EP4005085A1 - Steuereinrichtung, wechselrichter, anordnung mit einem wechselrichter und einer elektrischen maschine, verfahren zum betreiben eines wechselrichters sowie computerprogramm - Google Patents

Steuereinrichtung, wechselrichter, anordnung mit einem wechselrichter und einer elektrischen maschine, verfahren zum betreiben eines wechselrichters sowie computerprogramm

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EP4005085A1
EP4005085A1 EP20746209.4A EP20746209A EP4005085A1 EP 4005085 A1 EP4005085 A1 EP 4005085A1 EP 20746209 A EP20746209 A EP 20746209A EP 4005085 A1 EP4005085 A1 EP 4005085A1
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EP
European Patent Office
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carrier frequency
control device
speed
inverter
maximum
Prior art date
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Pending
Application number
EP20746209.4A
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English (en)
French (fr)
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Panagiotis MANTZANAS
Daniel Kübrich
Thomas DÜRBAUM
Alexander Bucher
Alexander Pawellek
Christian HASENOHR
Harald Hofmann
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Valeo eAutomotive Germany GmbH
Original Assignee
Valeo Siemens eAutomotive Germany GmbH
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Publication date
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    • H02P2201/13—DC-link of current link type, e.g. typically for thyristor bridges, having an inductor in series with rectifier

Definitions

  • Control device inverter, arrangement with an inverter and an electrical machine, method for operating an inverter and computer program
  • the present invention relates to a control device for an inverter feeding an electrical machine, the control device being designed to provide pulse-width-modulated switching signals with a carrier frequency for controlling switching elements of the inverter.
  • the invention relates to an inverter, an arrangement with an inverter and an electrical machine, a method for operating an inverter and a computer program.
  • a control device of the type mentioned at the outset which is set up to determine the carrier frequency within at least one working range as a function of operating point information that describes an operating point defined by a speed and a torque of the electrical machine in such a way that that the carrier frequency is reduced within the at least one working area compared to a maximum carrier frequency working point at which a maximum carrier frequency in the working area is given.
  • the invention is based on the knowledge that peak-valley values of an intermediate circuit voltage at an intermediate circuit capacitor of the inverter typically have pronounced maximum values and a reduction in the carrier frequency, on the one hand, an increase in the peak-valley value and, on the other hand, a reduction in switching losses during switching operation the switching elements be effective. Since the maximum carrier frequency operating point can be assigned to such a maximum value of the peak-valley values, lower peak-valley values beyond the maximum value open up scope for reducing switching losses by reducing the carrier frequency as a function of the operating point. This advantageously enables more efficient operation of the inverter without having to increase the capacitance of an intermediate circuit capacitor.
  • a working range has a full-load working point at which a maximum torque that can be predetermined in terms of its speed is present as the maximum carrier frequency working point and extends into part-load operation, the control device being set up to Carrier frequency with increasing stand from the maximum carrier frequency operating point.
  • This work area can also be referred to as the first work area. It was recognized that a maximum carrier frequency operating point can be found on one or a respective full load line on which the maximum positive or negative torque that can be provided for each speed value lies. In this way, improved efficiency can be achieved in partial load operation, that is to say in an operation with a lower torque value for a given speed than on the full load line.
  • the speed of the full load operating point deviates by at most 40 percent, in particular at most 30 percent, from the speed at a corner work point that describes a transition from a basic speed operation to a power limiting operation or to a field weakening operation.
  • control device is set up to specify carrier frequencies for working points with any sign of the torque, it can be provided that the first working range is defined for positive torques and a further first working range for negative torque.
  • a working range is within a torque interval limited by an upper torque limit and a lower torque limit and the control device is set up to reduce the carrier frequency in the working range with falling speed, in particular independently of the torque.
  • This work area can also be referred to as the second work area. This can prevent undesirably high harmonic distortions, especially high THD values (Total Harmony Distortion), which can lead to mechanical vibrations in the electrical machine, due to a lower ratio of the carrier frequency to the speed.
  • a torque limit is preferably zero. If the control device is also used for the specification of carrier frequencies for operating points with any sign of the torque is set up, the upper torque limit can be positive and the lower torque limit negative. In particular, the amount of a respective torque limit is at least five percent of a maximum torque that can be predetermined by the control device.
  • the second working range is limited by the torque limits.
  • the first and second work areas are defined without overlapping.
  • predeterminable carrier frequencies run continuously at the edges at which the first and second working areas adjoin one another.
  • control device can be set up to predefine the carrier frequency with a fixed value within an operating points above a speed threshold value that are defined without overlap with respect to the at least one working area.
  • speed threshold is in power limiting mode or in field weakening mode.
  • the carrier frequency is then expediently the maximum carrier frequency provided.
  • control device it can also be provided that it is set up to determine the carrier frequency not below a predetermined or predeterminable minimum value. This prevents the carrier frequency for small speed and torque values from becoming so low that its ratio to the frequency of a respective phase current of the electrical machine falls below a specified minimum ratio, which causes undesirable acoustically perceptible vibrations of the electrical see machine can arise.
  • Working points at which the minimum value is given can in this respect also be understood as a further working area.
  • control device In order to enable a particularly low-cost implementation of the control device according to the invention, it is preferably set up to select the carrier frequency from a characteristic map that assigns carrier frequency values to pairs of speed values and torque values.
  • the map can be implemented, for example, by a look-up table.
  • the control device typically has a memory unit in which the characteristic diagram is stored.
  • the characteristic map describes an at least piecewise linear assignment of the pairs and the carrier frequency values.
  • the map is defined using discrete pairs and the control device is set up to determine the carrier frequency by, in particular linear, interpolation of the carrier frequency values assigned to the discrete pairs.
  • control device can be set up to determine the carrier frequency by means of an analytical calculation rule from which the carrier frequency can be determined as a function of the operating point.
  • the characteristics map or the calculation rule can be determined, for example, by measurement or simulation for a specific configuration of the inverter and the electrical machine.
  • the control device can also be set up to generate an updated carrier frequency each time an updated operating point information is received and / or after a predefined or predefinable period of time and / or after the end of an electrical period of the electrical machine and / or to determine after completion of a period of a respective switching signal.
  • the carrier frequency can thus be adapted to the current operating point at appropriate times.
  • control device is set up to extract the operating point information from torque information received at an input and / or rotational speed information received at an input and / or as a function of phase currents that feed the electrical machine and received at an input Describing current information to determine it and / or to estimate the operating point information as part of a scheme for determining the switching signals.
  • the torque can be determined from the current information.
