EP4005085A1 - Control device, inverter, assembly having an inverter and an electric machine, method for operating an inverter and computer program - Google Patents

Control device, inverter, assembly having an inverter and an electric machine, method for operating an inverter and computer program

Info

Publication number
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
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carrier frequency
control device
speed
inverter
maximum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20746209.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Panagiotis MANTZANAS
Daniel Kübrich
Thomas DÜRBAUM
Alexander Bucher
Alexander Pawellek
Christian HASENOHR
Harald Hofmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo eAutomotive Germany GmbH
Original Assignee
Valeo Siemens eAutomotive Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Siemens eAutomotive Germany GmbH filed Critical Valeo Siemens eAutomotive Germany GmbH
Publication of EP4005085A1 publication Critical patent/EP4005085A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/085—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation wherein the PWM mode is adapted on the running conditions of the motor, e.g. the switching frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53873—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with digital control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/539—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
    • H02M7/5395—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0085—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed
    • H02P21/0089—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed using field weakening
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2201/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the converter used
    • 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.

Abstract

The invention relates to a control device (8) for an inverter (2) supplying an electric machine (3), wherein the control device (8) is designed to provide pulse-width modulated switch signals (15) with a carrier frequency for controlling switch elements (12) of the inverter (2), wherein the control device (8) is designed to determine the carrier frequency within at least one operating range (22, 23) according to operating point information describing an operating point defined by a rotational speed and a torque of the electric machine (3), in such a way that the carrier frequency within the at least one operating range (22, 23) is reduced relative to a maximum carrier frequency operating point, at which a maximum carrier frequency is specified in the operating range.

