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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein elektrische Antriebssysteme und insbesondere Systeme und Verfahren zur Steuerung von Hochspannungsübergängen während des Betriebs eines Elektromotors.
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Hintergrund
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Mit dem zunehmenden Interesse an Energieeinsparungen werden immer mehr industrielle Arbeitsmaschinen mit elektrischen Antriebsaggregaten oder -systemen zum Antreiben der Arbeitsmaschine und Betreiben ihrer verschiedenen Werkzeuge oder Funktionen bereitgestellt. Die neuesten Entwicklungen bei elektrischen Antriebssystemen haben ermöglicht, dass elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen faktisch die Leistung von vorwiegende mechanisch angetriebenen Arbeitsmaschinen erreichen oder übertreffen, während sie gleichzeitig deutlich weniger Kraftstoff und Gesamtenergie benötigen. Da elektrische Antriebssysteme bei industriellen Arbeitsmaschinen u. Ä. in immer stärkerem Maße allgemeine Verwendung finden, sind auch die Anforderungen an effiziente Motoren, Generatoren und Techniken zur Steuerung derselben höher geworden.
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Ein Elektromotor einer elektrischen Antriebsmaschine wird typisch verwendet, um mechanische Leistung, die er von einer Primärantriebsquelle, wie etwa einer Verbrennungskraftmaschine, empfängt, in elektrische Leistung umzuwandeln, um eine oder mehrere Funktionen der Arbeitsmaschine auszuführen. Darüber hinaus kann ein Elektromotor verwendet werden, um in einer gemeinsamen Sammelleitung oder Speichervorrichtung gespeicherte Elektroenergie in mechanische Leistung umzuwandeln. Unter den verschiedenen Typen von Elektromotoren, die für eine Verwendung mit einem elektrischen Antriebssystem zur Verfügung stehen, haben geschaltete Reluktanzmaschinen großes Interesse gefunden, da sie robust, kostengünstig und insgesamt betrachtet effizienter sind. Bisherige Systeme und Verfahren zur Steuerung von geschalteten Reluktanzmaschinen können zwar für eine adäquate Steuerung sorgen, doch es gibt noch viel Verbesserungspotenzial.
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Steuerungsschemata für geschaltete Reluktanzmaschinen können typisch ein Betätigen zweier Schalter für jeden Phasenzweig der Maschine umfassen, um den elektrischen Strom zu pulsen oder zu zerhacken, wodurch im Grunde eine Wellenform bereitgestellt wird, wie etwa eine pulsweitenmodulierte (PWM-)Wellenform. Gegen Ende einer gegebenen Schaltperiode oder eines gegebenen Grundzyklus, bei Erreichen einer Strom-Sollschwelle oder wenn es eine sonstige entsprechende Abnahme des Strombedarfs gibt, können bei herkömmlichen Steuerungssystemen beide Schalter eines bestimmten Phasenzweigs der Maschine ausgeschaltet werden. Im umgekehrten Fall, zu Beginn einer gegebenen Schaltperiode oder eines gegebenen Grundzyklus, bei Erreichen einer Strom-Sollschwelle oder wenn es eine sonstige entsprechende Zunahme des Strombedarfs gibt, können bei herkömmlichen Steuerungssystemen beide Schalter eines bestimmten Phasenzweigs der Maschine eingeschaltet werden. Durch das Ausschalten oder Einschalten beider Schalter eines Phasenzweigs können die Phasenwicklungen plötzlichen Spannungsschwankungen großer Amplitude ausgesetzt werden, die des Weiteren einen übermäßigen Verschleiß der Wicklungsisolierung der zugehörigen geschalteten Reluktanzmaschine und andere unerwünschte Wirkungen zur Folge haben können.
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Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, einen oder mehrere der vorstehend dargelegten Mängel anzugehen.
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Kurzdarstellung der Offenbarung
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Unter einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Steuern eines Motors geschaffen. Das Verfahren kann eine Schaltperiode, einen Grundzyklus oder eine Strom-Sollschwelle pro Phasenzweig des Motors, der mindestens einen Hochspannungsübergangspunkt aufweist, bestimmen; eine Verweilzeit, die am Übergangspunkt zwischen einem Schalten eines ersten Schalters des Phasenzweigs und einem Schalten eines zweiten Schalters des Phasenzweigs zu erzwingen ist, bestimmen, wobei sowohl der erste Schalter als auch der zweite Schalter wahlweise zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umschaltbar ist; den ersten Schalter am Übergangspunkt aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand schalten und den zweiten Schalter nach dem Übergangspunkt und nach Ablauf der Verweilzeit aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand schalten.
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Unter einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Steuerungssystem für einen Motor geschaffen. Das Steuerungssystem kann eine Umrichterschaltung und einen Controller umfassen. Die Umrichterschaltung kann mit einem Stator des Motors wirkverbunden sein und mindestens einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, gekoppelt an jeden Phasenzweig des Stators, aufweisen, wobei sowohl der erste Schalter als auch der zweite Schalter wahlweise zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umschaltbar sein kann. Der Controller kann in Kommunikation mit mindestens dem Motor und sowohl dem ersten Schalter als auch dem zweiten Schalter jedes Phasenzweigs sein. Der Controller kann dafür konfiguriert sein, eine Verweilzeit zu bestimmen, die an einem Hochspannungsübergangspunkt zwischen einem Schalten des ersten Schalters und einem Schalten des zweiten Schalters zu erzwingen ist, den ersten Schalter am Übergangspunkt aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu schalten und den zweiten Schalter nach dem Übergangspunkt und nach Ablauf der Verweilzeit aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu schalten.