  • an inverter comprising an intermediate circuit capacitor, switching elements which are connected to convert an intermediate circuit voltage applied to the intermediate circuit capacitor into a single or multi-phase alternating voltage as a function of the switching signals driving the switching elements, and a inven tion control device.
  • the intermediate circuit capacitor can be formed by a single capacitor element or by several capacitor elements connected in parallel and / or in series.
  • the inverter can furthermore comprise an analog-digital converter which is set up to convert analog measurement signals into the current information and / or the torque information and / or the speed information.
  • the object on which the invention is based is also achieved by an arrangement with an inverter according to the invention and an electrical machine which can be operated by means of the alternating voltage. It is preferred here if the determination of the carrier frequency reveals the relationship
  • a respective maximum carrier frequency operating point corresponds to an operating point at which the peak-valley values of the intermediate circuit voltage have a local maximum.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for operating an inverter for supplying an electrical machine, comprising the following steps carried out by a control device: Determining a carrier frequency of pulse-width-modulated switching signals for controlling the inverter as a function of operating point information that ei NEN by a speed and a torque of the electrical machine defines th working point, within at least one working range such that the carrier frequency is reduced within the at least one working range compared to a maximum carrier frequency operating point at which a maximum carrier frequency is specified in the working range; and providing the switching signals for switching elements of the inverter.
  • the object on which the invention is based is finally also achieved by a computer program comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of the method according to the invention carried out by the control device.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with an exemplary embodiment of an inverter according to the invention and an exemplary embodiment of a control device according to the invention
  • FIG. 2 shows a torque-speed diagram with working areas drawn in during operation of the arrangement shown in FIG. 1;
  • Fig. 6 is a torque-speed diagram in which a percentage reduction of switching losses of the further embodiment compared to the prior art shown in FIG. 3 is shown.
  • Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of an arrangement 1 to summarize an embodiment of an inverter 2 and an electrical Ma machine 3, which is set up to drive a partially or fully electrically drivable vehicle.
  • the arrangement 1 also includes a DC voltage source 4, which is in the present case designed as a floch-volt battery.
  • the inverter 2 comprises a filter device 5, which in the present case is designed as an EMC filter, an intermediate circuit capacitor 6, a power unit 7, an exemplary embodiment of a control device 8, a first measuring device 9, a second measuring device 10 and an analog-digital converter device 11.
  • the power unit 7 comprises several switching elements 12, which are designed as semiconductor switching elements, for example as IGBT or power MOSFET are.
  • the switching elements 12 are connected in pairs to form half bridges.
  • a control input 13 of a respective switching element 12, a driver 14 is switched upstream.
  • the drivers 14 receive pulse-width-modulated switching signals 15 from the control device 8, which are provided in such a way that an output voltage for supplying the electrical machine 3 is provided at a respective tap of the half-bridges.
  • the power unit 7 converts an intermediate circuit voltage 27 smoothed by the intermediate circuit capacitor 6 into an alternating voltage, in the present case three-phase.
  • the first measuring device 9 is set up to detect the phase currents and to provide measurement signals to the analog-digital converter device 11, which converts the analog measurement signals from the first measuring device 9 into digital current information 16.
  • the second measuring device 10 is accordingly set up to detect a speed of the electrical machine 3 and provide measurement signals to the analog-digital converter device 11, which converts the analog measurement signals from the second measuring device 10 into digital speed information 17.
  • the control device 8 receives the current information 16 and the speed information 17 on the input side.
  • the control device 8 determines an operating point information which writes an operating point defined by a speed and a torque of the electrical machine 3.
  • the control device 8 is set up to determine a carrier frequency of the pulse-width-modulated switching signals 15.
  • the control device 8 comprises a memory unit 18 in which a characteristic map that assigns pairs of rotational speed values and torque values to carrier frequency values is stored.
  • the control device 8 selects a corresponding carrier frequency value on the basis of the operating point information from the characteristics map.
  • Fig. 2 is a torque-speed diagram with working areas drawn in during operation of the arrangement shown in FIG. 1, a torque being denoted by M and a speed of rotation being denoted by f rot .
  • the diagram depicts the characteristic field which describes an assignment of the pairs and the carrier frequency values.
  • a corner operating point 19 is first shown, which describes a maximum torque in terms of magnitude during the transition from a basic speed mode 20 to a power limiting mode 21 or to a field weakening mode. Isolines of the specified carrier frequency values are also shown with fine dashes.
  • a first operating range 22 extends into a partial load operation of the electrical machine 3 .
  • the control device 8 is set up to specify the carrier frequency in the first working area 22 at a maximum carrier frequency corresponding to the full load working point with a maximum carrier frequency and to reduce this with increasing distance from the full load working point.
  • the assignment of the carrier frequency values to the operating points is selected such that a peak / valley value of an intermediate circuit voltage 27 is essentially identical in the entire first operating range 22.
  • the peak-valley value of the intermediate circuit voltage 27 is defined as follows:
  • U DC (t) denotes the time profile of the intermediate circuit voltage 27 over an electrical motor period.
  • a second working range 23 includes working points above a first speed threshold value 24, below a second speed threshold value 26 lying above the first speed threshold value 24 and between an upper torque limit 24a and a lower torque limit 24b.
  • the control device 8 is set up to reduce the carrier frequency in the second working range 23 compared to a maximum carrier frequency value working point, which is an working point 24c with a speed corresponding to the second speed threshold value 26, with falling speed independently of the torque, as can be seen from the vertically running isolines is. This avoids undesirably high harmonic distortions, in particular high THD values (Total Harmony Distortion), which can lead to mechanical vibrations in the electrical machine 3.
  • THD values Total Harmony Distortion
  • the carrier frequency applies f _ frot f
  • fr t denotes the speed and fr t
  • max denotes a maximum speed or the second speed threshold value 26.
  • FIG. 2 shows an optional third working range 25, which comprises working points above the second speed threshold value 26.
  • the control device 8 is set up to specify the carrier frequency in the third working range 25 with a fixed value. This corresponds to the highest carrier frequency value provided in the second working area 23 or lies above it. If the third working range 25 is not provided, then the second speed threshold value 26 corresponds to a maximum speed of the characteristic diagram.
  • control device 8 is set up not to determine the carrier frequency below a predetermined minimum value.
  • a fourth working area 28 is shown, in which the minimum value is specified.
  • map for the first work area 22, the second work area 23 and the fourth work area 28 depicts the following relationship:
  • the control device 8 is set up to update the carrier frequency regularly. This takes place, for example, when updated work point information is received, after a predefined or predefinable period of time has elapsed, after an electrical period of the electrical machine 3 has ended or a period of a respective switching signal 15 has ended. Combinations of the aforementioned update events are also possible.
