DE19928106C1

DE19928106C1 - Electrical generator/motor system e.g. combined generator and engine starter motor, has associated multi-phase current rectifier bridge circuits used for series-parallel switching of multi-phase winding systems

Info

Publication number: DE19928106C1
Application number: DE1999128106
Authority: DE
Inventors: Roland Bluemel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-06-19
Filing date: 1999-06-19
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2019-06-20

Abstract

The generator/motor system has at least 2 galvanically-separated multi-phase winding systems (1,2) and associated multi-phase current rectifier bridge circuits, used for rectification in the generator operating mode and for DC/AC voltage conversion in the motor operating mode, which are controlled to provide series-parallel switching of the winding systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Generator/Motor- System, welches insbesondere zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen u. dgl. bestimmt ist, um so den Starter für das Anlassen der Brennkraftmaschine und den Generator für die Speisung des Bordnetzes in einer einzigen elektrischen Maschine zu vereinigen.The invention relates to an electric generator / motor System which is particularly suitable for use with Motor vehicles and Like. Is determined so that the starter for Starting the engine and the generator for that Power supply to the electrical system in a single electrical system Unite machine.

Ein bekanntes elektrisches Generator/Motor-System (EP 406 182 A1), von dem der Anspruch 1 in seinem Oberbegriff ausgeht, umfaßt neben einem einzigen dreiphasigen Wicklungssystem in Sternschaltung den einzelnen Phasenwicklungen zugeordnete Brückenschaltungen, deren jeweilige Zweige aus der Parallelschaltung einer Gleichrichterdiode und eines gesteuerten Inverters bestehen. Ferner ist zum Anschluß der mehrphasigen Brückenschaltung an die fahrzeugeigene Batterie ein dazwischengeschalteter Tiefsetz/Hochsetzsteller nach Art eines DC/DC-Wandlers vorgesehen, der im Generatorbetrieb die hohe erzeugte Ausgangsspannung auf Batterieniveau reduziert.A known electrical generator / motor system (EP 406 182 A1), of which the Claim 1 starts in its preamble, includes a single three-phase winding system in star connection bridge circuits assigned to the individual phase windings, whose respective branches from the parallel connection one Rectifier diode and a controlled inverter exist. It is also connected to the multi-phase bridge circuit the vehicle's battery is an intermediate one Step-down / step-up converter in the manner of a DC / DC converter provided that generated the high in generator operation Output voltage reduced to battery level.

Nur durch diesen DC/DC-Wandler ist es möglich, die Zwischenkreisänderung auf den für den jeweiligen Betriebszustand (Generator oder Motor) günstigsten Wert anzupassen. Der für solche Systeme mit freilaufender Generatorspannung unbedingt notwendige DC/DC-Wandler muß ferner auf die Nennleistung des Systems ausgelegt werden, was einen enormen Bedarf an zusätzlicher Leistungselektronik bedeutet. Schon aus diesem Grunde ist diese Lösung problematisch. It is only through this DC / DC converter that it is possible DC link change to that for the respective Operating state (generator or engine) most favorable value adapt. The one for such systems with free running Generator voltage must have the necessary DC / DC converter can also be designed for the nominal power of the system, what an enormous need for additional power electronics means. For this reason alone, this solution problematic.

Grundsätzlich problematisch ist bei solchen Kombinationsmaschinen, die gleichzeitig den Starter und Generator bei einem Kraftfahrzeug bilden, ferner der Umstand, daß hier zwei durchaus gegenläufigen Forderungen entsprochen werden muß, die bereits beim Grobentwurf einer solchen Maschine große Probleme bereiten und die auch bei diesem aus der EP 0 406 182 A1 bekannten Generator/Motor-System auftreten.Basically problematic with such Combination machines that are the starter and Form generator in a motor vehicle, furthermore the fact that two completely opposite demands were met here must already be in the rough draft of such Machine cause great problems and this also from this the generator / motor system known from EP 0 406 182 A1 occur.

Zum einen muß zum Starten eines Verbrennungsmotors ein besonders hohes Losbrechmoment aufgebracht werden, welches je nach Hubraum bzw. Zylinderzahl und Typ der Brennkraftmaschine (Otto-Motor oder Dieselmotor), nicht zuletzt aber auch bei entsprechend tiefen Temperaturen stark variieren kann, wobei darüber hinaus noch Drehmomentreserven für die Beschleunigung der Brennkraftmaschine auf Startdrehzahl aufgebracht werden müssen.Firstly, to start an internal combustion engine particularly high breakaway torque are applied, which ever by cubic capacity or number of cylinders and type of internal combustion engine (Otto engine or diesel engine), but not least also at can vary greatly according to low temperatures, whereby furthermore torque reserves for acceleration the internal combustion engine are applied to the starting speed have to.

Zum anderen soll nach erfolgreichem Start der Brennkraftmaschine die als Starter/Generator konzipierte elektrische Maschine als Generator arbeiten, um in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs einzuspeisen. Dabei ergibt sich die Forderung nach möglichst konstanter Leistungsabgabe über dem von der Brennkraftmaschine vorgegebenen, üblicherweise stark gespreizten Drehzahlbereich von beispielsweise 600 bis 6000 min^-1 bei möglichst hohem Wirkungsgrad.On the other hand, after the internal combustion engine has started successfully, the electrical machine designed as a starter / generator should work as a generator in order to feed into the vehicle electrical system. In this case, the requirement is usually strongly splayed speed range, for example 600 gives, after constant as possible power output is above the predetermined of the internal combustion engine up to 6000 min ^-1 at the highest possible efficiency.

Schon diese beide Forderungen lassen sich mit einem Standardantrieb, beispielsweise bestehend aus dreiständiger Drehfeldmaschine und spannungseinprägendem Pulswechselrichter in Drehstrombrückenschaltung wirtschaftlich nur schwer darstellen. Wird eine solche elektrische Kombinationsmaschine auf Drehmoment ausgelegt, enthalten die Statorspulen relativ viele Windungen. Dies ergibt einen relativ hohen Strombelag A und bei Sättigungsinduktion B im Luftspalt einen relativ hohen Drehschub σ = B . A. Damit ist die Maschine aber bereits bei mittleren Drehzahln in der Leistungsabgabe limitiert. Der Feldschwächbetrieb beginnt aufgrund der vielen Windungen relativ früh, um genügend Stellreserve für den Pulswechselrichter zur Verfügung zu haben.These two requirements can be met with one Standard drive, for example consisting of three-stage Induction machine and voltage-impressing pulse inverter in three-phase bridge circuit economically difficult represent. Such an electric combination machine Designed for torque, the stator coils contain relatively many turns. This results in a relatively high current coverage A. and with saturation induction B in the air gap a relatively high one Torsional thrust σ = B. A. But the machine is already at medium speeds in the power output limited. The Field weakening operation begins due to the many turns relatively early to have enough reserve space for the To have pulse inverters available.

Wird die Maschine auf Generatorleistung ausgelegt, ist die Windungszahl entsprechend geringer. Dies läßt jedoch die zur Generierung des Startdrehmoments notwendigen Phasenströme der Maschine entsprechend anwachsen. Ein besonderes Problem liegt folglich in der Baugröße des Pulswechselrichters, welcher die Ströme dauerhaft beherrschen muß. Weiterhin wird die Batterie wesentlich stärker belastet. Sie muß in der Lage sein, die erforderlichen Zwischenkreisströme beim Starten einzuspeisen.If the machine is designed for generator power, that is Number of turns correspondingly lower. However, this leaves the Generation of the starting torque necessary phase currents Grow the machine accordingly. There is a particular problem consequently in the size of the pulse inverter, which the Must master currents permanently. The battery continues much more stressed. You must be able to supply the necessary intermediate circuit currents when starting.