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Unter noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein elektrisches Antriebssystem geschaffen. Das elektrische Antriebssystem kann einen Elektromotor, eine Umrichterschaltung und einen Controller umfassen. Der Elektromotor kann einen Rotor und einen Stator aufweisen, wovon jeder mehrere Phasenzweige aufweisen kann. Die Umrichterschaltung kann mit dem Motor verbunden sein und mindestens einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, gekoppelt an jeden Phasenzweig, aufweisen, wobei sowohl der erste Schalter als auch der zweite Schalter wahlweise zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umschaltbar sein kann. Der Controller kann in Kommunikation mit mindestens dem Motor und sowohl dem ersten Schalter als auch dem zweiten Schalter der Umrichterschaltung sein. Der Controller kann dafür konfiguriert sein, eine Verweilzeit zu bestimmen, die an einem Hochspannungsübergangspunkt zwischen einem Schalten des ersten Schalters und einem Schalten des zweiten Schalters zu erzwingen ist, den ersten Schalter am Übergangspunkt aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu schalten und den zweiten Schalter nach dem Übergangspunkt und nach Ablauf der Verweilzeit aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu schalten.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist eine schaubildliche Darstellung einer beispielhaften Maschine mit einem elektrischen Antriebssystem;
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2 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Steuerungssystems für einen elektrischen Antrieb, der gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist;
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3 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Umrichterschaltung für einen geschalteten Reluktanzmotor;
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4 ist eine graphische Darstellung einer herkömmlichen gepulsten Stromwellenform im Vergleich mit einer beispielhaften gepulsten Wellenform, bei der beide Schalter eines Phasenzweigs mit einer Verweilzeit ausgeschaltet werden, die dem unteren Schalter auferlegt wird;
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5 ist eine graphische Darstellung einer herkömmlichen gepulsten Stromwellenform im Vergleich mit einer beispielhaften gepulsten Wellenform, bei der beide Schalter eines Phasenzweigs mit einer Verweilzeit ausgeschaltet werden, die dem oberen Schalter auferlegt wird;
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6 ist eine graphische Darstellung einer herkömmlichen gepulsten Stromwellenform im Vergleich mit einer beispielhaften gepulsten Wellenform, bei der beide Schalter eines Phasenzweigs mit einer Verweilzeit eingeschaltet werden, die dem oberen Schalter auferlegt wird;
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7 ist eine graphische Darstellung einer herkömmlichen gepulsten Stromwellenform im Vergleich mit einer beispielhaften gepulsten Wellenform, bei der beide Schalter eines Phasenzweigs mit einer Verweilzeit eingeschaltet werden, die dem unteren Schalter auferlegt wird; und
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8 ist ein Ablaufplan eines beispielhaften Algorithmus oder Verfahrens zum Erzwingen einer Nullspannungsschleife.
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Ausführliche Beschreibung
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Es wird nun ausführlich auf besondere Ausführungsformen oder Merkmale eingegangen, für die Beispiele in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht sind. Im Allgemeinen werden zur Bezeichnung gleicher oder übereinstimmender Teile überall in der Zeichnung übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.
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1 veranschaulicht schematisch eine Maschine 100, die elektrische Antriebsmittel verwenden kann, um eine Bewegung hervorzurufen und/oder um Arbeiten durchzuführen. Genauer gesagt kann die Maschine 100 eine Antriebsquelle 102 aufweisen, die an ein elektrisches Antriebssystem 104 gekoppelt sein kann, um über eine Traktionsvorrichtung 106 eine Bewegung hervorzurufen oder andere Funktionen auszuführen. Eine solche Maschine 100 kann als Arbeitsmaschine verwendet werden, um eine bestimmte Art von Arbeitsvorgang, der sich einer Branche wie Bergbau, Bauwesen, Landwirtschaft, Transportwesen oder irgendeiner anderen geeigneten, allgemein bekannten Branche zuordnen lässt, auszuführen. Beispielsweise kann die Maschine 100 eine Erdbaumaschine, ein Wasserfahrzeug, ein Luftfahrzeug, eine Zugmaschine, ein geländegängiger Lastkraftwagen, ein Straßenfahrzeug zur Personenbeförderung oder irgendeine andere fahrbare Maschine sein. Bei anderen Alternativen kann die Maschine 100 in Verbindung mit ortsfesten Anwendungen verwendet werden und beispielsweise zusammen mit Windmühlen, hydroelektrischen Staudämmen, Batterien, Brennstoffzellen oder irgendeiner anderen geeigneten Energiequelle eingesetzt werden. Die Antriebsquelle 102 des elektrischen Antriebssystems 104 kann beispielsweise eine Dieselkraftmaschine, eine Benzinkraftmaschine, eine mit gasförmigem Kraftstoff betriebene Kraftmaschine oder irgendein anderer Typ von Verbrennungskraftmaschine, der üblicherweise zum Erzeugen von Leistung verwendet wird, sein. Die Kraftmaschine 102 kann dafür eingerichtet sein, dass sie mechanisch, über eine Kupplung oder axial rotierende Antriebswelle 112 Leistung zu einem Generator oder einem Elektromotor 110 des elektrischen Antriebssystems 104 überträgt.