Description

Steuereinrichtung, Wechselrichter, Anordnung mit einem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine, Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters sowie Computerprogramm Control device, inverter, arrangement with an inverter and an electrical machine, method for operating an inverter and computer program
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. 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.
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. In addition, 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.
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. Due to the increasing importance of electrically powered vehicles, inverters and associated control devices for such application areas have moved into the focus of industrial development efforts. Derar term control devices are known which provide pulse-width-modulated switching signals with a constant carrier frequency for controlling switching elements of the inverter.
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. Switching losses inevitably arise in the course of such switching operations. These have a strong influence on the overall efficiency of the inverter or an arrangement with the inverter and an electrical machine, since they make up a significant proportion of the total losses. At the same time, the inverter must be operated in such a way that a maximum peak-valley value of an intermediate circuit voltage on its intermediate circuit capacitor is not exceeded, since the intermediate circuit capacitor of the inverter is limited to a maximum in terms of its capacity - and thus also its installation space, weight and cost permissible peak-valley value. The invention is therefore based on the object of enabling more efficient operation of an inverter without increasing the capacitance of its intermediate circuit capacitor.
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. This object is achieved according to the invention by 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.
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. 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.
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. In the control device according to the invention, it is preferred if 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.
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. Advantageously, 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.
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. If the 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.
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. It is preferred in the control device according to the invention if 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.
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. If the control device is set up only for specifying carrier frequencies for working points with the same sign of the torques, 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.
Gemäß einer besonders einfach implementierbaren Ausführungsform ist der zweite Arbeitsbereich durch die Drehmomentgrenzen begrenzt. According to an embodiment that is particularly easy to implement, the second working range is limited by the torque limits.
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. Typically, the first and second work areas are defined without overlapping. Preferably, predeterminable carrier frequencies run continuously at the edges at which the first and second working areas adjoin one another.
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. Optionally, the control device according to the invention 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. At speeds above this speed threshold, the reduction in switching losses is only very weak, so that the choice of the carrier frequency depending on the operating point can be dispensed with. Typically, the speed threshold is in power limiting mode or in field weakening mode. The carrier frequency is then expediently the maximum carrier frequency provided.
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. In an advantageous further development of the control device according to the invention, 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.
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. 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.
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. It can also be provided that the characteristic map describes an at least piecewise linear assignment of the pairs and the carrier frequency values. Alternatively, it is possible that 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.
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. As an alternative to using a characteristic map, the control device according to the invention 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.
Das Kennfeld oder die Berechnungsvorschrift kann beispielsweise durch Messung oder Simulation für eine bestimmte Konfiguration des Wechselrichters und der elektrischen Maschine ermittelt worden sein. 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.
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. The control device according to the invention 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.
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. It is also possible that the control device according to the invention 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. In particular, the torque can be determined from the current information.
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. The object on which the invention is based is also achieved by 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.
Der Zwischenkreiskondensator kann durch ein einziges Kondensatorelement oder durch mehrere parallel und/oder in Reihe verschaltete Kondensatorelemente aus gebildet sein. The intermediate circuit capacitor can be formed by a single capacitor element or by several capacitor elements connected in parallel and / or in series.
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. 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.
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 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
beim Betrieb der Anordnung abbildet, wobei maps during operation of the arrangement, with
- fpwM die zu ermittelnde Trägerfrequenz, - fpwM is the carrier frequency to be determined,
- f PWM.max die maximale Trägerfrequenz, - f PWM.max is the maximum carrier frequency,
- fpwM.mtn den Minimalwert der Trägerfrequenz, - fpwM.mtn is the minimum value of the carrier frequency,
- \ einen vom Drehmoment und von der Drehzahl abhängigen - \ one dependent on the torque and the speed
J PWM.max J PWM.max
Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreisspannung bei der maximalen Trägerfrequenz, Peak-valley value of the intermediate circuit voltage at the maximum carrier frequency,
- uDC pp max einen vorgegebenen Maximalwert des Spitze-Tal-Werts der Zwischen kreisspannung, - u DC pp max a specified maximum value of the peak-valley value of the intermediate circuit voltage,
fro t die Drehzahl und f ro t the speed and
- ot, max e'ne maximale Drehzahl - ot, max e ' ne maximum speed
beschreiben. describe.
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. It can be provided in the arrangement according to the invention that 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.
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. 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.
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. All statements relating to the control device according to the invention, the inverter according to the invention and the arrangement according to the invention can be transferred analogously to the method according to the invention and the computer program according to the invention, so that the aforementioned advantages can also be achieved with these.