Ferner ergibt sich in diesem Zusammenhang allein für den Generatorbetrieb noch das gesonderte Problem, auch im Leerlauf eine hinreichende elektrische Leistung zu erzeugen, also die sogenannte Angehdrehzahl oder Einsatzdrehzahl der Lichtmaschine so weit wie möglich in den Bereich niedriger Drehzahlen zu verlegen. Hierdurch ergibt sich allerdings eine Begrenzung der Leistungsabgabe bei höheren Drehzahlen, weil sich zwar theoretisch ein entsprechender Leistungsüberschuß einstellt, der jedoch wegen der auf etwa 14 V festgeklemmten Bordnetzspannung nicht ausnutzbar ist. Solchen Generatorproblemen wird in bekannter Weise allgemein dadurch begegnet, daß man Wicklungsumschaltungen bei Kraftfahrzeuggeneratoren in der Weise vornimmt, daß drehzahlabhängig zwischen einer Sternschaltung und einer Dreiecksschaltung der Phasenwicklungen des Wicklungssystems umgeschaltet wird, wobei bei der Sternschaltung die abgegebene Generatorspannung um den Faktor √3 größer ist als bei der Dreieckschaltung, so daß sich die Sternschaltung für den Einsatz bei niedrigen Drehzahlen besser eignet. Eine zusammenfassende Darstellung dieser durch die Wicklungsumschaltung gegebenen Möglichkeiten läßt sich beispielsweise dem Aufsatz "Leistungssteigerung von Kfz- Generatoren durch Wicklungsumschaltung" von R. Blümel und W. Dinser, veröffentlicht auf der Tagung "Innovative Fahrzeugantriebe" am 22./23.10.1998 in Dresden entnehmen.Furthermore, in this context only for the Generator operation still the separate problem, even when idling to generate sufficient electrical power, i.e. the so-called starting speed or operating speed of the Alternator as low as possible in the area To lay speeds. However, this results in a Limitation of power output at higher speeds because theoretically there is a corresponding surplus in performance sets, however, because of the clamped to about 14 V. On-board electrical system voltage cannot be used. Such Generator problems are generally known in this way encountered that one at winding changes Motor vehicle generators in such a way that speed-dependent between a star connection and one Delta connection of the phase windings of the winding system is switched over, with the star connection the output Generator voltage is larger by a factor of √3 than that of the Delta connection, so that the star connection for the Use better at low speeds. A summary representation of this by the Winding switchover given possibilities can be for example the essay "Increase in performance of motor vehicle Generators by winding changeover "by R. Blümel and W. Dinser, published at the conference "Innovative Vehicle drives "on October 22/23, 1998 in Dresden.

Ferner ist es auch bekannt (DE 197 33 208 C1), zwei Halbwicklungen einer Drehstromlichtmaschine vorzusehen, mit jeweils eigenen, an die einzelnen Phasenstränge angeschlossenen Brückengleichrichtern, wobei jeder Ausgang einer Halbwicklung über die Schaltstrecken zweier schaltbarer Elemente, üblicherweise Thyristoren, mit jeweils zwei Ausgängen der anderen Halbwicklung verbindbar ist, wodurch die beiden Halbwicklungen bei durchgeschalteten Schaltstrecken der beiden Thyristoren elektrisch in Reihe geschaltet sind. Auch hierdurch läßt sich eine Umschaltung zwischen einer Serienschaltung und einer Parallelschaltung mit einer entsprechenden Anpassung und Wirkungsgradverbesserung an die starke Drehzahlspreizung bei Brennkraftmaschinen erreichen.It is also known (DE 197 33 208 C1), two To provide half-windings of an alternator with each own, to the individual phase strands connected bridge rectifiers, each output a half winding over the switching paths of two switchable Elements, usually thyristors, with two each Outputs of the other half-winding is connectable, so that two half-windings when the switching paths are switched through two thyristors are electrically connected in series. Also this allows a switch between one Series connection and a parallel connection with one corresponding adjustment and efficiency improvement to the achieve strong speed spread in internal combustion engines.

Allgemein ist für Wechselrichter (DE 42 06 263 C2) oder Leistungswandler (EP 630 099 A1) der Einsatz sogenannter pulsbreitenmodulierter Three-Level-Converter, beispielsweise "Diode Clamp 3-Level-Converter" bekannt, wobei bei dem Steuersatz für pulsbreitenmodulierte Dreipunktwechselrichter nach der DE 42 06 263 C2 jedem gesteuerten Thyristor noch eine Gleichrichterdiode antiparallel geschaltet ist, während der Leistungswandler bei der EP 630 099 A1 Phasenmodulatoren und Komparatoren umfaßt, über die die Thyristoren der einzelnen Dreipunktwechselrichterbrücken so angesteuert werden, daß die Ladungen auf den beiden gesplitteten Zwischenkreiskondensatoren möglichst gleichmäßig aufgeteilt werden. Es sind dabei sechs miteinander in Form einer Sternschaltung verkettete Phasenwicklungen vorgesehen, die die Last bilden.General is for inverters (DE 42 06 263 C2) or Power converter (EP 630 099 A1) the use of so-called pulse-width-modulated three-level converter, for example "Diode Clamp 3-Level-Converter" known, with which Tax rate for pulse width modulated three-point inverters according to DE 42 06 263 C2 each controlled thyristor one more Rectifier diode is connected anti-parallel, during the Power converter in the EP 630 099 A1 phase modulators and Includes comparators through which the thyristors of each Three-point inverter bridges are controlled so that the Charges on the two split DC link capacitors divided as evenly as possible become. There are six in the form of one Star connection chained phase windings provided that the Form a load.

In diesem Zusammenhang ist auch noch auf einen Aufsatz von Steinke "Grundlagen für die Entwicklung eines Steuerverfahrens für GTO-Dreipunktwechselrichter für Traktionsantriebe" hinzuweisen, veröffentlicht in etz Archiv Bd. 10 (1988), H. 7, Seite 215 bis 220. Unter einem GTO-Dreipunktwechselrichter ist hier ein sogenannter Gate Turn-Off-Thyristor (GTO) zu verstehen, der für den Dreipunktwechselrichter verwendet wird.In this context, there is also an article by Steinke "Basics for the development of a tax procedure for GTO three-point inverters for traction drives " to point out, published in etz archive vol. 10 (1988), H. 7, Pages 215 to 220. Under a GTO three-point inverter is here a so-called gate turn-off thyristor (GTO) understand that is used for the three-point inverter.

Die Möglichkeit der Erweiterung eines Drehzahlbereichs bei einer spannungsumschaltbaren Maschine ist ferner noch beschrieben in der DE 38 36 662 A1, wobei, im Grundprinzip vergleichbar mit der aus der EP 334 112 A1 bekannten Stromregelung einer pulsumrichtergespeisten Drehfeldmaschine, eine Einzelstrangspeisung mit bidirektionalem Schalter kombiniert wird.The possibility of expanding a speed range at a voltage switchable machine is also still described in DE 38 36 662 A1, whereby, in the basic principle comparable to that known from EP 334 112 A1 Current control of a pulse-converter-fed induction machine, a single line supply with bidirectional switch is combined.

Schließlich läßt sich aus dem Aufsatz "Praktischer Betrieb eines Doppelwechselrichtersystems mit Drehstromsaugdrossel" von Gierse, Schürmann, veröffentlicht in etz, Archiv Bd. 7 (1985), H. 7, Seiten 219 bis 224, 220 die Möglichkeit entnehmen, durch Phasenversatz von mehreren Pulswechselrichtersystemen und zugeordneten Saugdrosseln Harmonische zu eliminieren, d. h. durch geeignetes Phasenschwenken eine Motorstromglättung zu erzielen. Dabei ist die Verwendung von Three-Level-Invertern auch bekannt aus dem Aufsatz von Wu und Steimel "Direct Self Control . . .", veröffentlicht in "IEEE Transactions on Industrial Electronics", Vol. 44, No. 4, August 1997, Seiten 519 bis 527.Finally, the article "Practical Operation of a double inverter system with three-phase inductor " von Gierse, Schürmann, published in etz, archive vol. 7 (1985), H. 7, pages 219 to 224, 220 the possibility remove by phase shift of several Pulse inverter systems and assigned suction chokes Eliminate harmonics, d. H. by suitable phase swiveling to smooth the motor current achieve. Here is the use of three-level inverters also known from the essay by Wu and Steimel "Direct Self Control. . . ", published in" IEEE Transactions on Industrial Electronics ", Vol. 44, No. 4, August 1997, pages 519 to 527.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die sich bei einer Starter/Generator-Kombinationsmaschine ergebenden Probleme zu überwinden und eine wicklungsumschaltbare Maschine mit dazugehöriger Leistungselektronik so auszubilden, daß im Stillstand und im Bereich niedriger Drehzahlen ein doppeltes Moment entwickelt werden kann, ohne daß die vorhandene Batterie doppelt belastet wird (Motorbetrieb), wobei außerdem über den gesamten Drehzahlbereich hinweg annähernd konstante Leistung bei guten Wirkungsgraden abgegeben wird (Generatorbetrieb). The present invention is based on the object yourself with a starter / generator combination machine overcoming problems and a winding switchable machine with associated Train power electronics so that at standstill and in Low torque range developed a double moment can be loaded without double the existing battery is (engine operation), and also over the entire Roughly constant performance with good speeds across the rev range Efficiency is given (generator operation).

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und hat den Vorteil, daß aufgrund der hierdurch möglich gemachten Strukturumschaltung faktisch zwei unterschiedliche Maschinen mit einfacher und doppelter Statorwindungszahl sowie Kombinationen hieraus entstehen. Durch die Darstellbarkeit unterschiedlicher Windungszahlen mit einer einzigen elektrischen Maschine läßt sich daher die Maschinenauslegung sehr viel besser an die beiden gegenläufigen Forderungen eines Stator/Generator-Systems adaptieren.The invention solves this problem with the characterizing Features of claim 1 and has the advantage that due the structural switchover made possible in this way two different machines with single and double Number of stator windings and combinations of them arise. Through the representability of different number of turns with a single electrical machine can therefore Machine design much better on the two contrary requirements of a stator / generator system adapt.