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2 stellt schematisch ein beispielhaftes elektrisches Antriebssystem 104 dar, das benutzt werden kann, um Leistung zwischen der Kraftmaschine 102 und einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern 114 zu übertragen. Der Motor 110 des elektrischen Antriebssystems 104 in 2 kann eine geschaltete Reluktanzmaschine o. Ä. sein, die dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf eine drehende Antriebsbewegung von der Kraftmaschine 102 elektrische Leistung zu erzeugen und die elektrische Leistung zu einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern 114 der Maschine 100 zu übertragen. Verbraucher 114 können beispielsweise Motoren sein, um eine Bewegung der Maschine 100 herbeizuführen, wie auch Motoren zur Bedienung verschiedener mechanischer Werkzeuge der Maschine 100. Wie allgemein bekannt ist, kann der Motor 110 einen Rotor 116 aufweisen, der im Innern eines ortsfesten Stators 118 drehbar angeordnet ist. Der Rotor 116 kann über die Abtriebswelle 112 oder in anderen entsprechenden Ausführungsformen über eine direkte Kurbelwelle, einen Getriebezug, einen Hydraulikkreis u. Ä. mit dem Abtrieb der Kraftmaschine 102 gekoppelt sein. Der Stator 118 kann über eine Umrichterschaltung 122 mit einer gemeinsamen Sammelleitung 120 des elektrischen Antriebssystems 104 elektrisch gekoppelt sein.
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Während einer Generatorbetriebsart, wenn der Rotor 116 innerhalb des Stators 118 durch die Kraftmaschine 102 gedreht wird, kann im Stator 118 elektrischer Strom induziert und an die Umrichterschaltung 122 geliefert werden. Die Umrichterschaltung 122 wiederum kann die elektrischen Signale in eine entsprechende Gleichspannung zur Verteilung an die verschiedenen elektrischen Verbraucher 114 der Maschine 100 umwandeln. Zudem kann der Motor 110 aktiviert werden, um eine Rotation des Rotors 116 in Reaktion auf elektrische Signale zu bewirken, die von der gemeinsamen Sammelleitung 120, beispielsweise während einer Motorbetriebsart, an den Stator 118 geliefert werden. Die gemeinsame Sammelleitung 120 kann eine Plusleitung 124 und eine Minus- oder Erdungsleitung 126 aufweisen, über die eine Spannung der gemeinsamen Gleichstrom-(DC)Sammelleitung zu dem einen oder den mehreren daran angeschlossenen Verbrauchern 114 der Maschine 100 übertragen werden kann. Die Umrichterschaltung 122 kann ein Gleichspannungssignal bereitstellen, das über die gemeinsame Sammelleitung 120 zu einer Gleichrichterschaltung übertragen wird, in der die Gleichspannung in die entsprechenden Wechselstrom-(AC)Signale gewandelt wird, um beispielsweise einen oder mehrere Fahrmotoren o. Ä. anzutreiben, um über die Traktionsvorrichtung 106 eine Bewegung der Maschine 100 hervorzurufen. Außerdem kann die gemeinsame Sammelleitung 120 die Gleichspannung auch zu anderen Verbrauchern 114 der Maschine 100 übertragen, wie etwa zu einem Hybridsystem, elektrisch angetriebenen Pumpen, elektrisch angetriebenen Lüftern u. Ä.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 2: Das elektrische Antriebssystem 104 kann außerdem ein Steuerungssystem 128 zum Steuern des Motors 110 umfassen. Das Steuerungssystem 128 kann im Wesentlichen einen Controller 130 umfassen, der mit mindestens der dem elektrischen Antriebssystem 104 zugeordneten Umrichterschaltung 122 in Kommunikation ist. Die Umrichterschaltung 122 kann eine Reihe von Transistoren oder gattergesteuerten Schaltern 132, wie etwa Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, und Dioden 134 aufweisen, um ein wahlweises Zuschalten einer oder mehrerer Phasenwicklungen des Motors 110 zu ermöglichen. Ein geschalteter Dreiphasen-Reluktanzmotor 110 kann unter Verwendung einer Umrichterschaltung 122 mit sechs Schaltern 132 und sechs Dioden 134 oder beispielsweise zwei Schaltern 132 und zwei Dioden 134 zum wahlweisen Zuschalten oder Abschalten jedes der drei Phasenzweige des Motors 110 betrieben werden. Jeder der Schalter 132 kann über Gate-Signale, die vom Controller 130 geliefert werden können, eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Steuerungssystem 128 außerdem mit Absolutwertgebern, Sensoren 136 o. Ä. ausgestattet sein, die dafür ausgelegt sind, entsprechend der Drehlage und/oder Drehzahl des Rotors 116 relativ zum Stator 118 oder anderer relevanter Informationen Sensorsignale zu erzeugen und solche Sensorsignale an einen Eingang des Controllers 130 zu übermitteln. Die Sensoren 136 können u. a. ein Hallsensor, ein Reluktanzsensor, ein auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt beruhender Sensor (AMR-Sensor) o. Ä. sein. Die Leistung für das Steuerungssystem 128 und die Umrichterschaltung 122 kann von einer externen oder sekundären Antriebsquelle geliefert werden, wie etwa von einer nicht gezeigten Batterie, von einer Restspannung, die in einem Kondensator 138 der gemeinsamen Sammelleitung 120 gespeichert ist, oder von irgendeiner anderen geeigneten strombegrenzten Gleichstromversorgung.