  • the characteristic field is defined via discrete pairs and the control device 8 is set up to determine the carrier frequency by, in particular linear, interpolation of the carrier frequency values assigned to the discrete pairs.
  • control device 8 is set up to determine the carrier frequency, instead of using the characteristics map, by means of an analytical calculation rule from which the carrier frequency can be determined as a function of the operating point.
  • the torque information is not determined on the basis of the current information 16, but rather is estimated or measured by the control device 8 as part of a regulation for determining the switching signals 15.
  • FIG. 3 is a torque-speed diagram with peak-valley values of an intermediate circuit voltage drawn in in an arrangement according to the prior art. In this arrangement it is provided that the carrier frequency for all operating points of the torque-speed diagram is given constant at 10 kHz.
  • the peak-valley values are shown in FIG. 3 by isolines on which the peak-valley value assigned to them is indicated in volts.
  • the peak-valley value from the full load operating point which here corresponds to an operating point 19a shifted slightly to the right with respect to a corner operating point 19, falls essentially continuously as the distance from the full load operating point increases.
  • An intermediate capacitor of the arrangement according to the prior art is to be regarded as oversized per se for egg NEN partial load operation and considerable switching losses occur in partial load operation because of the constant carrier frequency.
  • FIG. 4 is a torque-speed diagram with carrier frequency values drawn in during the operation of a further exemplary embodiment of the arrangement 1.
  • This exemplary embodiment corresponds to one of the exemplary embodiments described above, the characteristics map also being defined for negative torque values.
  • the full load operating point corresponds here - as in the example according to the status the technique in Fig. 3 - a relative to the corner working point to the right ver shifted working point 19a.
  • the map was determined experimentally or by simulation and shows the following relationship:
  • first working areas 22 and a second working area 23, which comprises working points between the positive upper torque limit 24a and the negative lower torque limit 24b.
  • the third work area 25 and the fourth work area 28 are not seen in this embodiment.
  • FIG. 5 is a torque-speed diagram with drawn in peak-valley values of the intermediate circuit voltage 27 during operation of the arrangement 1 according to the aforementioned exemplary embodiment.
  • the peak-valley values are represented by isolines on which the peak-valley value assigned to them is given in volts.
  • Fig. 6 is a torque-speed diagram in which a percentage reduction of switching losses of the aforementioned embodiment compared to the prior art shown in FIG. 3 is entered.
  • the reduction in switching losses is given in percent on the isolines.
  • the operational efficiency is considerably improved by the work-dependent determination of the carrier frequency.

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Abstract

Steuereinrichtung (8) für einen eine elektrische Maschine (3) speisenden Wechselrichter (2), wobei die Steuereinrichtung (8) zum Bereitstellen von pulsweitenmodulierten Schaltsignalen (15) mit einer Trägerfrequenz zum Ansteuern von Schaltelementen (12) des Wechselrichters (2) eingerichtet ist, wobei die Steuereinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz innerhalb wenigstens eines Arbeitsbereichs (22, 23) in Abhängigkeit einer Arbeitspunktinformation, die einen durch eine Drehzahl und ein Drehmoment der elektrischen Maschine (3) definierten Arbeitspunkt beschreibt, derart zu ermitteln, dass die Trägerfrequenz innerhalb des wenigstens einen Arbeitsbereichs (22, 23) gegenüber einem Maximalträgerfrequenz-Arbeitspunkt, bei dem eine maximale Trägerfrequenz im Arbeitsbereich vorgegeben wird, reduziert wird.

Description

Steuereinrichtung, Wechselrichter, Anordnung mit einem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine, Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters sowie Computerprogramm
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen eine elektrische Maschine speisenden Wechselrichter, wobei die Steuereinrichtung zum Bereitstel len von pulsweitenmodulierten Schaltsignalen mit einer Trägerfrequenz zum An steuern von Schaltelementen des Wechselrichters eingerichtet ist.
Daneben betrifft die Erfindung einen Wechselrichter, eine Anordnung mit einem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine, ein Verfahren zum Betreiben ei nes Wechselrichters sowie ein Computerprogramm.
Durch die zunehmende Bedeutung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind Wechselrichter und zugehörige Steuereinrichtungen für solche Anwendungsge biete in den Fokus industrieller Entwicklungsbemühungen gerückt. Es sind derar tige Steuereinrichtungen bekannt, die pulsweitenmodulierte Schaltsignale mit einer konstanten Trägerfrequenz zum Ansteuern von Schaltelementen des Wechselrich ters bereitstellen.
Im Rahmen eines solchen Schaltbetriebs entstehen unweigerlich Schaltverluste. Diese haben einen starken Einfluss auf die Gesamteffizienz des Wechselrichters bzw. einer Anordnung mit dem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine, da sie einen wesentlichen Anteil der Gesamtverluste ausmachen. Zugleich ist der Wechselrichter so zu betreiben, dass ein maximaler Spitze-Tal-Wert einer Zwi schenkreisspannung an seinem Zwischenkreiskondensator nicht überschritten wird, da der Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters hinsichtlich seiner Kapazität - und damit auch seines Bauraums, seines Gewichts und seiner Kosten - auf einen maximal zulässigen Spitze-Tal-Wert ausgelegt ist. Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, einen effizienteren Betrieb eines Wechselrichters zu ermöglichen, ohne dabei eine Kapazität seines Zwischenkreis kondensators zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Steuereinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz innerhalb we nigstens eines Arbeitsbereichs in Abhängigkeit einer Arbeitspunktinformation, die einen durch eine Drehzahl und ein Drehmoment der elektrischen Maschine defi nierten Arbeitspunkt beschreibt, derart zu ermitteln, dass die Trägerfrequenz in nerhalb des wenigstens einen Arbeitsbereichs gegenüber einem Maximalträgerfre quenz-Arbeitspunkt, bei dem eine maximale Trägerfrequenz im Arbeitsbereich vor gegeben wird, reduziert wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Spitze-Tal-Werte einer Zwischen kreisspannung an einem Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters typi scherweise ausgeprägte Maximalwerte aufweisen und eine Reduktion der Träger frequenz einerseits eine Erhöhung des Spitze-Tal-Werts sowie andererseits eine Reduktion von Schaltverlusten bei einem Schaltbetrieb der Schaltelemente be wirkt. Da sich der Maximalträgerfrequenz-Arbeitspunkt einem solchen Maximal wert der Spitze-Tal-Werte zuordnen lässt, eröffnen geringere Spitze-Tal-Werte jenseits des Maximalwerts einen Spielraum für eine Verringerung der Schaltver luste durch die arbeitspunktabhängige Reduktion der Trägerfrequenz. Vorteilhaf terweise wird so ein effizienterer Betrieb des Wechselrichters ermöglicht, ohne dass dadurch eine Kapazität eines Zwischenkreiskondensators erhöht werden muss.
