu regeln und die Soll-Phasenspannungen für die beiden
anderen Teilmaschinen dadurch zu generieren, dass die Ausgangstransformation,
d. h. die Transformation von feldorientierten Koordinaten in das 3-Phasen-System,
um jeweils 40° phasenverschoben
durchgeführt
wird. Dies hat den Vorteil, dass der mittels des Mikrocontrollers
zu treibende Rechenaufwand erheblich reduziert ist.
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Gemäß der Erfindung liegt nach
alledem ein echtes Mehrphasensystem vor, beispielsweise ein 9-Phasen-System.
Die elektrische Phasenverschiebung zwischen den Spulen beträgt jeweils
360°/9 =
40°. Durch diese
echte 9-Phasen-Anordnung
wird erreicht, dass die Belastung des Zwischen kreiskondensators 3 im
gesamten Aussteuerungsbereich und auch im Blockbetrieb, also im übersteuerten
Zustand, reduziert ist. Beim 9-Phasen-System werden die grundfrequenten
Phasenspannungen stets um 360°/9
= 40° verschoben
auf die Wicklungssysteme geschaltet, wobei die Taktfrequenz bzw.
die Trägerfrequenz
der Pulsweitenmodulation in allen Phasen synchron und gleichphasig
ist.
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Neben der Möglichkeit, einen Zwischenkreiskondensator
mit kleinerer Kapazität
verwenden zu können,
bestehen weitere Vorteile der Erfindung darin, dass die bei 3-Phasen-Systemen gängige Steuerungs-
und Regelungs-Technologie sowie die zugehörige Messtechnik einfach adaptiert
werden kann. Weiterhin erlaubt eine höhere Phasenzahl eine kleiner
Nutöffnung
und damit kleinere Wirbelstromverluste in der Rotoroberfläche. Ferner
verringern höhere
Phasenzahlen die Höhe
der, Rastmomente. und erlauben eine größere Auswahlpalette für das Verhältnis von
Polzahl zu Zähnezahl.
Eine Aufteilung der Leistungselektronik auf die Phasen ermöglicht einen
direkten Anbau der Leistungselektronik an die Spulen.