Von Bedeutung ist, daß die im folgenden zu erläuternden Stromrichterschaltungen selbst geführt und gepulst betrieben werden, d. h. in eine vorhandene Steuereinrichtung, die beispielsweise ein Mikroprozessor, ein Einzweckrechner oder dergleichen sein kann und auf die im folgenden nicht weiter eingegangen zu werden braucht, da solche Systeme für sich gesehen bekannt sind, sind entsprechende Pulsverfahren für die Ansteuerung der bei den Schaltungen jeweils vorhandenen schaltbaren Elemente implementiert, gemäß deren Abfolge die Schaltzustände bestimmt sind. Auf solche Pulsverfahren wird im folgenden, soweit erforderlich, auch ausführlich noch eingegangen.It is important that the ones to be explained below Power converter circuits themselves operated and operated in pulsed mode become, d. H. into an existing control device that for example a microprocessor, a single-purpose computer or the like can be and on the following no further needs to be addressed, since such systems by themselves are known, are corresponding pulse methods for the Activation of the existing circuits switchable elements implemented, according to their sequence the Switching states are determined. Such pulse methods are used in the following, if necessary, also in detail received.

Der im folgenden im einzelnen erläuterten umschaltbaren elektrischen Starter/Generator-Kombinationsmaschine mit der den jeweiligen Ausführungsbeispielen zugeordneten Topologie der Leistungselektronik gelingt es daher, die Generatorprobleme bei Drehstromlichtmaschinen, die hauptsächlich auf den stark gespreizten Drehzahlbetrieb vom Leerlauf bis zur Höchstdrehzahl zurückzuführen sind, überzeugend in den Griff zu bekommen durch hohe Stromausbeute im gesamten Drehzahlbereich und gleichzeitig für den Starterbetrieb, also bei insgesamt geringer Drehzahl ein hohes Drehmoment vorzuhalten, bei dennoch moderater Belastung der Batterie. The switchable explained in detail below electric starter / generator combination machine with the the topology assigned to the respective exemplary embodiments power electronics therefore succeeds in Generator problems with alternators that mainly on the widely spread speed operation from Idling up to the maximum speed, Get convincingly under control through high current efficiency in the entire speed range and at the same time for the Starter operation, i.e. a high one at low overall speed Torque available, with moderate load on the Battery.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert bzw. sind als Ausgestaltungen und Weiterbildungen Gegenstand der Merkmale der Unteransprüche.Further advantages and features of the invention are described in Connection with the drawing explained or are as Refinements and developments subject of the features of subclaims.

Die Zeichnung zeigt inThe drawing shows in

Fig. 1 eine Basisversion einer elektrischen Starter/Generator-Maschine mit zwei galvanisch getrennten Wicklungssystemen und zugehöriger Leistungselektronik Fig. 1 shows a basic version of an electric starter / generator machine with two galvanically isolated winding systems and associated power electronics

Fig. 2 ein Raumzeigerdiagramm zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des in Fig. 1 gezeigten Stromrichters; FIG. 2 shows a space vector diagram for a better understanding of the mode of operation of the converter shown in FIG. 1;

Fig. 3 eine erste Variante der Stromrichter-Topologie der Fig. 1, ausschließlich auf der Basis schaltbarer Elemente (Halbleiterschalter); Fig. 3 shows a first variant of the converter topology of Figure 1, switchable exclusively on the basis of elements (semiconductor switches).

Fig. 4 eine zweite Variante mit einer Vereinfachung der in Fig. 3 gezeigten Stromrichter-Topologie; FIG. 4 shows a second variant with a simplification of the converter topology shown in FIG. 3;

Fig. 5 eine weitere Variante der Stromrichter-Topologie der Fig. 4 mit besserer Verteilung der Phasenströme und entsprechender Verlustreduzierung; Fig. 5 shows a further variant of the converter topology of Figure 4 with a better distribution of the phase currents and corresponding loss reduction.

Fig. 6 eine gegenüber der Stromrichter-Topologie der Fig. 1 lediglich geringfügig veränderte Variante durch Modifizierung des zweiten Wicklungssystems im Sinne einer elektrischen Drehung; und schließlich zeigen die FIG. 6 shows a variant which is only slightly changed compared to the converter topology of FIG. 1 by modification of the second winding system in the sense of an electrical rotation; and finally they show

Fig. 7 und 8 Varianten, die sich durch einen geringeren Aufwand an leistungselektronischen Maßnahmen auszeichnen. FIGS. 7 and 8 variants which are distinguished by a lower expenditure of power electronic measures.

Die in Fig. 1 gezeigte Basisversion eines Starter/Generator- Systems umfaßt zunächst zwei galvanisch getrennte Wicklungssysteme 1 und 2, wobei die die einzelnen Phasenwicklungen bildenden Wicklungsstränge mit den normgerechten Bezeichnungen versehen sind, so daß insgesamt sechs galvanisch getrennte Wicklungsstränge vorgesehen sind, nämlich 1U2-1U1, 1V2-1V1, 1W2-1W1 für das. Wicklungssystem 1 und 2U2-2U1, 2V2-2V1, 2W2-2W1 für das Wicklungssystem 2. Die beiden Wicklungssysteme 1 und 2 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Sternschaltung angegeben - für die beiden Systeme können beliebige bekannte Anordnungen verwendet werden in Form von Dreieckschaltungen, Zickzackschaltungen oder auch die hier dargestellte Sternschaltung, was lediglich eine Modifizierung im Ansteuer-Pulsverfahren erforderlich macht, wobei die im folgenden angegebenen Pulsmusterabläufe für die in den Stromrichterbrückenschaltungen eingesetzten schaltbaren Elemente von der in Fig. 1 gezeigten Sternschaltung der im dargestellten Fall zwei Wicklungssysteme ausgehen.The basic version of a starter / generator system shown in FIG. 1 initially comprises two galvanically separated winding systems 1 and 2 , the winding strands forming the individual phase windings being provided with the standards-compliant designations, so that a total of six galvanically separated winding strands are provided, namely 1U2- 1U1, 1V2-1V1, 1W2-1W1 for winding system 1 and 2U2-2U1, 2V2-2V1, 2W2-2W1 for winding system 2 . The two winding systems 1 and 2 are given in the exemplary embodiment shown in a star connection - any known arrangements can be used for the two systems in the form of delta connections, zigzag circuits or the star connection shown here, which only requires a modification in the control pulse method, whereby the pulse pattern sequences given below for the switchable elements used in the converter bridge circuits are based on the star connection shown in FIG. 1 of the two winding systems in the case shown.

Obwohl für die mit den Wicklungssträngen verschalteten Stromrichterbrücken beliebige Schaltungskonfigurationen der Leistungselektronik mit entsprechend angesteuerten Schaltelementen möglich sind, beruht das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 auf dem Einsatz der für sich gesehen bekannten sogenannten Three-Level-Konverter, speziell des "Diode Clamp 3-Level-Converter" für jeden Wicklungsstrang, so daß, wie im folgenden lediglich für die Wicklungsstränge 1U2-1U1 des Wicklungssystems 1 und 2U2-2U1 des Wicklungssystems 2 erläutert und in Fig. 1 auch durch Bezugszeichen kenntlich gemacht ist, zwei schaltbare Elemente T1 und T2 ("high-side" Schalter) mit dem Wicklungsanschluß 1U1 verbunden und weiter in Reihe geschaltet sind mit den schaltbaren Elementen T3 und T4 ("low-side" Schalter), wobei die Klemmdioden D1 und D2, die an die Verbindungspunkte der Elemente T1, T2 bzw. T3, T4 angeschlossen sind, ein mittleres - drittes - Spannungsniveau definieren. Wesentlich ist, daß diesem ersten Dreipunktwechselrichter ein zweiter, an den Wicklungsstrang 2U2-2U1 angeschlossener Dreipunktwechselrichter adjungiert ist, was durch das gleiche Bezugszeichen mit hochgestelltem Stern kenntlich gemacht ist und welches entsprechend auch mit einem "adjungierten" Pulsmuster angesteuert wird. Die gesamte Pulswechselrichterschaltung für die die Phase A realisierenden Wicklungsstränge 1U2-1U1 und 2U2-2U1 vervollständigt sich dann noch durch die beiden geteilten Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2, die die von den zusammengeführten Diodenanschlüssen gebildeten Spannungsmittelpunkte stabilisieren.Although any circuit configurations of the power electronics with correspondingly controlled switching elements are possible for the converter bridges connected to the winding strands, the exemplary embodiment in FIG. 1 is based on the use of the so-called three-level converters known per se, especially the "diode clamp 3-level converter". Converter "for each winding strand, so that, as explained below only for the winding strands 1U2-1U1 of the winding system 1 and 2U2-2U1 of the winding system 2 and also indicated in FIG. 1 by reference numerals, two switchable elements T1 and T2 (" high-side "switch) connected to the winding connection 1U1 and further connected in series with the switchable elements T3 and T4 (" low-side "switch), the clamping diodes D1 and D2 connected to the connection points of the elements T1, T2 and T3, T4 are connected, define a middle - third - voltage level. It is essential that a second three-point inverter connected to the winding phase 2U2-2U1 is adjoint to this first three-point inverter, which is indicated by the same reference symbol with a superscript star and which is accordingly also controlled with an "adjoint" pulse pattern. The entire pulse-inverter circuit for the winding phases 1U2-1U1 and 2U2-2U1 that implement phase A is then completed by the two divided intermediate circuit capacitors C1 and C2, which stabilize the voltage centers formed by the merged diode connections.

