DE10237451A1

DE10237451A1 - Einrichtung und Verfahren zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer Generator-Elektromotor-Kombination

Info

Publication number: DE10237451A1
Application number: DE10237451A
Authority: DE
Inventors: Sven Martin; Bernd-Guido Dr. Schulze; Oliver Rauch; Markus Billmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Siemens AG; Volkswagen AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Volkswagen AG
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2004-05-19
Also published as: JP2005536178A; WO2004023632A1; EP1530819A1; US7230396B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung (1) einer Generator-Elektromotor-Kombination, wobei die Statorwicklung (1) mindestens eine Wicklung aufweist, die durch mindestens eine Einrichtung (T1, D1; T2, D2) kurzschließbar oder hochohmig schaltbar ist, wobei die mindestens eine Wicklung mit einem Kondensator (C) verbunden ist, mittels dessen Spannungsspitzen aufgrund von Schaltvorgängen reduzierbar sind und in der Statorwicklung gespeicherte Energie zwischenspeicherbar ist, wobei zwischen der Wicklung und dem Kondensator (C) mindestens ein schaltbares Entkopplungselement (2) angeordnet ist, wobei über das Entkopplungselement (2) die zwischenzuspeichernde Energie aufgrund der Abschaltung der Einrichtung in einen Nicht-Arbeitstakt als Ladestrom auf den Kondensator ableitbar ist und die zwischengespeicherte Energie als Arbeitsstrom im Arbeitstakt in die Statorwicklung (1) rückspeisbar ist, wobei das Entkopplungselement (2) zeitlich bei der Rückspeisung derart angesteuert wird, dass die Kondensatorspannung U¶C¶ nicht unter einen festgelegten Spannungswert sinkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer Generator-Elektromotor-Kombination.
Eine derartige Generator-Elektromotor-Kombination ist aus der DE 44 08 719 C1 bekannt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Generator-Elektromotor-Kombination ein Gehäuse aufweist, in dem ein Rotor und ein Stator sowohl des Generators als auch des Elektromotors angeordnet sind, die einen an einer Eingangswelle befestigten hohlzylindrischen Generator-Rotor und einen an einer Ausgangswelle befestigten hohlzylindrischen Motor-Rotor aufweist, wobei die Rotoren axial nebeneinander liegen und an ihrer Innenseite in Umfangsrichtung verteilt Permanent-Magnete wechselnder Polarität aufweisen, und die einen innerhalb der hohlzylindrischen Rotoren angeordneten hohlzylindrischen Stator mit wenigstens einer Wicklung, die abhängig von der Stellung der Permanent-Magnete der beiden Rotoren zueinander geschaltet werden, besitzt. Hierbei wird die Statorwicklung je nach gewünschter Kraftrichtung des Elektromotors durch wechselseitiges Schalten von als Schaltelemente fungierenden Leistungshalbleitern einer Halbbrücke der bekannten Einrichtung je nach der Pollage des Elektromotors kurzgeschlossen oder hochohmig geschaltet.
Nachteilig an der bekannten Einrichtung ist, dass beim Abschalten des Stromes in der Statorwicklung die in der Induktivität gespeicherte Energie zwangsläufig verlorengeht. Außerdem ist nachteilig, dass durch die beim Abschalten entstehenden extrem hohen Spannungsspitzen die Schaltelemente gefährdet werden.
Zur Lösung dieses Problems ist es aus der DE 198 53 516 A1 bekannt, die Wicklung mit einer Induktivität durch mindestens eine Anzapfung in zwei Wicklungsteile aufzuteilen, wobei in die Anzapfung ein Kondensator geschaltet ist, der bei einer Beaufschlagung durch einen hochfrequenten Abschaltstrom die beiden Wicklungsteile der Wicklung zumindest teilweise elektrisch trennt. Dadurch wird die in der Induktivität gespeicherte Energie im Kondensator zwischengespeichert und im Arbeitstakt, wenn die Wicklung wieder kurzgeschlossen wird, in die Wicklung zurückgespeist. Neben der Energiezwischenspeicherung begrenzt der Kondensator die am Halbleiterschaltelement auftretende Spitzenspannung nach der Formel I²·L/2 = U²·C/2, da die Spannung am Kondensator nicht springen kann. Ein zusätzlich in den Kondensatorzweig eingebauter Schalter verhindert ein unerwünschtes Aufladen des Kondensators im Nicht-Arbeitstakt (Wicklung hochohmig geschaltet) sowie ein Schwingen des Stromes infolge der Schwingeigenschaften des LC-Kreises.