Es wird bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung bevorzugt, wenn ein Ar beitsbereich einen Volllastarbeitspunkt, bei dem ein für seine Drehzahl betragsmä ßig maximal vorgebbares Drehmoment vorliegt, als Maximalträgerfrequenz-Ar beitspunkt aufweist und sich in einen Teillastbetrieb hinein erstreckt, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz mit steigendem Ab- stand vom Maximalträgerfrequenz-Arbeitspunkt zu reduzieren. Dieser Arbeitsbe reich kann auch als erster Arbeitsbereich bezeichnet werden. Es wurde erkannt, dass ein Maximalträgerfrequenz-Arbeitspunkt auf einer oder einer jeweiligen Voll lastlinie, auf der für jeden Drehzahlwert das maximal bereitstellbare positive oder negative Drehmoment liegt, zu finden ist. Es kann so im Teillastbetrieb, also in ei nem Betrieb mit für eine jeweilige Drehzahl betragsmäßig kleineren Drehmoment werten als auf der Volllastlinie, eine verbesserte Effizienz erzielt werden.
Vorteilhafterweise weicht die Drehzahl des Volllastarbeitspunkts um höchstens 40 Prozent, insbesondere höchstens 30 Prozent, von der Drehzahl an einem Eckar beitspunkt, der einen Übergang von einem Grunddrehzahlbetrieb in einen Leis tungsbegrenzungsbetrieb oder in einen Feldschwächbetrieb beschreibt, ab.
Sofern die Steuereinrichtung zur Vorgabe von Trägerfrequenzen für Arbeitspunkte mit beliebigem Vorzeichen des Drehmoments eingerichtet ist, kann vorgesehen sein, dass der erste Arbeitsbereich für positive Drehmomente und ein weiterer ers ter Arbeitsbereich für negative Drehmoment definiert sind.
Es wird bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung bevorzugt, wenn ein Ar beitsbereich innerhalb eines durch eine obere Drehmomentgrenze und eine untere Drehmomentgrenze begrenzten Drehmomentintervalls liegt und die Steuereinrich tung dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz im Arbeitsbereich mit fallender Drehzahl, insbesondere unabhängig vom Drehmoment, zu reduzieren. Dieser Ar beitsbereich kann auch als zweiter Arbeitsbereich bezeichnet werden. Dadurch kann vermieden werden, dass aufgrund eines geringeren Verhältnisses der Trä gerfrequenz zur Drehzahl unerwünscht hohe harmonische Verzerrungen, insbe sondere hohe THD-Werte (Total Harmonie Distortion), auftreten, die zu mechani schen Vibrationen in der elektrischen Maschine führen können.
Sofern die Steuereinrichtung nur zur Vorgabe von Trägerfrequenzen für Arbeits punkte mit gleichem Vorzeichen der Drehmomente eingerichtet ist, ist eine Dreh momentgrenze vorzugsweise null. Sofern die Steuereinrichtung auch zur Vorgabe von Trägerfrequenzen für Arbeitspunkte mit beliebigem Vorzeichen der Drehmo mente eingerichtet ist, kann die obere Drehmomentgrenze positiv und die untere Drehmomentgrenze negativ sein. Insbesondere beträgt der Betrag einer oder ei ner jeweiligen Drehmomentgrenze wenigstens fünf Prozent eines maximal durch die Steuereinrichtung vorgebbaren Drehmoments.
Gemäß einer besonders einfach implementierbaren Ausführungsform ist der zweite Arbeitsbereich durch die Drehmomentgrenzen begrenzt.
Typischerweise sind der erste und der zweite Arbeitsbereich überschneidungsfrei definiert. Bevorzugt verlaufen vorgebbare Trägerfrequenzen an Rändern, an de nen der erste und der zweite Arbeitsbereich aneinandergrenzen, stetig.
Optional kann die erfindungsgemäße Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, in nerhalb eines überschneidungsfrei bezüglich des wenigstens einen Arbeitsbe reichs definierten, Arbeitspunkte oberhalb eines Drehzahlschwellwerts umfassen den weiteren Arbeitsbereichs die Trägerfrequenz mit einem festen Wert vorzuge ben. Bei Drehzahlen oberhalb dieses Drehzahlschwellwerts ist die Reduktion der Schaltverluste nur sehr schwach ausgeprägt, sodass auf die arbeitspunktabhän gige Wahl der Trägerfrequenz verzichtet werden kann. Typischerweise liegt der Drehzahlschwellwert im Leistungsbegrenzungsbetrieb bzw. im Feldschwächbe trieb. Die Trägerfrequenz ist dann zweckmäßigerweise die maximal vorgesehene Trägerfrequenz.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung kann fer ner vorgesehen sein, dass sie dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz nicht un terhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Minimalwerts zu ermitteln. Dadurch wird vermieden, dass die Trägerfrequenz für kleine Drehzahl- und Drehmoment werte so gering wird, dass ihr Verhältnis zur Frequenz eines jeweiligen Phasen stroms der elektrischen Maschine ein vorgegebenes Mindestverhältnis unter schreitet, wodurch unerwünschte akustisch wahrnehmbare Vibrationen der elektri- sehen Maschine entstehen können. Arbeitspunkte, an denen der Minimalwert vor gegeben wird, können insoweit auch als ein weiterer Arbeitsbereich aufgefasst werden.
Um eine besonders aufwandsarme Implementierung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung zu ermöglichen, ist diese bevorzugt dazu eingerichtet, die Trä gerfrequenz aus einem Kennfeld, das Paaren von Drehzahlwerten und Drehmo mentwerten Trägerfrequenzwerte zuordnet, auszuwählen. Das Kennfeld kann bei spielsweise durch eine Look-Up-Tabelle realisiert sein. Typischerweise weist die Steuereinrichtung eine Speichereinheit auf, in welcher das Kennfeld gespeichert ist.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Kennfeld eine zumindest stückweise li neare Zuordnung der Paare und der Trägerfrequenzwerte beschreibt. Alternativ ist es möglich, dass das Kennfeld über diskrete Paare definiert ist und die Steuerein richtung dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz durch, insbesondere lineare, In terpolation der den diskreten Paaren zugeordneten Trägerfrequenzwerten zu er mitteln.