Die Teilschaltungen der Pulswechselrichter für die Phasen B und C sind dann entsprechend Fig. 1 in gleicher Weise aufgebaut, wie die Darstellung der Fig. 1 zeigt.The subcircuits of the pulse-controlled inverters for phases B and C are then constructed in accordance with FIG. 1 in the same way as the illustration in FIG. 1 shows.

Die Wirkungsweise eines solchen Stromrichters läßt sich an dem in Fig. 2 gezeigten Raumzeigerdiagramm erläutern.The mode of operation of such a converter can be explained on the space vector diagram shown in FIG. 2.

Bei Drehfeldmaschinen, die ihre Erregung auch über den Stator beziehen (Asynchronmaschine, Switched Reluctance Machine etc.) läuft der Statorstromraumzeiger i _Kl dem Spannungsraumzeiger u _Kl im Nennbetrieb ca. 30° nach. Zur Synthetisierung des Spannungsraumzeigers u _Kl im zeitlichen Mittel ist ein entsprechendes Pulsverfahren einzusetzen, um bei der hier zugrunde gelegten Dreipunktcharakteristik des verwendeten Three-Level-Inverters eine effiziente Nutzung zu erzielen, nämlich geringen Oberschwingungsgehalt der Phasenströme, gute ENV-Eigenschaften, geringe Impulsstrombelastung des Zwischenkreiskondensators.In induction machines that also receive their excitation via the stator (asynchronous machine, switched reluctance machine, etc.), the stator current space vector i _{Kl follows} the voltage space vector u _Kl in nominal operation by approx. 30 °. To synthesize the voltage space vector u _Kl on average over time, a corresponding pulse method must be used in order to achieve efficient use of the three-point characteristic of the three-level inverter used here, namely low harmonic content of the phase currents, good ENV properties, low pulse current load on the DC link capacitor .

Der Spannungszeiger u _Kl kann durch Pulsen der benachbarten Spannungszeiger U ₁ und U ₀ und des Nullspannungszeigers 0 nachgebildet werden. Im Stromrichter nach Fig. 1 können für den Spannungszeiger U ₀ die Schalter T₁ und T₂ in Phase A und die Schalter T₃ und T₄ in den Phasen B und C eingeschaltet werden. Für den nächsten Spannungszeiger U1 werden in Phase B die beiden "low-side"-Schalter T₃ und T₄ ausgeschaltet und T₁ und T₂ eingeschaltet. Der Nullspannungszeiger ergibt sich wie üblich durch Triggern aller "high-side"- oder aller "low side"-Schalter. Mit geeigneten Einschaltdauern der einzelnen Schaltzustände kann so der gewünschte Spannungsraumzeiger u _Kl synthetisiert werden, zunächst ohne Nutzung der 3-Punkt- Charakteristik. The voltage vector u _Kl can be simulated by pulsing the adjacent voltage vector U ₁ and U ₀ and the zero voltage vector 0 . In the power converter of FIG. 1, the switches T ₁ and T ₂ in phase A and the switches T ₃ and T can be switched in the phases B and C ₄ for the voltage vector U _0. For the next voltage indicator U 1, the two "low-side" switches T ₃ and T _{4 are} switched off in phase B and T ₁ and T _{2 are} switched on. As usual, the zero voltage pointer results from triggering all "high-side" or all "low-side" switches. With the appropriate switch-on times for the individual switching states, the desired voltage space vector u _Kl can be synthesized, initially without using the 3-point characteristic.

Ein solches Pulsverfahren ist anwendbar für ein Drehstromsystem (Originalwicklung (1)) und die eine Hälfte des zugeordneten Pulswechselrichters. Die andere Hälfte der leistungselektronischen Schaltung (Schalter mit hochgestelltem Stern) muß aufgrund der invertierten Anschlüsse des zweiten Drehstromsystems 2 (nachfolgend als adjungiertes System bezeichnet) auch mit dem "adjungierten" Pulsmuster angesteuert werden, wie folgendes Beispiel zeigt.Such a pulse method can be used for a three-phase system (original winding ( 1 )) and one half of the assigned pulse inverter. The other half of the power electronic circuit (switch with a high star) must also be driven with the "adjoint" pulse pattern due to the inverted connections of the second three-phase system 2 (hereinafter referred to as adjoint system), as the following example shows.

Für Pulssequenz im Originalsystem: U ₀ → U ₁ → 0 sind folgende Schalter im Pulswechselrichter eingeschaltet:
For pulse sequence in the original system: U ₀ → U ₁ → 0 , the following switches are switched on in the pulse inverter:

U ₀: Phase A: T₁, T₂. Phase B: T₃, T₄. Phase C: T₃, T₄.
U ₀ : phase A: T ₁ , T ₂ . Phase B: T ₃ , T ₄ . Phase C: T ₃ , T ₄ .

U ₁: Phase A: T₁, T₂. Phase B: T₁, T₂. Phase C: T₃, T₄.
U ₁ : Phase A: T ₁ , T ₂ . Phase B: T ₁ , T ₂ . Phase C: T ₃ , T ₄ .

0: Phase A: T₁, T₂. Phase B: T₁, T₂. Phase C: T₁, T₂. 0 : Phase A: T ₁ , T ₂ . Phase B: T ₁ , T ₂ . Phase C: T ₁ , T ₂ .

Das adjungierte System wird wie folgt angesteuert, d. h. folgende Schalter sind eingeschaltet:
The adjoint system is controlled as follows, ie the following switches are switched on:

Phase A: T*₃, T*₄. Phase B: T*₁, T*₂. Phase C: T*₁, T*₂.
Phase A: T * ₃ , T * ₄ . Phase B: T * ₁ , T * ₂ . Phase C: T * ₁ , T * ₂ .

→ U ₃.
→ U ₃ .

Phase A: T*₃, T*₄. Phase B: T*₃, T*₄. Phase C: T*₁, T*₂.
Phase A: T * ₃ , T * ₄ . Phase B: T * ₃ , T * ₄ . Phase C: T * ₁ , T * ₂ .

→ U ₄.
→ U ₄ .

Phase A: T*₃, T*₄. Phase B: T*₃, T*₄. Phase C: T*₃, T*₄.
Phase A: T * ₃ , T * ₄ . Phase B: T * ₃ , T * ₄ . Phase C: T * ₃ , T * ₄ .

→ 0.→ 0 .

Im Grunde aber unabhängig vom implementierten Pulsverfahren ergibt sich der Ansteueralgorithmus für die einzelnen Phasen des Pulswechselrichters für den Generatorbetrieb (höhere Drehzahl):Basically, regardless of the pulse method implemented the control algorithm for the individual phases results of the pulse inverter for generator operation (higher Rotational speed):

Wenn in einer Hälfte einer Pulswechselrichterphase die "high side" Schalter eingeschaltet sind (T₁, T₂ ein), müssen in der anderen Hälfte, im adjungierten System, die "low-side" Schalter eingeschaltet sein (T*₃, T*₄ ein) und umgekehrt. In der Raumzeigernomenklatur heißt das, daß das adjungierte Pulswechselrichtersystem immer mit den entgegengesetzt gerichteten Spannungsraumzeigern getriggert wird. Der Ansteueralgorithmus wird in derselben Weise analog erweitert. wenn die 3-Punkt-Charakteristik der Topologie ausgenutzt wird.If in one half of a pulse inverter phase the "high side" switches are switched on (T ₁ , T _{2 on} ), in the adjoining system, the "low side" switches must be switched on (T * ₃ , T * ₄ a) and vice versa. In the space vector nomenclature, this means that the adjoint pulsed inverter system is always triggered with the opposite voltage space vector. The control algorithm is expanded analogously in the same way. if the 3-point characteristic of the topology is used.

Dieses Pulsverfahren wird zweckmäßig im Generator-Betrieb eingesetzt. Dies kann leicht anhand der Phasenströme und des daraus resultierenden Zwischenkreisstroms, d. h. Batteriestroms I_B gezeigt werden.This pulse method is expediently used in generator mode. This can easily be shown on the basis of the phase currents and the resulting intermediate circuit current, ie battery current I _B.

Gemäß Raumzeiger-Diagramm entspricht bei Schaltzustand U ₀ der Phasenstrom der Maschinenphase U auch dem Zwischenkreisstrom bzw. Batteriestrom I_B. Da es zwei Systeme gibt (Originalsystem und adjungiertes System), tritt bei Nennstrom und somit nominaler Durchflutung der Wicklungsstränge der doppelte Zwischenkreisstrom auf. Dies ist für die Stromausbeute bei Generatorbetrieb auch wünschenswert.According to the space vector diagram, the switching current U ₀ corresponds to the phase current of the machine phase U also to the intermediate circuit current or battery current I _B. Since there are two systems (original system and adjoint system), double the intermediate circuit current occurs at the nominal current and thus the nominal flow through the winding phases. This is also desirable for the current yield in generator operation.