Nachteilig an dieser Schaltung ist, dass die Zeitkonstante des Energiespeichers zum Auf- und Entladen bei gegebener Induktivität von der Größe des Kondensators abhängig ist. Dabei besteht einerseits das Bedürfnis nach einer großen Kapazität, um die Spitzenspannung zu reduzieren und andererseits soll die Kapazität klein sein, um durch eine geringe Zeitkonstante steile Pulse zu schalten.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer Generator-Elektromotor-Kombination zu schaffen sowie ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer unter Zwischenspeicherung der elektrischen Energie aus der Induktivität steilere Anstiegs- und Abfallflanken geschaltet werden können.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu ist zwischen der Wicklung und dem Kondensator mindestens ein schaltbares Entkopplungselement angeordnet, wobei das Entkopplungselement bei Abschaltung der Einrichtung bzw. Wicklung in einen Nicht-Arbeitstakt leitend ist, sodass Spannungsspitzen durch den Kondensator begrenzt werden und die in der Induktivität gespeicherte Energie als Ladestrom auf den Kondensator zwischenspeicherbar ist und die zwischengespeicherte Energie als Arbeitsstrom im Arbeitstakt in die Statorwicklung rückspeisbar ist, wobei das Entkopplungselement zeitlich bei der Rückspeisung derart angesteuert wird, dass die Kondensatorspannung nicht unter einen festgelegten Spannungswert sinkt. Die dieser Erfindung zugrunde liegende Idee ist, den Kondensator nicht bei jedem Arbeitstakt komplett zu entladen und wieder aufzuladen, sondern während des Betriebes der Maschine dessen Spannung je nach dem Lastpunkt möglichst konstant und hoch zu halten. Dies geschieht dadurch, dass das Entkopplungsglied nur nach einer von bestimmten Funktionen leitend geschaltet wird. Dies kann beispielsweise eine bestimmte Zeitspanne sein. Hierzu wird beispielsweise die minimale Ladespannung des Kondensators bestimmt und anhand der Zeitkonstanten RC berechnet, wie lange die Entladung dauern darf, damit die Kondensatorspannung nicht unter den vorgegebenen Spannungswert sinkt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kondensatorspannung zu messen und aus diesem Messsignal ein Steuersignal für das Entkopplungselement zu generieren. Die Höhe der Überspannung an den Einrichtungen zum Kurzschließen oder hochohmig Schalten der Wicklung bestimmt sich wie in der DE 198 53 516 A1 gemäß der Formel I²·L/2 = U²·C/2 und kann durch ein großes C klein gehalten werden. Dieses große C hat aber praktisch keinen negativen Einfluss mehr auf die Zeitkonstante des Stromes nach dem Aus- bzw. Einschalten der Statorwicklung, da der Kondensator nicht vollständig entladen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Entkopplungselement als Schalter mit parallel geschalteter Freilaufdiode ausgebildet. Dabei wird der Schalter nur zum Entladen des Kondensators kurzzeitig geschlossen. Über die Freilaufdiode kann hingegen bei Spannungsspitzen durch Abschaltung der Statorwicklung ein Ladestrom auf den Kondensator fließen, sodass das Entkopplungselement im Ladefall quasi selbststeuernd ist.
Vorzugsweise ist der festgelegte Spannungswert für den Kondensator größer/gleich der Spannung am Entkopplungselement im Nicht-Arbeitstakt zu halten, um ein Laden in diesem Betriebszustand zu vermeiden. Aufgrund der Pollage der beiden Rotoren im Nicht-Arbeitstakt addieren sich dort die induzierten Spannungen und stellen den größtmöglichen Spannungswert am Entkopplungselement außerhalb der Schaltphasen dar, sodass somit ein ungewolltes Laden des Kondensators in jedem Betriebszustand (Arbeitstakt oder Nicht-Arbeitstakt) vermieden wird.