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: Further advantages and details of the present invention emerge from the exemplary embodiments described below and with reference to the drawings. These are schematic representations and show:
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; 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.
Fig. 3 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Spitze-Tal-Wer- ten einer Zwischenkreisspannung bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik; 3 shows a torque / speed diagram with drawn in peak-valley values of an intermediate circuit voltage in an arrangement according to the prior art;
Fig. 4 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Trägerfrequenz werten beim Betrieb eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsge mäßen Anordnung; 4 shows a torque-speed diagram with drawn carrier frequency values during the operation of a further exemplary embodiment of the arrangement according to the invention;
Fig. 5 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Spitze-Tal-Wer- ten einer Zwischenkreisspannung des weiteren Ausführungsbeispiels; und 5 shows a torque-speed diagram with drawn in peak-valley values of an intermediate circuit voltage of the further exemplary embodiment; and
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. 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 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. 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.
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 . 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.
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. 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. For the sake of clarity, only one switching element 12 and one driver 14 are provided with reference symbols. 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. As a function of the switching signals 15, 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.
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. 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.
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. Using the current information 16 and the speed information 17, 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. For this purpose, 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 .
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. The diagram depicts the characteristic field which describes an assignment of the pairs and the carrier frequency values. In FIG. 2, 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.
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. From a full load operating point, which here corresponds to the corner operating point 19, but can alternatively be up to 40 percent of the speed at the corner operating point 19 deviating therefrom on a full load line 21 a, 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.
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 \ For the partial load operation of the electrical machine 3, lower switching losses of the switching elements 12 are thus realized than in operation with a fixed carrier frequency according to the prior art, because the carrier frequency is reduced by contrast. Since the intermediate circuit capacitor 6 is designed to operate with the peak-valley value of the intermediate circuit voltage 27 at the full load operating point, a reduction in switching losses in partial load operation is achieved in the first operating range without having to increase the capacity of the intermediate circuit capacitor 6. For the first working range 22 the following applies for the carrier frequency uDC, pp \
f PWM.max f PWM.max
fpWM — fpWM, max i fpWM - fpWM, max i
uDC,pp,max uDC, pp, max
Darin bezeichnen uDC pp I den vom Drehmoment und von der Drehzahl ab- Here u DC pp I denote the torque and speed
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: dependent peak-valley value of the intermediate circuit voltage at the maximum carrier frequency f PW M, max and u Dc, PP , max present at the full load operating point, a predetermined maximum value of the peak-valley value. The peak-valley value of the intermediate circuit voltage 27 is defined as follows:
Darin bezeichnet uDC(t ) den zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung 27 über eine elektrische Motorperiode. U DC (t) denotes the time profile of the intermediate circuit voltage 27 over an electrical motor period.
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. 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.
Für den zweiten Arbeitsbereich 23 gilt dabei für die Trägerfrequenz f _ frot f For the second working range 23, the carrier frequency applies f _ frot f
JPWM — JPWM.max JPWM - JPWM.max
Irot.max Irot.max
Darin bezeichnen fro t die Drehzahl und frot,max eine maximale Drehzahl bzw. den zweiten Drehzahlschwellwert 26. Here, fr t denotes the speed and fr t, max denotes a maximum speed or the second speed threshold value 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. In addition, 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.
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. Finally, the control device 8 is set up not to determine the carrier frequency below a predetermined minimum value. To this extent, a fourth working area 28 is shown, in which the minimum value is specified.
Zusammengefasst bildet das Kennfeld für den ersten Arbeitsbereich 22, den zwei ten Arbeitsbereich 23 und den vierten Arbeitsbereich 28 den folgenden Zusam menhang ab: In summary, the map for the first work area 22, the second work area 23 and the fourth work area 28 depicts the following relationship:
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. 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. According to a further exemplary embodiment of the control device 8, 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. According to a further exemplary embodiment, the 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. According to a further exemplary embodiment, 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 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. 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.
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. The peak-valley values are shown in FIG. 3 by isolines on which the peak-valley value assigned to them is indicated in volts. Obviously, 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 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: 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:
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. This results in two 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 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.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.
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. In comparison to FIG. 3, it is immediately apparent that in part-load operation there are significantly higher, but peak-valley values that do not exceed the maximum value of the peak-valley values at the full-load operating point. However, as shown in FIG. 4 in partial load operation, much lower carrier frequencies than the 10 kFIz used in the prior art according to FIG. 3 are used, a considerable reduction in switching losses is realized.
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. 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. Obviously, the operational efficiency is considerably improved by the work-dependent determination of the carrier frequency.