Zum Starten wird dann der Pulswechselrichter mit einem auf Startdrehmoment optimierten Pulsverfahren wie folgt beaufschlagt:To start, the pulse inverter is opened with a Starting torque optimized pulse method as follows acted upon:

Es wird wieder von der im Raumzeiger-Diagramm dargestellten augenblicklichen Lage der betreffenden Raumzeiger ausgegangen. Dabei ist der Phasenstrom der Maschinenphase A im Originalsystem 1 zum Sternpunkt hin gerichtet (positiv) die anderen beiden Phasenströme sind negativ. Da das adjungierte Drehstromsystem umgepolt an die zweite Hälfte des Pulswechselrichters angeschlossen ist, fließt aufgrund der innigen magnetischen Kopplung der Phasenstrom der Maschinenphase U im adjungierten System in derselben Höhe aus der Phase heraus (negativ) und die anderen beiden Phasenströme in die betreffenden Phasen hinein (positiv). Um das Zwischenkreisstromniveau bei gleichbleibender Durchflutung zu halbieren, wird der Pulswechselrichter wie folgt angesteuert:The instantaneous position of the relevant room pointer shown in the room pointer diagram is again assumed. The phase current of machine phase A in original system 1 is directed towards the star point (positive), the other two phase currents are negative. Since the adjoint three-phase system is reversed connected to the second half of the pulse-controlled inverter, the phase current of the machine phase U in the adjoint system flows out of the phase at the same height (negative) and the other two phase currents flow into the relevant phases (positive) due to the intimate magnetic coupling ). In order to halve the DC link current level while the flow remains constant, the pulse inverter is controlled as follows:

Für Pulssequenz im Originalsystem: U ₀ → U ₁ → 0 sind folgende Schalter im Pulswechselrichter eingeschaltet:

(U ₀): Phase A: T₁, T₂. Phase B: T₂, T₃. Phase C: T₂, T₃.
For pulse sequence in the original system: U ₀ → U ₁ → 0 , the following switches are switched on in the pulse inverter:

( U ₀ ): Phase A: T ₁ , T ₂ . Phase B: T ₂ , T ₃ . Phase C: T ₂ , T ₃ .

→ U ₀/2.
→ U _0/2 .

(U₁): Phase A: T₁, T₂. Phase B: T₁, T₂. Phase C: T₂, T₃.
(U ₁ ): Phase A: T ₁ , T ₂ . Phase B: T ₁ , T ₂ . Phase C: T ₂ , T ₃ .

→ U ₁/2.
→ U _1/2.

(0): Phase A: T₁, T₂. Phase B: T₁, T₂. Phase C: T₁, T₂.
( 0 ): Phase A: T ₁ , T ₂ . Phase B: T ₁ , T ₂ . Phase C: T ₁ , T ₂ .

→ 0.→ 0 .

Das adjungierte System wird wie folgt angesteuert:
The adjoint system is controlled as follows:

Phase A: T*₃, T*₄. Phase B: T*₂, T*₃. Phase C: T*₂, T*₃.
Phase A: T * ₃ , T * ₄ . Phase B: T * ₂ , T * ₃ . Phase C: T * ₂ , T * ₃ .

→ U ₃/2.
→ U _3/2 .

Phase A: T*₃, T*₄. Phase B: T*₃, T*₄. Phase C: T*₂, T*₃.
Phase A: T * ₃ , T * ₄ . Phase B: T * ₃ , T * ₄ . Phase C: T * ₂ , T * ₃ .

→ U ₄/2.
→ U _4/2 .

→ 0.→ 0 .

Durch Triggern der Schalter T₂, T₃ wird die betreffende Phase auf die halbe Zwischsenkreisspannung gelegt (= U_B/2; Ausnutzung der 3-Punkt-Charakteristik). Das Originalsstem speist bei Spannungszeiger U ₀ die beiden Phasenströme der Phasen B und C in die Spannungsmittelpunkte ein. Diese Spannungsmittelpunkte werden von den beiden geteilten Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2 gebildet und durch deren Kapazität stabilisiert. Bei Three-Level-Invertern ist üblicherweise auch eine Spannungsüberwachung dieser Spannungsmittelpunkte notwendig, damit die Spannung nicht wegdriftet. Diese Gefahr ist beim vorliegenden Pulswechselrichter wesentlich geringer, da das adjungierte System ebenfalls durch das beschriebene Pulsmuster mit den Spannungsmittelpunkten verbunden ist und aufgrund seiner anderen Orientierung die von Originalsystem eingespeisten Phasenströme wieder aufnimmt. Wegen der Symmetrie sind die Beträge der Phasenströme der beiden Drehstromsysteme immer gleich groß, nur deren Vorzeichen ist umgekehrt. Da jetzt nur noch die Maschinenphasen 1U1 und 2U2 mit dem Zwischenkreis verbunden sind, erscheint der Zwischenkreisstrom gegenüber Generatorbetrieb halbiert. Da die Phasen B und C ihre Ströme über den Pulswechselrichter austauschen, erscheinen sie nicht im Zwischenkreis; die nominale Durchflutung und damit der Drehschub bleibt jedoch erhalten.By triggering the switches T ₂ , T ₃ , the phase in question is set to half the DC link voltage (= U _B / 2; utilization of the 3-point characteristic). The original system feeds the two phase currents of phases B and C into the voltage centers at voltage pointer U ₀ . These voltage centers are formed by the two divided intermediate circuit capacitors C1 and C2 and stabilized by their capacitance. With three-level inverters, voltage monitoring of these voltage centers is usually also necessary so that the voltage does not drift away. This risk is significantly lower in the present pulse-controlled inverter, since the adjoint system is likewise connected to the voltage centers through the pulse pattern described and, due to its different orientation, resumes the phase currents fed in by the original system. Because of the symmetry, the amounts of the phase currents of the two three-phase systems are always the same size, only their sign is reversed. Now that only machine phases 1U1 and 2U2 are connected to the DC link, the DC link current appears halved compared to generator operation. Since phases B and C exchange their currents via the pulse-controlled inverter, they do not appear in the intermediate circuit; however, the nominal flow and thus the rotation thrust is retained.

Das Pulsverfahren für Starter-Betrieb (geringe Drehzahl) ist daher durch folgende Merkmale charakterisiert:
The pulse method for starter operation (low speed) is therefore characterized by the following features:

- Use of the 3-point characteristic
- Utilization of the voltage centers in such a way that when the voltage is fed into the center of the voltage, ie triggers of the transistors T 2 and T 3, the current load on the split capacitors C 1 and C 2 is theoretically avoided as far as possible.

Man erkennt, daß eine durch solche Pulswechselrichter- Topologie (mindestens zwei unabhängigen Wicklungssystemen 1 und 2 zugeordnete Stromrichter-Primärbrücke sowie adjungierte Stromrichterbrücke in Verbindung mit entsprechenden Pulsverfahren für die Ansteuerung der schaltbaren Elemente) eine Strukturumschaltung der elektrischen Gesamtmaschinenkombination realisiert werden kann, wobei faktisch zwei unterschiedlichen Maschinen mit einfacher und doppelter Statorwindungszahl sowie Kombinationen hieraus entstehen.It can be seen that such a pulse inverter topology (at least two independent winding systems 1 and 2 assigned primary converter bridge as well as adjoint converter bridge in connection with appropriate pulse processes for the control of the switchable elements) can be used to switch the structure of the overall electrical machine combination, in fact two different ones Machines with single and double stator windings as well as combinations of them are created.

Bisher sind die verwendeten schaltbaren Elemente als Schalter T₁, T₂. . ., T*₁, T*₂. . . bezeichnet worden - da aber schon bei mittleren Leistungen unter Umständen Batteriespannungen zwischen 25 V . . . 50 V (lt. 42 V Bordnetzspezifikation) sowie Phasenströme von 500 A und darüber hinaus dauerhaft beherrscht werden müssen, werden vorteilhafterweise nach derzeitigem Entwicklungsstand sogenannte PowerMOS-Transistoren eingesetzt, wobei es sich aber versteht, daß hier im Grunde jedes sonstige elektronisch schaltbare Element oder Halbleiterschalter eingesetzt werden kann, bevorzugt auch Thyristoren. Es können dann entweder so viele Einzelelemente parallelgeschaltet werden, bis die Leistung des Pulswechselrichters erreicht wird, wobei eine Version mit gehäusten Halbleitern kostengünstig und in der Leistung sehr gut skalierbar ist, oder es werden einzelne MOS-Chips parallelgeschaltet. Aufgrund der 3-Punkt-Charakteristik ist die Verwendung von Halbleiterschaltern mit halber Durchbruchspannung möglich, so daß trotz der doppelten Anzahl von Einzelelementen die notwendige Fläche an Silizium in erster Näherung konstant bleibt.So far, the switchable elements used are switches T ₁ , T ₂ . . ., T * ₁ , T * ₂ . . . have been referred to - as battery voltages between 25 V may even be present at medium power. . . 50 V (according to 42 V vehicle electrical system specification) and phase currents of 500 A and beyond must be permanently managed, so-called PowerMOS transistors are advantageously used according to the current state of development, but it goes without saying that here in principle every other electronically switchable element or semiconductor switch can be used, preferably also thyristors. It is then possible either to connect as many individual elements in parallel until the performance of the pulse-controlled inverter is achieved, a version with packaged semiconductors being inexpensive and very scalable in terms of performance, or individual MOS chips are connected in parallel. Due to the 3-point characteristic, the use of semiconductor switches with half breakdown voltage is possible, so that despite the double number of individual elements, the necessary area of silicon remains constant in the first approximation.