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Der Controller 130 von 2 kann unter Verwendung eines oder mehrerer Elemente aus einem Prozessor, einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller, einem elektronischen Steuerungsmodul (ECM: Electronic Control Module (engl.)), einer elektronischen Steuereinheit (ECU: Electronic Control Unit (engl.)) oder anderer geeigneter Mittel, um das elektrische Antriebssystem 104 mit einer elektronischen Steuerung zu versehen, implementiert sein. Unter anderem kann der Controller 130 dafür konfiguriert sein, das elektrische Antriebssystem 104 entsprechend einem vorher festgelegten Algorithmus oder einer Reihe von Anweisungen zu betreiben, der/die dafür konzipiert ist/sind, Verschleiß der Wicklungsisolierung jedes Phasenzweigs des Motors 110 aktiv zu verhindern oder zumindest zu reduzieren, beispielsweise am Ende einer Schaltperiode oder eines Grundzyklus, bei Erreichen einer Strom-Sollschwelle oder wenn der Strombedarf für einen bestimmten Phasenzweig zunimmt oder abnimmt. Insbesondere kann der Controller 130 dafür konfiguriert sein, durch Verwirklichen einer Verweilzeit während des Schaltens der Schalter 132 pro Phasenzweig eine Nullspannungsschleife zu erzwingen. Solche Algorithmen können auf vordefinierte und feste Verweilzeitwerte und/oder auf Verweilzeitwerte, die entsprechend vorprogrammierter Steuerungskennfelder, Verweistabellen o. Ä. variabel sind, verweisen, die dem Controller 130 das für die gegebenen Betriebsbedingungen und Parameter des Motors 110 und der Maschine 100 optimale Steuerungsschema vorschlagen können. Solche Algorithmen oder Listen von Anweisungen und bedingten Ausdrücken können vorprogrammiert oder in einem Speicher enthalten sein, auf den der Controller 130 durch allgemein bekannte Mittel Zugriff hat.
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Außerdem können die jeweiligen unbearbeiteten Befehle oder Befehlssignale zum Treiben der Schalter 132 entsprechend dem speziellen Schalter 132, der gesteuert wird, variieren. Zum Beispiel können die unbearbeiteten Befehlssignale, die normalerweise den oberen Schalter 132 eines Phasenzweigs treiben, von dem unbearbeiteten Befehlssignalen, die normalerweise den unteren Schalter 132 dieses Phasenzweigs treiben, verschieden sein. Der Controller 130 kann demnach mit einem Algorithmus zum Erzwingen einer Nullspannungsschleife konfiguriert sein, die dafür ausgelegt ist, solche Unterschiede während des Betriebs zu berücksichtigen und die Verweilzeit in der Nullspannungsschleife je nach Erfordernis in geeigneter Weise anzupassen. Beispielsweise kann, wenn eine Nullspannungsschleife erst einmal ausgelöst worden ist, die Zeitdauer, die erforderlich ist, um die Nullspannungsschleife zu erzwingen, auf der Grundlage bekannter Unterschiede zwischen den unbearbeiteten Befehlssignalen für die verschiedenen Schalter 132 in einem gegebenen Phasenzweig verringert, eliminiert oder anderweitig modifiziert werden.
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Nun zu 3: Die Umrichterschaltung 122 kann beispielsweise derart gestaltet sein, dass die Induktionsspule 140, die der Wicklungsisolierung in jedem Phasenzweig 142 des Motors 110 entspricht, im Wesentlichen zwischen dem entsprechenden ersten Schalter 132-1 und dem entsprechenden zweiten Schalter 132-2 angeordnet ist. Darüber hinaus kann die Umrichterschaltung 122 in solch einer Art gestaltet sein und betrieben werden, in der jeder der Schalter 132 in jedem Phasenzweig 142 auf der Grundlage des Strombedarfs des Motors 110 und des elektrischen Antriebssystems 104 und entsprechend den jeweiligen unbearbeiteten Befehlssignalen vom Controller 130 wahlweise zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umgeschaltet bzw. betätigt wird. Zwar sind auch andere Ausgestaltungen möglich, doch in einer Konfiguration kann der erste Zustand einem elektrisch geschlossenen oder EIN-geschalteten Zustand entsprechen, in dem Strom durch den Schalter 132 fließen kann, während der zweite Zustand einem elektrisch offenen oder AUS-geschalteten Zustand entsprechend kann, in dem ein Stromfluss durch den Schalter 132 unterbunden ist. Außerdem, wenn die Schaltperiode oder der Grundzyklus für einen gegebenen Phasenzweig 142 endet, können bei Erreichen einer Strom-Sollschwelle oder wenn es eine sonstige hinreichende Abnahme des Strombedarfs gibt, beide Schalter 132 des Phasenzweigs 142 in den zweiten oder AUS-geschalteten Zustand geschaltet werden. Entsprechend können, wenn die Schaltperiode oder der Grundzyklus für einen gegebenen Phasenzweig 142 beginnt, bei Erreichen einer Strom-Sollschwelle oder wenn es eine sonstige hinreichende Zunahme des Strombedarfs gibt, beide Schalter 132 des Phasenzweigs 142 in den ersten oder EIN-geschalteten Zustand geschaltet werden.