Claims

Patentansprüche Claims
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, 1 . Control device (8) for an inverter (2) feeding an electrical machine (3), the control device (8) being set up to provide pulse-width modulated switching signals (15) with a carrier frequency for controlling switching elements (12) of the inverter (2) ,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
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. the control device (8) is set up to determine the carrier frequency within at least one working range (22, 23) as a function of working point information which describes an working point defined by a speed and a torque of the electrical machine (3) in such a way that that the carrier frequency within the at least one working range (22, 23) is reduced compared to a maximum carrier frequency working point at which a maximum carrier frequency is specified in the working range (22, 23).
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 , wobei 2. Control device according to claim 1, wherein
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. a working area (22) has a full-load operating point at which a maximum torque that can be predetermined in terms of its speed is present as the maximum carrier frequency operating point and extends into part-load operation, where the control device is set up to increase the carrier frequency with increasing distance from the maximum carrier frequency To reduce the operating point.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, wobei 3. Control device according to claim 2, wherein
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. the speed of the full load operating point deviates by a maximum of 40 percent, in particular a maximum of 30 percent, from the speed at a corner operating point (19), which describes a transition from a basic speed operation (20) to a power limitation operation (21) or to a field weakening operation.
4. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. Control device according to one of the preceding claims,
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. wherein a working range (23) within a torque interval limited by an upper torque limit (24a) and a lower torque limit (24b) and the control device is configured to set the carrier frequency in Working area (23) with falling speed, in particular regardless of the torque to reduce.
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. 5. Control device according to claim 4, when dependent on claim 2, wherein the working areas (22, 23) are defined without overlapping and / or predeterminable carrier frequencies at the edges at which the working areas (22, 23) run continuously.
6. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. Control device according to one of the preceding claims,
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. which is set up to specify the carrier frequency with a fixed value within a further working range (25) defined without overlapping with respect to the at least one working area (22, 23) and comprising working points above a speed threshold value (26).
7. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Control device according to one of the preceding claims,
welche dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz nicht unterhalb eines vorgegebe nen oder vorgebbaren Minimalwerts zu ermitteln. which is set up not to determine the carrier frequency below a given or predefinable minimum value.
8. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. Control device according to one of the preceding claims,
welche dazu eingerichtet ist, die Trägerfrequenz which is set up for this purpose, the carrier frequency
- aus einem Kennfeld, das Paaren von Drehzahlwerten und Drehmomentwerten Trägerfrequenzwerte zuordnet, auszuwählen oder - to select from a characteristic field that assigns pairs of speed values and torque values to carrier frequency values, or
- mittels einer analytischen Berechnungsvorschrift, aus welcher die Trägerfre quenz in Abhängigkeit des Arbeitspunkts ermittelbar ist, zu ermitteln. - by means of an analytical calculation rule, from which the carrier frequency can be determined depending on the operating point.
9. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. Control device according to one of the preceding claims,
welche dazu eingerichtet ist, eine aktualisierte Trägerfrequenz jeweils which is set up to have an updated carrier frequency in each case
- bei Erhalt einer aktualisierten Arbeitspunktinformation und/oder - upon receipt of updated operating point information and / or
- nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne und/oder - after a specified or specifiable period of time and / or
- nach Abschluss einer elektrischen Periode der elektrischen Maschine (3) und/o der - nach Abschluss einer Periode eines jeweiligen Schaltsignals (15) - After completion of an electrical period of the electrical machine (3) and / or the - after completion of a period of a respective switching signal (15)
zu ermitteln. to determine.
10. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 10. Control device according to one of the preceding claims,
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. which is set up to describe the operating point information from torque information received at an input and / or from rotational speed information (17) received at an input and / or as a function of phase currents that feed the electrical machine (3) received at an input To determine information (16) and / or to estimate the operating point information within the framework of a control system for determining the switching signals (15).
1 1 . Wechselrichter (2), umfassend 1 1. Inverter (2), comprising
- einen Zwischenkreiskondensator (6), - an intermediate circuit capacitor (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 - Switching elements (12) which are connected to convert an intermediate circuit voltage (27) applied to the intermediate circuit capacitor (6), the switching elements (12) driving switching signals (15) into a single- or multi-phase alternating voltage, and
- eine Steuereinrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. - A control device (8) according to one of the preceding claims.
12. Anordnung (1 ) mit einem Wechselrichter (2) nach Anspruch 1 1 und einer elektrischen Maschine (3), die mittels der Wechselspannung betreibbar ist. 12. Arrangement (1) with an inverter (2) according to claim 1 1 and an electrical machine (3) which can be operated by means of the AC voltage.
13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei das Ermitteln der Trägerfrequenz den Zusammenhang 13. The arrangement according to claim 12, wherein the determination of the carrier frequency the relationship
oder or
oder beim Betrieb der Anordnung (1 ) abbildet, wobei or images during operation of the arrangement (1), wherein
- fpwM die zu ermittelnde Trägerfrequenz, - fpwM is the carrier frequency to be determined,
- f PWM.max eine maximale Trägerfrequenz, - f PWM.max e i ne maximum carrier frequency,
- fpwM.mtn einen Minimalwert der Trägerfrequenz, - fpwM.mtn a minimum value of the carrier frequency,
UDC PP \ einen vom Drehmoment und von der Drehzahl abhängigen UDC PP \ one dependent on the torque and the speed
J PWM.max J PWM.max
Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreisspannung (27) bei der maximalen Trägerfre quenz, Peak-valley value of the intermediate circuit voltage (27) at the maximum carrier frequency,
- uDC pp max einen vorgegebenen Maximalwert des Spitze-Tal-Werts der Zwischen kreisspannung (27), - u DC pp max a specified maximum value of the peak-valley value of the intermediate circuit voltage (27),
- frot die Drehzahl und - f rot the speed and
- ot.max eine maximale Drehzahl - ot.max a maximum speed
beschreiben. describe.
14. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (2) zum Versorgen einer elektrischen Maschine (3), umfassend folgende von einer Steuereinrichtung (8) durchgeführte Schritte: 14. A method for operating an inverter (2) for supplying an electrical machine (3), comprising the following steps carried out by a control device (8):
- 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 - Determining a carrier frequency of pulse-width-modulated switching signals (15) for controlling the inverter (2) as a function of operating point information that describes an operating point defined by a speed and a torque of the electrical machine (3) within at least one operating range (22, 23) in such a way that the carrier frequency within the at least one working range (22, 23) is reduced compared to a maximum carrier frequency working point at which the maximum carrier frequency is specified in the working range; and
- Bereitstellen der Schaltsignale (15) für Schaltelemente (12) des Wechselrichters (2). - Provision of the switching signals (15) for switching elements (12) of the inverter (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. 15. A computer program comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to carry out the steps of the method according to claim 14 carried out by the control device (8).
EP20746209.4A 2019-07-29 2020-07-27 Control device, inverter, assembly having an inverter and an electric machine, method for operating an inverter and computer program Pending EP4005085A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019120438.0A DE102019120438A1 (en) 2019-07-29 2019-07-29 Control device, inverter, arrangement with an inverter and an electrical machine, method for operating an inverter and computer program
PCT/EP2020/071115 WO2021018827A1 (en) 2019-07-29 2020-07-27 Control device, inverter, assembly having an inverter and an electric machine, method for operating an inverter and computer program

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4005085A1 true EP4005085A1 (en) 2022-06-01