Es ergibt sich ein weiterer Vorteil, wenn alle in Fig. 1 dargestellten Dioden D1, D2 . . . durch PowerMOS-Transistoren implementiert werden. Es ergeben sich dann zwei Halbleiterstränge, jeweils gebildet aus dem eigentlichen PowerMOS-Transistor und dem Dioden-Transistor, also T₂-T_D1 und T₃-T_D2, die zum Einspeisen von Phasenströmen in den Spannungsmittelpunkt zur Verfügung stehen. Dies senkt die Verlustleistung und erhöht die Stromkapazität der Pulswechselrichter-Topologie durch die besssere Ausnutzung des Siliziums.There is a further advantage if all the diodes D1, D2 shown in FIG. 1. . . be implemented by PowerMOS transistors. The result is two semiconductor strands, each formed from the actual PowerMOS transistor and the diode transistor, ie T ₂ -T _D1 and T ₃ -T _D2 , which are available for feeding phase currents into the center of the voltage. This lowers the power loss and increases the current capacity of the pulse inverter topology through better utilization of the silicon.

Eine erste Variante zur Stromrichter-Topologie der Fig. 1 ergibt sich, wenn die 3-Punkt-Charakteristik etwas offensichtlicher durch Halbleiterschalter ebenfalls realisiert wird, und zwar indem sowohl die "high-side"-Schalter T₁ und T₂ als auch die "low-side"-Schalter T₂ und T₃ durch jeweils einen PowerMOS-Transistor T₁' und T₂' ersetzt werden, bei Wegfall des gemeinsamen Diodenanschlußpunktes und demgegenüber zwischen die Wicklungsstranganschlüsse 1U1 und 2U2 symmetrische Schalter S1 jeweils eingesetzt werden, wie Fig. 3 zeigt. Die PowerMOS-Transistoren des adjungierten Stromrichterteils sind dann mit T*₁' und T*₂' bezeichnet.A first variant of the converter topology of FIG. 1 is obtained if the 3-point characteristic is also realized somewhat more obviously by semiconductor switches, specifically by both the "high-side" switches T ₁ and T ₂ and the " low-side "switches T ₂ and T ₃ are each replaced by a PowerMOS transistor T ₁ 'and T ₂ ', when the common diode connection point is omitted and, in contrast, symmetrical switches S1 are used between the winding strand connections 1U1 and 2U2, as shown in FIG. 3 shows. The PowerMOS transistors of the adjoint converter part are then designated T * ₁ 'and T * ₂ '.

Bei dieser Ausführungsform der Fig. 3 kann der Zwischenkreiskondensator als Einzelelement zwischen den Batterieklemmen angeschlossen werden, wobei auch bei dieser Stromrichter-Topologie die weiter vorn schon erläuterten Pulsmuster einsetzbar sind. Als Vorteil ergibt sich hier eine geringe Anzahl an Halbleiterschaltern, was jedoch unter Umständen eine Steigerung der Pulswechselrichterverluste bedeuten kann. Die Schalter S1, die die 3-Punkt-Charakteristik realisieren, besitzen symmetrische Sperrfähigkeit und sind jeder für sich auf die Batteriespannung ausgelegt. Die Realisierung von Schaltern mit symmetrischer Sperrfähigkeit läßt sich beispielsweise durch eine antiserielle Schaltung von MOS-Transistoren oder antiparallel geschalteten sogenannten Abschaltthyristoren erreichen, was weiter unten noch anhand der Darstellung der Fig. 4 erläutert wird. Bei beiden Varianten der Fig. 3 und 4 wird der Durchlaßspannungsabfall am Schalter S1 erhöht, was bei MOS-Transistoren zu einer Erhöhung der Durchlaßverluste gegenüber der Topologie der Fig. 1 führen kann. Wesentlich ist bei dieser Ausführungsform die Verschaltung der Schalter S1 und insbesondere deren Ansteuerung, wobei durch die gepulst und selbst geführte Ansteuerung der vorliegenden Stromrichter die Abfolge der Schaltzustände zwangsweise bestimmt wird und entsprechende Pulsverfahren in einer separaten Steuereinrichtung niedergelegt sind.In this embodiment of FIG. 3, the intermediate circuit capacitor can be connected as a single element between the battery terminals, and the pulse patterns already explained above can also be used in this converter topology. The advantage here is a small number of semiconductor switches, which, however, can mean an increase in pulse inverter losses under certain circumstances. The switches S1, which implement the 3-point characteristic, have symmetrical blocking capability and are each individually designed for the battery voltage. The implementation of switches with symmetrical blocking capability can be achieved, for example, by an anti-serial switching of MOS transistors or so-called turn-off thyristors connected in anti-parallel, which will be explained further below with reference to the illustration in FIG. 4. In both variants of FIGS. 3 and 4, the forward voltage drop at switch S1 is increased, which in MOS transistors can lead to an increase in forward losses compared to the topology of FIG. 1. What is essential in this embodiment is the connection of the switches S1 and, in particular, their activation, the sequence of the switching states being forcibly determined by the pulsed and self-actuated activation of the present converters and corresponding pulse methods being stored in a separate control device.

Die soeben schon erwähnte Möglichkeit der Verwendung von sogenannten Abschaltthyristoren für die Schalter S1' in Fig. 4 führt in Verbindung mit einer Vereinfachung der Topologie zu gewissen Einschränkungen in deren Ansteuerbarkeit. Solche Abschaltthyristoren sind elektrische Halbleiterschalter mit unidirektionaler Stromleitung und bidirektionaler Spannungs- Sperrfähigkeit und werden auch als GTO-Thyristoren bezeichnet, abgeleitet aus dem angelsächsischen Begriff des Gate Turn-Off Thyristor, auch kurz als GTO bezeichnet. Erkennbar ist daher die in Fig. 4 dargestellte Variante mit lediglich drei GTO- Thyristoren zusätzlich zur 3-phasigen Brückenschaltung bevorzugt nur dann einsetzbar, wenn die Strukturumschaltung des Antriebssystems entweder im Generator- oder im Starter- Betrieb erfolgen soll. An sich sind grundsätzlich die gleichen Pulsmuster wie weiter vorn schon erläutert auch für die Topologie der in Fig. 4 dargestellten Variante einsetzbar mit der schon erwähnten Einschränkung der von der Polung des Schalters S1' (GTO) gegebenen Abhängigkeit bezüglich des Generator- oder Starter-Betriebs.The already mentioned possibility of using so-called turn-off thyristors for the switches S1 'in FIG. 4 in connection with a simplification of the topology leads to certain restrictions in their controllability. Switch-off thyristors of this type are electrical semiconductor switches with unidirectional current conduction and bidirectional voltage blocking capability and are also referred to as GTO thyristors, derived from the Anglo-Saxon term of gate turn-off thyristor, also referred to as GTO for short. The variant shown in FIG. 4 with only three GTO thyristors in addition to the 3-phase bridge circuit can therefore preferably only be used if the structure changeover of the drive system is to take place either in generator or in starter mode. In principle, the same pulse patterns as explained above can also be used for the topology of the variant shown in FIG. 4 with the already mentioned restriction of the dependency on the generator or starter operation given by the polarity of the switch S1 '(GTO) .