Um eine beliebige Drehrichtung der beiden Rotoren zu ermöglichen, ist vorzugsweise jedem Ende der Wicklung mindestens ein Schaltelement mit parallel geschalteter Freilaufdiode zugeordnet, sodass die Stromrichtung in der Wicklung je nach gewünschter Drehrichtung umschaltbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltelemente als Transistoren ausgebildet, wobei diese vorzugsweise als iGBTs ausgebildet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Statorwicklung mehrere voneinander unabhängige Statorwicklungen, die mit einem gemeinsamen Kondensator ausgebildet sind. Hierdurch kann das pulsierende Moment vergleichmäßigt werden, wobei aufgrund des Arbeitens auf einem gemeinsamen Kondensator dieser kleiner dimensionierbar ist bzw. der Spannungsschub am Kondensator erniedrigt werden kann, da sich die als Teilmotoren wirkenden Wicklungen nicht jeweils im gleichen Betriebs- bzw. Schaltzustand befinden, sodass die Energie teilweise direkt über Entkopplungsglieder von einem Teilmotor zu einem anderen Teilmotor geschaltet werden kann, ohne den Kondensator auf- bzw. zu entladen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung mit einem Mittenabgriff einer Statorwicklung,
2 eine Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung für eine Statorwicklung,
3 eine Schaltungsanordnung nach 1 mit mehreren Teilmotoren und
4 eine Schaltungsanordnung nach 2 mit mehreren Teilmotoren.
Die Schaltungsanordnung umfasst eine Statorwicklung 1 mit einer Induktivität L, an deren Ende jeweils ein Schaltelement T1 bzw. T2 mit einer parallelgeschalteten Freilaufdiode D1 bzw. D2 angeordnet ist. Über ein als Mittenabgriff geschaltetes Entkopplungselement 2 ist die Statorwicklung 1 mit einem Kondensator C verbunden. Das Entkopplungselement 2 umfasst ein Schaltelement T3 mit parallelgeschalteter Freilaufdiode D3.
Zum Betrieb der Generator-Elektromotor-Kombination wird die Statorwicklung 1 Idealerweise impulsartig kurzgeschlossen bzw. hochohmig geschaltet, wobei über die Stromrichtung in der Statorwicklung 1 die Drehrichtung der Kombination veränderbar ist. Zur detaillierten Beschreibung des Grundprinzips einer derartigen Generator-Elektromotor-Kombination wird auf die DE 44 08 719 C1 bzw. die DE 198 53 516 A1 Bezug genommen.
Soll nun beispielsweise der Strom in der Statorwicklung 1 wie in der 1 eingezeichnet fließen, so wird in dieser Betriebsweise das Schaltelement T1 permanent gesperrt, wohingegen das Schaltelement T2 impulsförmig auf- und zugesteuert wird, wobei aufgrund der Induktivität L die Stromänderung nur trapezförmig ist.
Beim Sperren von T2 sind die beiden Dioden D1 und D2 gegeneinander verpolt und verhindern einen weiteren Stromfluss. Dieses große dI_ST/dt bewirkt ein großes U_ST über der Statorwicklung 1. Ist dabei U_ST/2 größer als die Spannung U_C am Kondensator C, so leitet die Freilaufdiode D3 des Entkopplungselementes 2. Der Kondensator C begrenzt wiederum die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung an der Spule, da die Spannung am Kondensator C sich aus energetischen Gründen nicht sprunghaft ändern kann. Somit werden die Spannungsspitzen aufgrund der Stromänderung an der Induktivität L gedämpft und die in der Induktivität L gespeicherte Energie fließt in Form eines Ladestromes über die Freilaufdiode D3 in den Kondensator C und lädt diesen auf. Aufgrund des Mittenabgriffs wird die Induktivität geteilt. Da die beiden Teilspulen L1, L2 jeweils nur die Hälfte der Windungen der Statorwicklung aufweisen, ist darüber hinaus die Induktivität einer Teilspule L1, L2 nur L/4 der Statorwicklung, sodass die Spannungsänderung ebenfalls nach der Beziehung
begrenzt wird.