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Wie in 4 bis 7 gezeigt können herkömmliche Schemata beide Schalter 132 im Wesentlichen gleichzeitig und am Ende oder zu Beginn einer gegebenen Schaltperiode oder eines gegebenen Grundzyklus, bei Erreichen einer Strom-Sollschwelle oder bei einer Änderung des Strombedarfs oder an irgendeinem anderen Hochspannungsübergangspunkt 144 schalten und dadurch möglicherweise die zugehörige Wicklungsisolierung 140 des Motors 110 erheblichen Spannungsschwankungen aussetzen. Herkömmliche Schaltschemata können Motorwicklungen 140 beispielsweise Spannungsunterschieden von ungefähr dem doppelten Betrag der Versorgungsspannung in der gemeinsamen Sammelleitung 120 aussetzen. Um ein solches Ausgesetztsein zu reduzieren und dazu beizutragen, einen übermäßigen Verschleiß der Wicklungsisolierung 140 bei solchen Hochspannungsübergangspunkten 144 zu vermeiden, kann die Umrichterschaltung 122 der vorliegenden Offenbarung in einer Art betrieben werden, die zwischen den entsprechenden Schaltvorgängen der Schalter 132 eine Verweilzeit 146 zur Anwendung bringt, wie in 4 bis 7 gezeigt. Zwar kann es noch weitere Konfigurationen geben, doch insbesondere kann die Verweilzeit 146 oder Nullspannungsschleife bei einem oberen Schalter 132-1 eines gegebenen Phasenzweigs 142, bei einem unteren Schalter 132-2 eines gegebenen Phasenzweigs 142, am Ende einer Schaltperiode, zu Beginn einer Schaltperiode oder irgendeiner Kombination davon erzwungen werden, wie überdies in 4 bis 7 gezeigt.
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Wie in 4 und 5 gezeigt, kann die Nullspannungsschleife am Ende einer Schaltperiode oder wenn ein zu erwartender Hochspannungsübergangspunkt 144 ein Ausschalten oder Schalten vom EIN-Zustand in den AUS-Zustand der Schalter 132 eines gegebenen Phasenzweigs 142 erfordert erzwungen werden. In 4, beispielsweise, kann das Schalten des unteren Schalters 132-2 eines gegebenen Phasenzweigs 142 in Bezug auf das Schalten des entsprechenden oberen Schalters 132-1 verzögert werden, nämlich durch eine vorkonfigurierte feste oder variable Dauer ∆t am Ende der Schaltperiode oder Hochspannungsübergangspunkt 144. Ebenso kann das Schalten des oberen Schalters 132-1 eines gegebenen Phasenzweigs 142 in Bezug auf das Schalten des entsprechenden unteren Schalters 132-2 verzögert werden, wie in 5 gezeigt, nämlich durch eine vorkonfigurierte feste oder variable Dauer ∆t am Ende der Schaltperiode oder Hochspannungsübergangspunkt 144. Darüber hinaus kann in 4 und 5 die Nullspannungsschleife durch Integrieren einer Verweilzeit 146 in das unbearbeitete Befehlssignal für nur einen der beiden Schalter 132 erzwungen werden, derart, dass das unbearbeitete Befehlssignal für den verbleibenden der Schalter 132 unverändert gelassen wird und den Schalter ungefähr am Hochspannungsübergangspunkt 144 ausschaltet. Bei anderen Abwandlungen kann die Nullspannungsschleife jedoch unter Verwendung der unbearbeiteten Befehlssignale für beide Schalter 132 koordiniert werden, derart, dass eine Verweilzeit 146 eingefügt wird, die zumindest teilweise mit dem zu erwartenden Hochspannungsübergangspunkt 144 übereinstimmt.