Alternativ zur Verwendung eines Kennfeldes kann die erfindungsgemäße Steuer einrichtung dazu eingerichtet sein, die Trägerfrequenz mittels einer analytischen Berechnungsvorschrift, aus welcher die Trägerfrequenz in Abhängigkeit des Ar beitspunkts ermittelbar ist, zu ermitteln.
Das Kennfeld oder die Berechnungsvorschrift kann beispielsweise durch Messung oder Simulation für eine bestimmte Konfiguration des Wechselrichters und der elektrischen Maschine ermittelt worden sein.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, eine aktualisierte Trägerfrequenz jeweils bei Erhalt einer aktualisierten Arbeitspunktin formation und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne und/oder nach Abschluss einer elektrischen Periode der elektrischen Maschine und/oder nach Abschluss einer Periode eines jeweiligen Schaltsignals zu ermit teln. So kann die Trägerfrequenz zu zweckmäßigen Zeitpunkten jeweils an den momentanen Arbeitspunkt angepasst werden.
Es ist ferner möglich, dass die erfindungsgemäße Steuereinrichtung dazu einge richtet ist, die Arbeitspunktinformation aus einer an einem Eingang erhaltenen Drehmomentinformation und/oder einer an einem Eingang erhaltenen Drehzahlin formation und/oder in Abhängigkeit einer an einem Eingang erhaltenen, die elektri sche Maschine speisende Phasenströme beschreibenden Strom Information zu er mitteln und/oder die Arbeitspunktinformation im Rahmen einer Regelung zur Er mittlung der Schaltsignale zu schätzen. Aus der Strom Information ist insbesondere das Drehmoment ermittelbar.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Wechselrichter, umfassend einen Zwischenkreiskondensator, Schaltelemente, die dazu verschaltet sind, eine am Zwischenkreiskondensator anliegende Zwischen kreisspannung in Abhängigkeit von die Schaltelemente ansteuernden Schaltsigna len in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung zu wandeln, und eine erfin dungsgemäße Steuereinrichtung.
Der Zwischenkreiskondensator kann durch ein einziges Kondensatorelement oder durch mehrere parallel und/oder in Reihe verschaltete Kondensatorelemente aus gebildet sein.
Der Wechselrichter kann ferner einen Analog-Digital-Umsetzer umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, analoge Messsignale in die Strominformation und/oder die Drehmomentinformation und/oder die Drehzahlinformation umzusetzen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Anord nung mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter und einer elektrischen Ma schine, die mittels der Wechselspannung betreibbar ist. Dabei wird es bevorzugt, wenn das Ermitteln der Trägerfrequenz den Zusammen- hang
beim Betrieb der Anordnung abbildet, wobei
- fpwM die zu ermittelnde Trägerfrequenz,
- f PWM.max die maximale Trägerfrequenz,
- fpwM.mtn den Minimalwert der Trägerfrequenz,
- \ einen vom Drehmoment und von der Drehzahl abhängigen
J PWM.max
Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreisspannung bei der maximalen Trägerfrequenz,
- uDC pp max einen vorgegebenen Maximalwert des Spitze-Tal-Werts der Zwischen kreisspannung,
fro t die Drehzahl und
- ot, max e'ne maximale Drehzahl
beschreiben.
Es kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen sein, dass ein jeweili ger Maximalträgerfrequenz-Arbeitspunkt einem Arbeitspunkt entspricht, bei dem Spitze-Tal-Werte der Zwischenkreisspannung ein lokales Maximum aufweisen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfah ren zum Betreiben eines Wechselrichters zum Versorgen einer elektrischen Ma schine, umfassend folgende von einer Steuereinrichtung durchgeführte Schritte: Ermitteln einer Trägerfrequenz von pulsweitenmodulierten Schaltsignalen zum An steuern des Wechselrichters in Abhängigkeit einer Arbeitspunktinformation, die ei nen durch eine Drehzahl und ein Drehmoment der elektrischen Maschine definier ten Arbeitspunkt beschreibt, innerhalb wenigstens eines Arbeitsbereichs derart, dass die Trägerfrequenz innerhalb des wenigstens eines Arbeitsbereichs gegen über einem Maximalträgerfrequenz-Arbeitspunkt, bei dem eine maximale Träger frequenz im Arbeitsbereich vorgegeben wird, reduziert wird; und Bereitstellen der Schaltsignale für Schaltelemente des Wechselrichters.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird schließlich auch durch ein Computerprogramm gelöst, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Pro gramms durch einen Computer diesen veranlassen, die von der Steuereinrichtung durchgeführten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
Sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, zum erfin dungsgemäßen Wechselrichter und zur erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Computerprogramm übertragen, sodass die vorgenannten Vorteile auch mit die sen erzielt werden können.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeich nungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wechselrichters und einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung; Fig. 2 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Arbeitsbereichen beim Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Anordnung;
Fig. 3 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Spitze-Tal-Wer- ten einer Zwischenkreisspannung bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik;
Fig. 4 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Trägerfrequenz werten beim Betrieb eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsge mäßen Anordnung;
Fig. 5 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Spitze-Tal-Wer- ten einer Zwischenkreisspannung des weiteren Ausführungsbeispiels; und
Fig. 6 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm, in dem eine prozentuale Verringe rung von Schaltverlusten des weiteren Ausführungsbeispiels gegenüber dem Stand der Technik gemäß Fig. 3 eingezeichnet ist.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung 1 , um fassend ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters 2 und eine elektrische Ma schine 3, die zum Antrieb eines teilweise oder vollständig elektrisch antreibbaren Fahrzeugs eingerichtet ist. Die Anordnung 1 umfasst ferner eine Gleichspan nungsquelle 4, die vorliegend als Flochvoltbatterie ausgebildet ist.
Der Wechselrichter 2 umfasst eine Filtereinrichtung 5, die vorliegend als EMV- Filter ausgebildet ist, einen Zwischenkreiskondensator 6, eine Leistungseinheit 7, ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung 8, eine erste Messeinrichtung 9, eine zweite Messeinrichtung 10 sowie eine Analog-Digital-Umsetzereinrichtung 1 1 .