So läßt sich bei der in Fig. 4 gezeigten Polung des verwendeten GTO beim Starten ein höheres Moment bei geringerer Batterieleistung erzielen, während eine Strukturumschaltung im Generatorbetrieb aufgrund der dann vorgegebenen Polung der verwendeten GTO unwirksam bleibt. Da im Generatorbetrieb die Strom- und Spannungsraumzeiger (Fig. 2) entgegengesetzt gerichtet sind, sind auch die Phasenströme negativ und mit der einmal vorgegebenen Stromflußrichtung der verwendeten GTO- Schalter unvereinbar.Thus, with the polarity of the GTO used shown in FIG. 4, a higher torque with lower battery power can be achieved when starting, while a structure changeover in generator mode remains ineffective due to the polarity of the GTO used. Since the current and voltage space pointers ( FIG. 2) are directed in opposite directions in generator operation, the phase currents are also negative and incompatible with the current flow direction of the GTO switches used.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform stellt eine Variante der Topologie der Fig. 4 insofern dar, als bei sonst beibehaltenen Stromrichter-Brückenschaltungen anstelle der in Fig. 4 verwendeten nur drei GTO sechs GTO vorgesehen sind, so daß die Verluste in den Schaltern S₁* . . . S₆* (Fig. 5) geringer sind. Die Verschaltung ist bei der Ausführungsform der Fig. 5 so getroffen, daß die Brückenmittelpunkte jedes 3-Punkt- Wechselrichters bzw. die Anschlußpunkte jedes Wicklungsstranges mit den Brückenmittelpunkten zweier anderer 3-Punkt-Wechselrichter bzw. den Anschlußpunkten zweier anderer Wicklungsstränge des jeweils anderen Wicklungssystems verbunden sind, wodurch sich die Verluste auf die hier eingesetzten sechs Schalter S1' verteilen. Hierdurch verbessert sich auch das Wärmemanagement, weil sich die Verluste auf eine größere Fläche verteilen und insofern besser abgeführt werden können.The embodiment shown in FIG. 5 represents a variant of the topology of FIG. 4 in that, in the case of otherwise maintained converter bridge circuits, instead of the only three GTOs used in FIG. 4, six GTOs are provided, so that the losses in the switches S ₁ *. . . S ₆ * ( Fig. 5) are lower. The connection is made in the embodiment of FIG. 5 such that the bridge center points of each 3-point inverter or the connection points of each winding strand are connected to the bridge center points of two other 3-point inverters or the connection points of two other winding strands of the respective other winding system are, whereby the losses are distributed among the six switches S1 'used here. This also improves heat management because the losses are spread over a larger area and can therefore be better dissipated.

Die in Fig. 6 gezeigte allgemeine Variante der Stromrichterbasisversion entsprechend Fig. 1 ist auf alle bisher erwähnten Stromrichterschaltungen anwendbar und unterscheidet sich von der Schaltungsausführung der Fig. 1 im wesentlichen auch nur dadurch, daß das zweite Wicklungssystem im Dreieck geschaltet ist und im folgenden als Wicklungssystem 2' bezeichnet wird. Zum besseren Verständnis dieser Schaltungsvariante ist vorab auf folgendes einzugehen. Bei den beschriebenen Anwendungsbeispielen ergeben sich vergleichsweise niedrige Zwischenkreisspannungen von 25 bis 52 V und besonders hohe Phasenströme von 500 A und darüber hinaus, so daß der Ripplestrom im Zwischenkreis besondere Bedeutung erlangt, da nach dessen Höhe der Schutzkondensator im Zwischenkreis zu dimensionieren ist. Tatsächlich kann beim Pulsen die Amplitude des Stromripples leicht den aktuellen Wert der Phasenströme überschreiten, d. h. der Kondensator muß bei einem Standardantrieb kurzfristig in der Lage sein, 500 A aufzunehmen und wieder abzugeben, mit einer Frequenz, die der Pulsfrequenz entspricht. Diese Stromaufnahme und -abgabe darf jedoch nicht zu unakzeptablen Spannungsschwankungen im Zwischenkreis führen, da dies einen erhöhten Filteraufwand erforderlich macht. Es wäre dann entweder hierfür die Kapazität entsprechend zu vergrößern oder man geht entsprechend der Variante der Fig. 6 vor, indem man als Alternative eine Ripplestrom-Dämpfung (Ripple-Attenuation) einsetzt, bei welcher die impulsförmigen Zwischenkreisströme phasenversetzt überlagert werden. Ein gewisser Anteil der Impulsbelastung löscht sich dann durch entsprechend geschickte Überlagerung selbst aus, wobei der verbleibende Rest durch geeignete Filtermaßnahmen leichter beherrscht werden kann.The general variant shown in FIG. 6 of the basic converter version corresponding to FIG. 1 can be applied to all converter circuits mentioned so far and differs from the circuit configuration of FIG. 1 essentially only in that the second winding system is connected in a triangle and in the following as a winding system 2 'is referred to. For a better understanding of this circuit variant, the following must be discussed in advance. In the application examples described, there are comparatively low intermediate circuit voltages of 25 to 52 V and particularly high phase currents of 500 A and beyond, so that the ripple current in the intermediate circuit is of particular importance, since the protective capacitor in the intermediate circuit must be dimensioned according to its level. In fact, when pulsing, the amplitude of the current ripple can easily exceed the current value of the phase currents, ie the capacitor in a standard drive must be able to absorb 500 A for a short time and to deliver it again, at a frequency that corresponds to the pulse frequency. However, this current consumption and delivery must not lead to unacceptable voltage fluctuations in the intermediate circuit, since this requires an increased filter effort. It would then either be necessary to increase the capacitance accordingly, or one would proceed according to the variant in FIG. 6 by using ripple attenuation (ripple attenuation) as an alternative, in which the pulse-shaped intermediate circuit currents are superimposed with a phase shift. A certain proportion of the pulse load is then extinguished itself by appropriately skilful superimposition, the remaining remainder being easier to control with suitable filter measures.

Durch die Verwendung einer anderen Schaltgruppe, nämlich die Dreieckschaltung des Wicklungssystems 2' wird dieses zweite Wicklungssystem um 30° elektrisch gegenüber dem Wicklungssystem 1 gedreht. Natürlich mit einer entsprechenden Anpassung der Windungszahlen der Dreieckschaltung (Faktor √3).By using another switching group, namely the delta connection of the winding system 2 ', this second winding system is rotated electrically by 30 ° with respect to the winding system 1 . Of course, with a corresponding adjustment of the number of turns of the delta connection (factor √3).

Auch bei der in Fig. 6 gezeigten Variante sind die weiter vorn erläuterten Pulsmuster einsetzbar, sie müßten jedoch ebenfalls um 30° phasenversetzt ausgegeben werden, denn dann kommt der gewünschte Effekt der teilweisen Auslöschung durch Überlagerung einzelner Stromimpulse im Zwischenkreis zustande. The pulse patterns explained above can also be used in the variant shown in FIG. 6, but they would also have to be output with a phase shift of 30 °, because then the desired effect of partial extinction is achieved by superimposing individual current pulses in the intermediate circuit.

Die im folgenden anhand der Darstellung der Fig. 7 und 8 noch erläuterten Varianten ermöglichen ebenfalls die angestrebte Serienparallelumschaltung zur Strukturanpassung an die jeweiligen äußeren Gegebenheiten der Kombinationsmaschine, jedoch mit der Maßgabe, daß sich die zu treffenden leistungselektronischen Maßnahmen, also die für die Verschaltung der beiden Wicklungssysteme erforderliche Topologie noch weiter reduzieren läßt.The variants explained below with reference to the representation of FIGS. 7 and 8 also enable the desired series-parallel switchover to adapt the structure to the respective external circumstances of the combination machine, but with the proviso that the power electronic measures to be taken, that is, those for the interconnection of the two Winding systems can further reduce the required topology.

Ziel ist es, die Ständerdurchflutung mit möglichst wenig Inverterstrom zu maximieren. Andererseits wird aber auch die Inverter-Deckenspannung durch viele Windungen im Stator früh erreicht und dadurch der Inverter schnell an die Aussteuergrenze getrieben. Beide Effekte stehen sich konträr gegenüber. Zur Höchstdrehmomenterhöhung wird eine Maschine mit unsymmetrischem Wicklungsaufbau vorgeschlagen, wie folgt: Es gibt weiterhin zwei oder mehrere Ständerwicklungssysteme, die aber jetzt unterschiedliche Windungszahlen besitzen. System 1' trägt mehr Windungen als System 2*. Wird beim Generator die Erregung eingeschaltet und die Drehzahl erhöht, induziert System 1' mehr Spannung als System 2*. System 1' beginnt damit, Strom in den Gleichstromkreis einzuspeisen, während System 2* noch inaktiv ist. System 1' fährt wie ein "normaler" Generator auf der Grenzcharakteristik hoch, bis die synchrone Reaktanz keinen weiteren Stromaufbau mehr zuläßt. Erhöht sich die Drehzahl weiter, kann bei System 2* der Stromfluß in Gang kommen, da sich aufgrund der Ankerrückwirkung von System 1' der Fluß nicht weiter schwächt. Dabei ist der maximal mögliche Strom, d. h. ungefähr der Kurzschlußstrom im waagrechten Teil der Generator-Grenzcharakteristik erreicht, die Drehzahl und somit die induzierte Spannung lassen sich jedoch weiter steigern. Der Generator speist über die Grenzcharakteristik des Systems 1' Strom ein. Die Wirkung im höheren Drehzahlbereich kommt einer Serie/Parallelschaltung gleich und ist deshalb eine einfache und geeignete Methode, mehr Drehmoment zum Starten und gleichzeitig mehr Leistung im Generator-Betrieb zu erzielen (Fig. 7). The goal is to maximize the stator flooding with as little inverter current as possible. On the other hand, the inverter ceiling voltage is reached early due to many turns in the stator, and the inverter is quickly driven to the control limit. Both effects are opposed to each other. To increase the maximum torque, a machine with an asymmetrical winding structure is proposed, as follows: There are still two or more stator winding systems, but these now have different numbers of turns. System 1 'has more turns than System 2 *. If the generator is switched on and the speed is increased, system 1 'induces more voltage than system 2 *. System 1 'begins feeding current into the DC circuit while system 2 * is still inactive. System 1 'starts up like a "normal" generator on the limit characteristic until the synchronous reactance no longer allows any further current build-up. If the speed continues to increase, the current flow can start in system 2 *, since the flow does not weaken further due to the armature reaction of system 1 '. The maximum possible current, ie approximately the short-circuit current in the horizontal part of the generator limit characteristic, has been reached, however, the speed and thus the induced voltage can be increased further. The generator feeds current via the limit characteristic of the system 1 '. The effect in the higher speed range is equivalent to a series / parallel connection and is therefore a simple and suitable method to achieve more torque for starting and at the same time more power in generator operation ( Fig. 7).