Der Grund hierfür ist der quadratische Zusammenhang zwischen Induktivität L und Windungszahl N. Die in der anderen Induktivität L1 gespeicherte Energie wird dann als Spannung in die Induktivität L2 transformiert und ebenfalls als Ladestrom im Kondensator C zwischengespeichert. Sinkt die Spannung U_ST/2 an L2 unter die Kondensatorspannung U_C, so sperrt die Diode D3 und entkoppelt somit zusammen mit dem gesperrten Schaltelement T3 den Kondensator C von der Statorwicklung 1. Diese im Nicht-Arbeitstakt (I_ST = 0) zwischengespeicherte Energie soll im Arbeitstakt, wenn das Schaltelement T2 wieder geschlossen wird, zurückgespeist werden. Hierzu wird nun das Schaltelement T3 geschlossen, sodass sich der Kondensator C entlädt, wobei der Entladestrom vorzeichengerecht eingespeist wird. Erfindungsgemäß wird nun der Kondensator C nicht vollständig entladen, sondern nur bis zu einer Spannung U_C ≥ U_ST/2 im Nicht-Arbeitstakt. Der Grundgedanke dabei ist, dass die Kondensatorspannung U_C im Betriebsfall der Maschine (Arbeitstakt oder Nicht-Arbeitstakt) stets größer/gleich als die Strangspannung am Entkopplungselement ist. Somit ist durch die Freilaufdiode D3 sichergestellt, dass im Betriebsfall kein Energiefluss zum Kondensator C stattfindet, der die Blindleistung der Maschine erhöhen würde. In dem Nicht-Arbeitstakt ist die durch die Permanentmagneten beiden Rotoren induzierte Strangspannung am größten, da sich diese vorzeichengleich addieren, sodass daher vorzugsweise U_C auf die Strangspannung im Nicht-Arbeitstakt angepasst wird. Prinzipiell wird das Schaltverhalten aber bereits verbessert, wenn die Kondensatorspannung U_C nicht unter irgendeinen festen Spannungswert entladen wird, wobei dann jedoch die Blindleistung zunimmt.
Die Vorteile dieser Schaltungsanordnung ist die Zwischenspeicherung der induktiven Energie mit einer Begrenzung der Spannungsspitzen, wobei jedoch sehr steile trapezförmige Flanken erreichbar sind, da der Kondensator C nur mit einem geringen Spannungshub geladen bzw. entladen wird.
Die Ansteuerung des Schaltelementes T3 kann dabei verschieden ausgebildet sein. So ist es möglich, die Kondensatorspannung U_C zu messen und das Schaltelement T3 entsprechend bei Erreichen eines festgelegten Spannungswertes zu öffnen. Andererseits kann auch eine Zeit anhand der RC-Zeitkonstanten festgelegt werden, für die das Schaltelement geschlossen wird, wobei die Zeit derart bestimmt wird, dass in jedem Betriebsfall die Kondensatorspannung U_C ausreichend hoch ist. Dabei kommt der weitere Vorteil zum Tragen, dass die Schaltungsanordnung selbstregelnd arbeitet. Wird beispielsweise beim Abschalten der Statorwicklung mehr Energie im Kondensator C zwischengespeichert, als im nächsten Schaltvorgang in den Arbeitstakt rückspeisbar ist, so steigt die Kondensatorspannung U_C an. Ein Ansteigen von U_C führt jedoch automatisch beim nächsten Einspeisen zu einem größeren I_C, d.h. der Kondensator C speist mehr Energie zurück, wenn U_C steigt. Somit wird einer Selbstzerstörung des Kondensators C entgegengewirkt.
In der 2 ist eine alternative Schaltungsanordnung dargestellt, bei der die Statorwicklung 1 in einer Brückenschaltung angeordnet ist. Anstelle des einen Entkopplungselementes 2 sind hier zwei Entkopplungselemente jeweils an den Enden der Statorwicklung 1 angeordnet. Prinzipiell gilt hier das Gleiche, was bereits zur Schaltung gemäß 1 ausgeführt wurde, wobei hier jedoch U_C größer/gleich der vollen Strangspannung U_ST gewählt werden sollte. Die Arbeitsweise der Schaltung dabei ist, dass je nach gewünschter Drehrichtung im Arbeitstakt das Schaltelement T1 oder T2 permanent geöffnet ist, wohingegen das andere Schaltelemente T2 bzw. T1 pulsförmig geschaltet wird. Im Nicht-Arbeitstakt hingegen sind alle Schaltelemente offen. Beim Abschaltvorgang wird der Kondensator C jeweils über die diagonale Freilaufdiode D3 bzw. D4 geladen. Wird beispielsweise das Schaltelement T2 getaktet, so fließt beim Abschalten von T2 der Strom über die Freilaufdiode D3. Zum Entladen des Kondensators C wird dann entsprechend das Schaltelement T3 kurzzeitig geschlossen. Der Vorteil der Brückenschaltung gegenüber dem Mittelabgriff ist insbesondere, dass Kopplungsverluste zwischen den beiden Spulenhälften vermieden werden, wie sie beim Mittenabgriff gemäß 1 auftreten.