Die Leistungseinheit 7 umfasst mehrere Schaltelemente 12, die als Halbleiter- Schaltelemente, beispielsweise als IGBT oder Leistungs-MOSFET, ausgebildet sind. Die Schaltelemente 12 sind paarweise zu Halbbrücken verschaltet. Einem Steuereingang 13 eines jeweiligen Schaltelements 12 ist ein Treiber 14 vorge schaltet. Dabei sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein Schaltelement 12 und ein Treiber 14 mit Bezugszeichen versehen. Die Treiber 14 erhalten puls weitenmodulierte Schaltsignale 15 von der Steuereinrichtung 8, welche derart be reitgestellt werden, dass an einem jeweiligen Abgriff der Halbbrücken eine Aus gangsspannung zur Speisung der elektrischen Maschine 3 bereitgestellt wird. Die Leistungseinheit 7 richtet mithin in Abhängigkeit der Schaltsignale 15 eine durch den Zwischenkreiskondensator 6 geglättete Zwischenkreisspannung 27 in eine, vorliegend dreiphasige, Wechselspannung um.
Die erste Messeinrichtung 9 ist dazu eingerichtet, die Phasenströme zu erfassen und Messsignale der Analog-Digital-Umsetzereinrichtung 1 1 bereitzustellen, wel che die analogen Messsignale der ersten Messeinrichtung 9 in eine digitale Stro minformation 16 umsetzt. Die zweite Messeinrichtung 10 ist entsprechend dazu eingerichtet, eine Drehzahl der elektrischen Maschine 3 zu erfassen und Messsig nale der Analog-Digital-Umsetzereinrichtung 1 1 bereitzustellen, welche die analo gen Messsignale der zweiten Messeinrichtung 10 in eine digitale Drehzahlinforma tion 17 umsetzt. Die Steuereinrichtung 8 erhält eingangsseitig die Strominforma tion 16 und die Drehzahlinformation 17.
Anhand der Strom Information 16 und der Drehzahlinformation 17 ermittelt die Steuereinrichtung 8 eine Arbeitspunktinformation, die einen durch eine Drehzahl und ein Drehmoment der elektrischen Maschine 3 definierten Arbeitspunkt be schreibt. Die Steuereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, eine Trägerfrequenz der pulsweitenmodulierten Schaltsignale 15 zu ermitteln. Dazu umfasst die Steuerein richtung 8 eine Speichereinheit 18, in welcher ein Kennfeld, das Paaren von Dreh zahlwerten und Drehmomentwerten Trägerfrequenzwerte zuordnet, gespeichert ist. Die Steuereinrichtung 8 wählt einen entsprechenden Trägerfrequenzwert an hand der Arbeitspunktinformation aus dem Kennfeld aus. Fig. 2 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Arbeitsberei chen beim Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, wobei ein Drehmoment mit M und eine Drehzahl mit frot bezeichnet sind.
Das Diagramm bildet das Kennfeld ab, welches eine Zuordnung der Paare und der Trägerfrequenzwerte beschreibt. In Fig. 2 ist zunächst ein Eckarbeitspunkt 19 gezeigt, der ein betragsmäßig maximales Drehmoment beim Übergang von einem Grunddrehzahlbetrieb 20 in einen Leistungsbegrenzungsbetrieb 21 oder in einen Feldschwächbetrieb beschreibt. Feingestrichelt sind ferner Isolinien der vorgege benen Trägerfrequenzwerte dargestellt.
Von einem Volllastarbeitspunkt, der hier dem Eckarbeitspunkt 19 entspricht, aber alternativ um bis zu 40 Prozent der Drehzahl am Eckarbeitspunkt 19 von diesem abweichend auf einer Volllastlinie 21 a liegen kann, aus erstreckt sich ein erster Ar beitsbereich 22 in einen Teillastbetrieb der elektrischen Maschine 3 hinein. Die Steuereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, die Trägerfrequenz im ersten Arbeitsbe reich 22 an einem dem Volllastarbeitspunkt entsprechenden Maximalträgerfre quenz-Arbeitspunkt mit einer maximalen Trägerfrequenz vorzugeben und diese mit steigendem Abstand zum Volllastarbeitspunkt zu reduzieren. Die Zuordnung der Trägerfrequenzwerte zu den Arbeitspunkten ist dabei so gewählt, dass ein Spitze-Tal-Wert einer Zwischenkreisspannung 27 im gesamten ersten Arbeitsbe reich 22 im Wesentlichen identisch ist.
Für den Teillastbetrieb der elektrischen Maschine 3 werden somit geringere Schaltverluste der Schaltelemente 12 als bei einem Betrieb mit fester Trägerfre quenz nach dem Stand der Technik realisiert, weil die Trägerfrequenz demgegen über reduziert ist. Da der Zwischenkreiskondensator 6 ohnehin auf einen Betrieb mit dem am Volllastarbeitspunkt vorliegenden Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreis spannung 27 ausgelegt ist, wird im ersten Arbeitsbereich eine Reduktion der Schaltverluste im Teillastbetrieb realisiert, ohne die Kapazität des Zwischenkreis kondensators 6 vergrößern zu müssen. Für den ersten Arbeitsbereich 22 gilt dabei für die Trägerfrequenz uDC,pp \
f PWM.max
fpWM — fpWM, max i
uDC,pp,max
Darin bezeichnen uDC pp I den vom Drehmoment und von der Drehzahl ab-
hängigen Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreisspannung bei der maximalen, am Volllastarbeitspunkt vorliegenden Trägerfrequenz fPWM,max und uDc,PP,max einen vorgegebenen Maximalwert des Spitze-Tal-Werts. Der Spitze-Tal-Wert der Zwi schenkreisspannung 27 ist dabei wie folgt definiert:
Darin bezeichnet uDC(t ) den zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung 27 über eine elektrische Motorperiode.
Ein zweiter Arbeitsbereich 23 umfasst Arbeitspunkte oberhalb eines ersten Dreh zahlschwellwerts 24, unterhalb eines über dem ersten Drehzahlschwellwert 24 lie genden zweiten Drehzahlschwellwerts 26 sowie zwischen einer oberen Drehmo mentgrenze 24a und einer unteren Drehmomentgrenze 24b. Die Steuerrichtung 8 ist dazu eingerichtet, die Trägerfrequenz im zweiten Arbeitsbereich 23 gegenüber einem Maximalträgerfrequenzwert-Arbeitspunkt, der ein Arbeitspunkt 24c mit einer dem zweiten Drehzahlschwellwert 26 entsprechenden Drehzahl ist, mit fallender Drehzahl unabhängig vom Drehmoment zu reduzieren, wie es aus den vertikal verlaufenden Isolinien ersichtlich ist. Dadurch wird vermieden, dass unerwünscht hohe harmonische Verzerrungen, insbesondere hohe THD-Werte (Total Harmonie Distortion), auftreten, die zu mechanischen Vibrationen in der elektrischen Ma schine 3 führen können.