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Außerdem kann, wie in 6 und 7 gezeigt, die Nullspannungsschleife zu Beginn einer Schaltperiode oder wenn ein zu erwartender Hochspannungsübergangspunkt 144 ein Einschalten oder Schalten vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand beider Schalter 132 eines gegebenen Phasenzweigs 142 erfordert, erzwungen werden. In 6, beispielsweise, kann das Schalten des oberen Schalters 132-1 eines gegebenen Phasenzweigs 142 in Bezug auf das Schalten des entsprechenden unteren Schalters 132-2 durch eine vorkonfigurierte feste oder variable Dauer ∆t zu Beginn der Schaltperiode oder des Hochspannungsübergangspunkts 144 verzögert werden. Ebenso kann, wie in 7 gezeigt, das Schalten des unteren Schalters 132-2 eines gegebenen Phasenzweigs 142 in Bezug auf das Schalten des entsprechenden oberen Schalters 132-1 durch eine vorkonfigurierte feste oder variable Dauer ∆t zu Beginn der Schaltperiode oder des Hochspannungsübergangspunkts 144 verzögert werden. Wie in vorhergehenden Ausführungsformen kann die Nullspannungsschleife in 6 und 7 durch Integrieren einer Verweilzeit 146 in das unbearbeitete Befehlssignal für nur einen der beiden Schalter 132 erzwungen werden, derart, dass das unbearbeitete Befehlssignal für den verbleibenden der Schalter 132 unverändert gelassen wird und den verbleibenden Schalter 132 ungefähr am Hochspannungsübergangspunkt 144 einschaltet. Bei anderen Abwandlungen kann die Nullspannungsschleife jedoch unter Verwendung der unbearbeiteten Befehlssignale für beide Schalter 132 koordiniert werden, derart, dass eine Verweilzeit 146 eingefügt wird, die zumindest teilweise mit dem zu erwartenden Hochspannungsübergangspunkt 144 übereinstimmt.
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Durch Erzwingen einer Nullspannungsschleife, wie in jeder der Ausführungsformen von 4 bis 7 gezeigt, kann das elektrische Antriebssystem 104 imstande sein, die Spannungsschwankungen und die entsprechende Stromstärke, der die Wicklungsisolierung 140 ausgesetzt sind, aktiv zu verringern und den Gesamtverschleiß der Wicklungsisolierung zu reduzieren. Beispielsweise können die Schalter 132 derart geschaltet werden, dass die Wicklungsisolierung 140 zunächst nur einem Spannungsabfall von VDC ausgesetzt wird, zeitweilig, für eine Dauer von ∆t, auf 0 VDC gehalten wird und daran anschließend der übrigen Spannung VDC ausgesetzt wird, anstatt der gesamten Spannung 2 VDC auf einmal ausgesetzt zu werden. In 4 kann die Dauer ∆t der Verweilzeit 146 so festgelegt sein, dass sie ungefähr zwischen 2 µs und 4 µs liegt, obwohl auch andere Verweilzeiten möglich sind.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 8 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Algorithmus oder Verfahrens 148 dargeboten, durch welches der Controller 130 so konfiguriert werden kann, dass er das elektrische Antriebssystem 104 betreibt. Entsprechend der Darstellung kann der Controller 130 zunächst dafür konfiguriert sein, dass er im Schritt 148-1 den Grundzyklus oder, wie ggf. in einigen Situationen oder Betriebsarten erforderlich, die Schaltperiode pro Phasenzweig 142 des Motors 110 bestimmt und/oder überwacht. Außerdem kann der Controller 130 dafür konfiguriert sein, dass er einen Stromsollwert im Vergleich mit einer vordefinierten Strom-Sollschwelle o. Ä. überwacht. Der Controller 130 kann dafür konfiguriert sein, im Schritt 148-2 auf der Grundlage der Schaltperiode, des Grundzyklus oder der Strom-Sollschwelle zu bestimmen, für wann ein Hochspannungsübergangspunkt 144 erwartet wird oder vorausberechnet ist. Der Controller 130 kann dafür konfiguriert sein, einen Hochspannungsübergangspunkt 144, wie beispielsweise in 4 und 5 gezeigt, ungefähr am Ende einer Schaltperiode oder wenn es eine wesentliche Abnahme des Strombedarfs gibt und bei Übergängen der Sammelleitungsspannung von einer positiven Gleichspannung zu einer negativen Gleichspannung aufzufinden. Der Controller 130 kann auch dafür konfiguriert sein, einen Hochspannungsübergangspunkt 144, wie beispielsweise in 6 und 7 gezeigt, ungefähr zu Beginn einer Schaltperiode oder wenn es eine wesentliche Zunahme des Strombedarfs gibt und bei Übergängen der Sammelleitungsspannung von einer negativen Gleichspannung zu einer positiven Gleichspannung aufzufinden.