In der 3 ist eine Schaltungsanordnung gemäß 1 für fünf Teilmotoren 11, 12,13, 14, 15 dargestellt, also fünf unabhängige Wicklungen auf dem Stator, die vorzugsweise im äquidistanten Abstand voneinander auf den Stator gewickelt sind. Wie aus der 3 zu entnehmen ist, können dabei alle Teilmotoren 11 – 15 auf einem gemeinsamen Kondensator C arbeiten, was beispielsweise in der DE 198 53 516 A1 nicht möglich wäre. Ein weiterer Vorteil ist, dass nicht jeweils alle Teilmotoren 11 – 15 sich im gleichen Betriebszustand befinden. Durch die Bewegung der Permanentmagneten vorbei an den unterschiedlichen Wicklungen der Teilmotoren 11 – 15 befindet sich beispielsweise ein Teilmotor im Übergang von Arbeitstakt in den Nicht-Arbeitstakt, wobei die anderen Teilmotoren noch im Arbeitstakt sich befinden. Somit kann ein Teil der in der Induktivität gespeicherten Energie direkt als Arbeitsstrom in die noch im Arbeitstakt befindlichen Teilmotoren eingespeist werden, ohne diese im Kondensator zwischenzuspeichern. Dadurch kann einerseits der Kondensator C kleiner dimensioniert werden und der Spannungshub am Kondensator C wird verringert.
In der 4 ist entsprechend eine Schaltungsanordnung gemäß 2 für fünf Teilmotoren 11 – 15 dargestellt, die ebenfalls auf einen gemeinsamen Kondensator C arbeiten können, sodass auf die Ausführung zu 3 Bezug genommen werden kann.

Claims

Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung (1) einer Generator-Elektromotor-Kombination, wobei die Statorwicklung (1) mindestens eine Wicklung aufweist, die durch mindestens eine Einrichtung (T1, D1; T2, D2) kurzschließbar oder hochohmig schaltbar ist, wobei die mindestens eine Wicklung mit einem Kondensator (C) verbunden ist, mittels dessen Spannungsspitzen aufgrund von Schaltvorgängen reduzierbar sind und in der Statorwicklung gespeicherte Energie zwischenspeicherbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wicklung und dem Kondensator (C) mindestens ein schaltbares Entkopplungselement (2) angeordnet ist, wobei über das Entkopplungselement (2) die zwischenzuspeichernde Energie aufgrund der Abschaltung der Einrichtung in einen Nicht-Arbeitstakt als Ladestrom auf den Kondensator ableitbar ist und die zwischengespeicherte Energie als Arbeitsstrom im Arbeitstakt in die Statorwicklung (1) rückspeisbar ist, wobei das Entkopplungselement (2) zeitlich bei der Rückspeisung derart angesteuert wird, dass die Kondensatorspannung U_C nicht unter einen festgelegten Spannungswert sinkt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (2) als Schalter (T3, T4) mit parallel geschalteter Freilaufdiode (D3, D4) ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der festgelegte Spannungswert für die Kondensatorspannung U_C größer/gleich der Spannung am Entkopplungselement (2) im Nicht-Arbeitstakt liegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Ende der Wicklung mindestens ein Schaltelement (T1, T2) mit parallelgeschalteter Freilaufdiode (D1, D2) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (2) als Mittenabgriff an der Wicklung geschaltet ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung in einer Brückenschaltung angeordnet ist, wobei in einem Zweig der Brücke zwei Entkopplungselemente (T3, D3; T4, D4) und in dem anderen Zweig die beiden Schaltelemente (T1, T2) mit parallelgeschalteten Freilaufdioden (D1, D2) angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (T1, T2, T3, T4) als Transistoren ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren als iGBTs ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (1) mehrere voneinander unabhängige Wicklungen als Teilmotoren (11 – 15) umfasst, die mit einem gemeinsamen Kondensator (C) ausgebildet sind.
Verfahren zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer Generator-Elektromotor-Kombination, wobei die Statorwicklung (1) mindestens eine Wicklung aufweist, die durch mindestens eine Einrichtung (T1, D1; T2, D2) kurzschließbar oder hochohmig schaltbar ist, wobei die mindestens eine Wicklung über ein schaltbares Entkopplungselement (2) mit einem Kondensator (C) verbunden ist, wobei über das Entkopplungselement (2) in der Statorwicklung gespeicherte Energie beim hochohmigen Schalten der Wicklung durch einen Ladestrom auf den Kondensator in diesem zwischengespeichert wird und die gespeicherte Energie als Arbeitsstrom im Arbeitstakt in die Statorwicklung über das durchgeschaltete Entkopplungselement (2) zurückgespeist wird, wobei der Kondensator (C) immer nur bis zu einer Kondensatorspannung (U_C) größer/gleich einen festgelegten Spannungswert entladen wird.