Kehrt man zu der Ausgangskonfiguration der Fig. 5 zurück, dann besteht eine weitere Möglichkeit, Verluste in Serienschaltung bei Generator-Betrieb zu senken, wenn man an der Thyristor/GTO-Matrix zur kontrollierten Umschaltung festhalten will, darin, diese durch Dioden zu ersetzen. Wenn die Methode wie gehabt angewandt wird, d. h. Synchrongleichrichtung, bleibt die Serienschaltung der beiden Systeme in allen Betriebspunkten erhalten, mit ihren Vorteilen. Die Dioden müssen bei höheren Drehzahlen, d. h. wenn die Parallelschaltung greifen kann, zum Verlöschen gebracht werden. In einem maschinengeführten System wird dies durch betriebspunktabhängige Verstellung des Phasenwinkels beider Systeme 1' und 2* (unterschiedliche Windungszahlen) erreicht. Bestehen die beiden Drehstrom-Brückenschaltungen aus selbstlöschenden Ventilen, ist dies kein Problem, da hier Frequenz und Phase vorgegeben werden kann. Zusätzlich kann dieser Effekt noch verstärkt werden, wenn das System bereits mit einem Phasenversatz zu Beginn an versehen wird, d. h. wenn gemäß Fig. 6 zwei verschiedene Schaltgruppen Verwendung finden (System 1', System 2* Dreieck als Beispiel).Returning to the initial configuration of FIG. 5, there is another way of reducing series circuit losses in generator mode, if one wishes to hold onto the thyristor / GTO matrix for controlled switching, by replacing it with diodes. If the method is used as before, ie synchronous rectification, the series connection of the two systems is retained at all operating points, with its advantages. The diodes must be extinguished at higher speeds, ie if the parallel connection can work. In a machine-controlled system, this is achieved by adjusting the phase angle of both systems 1 'and 2 * depending on the operating point (different numbers of turns). If the two three-phase bridge circuits consist of self-extinguishing valves, this is not a problem, since frequency and phase can be specified here. In addition, this effect can be intensified if the system is already provided with a phase shift at the beginning, ie if two different switching groups are used according to FIG. 6 (system 1 ', system 2 * triangle as an example).

Außerdem kann man den Effekt kombinieren mit der Variante der Fig. 7, wenn unsymmetrische Wicklungen verwendet werden.In addition, the effect can be combined with the variant of FIG. 7 if asymmetrical windings are used.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß es gelingt, durch unsymmetrische Wicklungen oder Phasenwinkelverschiebung die maschinengeführte Wirkungsweise des Generators/Motors beizubehalten, d. h. man hat keine EMV-Probleme und keinen Kondensator nahe am Generator (Temperatur) und kann den magnetischen Kreis durch Erzeugung von zwei Grenzcharakteristiken sehr viel besser ausnutzen.In summary, it can be said that it succeeds through asymmetrical windings or phase angle shift the machine-operated mode of operation of the generator / motor maintain, d. H. you have no EMC problems and none Capacitor close to the generator (temperature) and can magnetic circuit by generating two Make better use of borderline characteristics.

Claims

1. Electrical generator / motor system, in particular for use in mobile units, motor vehicles, ships and the like as an on-board electrical system generator and starter, consisting of a multi-strand winding arrangement and associated multi-phase controlled converter bridge circuits for rectification in generator and pulse alternation direction during engine operation, characterized by at least two galvanically separated, each multi-phase winding systems ( 1 , 2 ; 2 '; 1 ', 2 *), the phase windings (1U2-1U1; 1V2-1V1; 1W2-1W1) of a first winding system ( 1 , 1 ') with assigned converters -Primary bridges and the phase windings (2U1-2U2; 2V1-2V2; 2W1-2W2) of a second winding system are connected to each of the converter primary bridges adjoint converter bridges and a series parallel switching of the at least two winding systems by a correspondingly different control of the respective converter Primary bridge and adjoint r Converter bridge is carried out.

2. Electrical generator / motor system according to claim 1, characterized in that with two winding systems ( 1 , 2 ) each of the winding systems forms an insulated half-winding of the machine, each having any configuration (star, triangle, zigzag) and by Appropriate control of both winding systems ( 1 , 2 ) with the common output lines (+ U _B , -U _B ) can be brought into any common combination of effects (star / delta changeover; series / parallel changeover).

3. Electrical generator / motor system according to claim 1 or 2, characterized in that the converter bridges connected to the winding strands of the winding systems ( 1 , 2 ) are 3-point inverters.

4. Electrical generator / motor system according to claim 3, characterized in that mutually assigned 3-point Inverters (primary converter bridge and respective adjoint converter bridge) by means of an activated Clamping diodes (D1, D2; D1 *, D2 *) common Form centers of tension.

5. Electrical generator / motor system according to one of claims 1 to 4, characterized in that each 3-point inverter from the series connection of two high-side switchable elements (T ₁ , T ₂ ), the connection to the associated Winding strand and two other switchable elements (T ₃ , T ₄ ) on the low side, the connection points of the switchable elements (T ₁ , T ₂ ; T ₃ , T ₄ ) on high and low side via clamping diodes (D1 , D2), with each other and with the adjoint system (T * ₁ , T * ₂ ; T * ₃ , T * ₄ , D1 *, D2 *), and the connection points of the diodes form the third common voltage level ( Fig. 1 ).

6. Electrical generator / motor system according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the switchable elements (T ₁ , T ₂ , T ₃ , T ₄ , T ' ₁ , T' ₂ , T * ₁ , T * ₂ , T * ₁ ', T * ₂ '; S1) are PowerMOS transistors or thyristors.

7. Electrical generator / motor system according to one of claims 1 to 6, characterized in that for connecting the voltage centers of the 3-point inverter of the primary bridge and adjoint bridge in both directions conductive electrical switches (anti-serial MOS transistors; anti-parallel switched) Switch-off thyristors GTO; S1) are provided ( Fig. 3).

8. Electrical generator / motor system according to one of claims 1 to 7, characterized in that for connecting the voltage centers of the mutually associated 3-point inverter switches are provided with unidirectional power line and bidirectional voltage blocking capability (GTO thyristor; S1 ') ( Fig. 4).

9. Electrical generator / motor system according to one of claims 1 to 8, characterized in that two GTO thyristors are provided for connecting the voltage centers of the 3-point inverters for circuit-related division of the phase currents such that the voltage center is one of each a total of six 3-point inverters present is connected to the voltage centers of two 3-point inverters belonging to the respective other winding system ( FIG. 5).

10. Electrical generator / motor system according to one of claims 1 to 9, characterized in that one of the existing winding systems ( 2 ) with respect to the first winding system is electrically rotated by a predetermined angle value, preferably by interconnection in another circuit combination (triangle versus star ), with a corresponding adaptation of the number of turns and a corresponding phase shift of the pulse pattern controlling the respective controllable switching elements ( FIG. 6).

11. Electrical generator / motor system according to one of claims 1 to 10, characterized in that in two or more existing stator winding systems ( 1 , 2 ) at least one of the systems have different numbers of turns such that at least one of the first depending on the respective speed Winding systems is active with subsequent connection in the sense of a series / parallel switchover ( Fig. 7).

12. Electric generator / motor system according to one of the Claims 1 to 11, characterized in that instead one of the stress centers of a 3-point Inverter with two voltage centers of each 3-point inverter of the other winding system connecting GTO thyristors according to claim 9 diodes (DS1 . . . DS6) are provided.

13. Electrical generator / motor system according to one of claims 1 to 12, characterized in that for activation in generator operation when the high-side switches are switched on in one half of a pulse inverter phase (T ₁ , T ₂ ) in the adjoint system low side switches (T * ₃ , T * ₄ ) are switched on and vice versa in such a way that the adjoint pulse inverter system is triggered in each case with opposite voltage space pointers.

14. Electric generator / motor system according to one of the Claims 1 to 12, characterized in that for the Starter operation at low speed and inclusion of 3-point characteristic of the feed into the Voltage serving transistors in the driving Pulse patterns are triggered so that the current load of the split capacitors (C1, C2) is low or zero.