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Wenn die Schaltperiode keinen solchen Hochspannungsübergangspunkt 144 erkennen lässt, kann der Controller 130 bei den Schritten 148-1 und 148-2 bleiben und mittels entsprechender unbearbeiteter Steuersignale einen normalen Betrieb der Schalter 132 in dem gegebenen Phasenzweig 142 fortsetzen. Bei anderen Ausgestaltungen kann der Controller 130 dafür konfiguriert sein, auch dann die Nullspannungsschleife zu umgehen und den normalen Betrieb fortzusetzen, wenn die Schaltperiode einen Hochspannungsübergangspunkt 144 erkennen lässt. Beispielsweise kann der Controller 130 dafür konfiguriert sein, dass er, wenn die Schaltperiode einen Hochspannungsübergangspunkt 144 erkennen lässt, aber noch eine Nullspannungsschleife von einer früheren Iteration wirksam ist, dann zu den Schritten 148-1 und 148-2 zurückspringt. Bei nochmals weiteren Abwandlungen kann der Controller 130 nicht nur dafür eingerichtet sein, zu beurteilen, ob eine Nullspannungsschleife erzwungen werden sollte, sondern auch dafür zu beurteilen, ob eine vorhandene oder schon wirksame Nullspannungsschleife erweitert werden sollte. Der Controller 130 kann dafür konfiguriert sein, dass er, wenn während des Schritts 148-2 irgendeines oder mehrere Elemente aus Schaltperiode, Grundzyklus und Stromsollwert einen Hochspannungsübergangspunkt 144 erkennen lassen und nicht schon eine Nullspannungsschleife wirksam ist oder wenn eine schon vorhandene Nullspannungsschleife erweitert werden sollte, dann zum Schritt 148-3 übergeht und eine vordefinierte Verweilzeit 146 bestimmt oder erzwingt. Der Controller 130 kann, beispielsweise, wie in 4 bis 7 gezeigt, dafür konfiguriert sein, eine Nullspannungsschleife zu erzwingen oder allgemein den Spannungsabfall über der Wicklungsisolierung 140 eines gegebenen Phasenzweigs 142 für eine Verweilzeit 146 der Dauer ∆t anzuhalten, die ferner als eine Dauer ∆t von ungefähr zwischen 2 µs und 4 µs aufweisend definiert sein kann.
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Gemäß dem Schritt 148-4 des Verfahrens 148 von 8 kann der Controller 130 die Nullspannungsschleife erzwingen, indem er ungefähr am Hochspannungsübergangspunkt 144 einen der zwei Schalter 132 des Phasenzweigs 142 aus einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand schaltet. Der Controller 130 kann derart konfiguriert sein, dass er nach Ablauf der Verweilzeit 146 oder nach der Dauer ∆t im Schritt 148-5 den verbleibenden der beiden Schalter 132 des Phasenzweigs 142 ebenfalls aus einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand schaltet. In einer möglichen Ausgestaltung, wie beispielsweise in 4 gezeigt, kann der Controller 130 im Schritt 148-4 den oberen Schalter 132-1 als ersten Schalter der Phase A des Motors 110 ungefähr am Hochspannungsübergangspunkt 144 aus einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand schalten, während der untere Schalter 132-2, der als zweiter Schalter der Phase A geschaltet wird, für die Dauer einer Verweilzeit 146 im EIN-Zustand gehalten werden kann. Nach einer Dauer ∆t kann dann der Controller 130 im Schritt 148-5 den zweiten oder unteren Schalter 132-2 der Phase A ebenfalls aus dem EIN-Zustand in den AUS-Zustand schalten, sodass die Wicklungsisolierung 140 über der Verweilzeit 146 im Grunde genommen zwei kleineren Teilbeträgen VDC der Spannungsschwankungen und eben nicht einer im Wesentlichen unmittelbaren Spannungsschwankung mit einem Betrag von ungefähr 2 VDC ausgesetzt wird. Die Verweilzeit 146 kann ein fester Wert sein, der in einem Speicher vorprogrammiert ist, auf den der Controller 130 zugreifen kann, oder alternativ ein Wert, der aufgrund von einer oder mehreren Betriebsbedingungen oder Parametern der Maschine 100 entsprechend einer oder mehrerer vorprogrammierter Beziehungen veränderlich ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung, wie beispielsweise in 5 gezeigt, kann der Controller 130 im Schritt 148-4 den unteren Schalter 132-2 als ersten Schalter der Phase A ungefähr am Hochspannungsübergangspunkt 144 aus einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand schalten, während der obere Schalter 132-1, der als zweiter Schalter der Phase A geschaltet wird, für die Dauer einer Verweilzeit 146 im EIN-Zustand gehalten werden kann. Nach einer Dauer ∆t kann dann der Controller 130 den zweiten oder oberen Schalter 132-1 der Phase A ebenfalls aus dem EIN-Zustand in den AUS-Zustand schalten, sodass die Wicklungsisolierung 140 über der Verweilzeit 146 im Grunde genommen zwei kleineren Teilbeträgen VDC der Spannungsschwankungen und eben nicht einer im Wesentlichen unmittelbaren Spannungsschwankung mit einem Betrag von ungefähr 2 VDC ausgesetzt wird.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung oder wenn der Controller 130 dafür konfiguriert ist, dass er im Schritt 148-2 einen Hochspannungsübergangspunkt 144 identifiziert, der einer Zunahme des Strombedarfs entspricht, wie beispielsweise in 6 gezeigt, kann der Controller 130 im Schritt 148-4 den unteren Schalter 132-2 als ersten Schalter der Phase A ungefähr am Hochspannungsübergangspunkt 144 zu Beginn einer Schaltperiode aus einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand schalten, während der obere Schalter 132-1, der als zweiter Schalter der Phase A geschaltet wird, für die Dauer einer Verweilzeit 146 im AUS-Zustand gehalten werden kann. Nach einer Dauer ∆t kann dann der Controller 130 im Schritt 148-5 den zweiten oder oberen Schalter 132-1 der Phase A ebenfalls aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand schalten, sodass die Wicklungsisolierung 140 über der Verweilzeit 146 im Grunde genommen zwei kleineren Teilbeträgen VDC der Spannungsschwankungen und eben nicht einer im Wesentlichen unmittelbaren Spannungsschwankung mit einem Betrag von ungefähr 2 VDC ausgesetzt wird.