Family

ID=71786977

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20746209.4A Pending EP4005085A1 (en) 2019-07-29 2020-07-27 Control device, inverter, assembly having an inverter and an electric machine, method for operating an inverter and computer program

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20220255488A1 (en)
EP (1) EP4005085A1 (en)
JP (1) JP2022542991A (en)
KR (1) KR20220041106A (en)
CN (1) CN114175489A (en)
DE (1) DE102019120438A1 (en)
WO (1) WO2021018827A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023096832A (en) * 2021-12-27 2023-07-07 本田技研工業株式会社 Apparatus

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3301194B2 (en) * 1994-01-28 2002-07-15 三菱電機株式会社 Inverter control device
JP4396644B2 (en) * 2006-01-31 2010-01-13 トヨタ自動車株式会社 Start control device for internal combustion engine
US7652443B2 (en) * 2007-10-24 2010-01-26 Gm Global Technology Operations, Inc. Method and system for controlling a power inverter in electric drives
JP4978429B2 (en) * 2007-11-01 2012-07-18 アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 Electric motor control device, electric vehicle and hybrid electric vehicle
US8242735B2 (en) * 2008-07-09 2012-08-14 Caterpillar Inc. Method and system for temperature-based power converter control
JP5035641B2 (en) * 2009-11-30 2012-09-26 アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 Control device for motor drive device
CN102934355B (en) * 2010-06-07 2015-07-08 丰田自动车株式会社 Control method and control device for an electric power regulator
CN105027424B (en) * 2013-03-29 2017-09-12 爱信艾达株式会社 Electric rotating machine drive device
JP6184753B2 (en) * 2013-05-30 2017-08-23 コベルコ建機株式会社 Inverter device for motor drive
US9722518B2 (en) * 2015-12-22 2017-08-01 Faraday & Future Inc. System and method for improving acceleration performance of an electric vehicle

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022542991A (en) 2022-10-07
DE102019120438A1 (en) 2021-02-04
US20220255488A1 (en) 2022-08-11
WO2021018827A1 (en) 2021-02-04
KR20220041106A (en) 2022-03-31
CN114175489A (en) 2022-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1842281B1 (en) Method and device for the operation of a converter circuit comprising an lcl filter
DE60215902T2 (en) Drive unit, control method and program storage medium for the drive unit, and apparatus for generating energy
EP1842283B1 (en) Method and device for the operation of a converter circuit comprising an lcl filter
DE10151177B4 (en) Device for controlling a motor-driven power steering device
WO2010086823A2 (en) Dc/dc converter and ac/dc converter
DE102007040550A1 (en) Control scheme for a DC / AC direct converter
DE10231773B4 (en) Inverter for variable-speed operation of a capacitor motor and method for controlling a capacitor motor
DE102007040552A1 (en) PWM method for direct converter
DE102018123235A1 (en) QUASI-SIX-STEP PWM CONTROL
EP4005085A1 (en) Control device, inverter, assembly having an inverter and an electric machine, method for operating an inverter and computer program
EP3504781A1 (en) Regulation of an output current of a converter
EP1952522B1 (en) Method for operating a converter circuit and device for carrying out the method
EP4005086A1 (en) Control device, inverter, assembly having an inverter and an electric machine, method for operating an inverter and computer program
EP4046268B1 (en) Determination of filter parameters within an inverter
DE102017115639A1 (en) Reduction of ripple current during switching operations of a bridge circuit
DE112020002507T5 (en) converter device
EP2254233B1 (en) Method for operating an inverter controller and device for carrying out the method
EP3772174A1 (en) Control device, inverter, arrangement with an inverter and an electric machine, method for operating an inverter and computer program
DE102012206721A1 (en) Method for controlling high-side switching element and low-side switching element, involves shortening time period of high state of control signals to duty cycle setting time period by twice guard time and fraction of guard time
DE102020126054A1 (en) Control circuit for an electric motor with adjustable intermediate circuit voltage and corresponding method for controlling an electric motor
DE19705907C2 (en) Method and device for power control of electrical consumers connected to an AC supply network
WO2021105079A1 (en) Control device, inverter, assembly having an inverter and an electrical machine, method for operating an inverter, and computer program
DE102018211352A1 (en) H-bridge circuit and integrated circuit to control it
CH714100A2 (en) Method for controlling a polyphase inverter.
DE19848728B4 (en) Converter device for a DC machine

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20220112

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

RAP3 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: VALEO EAUTOMOTIVE GERMANY GMBH

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
P01 Opt-out of the competence of the unified patent court (upc) registered

Effective date: 20230528

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20231221