Für den zweiten Arbeitsbereich 23 gilt dabei für die Trägerfrequenz f _ frot f
JPWM — JPWM.max
Irot.max
Darin bezeichnen fro t die Drehzahl und frot,max eine maximale Drehzahl bzw. den zweiten Drehzahlschwellwert 26.
Daneben zeigt Fig. 2 einen optionalen dritten Arbeitsbereich 25, der Arbeitspunkte oberhalb des zweiten Drehzahlschwellwerts 26 umfasst. Die Steuereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, die Trägerfrequenz im dritten Arbeitsbereich 25 mit einem festen Wert vorzugeben. Dieser entspricht dem höchsten, im zweiten Arbeitsbe reich 23 vorgesehenen Trägerfrequenzwert oder liegt darüber. Ist der dritte Ar beitsbereich 25 nicht vorgesehen, so entspricht der zweite Drehzahlschwellwert 26 einer maximalen Drehzahl des Kennfelds.
Schließlich ist die Steuereinrichtung 8 dazu eingerichtet, die Trägerfrequenz nicht unterhalb eines vorgegebenen Minimalwerts zu ermitteln. Insofern ist ein vierter Arbeitsbereich 28 eingezeichnet, in welchem der Minimalwert vorgegeben wird.
Zusammengefasst bildet das Kennfeld für den ersten Arbeitsbereich 22, den zwei ten Arbeitsbereich 23 und den vierten Arbeitsbereich 28 den folgenden Zusam menhang ab:
Die Steuereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, die Trägerfrequenz regelmäßig zu aktualisieren. Dies erfolgt beispielsweise bei Erhalt einer aktualisierten Arbeits punktinformation, nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne, nach Abschluss einer elektrischen Periode der elektrischen Maschine 3 oder nach Abschluss einer Periode eines jeweiligen Schaltsignals 15. Es sind auch Kombina tionen der zuvor genannten Aktualisierungsereignisse möglich. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung 8 ist das Kenn feld über diskrete Paare definiert und die Steuereinrichtung 8 dazu eingerichtet, die Trägerfrequenz durch, insbesondere lineare, Interpolation der den diskreten Paaren zugeordneten Trägerfrequenzwerten zu ermitteln. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 8 dazu eingerichtet, die Trägerfre quenz statt anhand des Kennfelds mittels einer analytischen Berechnungsvor schrift, aus welcher die Trägerfrequenz in Abhängigkeit des Arbeitspunkts ermittel bar ist, zu ermitteln. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Drehmo mentinformation nicht anhand der Strom Information 16 ermittelt, sondern im Rah men einer Regelung zur Ermittlung der Schaltsignale 15 durch die Steuereinrich tung 8 geschätzt oder gemessen.
Fig. 3 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Spitze-Tal- Werten einer Zwischenkreisspannung bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik. Bei dieser Anordnung ist vorgesehen, dass die Trägerfrequenz für alle Arbeitspunkte des Drehmoment-Drehzahl-Diagramms konstant mit 10 kHz vorge geben wird.
Die Spitze-Tal-Werte sind in Fig. 3 durch Isolinien dargestellt, auf denen der ihnen zugeordnete Spitze-Tal-Wert in Volt angegeben ist. Ersichtlich fällt der Spitze-Tal- Wert vom Volllastarbeitspunkt, der hier einem gegen über einem Eckarbeitspunkt 19 leicht nach rechts verschobenen Arbeitspunkt 19a entspricht, aus gesehen im Wesentlichen kontinuierlich mit steigendem Abstand vom Volllastarbeitspunkt ab. Ein Zwischenkondensator der Anordnung nach dem Stand der Technik ist für ei nen Teillastbetrieb an sich als überdimensioniert anzusehen und es treten wegen der konstanten Trägerfrequenz erhebliche Schaltverluste im Teillastbetrieb auf.
Fig. 4 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Trägerfre quenzwerten beim Betrieb eines weiteren Ausführungsbeispiel der Anordnung 1 . Dieses Ausführungsbeispiel entspricht einem der zuvor beschriebenen Ausfüh rungsbeispiele, wobei das Kennfeld auch für negative Drehmomentwerte definiert ist. Der Volllastarbeitspunkt entspricht hier - wie beim Beispiel nach dem Stand der Technik in Fig. 3 - einem gegenüber dem Eckarbeitspunkt nach rechts ver schobenen Arbeitspunkt 19a. Das Kennfeld wurde hier experimentell oder durch Simulation ermittelt und bildet den folgenden Zusammenhang ab:
Daraus ergeben sich zwei erste Arbeitsbereiche 22 und ein zweiter Arbeitsbereich 23, der Arbeitspunkte zwischen der positiven obere Drehmomentgrenze 24a und der negativen untere Drehmomentgrenze 24b umfasst. Der dritte Arbeitsbereich 25 und der vierte Arbeitsbereich 28 sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht vor gesehen.
Fig. 5 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Spitze-Tal- Werten der Zwischenkreisspannung 27 beim Betrieb der Anordnung 1 gemäß dem vorgenannten Ausführungsbeispiel. Die Spitze-Tal-Werte sind durch Isolinien dar gestellt, auf denen der ihnen zugeordnete Spitze-Tal-Wert in Volt angegeben ist.
Im Vergleich zu Fig. 3 wird sofort ersichtlich, dass im Teillastbetrieb wesentlich hö here, aber den Maximalwert der Spitze-Tal-Werte am Volllastarbeitspunkt nicht überschreitende Spitze-Tal-Werte vorliegen. Da jedoch gemäß Fig. 4 im Teillast betrieb wesentlich geringere Trägerfrequenzen als die im Stand der Technik ge mäß Fig. 3 verwendeten 10 kFIz zum Einsatz kommen, wird eine erhebliche Redu zierung der Schaltverluste realisiert.
Fig. 6 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm, in dem eine prozentuale Verringe rung von Schaltverlusten des vorgenannten Ausführungsbeispiels gegenüber dem Stand der Technik gemäß Fig. 3 eingetragen ist. Auf den Isolinien ist insoweit die Reduktion der Schaltverluste in Prozent angegeben. Ersichtlich wird die Betriebs effizienz durch die arbeitsabhängige Ermittlung der Trägerfrequenz erheblich ver bessert.