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Bei noch einer weiteren Alternative, wie beispielsweise in 7 gezeigt, kann der Controller 130 im Schritt 148-4 den oberen Schalter 132-1 als ersten Schalter der Phase A ungefähr am Hochspannungsübergangspunkt 144 zu Beginn einer Schaltperiode aus einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand schalten, während der untere Schalter 132-2, der als zweiter Schalter der Phase A geschaltet wird, für die Dauer einer Verweilzeit 146 im AUS-Zustand gehalten werden kann. Nach einer Dauer ∆t kann dann der Controller 130 im Schritt 148-5 den zweiten oder unteren Schalter 132-2 der Phase A ebenfalls aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand schalten, sodass die Wicklungsisolierung 140 über der Verweilzeit 146 im Grunde genommen zwei kleineren Teilbeträgen VDC der Spannungsschwankungen und eben nicht einer im Wesentlichen unmittelbaren Spannungsschwankung mit einem Betrag von ungefähr 2 VDC ausgesetzt wird.
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Es versteht sich, dass andere Arten oder Konfigurationen der erzwungenen Nullspannungsschleifen-Verfahren und -Systemen möglich sind und für den Fachmann offensichtlich sein werden, ohne vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzukommen. Zum Beispiel kann die erzwungene Nullspannungsschleife auch an verschiedenen Übergangspunkten der Schaltperiode oder des Grundzyklus oder zwischen verschiedenen Schaltzuständen, wie etwa bei einem Schalten beider Schalter aus einem AUS-Schaltzustand in einen EIN-Schaltzustand mit einer Verweilzeit dazwischen, implementiert werden. Bei anderen Abwandlungen kann die Verweilzeit auch so implementiert sein, dass sie dem Hochspannungsübergangspunkt vollständig vorausgeht, beispielsweise derart, dass ein erster Schaltübergang vor dem Hochspannungsübergangspunkt und ein zweiter Schaltübergang am Hochspannungsübergangspunkt nach Ablauf der Verweilzeit erfolgt. Bei weiteren Alternativen kann die Verweilzeit derart implementiert sein, dass der Hochspannungsübergangspunkt irgendwohin in den Bereich fällt, der als Verweilzeit bezeichnet ist, solange das Schalten der Schalter einer gegebenen Phase durch die Dauer ∆t getrennt ist. Bei nochmals weiteren Alternativen kann die erzwungene Nullspannungsschleife bei anderen Konfigurationen eines elektrischen Antriebssystems implementiert sein, wie etwa bei Antriebssystemen, die andere Schalterkonfigurationen pro Phase verwenden, Antriebssystemen, die Motoren mit anderen Phasenkonfigurationen aufweisen u. Ä.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Im Allgemeinen findet die vorstehende Offenbarung bei verschiedenen gewerblichen Anwendungen wie etwa in der Landwirtschaft, im Bauwesen und im Bergbau Verwendung, um eine laufruhigere und effizientere Steuerung von Elektromotoren zu ermöglichen, die typisch in Verbindung mit Arbeitsfahrzeugen und/oder -maschinen wie etwa Zugmaschinen, Baggerladern, Verdichtungsgeräten, Holzfäll- und Stapelungsmaschinen, Forstmaschinen, Ladern für Industrieanwendungen, Kompaktladern, Radladern u. Ä. verwendet werden. Genauer gesagt können die offenbarten Steuerungssysteme und -verfahren auf elektrische Antriebssysteme und Maschinen mit geschalteten Reluktanzmotoren oder anderen vergleichbaren Motoren, die im Fachgebiet üblich sind, angewendet werden.
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Mit den hier offenbarten Systemen und Verfahren wird eine Strategie für Antriebselektromotoren bereitgestellt, die dazu beiträgt, die Betriebsbereitschaft des Motors eines zugehörigen elektrischen Antriebssystems zu bewahren. Darüber hinaus wird eine erzwungene Nullspannungsschleife zum Betreiben geschalteter Reluktanzmotoren während Hochspannungsübergängen, beispielsweise wenn der Strombedarf am Ende einer Schaltperiode abrupt abnimmt oder zu Beginn einer Schaltperiode zunimmt, implementiert. Die vorliegende Offenbarung dient insbesondere durch Anwenden einer Verweilzeit zwischen den Schaltvorgängen der Schalter pro Phasenzweig des Motors bei solchen Hochspannungsübergangspunkten dazu zu verhindern, dass die Wicklungsisolierung unmittelbaren und im sehr hohen Spannungsschwankungen oder hohen Stromstärken ausgesetzt wird, oder diese zumindest zu verringern.
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Aus dem Vorangegangenen wird deutlich, dass lediglich einige Ausführungsformen zwecks Veranschaulichung dargestellt wurden, dem Fachmann jedoch aus der vorstehenden Beschreibung Alternativen und Abwandlungen offensichtlich sind. Diese und weitere Alternativen werden als Äquivalente und innerhalb des Gedankens und Schutzbereichs dieser Offenbarung und der beigefügten Ansprüche angesehen.