Claims

Patentansprüche
1 . Steuereinrichtung (8) für einen eine elektrische Maschine (3) speisenden Wechselrichter (2), wobei die Steuereinrichtung (8) zum Bereitstellen von pulswei tenmodulierten Schaltsignalen (15) mit einer Trägerfrequenz zum Ansteuern von Schaltelementen (12) des Wechselrichters (2) eingerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz innerhalb we nigstens eines Arbeitsbereichs (22, 23) in Abhängigkeit einer Arbeitspunktinforma tion, die einen durch eine Drehzahl und ein Drehmoment der elektrischen Ma schine (3) definierten Arbeitspunkt beschreibt, derart zu ermitteln, dass die Träger frequenz innerhalb des wenigstens einen Arbeitsbereichs (22, 23) gegenüber ei nem Maximalträgerfrequenz-Arbeitspunkt, bei dem eine maximale Trägerfrequenz im Arbeitsbereich (22, 23) vorgegeben wird, reduziert wird.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 , wobei
ein Arbeitsbereich (22) einen Volllastarbeitspunkt, bei dem ein für seine Drehzahl betragsmäßig maximal vorgebbares Drehmoment vorliegt, als Maximalträgerfre quenz-Arbeitspunkt aufweist und sich in einen Teillastbetrieb hinein erstreckt, wo bei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz mit steigendem Abstand vom Maximalträgerfrequenz-Arbeitspunkt zu reduzieren.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, wobei
die Drehzahl des Volllastarbeitspunkts um höchstens 40 Prozent, insbesondere höchstens 30 Prozent, von der Drehzahl an einem Eckarbeitspunkt (19), der einen Übergang von einem Grunddrehzahlbetrieb (20) in einen Leistungsbegrenzungs betrieb (21 ) oder in einen Feldschwächbetrieb beschreibt, abweicht.
4. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Arbeitsbereich (23) innerhalb eines durch eine oberen Drehmoment grenze (24a) und eine untere Drehmomentgrenze (24b) begrenzten Drehmoment intervalls und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz im Arbeitsbereich (23) mit fallender Drehzahl, insbesondere unabhängig vom Dreh moment, zu reduzieren.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, wenn abhängig von Anspruch 2, wobei die Arbeitsbereiche (22, 23) überschneidungsfrei definiert sind und/oder vorgeb- bare Trägerfrequenzen an Rändern, an denen die Arbeitsbereiche (22, 23) anei nandergrenzen stetig verlaufen.
6. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welche dazu eingerichtet ist, innerhalb eines überschneidungsfrei bezüglich des wenigstens einen Arbeitsbereichs (22, 23) definierten, Arbeitspunkte oberhalb ei nes Drehzahlschwellwerts (26) umfassenden weiteren Arbeitsbereichs (25) die Trägerfrequenz mit einem festen Wert vorzugeben.
7. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welche dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz nicht unterhalb eines vorgegebe nen oder vorgebbaren Minimalwerts zu ermitteln.
8. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welche dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz
- aus einem Kennfeld, das Paaren von Drehzahlwerten und Drehmomentwerten Trägerfrequenzwerte zuordnet, auszuwählen oder
- mittels einer analytischen Berechnungsvorschrift, aus welcher die Trägerfre quenz in Abhängigkeit des Arbeitspunkts ermittelbar ist, zu ermitteln.
9. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welche dazu eingerichtet ist, eine aktualisierte Trägerfrequenz jeweils
- bei Erhalt einer aktualisierten Arbeitspunktinformation und/oder
- nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne und/oder
- nach Abschluss einer elektrischen Periode der elektrischen Maschine (3) und/o der - nach Abschluss einer Periode eines jeweiligen Schaltsignals (15)
zu ermitteln.
10. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welche dazu eingerichtet ist, die Arbeitspunktinformation aus einer an einem Ein gang erhaltenen Drehmomentinformation und/oder einer an einem Eingang erhal tenen Drehzahlinformation (17) und/oder in Abhängigkeit einer an einem Eingang erhaltenen, die elektrische Maschine (3) speisende Phasenströme beschreiben den Strom Information (16) zu ermitteln und/oder die Arbeitspunktinformation im Rahmen einer Regelung zur Ermittlung der Schaltsignale (15) zu schätzen.
1 1 . Wechselrichter (2), umfassend
- einen Zwischenkreiskondensator (6),
- Schaltelemente (12), die dazu verschaltet sind, eine am Zwischenkreiskonden sator (6) anliegende Zwischenkreisspannung (27) die Schaltelemente (12) ansteu ernden Schaltsignalen (15) in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung zu wandeln, und
- eine Steuereinrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Anordnung (1 ) mit einem Wechselrichter (2) nach Anspruch 1 1 und einer elektrischen Maschine (3), die mittels der Wechselspannung betreibbar ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei das Ermitteln der Trägerfrequenz den Zusammenhang
oder
oder beim Betrieb der Anordnung (1 ) abbildet, wobei
- fpwM die zu ermittelnde Trägerfrequenz,
- f PWM.max eine maximale Trägerfrequenz,
- fpwM.mtn einen Minimalwert der Trägerfrequenz,
UDC PP \ einen vom Drehmoment und von der Drehzahl abhängigen
J PWM.max
Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreisspannung (27) bei der maximalen Trägerfre quenz,
- uDC pp max einen vorgegebenen Maximalwert des Spitze-Tal-Werts der Zwischen kreisspannung (27),
- frot die Drehzahl und
- ot.max eine maximale Drehzahl
beschreiben.
14. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (2) zum Versorgen einer elektrischen Maschine (3), umfassend folgende von einer Steuereinrichtung (8) durchgeführte Schritte:
- Ermitteln einer Trägerfrequenz von pulsweitenmodulierten Schaltsignalen (15) zum Ansteuern des Wechselrichters (2) in Abhängigkeit einer Arbeitspunktinfor mation, die einen durch eine Drehzahl und ein Drehmoment der elektrischen Ma schine (3) definierten Arbeitspunkt beschreibt, innerhalb wenigstens eines Arbeits bereichs (22, 23) derart, dass die Trägerfrequenz innerhalb des wenigstens eines Arbeitsbereichs (22, 23) gegenüber einem Maximalträgerfrequenz-Arbeitspunkt, bei dem maximale Trägerfrequenz im Arbeitsbereich vorgegeben wird, reduziert wird; und
- Bereitstellen der Schaltsignale (15) für Schaltelemente (12) des Wechselrichters (2).
15. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Pro gramms durch einen Computer diesen veranlassen, die von der Steuereinrichtung (8) durchgeführten Schritte des Verfahrens nach Anspruch 14 auszuführen.
EP20746209.4A 2019-07-29 2020-07-27 Steuereinrichtung, wechselrichter, anordnung mit einem wechselrichter und einer elektrischen maschine, verfahren zum betreiben eines wechselrichters sowie computerprogramm Pending EP4005085A1 (de)

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