Wechselrichter-Schaltungsanordnunσ
Beschreibung
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Wechselrichter-Schaltungsanordnung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wechselrichter-Schaltungsanordnung, die zum Ansteuern einer Drehfeld- Maschine (zum Beispiel einer Asynchron-, oder Synchronma- schine) geeignet ist.
Stand der Technik
Bei herkömmlichen Wechselrichter-Schaltungsanordnungen ist es erforderlich, daß die durch die Taktung der Brückenzwei - ge entstehenden Strompulse zum Zwischenkreis hin abgeblockt werden müssen, indem sog. Zwischenkreis-Kondensatoren mit nennenswerten Kapazitäten eingesetzt werden. Mit anderen Worten wird hier durch die Zwischenkreis -Kondensatoren die Rückwirkung der Strompulse auf den Zwischenkreis aufgefan- gen. Dabei müssen diese Zwischenkreis-Kondensatoren so dimensioniert sein, daß sie im taktfrequenten Wechsel während eines entsprechenden Teils der Taktperiode praktisch den vollen Laststrom aufnehmen bzw. abgeben können. Diese Zwischenkreis- oder Ausgleichskondensatoren sind voluminös, kostentreibend und erhöhen die Fehlerrate der gesamten Wechselrichter-Schaltungsanordnung.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Ausgehend von dieser Situation liegt der Erfindung das Pro- blem zugrunde, eine Wechselrichter-Schaltungsanordnung bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik kompakter baut, kostengünstiger ist und weniger fehleranfällig ist.
Erfindungsgemäße Lösung
Als Lösung dieses Problems wird eine Wechselrichter-Schaltungsanordnung vorgeschlagen, mit wenigstens zwei, im Betriebszustand zeitlich versetzt getakteten Wechselrichtern, an deren jeweils einer Phase zugeordneten Halbbrückenmittelpunkten jeweils ein erster Anschluß einer Spulenanordnung befindet, wobei jeweilige zweite Anschlüsse einander entsprechender Spulenanordnungen der jeweiligen Wechselrichter miteinander verbunden sind.
Vorteile der Erfindung
Die Spulenanordnungen können dabei entweder in Form von Induktivitäten (Drosseln) realisiert sein. Alternativ dazu können diese Spulenanordnungen auch mittels eines magneti- sehen Koppelelementes (transformatorisch) miteinander verbunden sein. Bei diesem magnetischen Koppelelement treten praktisch keine Verluste, keine Ausgleichsströme und auch keine Energiespeicherung auf. Damit kann dieses magnetischen Koppelelement sehr kompakt ausgeführt sein.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, daß die bisher üblichen Zwischenkreis-Kondensatoren auf einen Bruchteil ihrer bisher erforderlichen Kapazität reduziert werden können. Zum Beispiel kann - gleiche Leistung, Stromentnahme aus der Wechselrichter-Anordnung etc. vorausgesetzt - bei zwei erfindungsgemäß durch die Spulenanordun- gen miteinander verbundenen Wechselrichtern die Kapazität auf etwa ein Viertel im Verhältnis zu der sonst erforderlichen Anordnung reduziert werden. Da jedoch der Raumbedarf der Spulenanordnungen (insbesondere auch bei der Ausführungsform mit dem magnetischen Koppelelement) erheblich geringer ist, tritt ein merklich verringerter Bedarf an Bauraum auf. Außerdem sind Induktivitäten auch weniger anfällig für Störungen als Kondensatoren mit hoher Kapazität.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung In einer bevorzugten Ausführungsform- der Erfindung weist jeder der Wechselrichter wenigstens eine aus zwei in Serie geschalteten Leistungshalbleitern gebildete Halbbrückenschaltung auf, bei denen die jeweiligen beiden Leistungshalbleiter mit einer Ansteuerschaltung verbunden sind, die dazu eingerichtet ist, die jeweiligen beiden Leistungshalbleiter gegenphasig leitend und sperrend zu schalten.
Weiterhin ist bevorzugt mit dem den Ausgang jeder Halbbrük- kenschaltung bildenden Mittelpunkt ein erster Anschluß der jeweiligen Induktivität elektrisch leitend verbunden, und die jeweiligen zweiten Anschlüsse der einander entsprechen- den Induktivitäten jeder Halbbrückenanordnung sind elektrisch leitend miteinander verbunden.
Dabei sind die einander entsprechenden Spulenanordnungen jeder Halbbrückenanordnung bei Vorhandensein des magneti- sehen Koppelelementes an diesem so angeordnet, daß sie entgegengesetzt orientierte Magnetflüsse erzeugen.
Das magnetische Koppelelement ist bei hohen Taktfrequenzen der Ansteuersignale der Wechselrichter (über etwa 100 kHz) bevorzugt ein Ferrit-haltiges Bauteil, das die Induktivitäten miteinander koppelt. Bei niedrigeren Taktfrequenzen ist das magnetische Koppelelement vorzugsweise aus Eisen (-blechen) gebildet.
Durch die Ansteuerschaltung werden die einzelnen Halbbrük- ken (jeweils entsprechend einer Phase) eines Wechselrichters so angesteuert, wie es die angeschlossene elektrische Maschine erfordert, um sich in der gewünschten Richtung und mit der gewünschten Drehzahl zu drehen.
Weitere Eigenschaften, Merkmale, Vorteile und mögliche Abwandlungen der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung deutlich, in denen Ausführungs- beispiele der Erfindung dargestellt sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Schaltungs- anordnung mit zwei Wechselrichtern mit jeweils drei Phasen.
Fig. 2a zeigt eine schematische Seitenansicht eines magnetischen Koppelelementes für die Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit den Spulenanordnungen für zwei miteinander zu koppelnde Wechselrichter.
Fig. 2b zeigt eine schematische Draufansieht des magnetischen Koppelelementes nach Fig. 4a.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Verlauf von Ansteuerungs- signalen für die Wechselrichter-Schaltungsanordnung nach Fig. 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wechselrichter-Schaltungsanordnung. Ersichtlich werden in diesem Ausführungsbeispiel zwei vollkommen identische Wechselrichter WR, WR ' durch eine gemeinsame Ansteuerschaltung ECU entsprechend einem von außen vorgegebenen Motor-Ansteuer- signal MAS angesteuert um die Drehzahl und Drehrichtung einer elektrischen Maschine EM, zum Beispiel einer Asynchronmaschine vorzugeben. Da die beiden Wechselrichter WR, WR ' identisch sind, wird nachstehend nur einer der Wechselrichter beschrieben.
Auf der Eingangsseite der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegen zum Beispiel etwa 42 Volt Gleichspannung an
drei parallel geschalteten Halbbrücken Hl, H2 , H3 an, die jeweils durch zwei zwischen die Eingangssspannung (42 Volt) und Masse in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter Sll, S12; S21, S22; S31, S32 gebildet sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den Leistungshalbleitern um Power-MosFETs oder IGBTs, bei denen zusätzlich jeweils eine Diode D in Sperr- Richtung (wie beispielhaft lediglich für den Leistungshalbleiter S31 gezeigt) parallel geschaltet ist.
Jeweils am Mittelabgriff der drei Halbbrücken Hl, H2 , H3 ist jeweils ein Anschluß einer der Spulenanordnungen Ll , L2 , L3 angeschlossen. Diese Spulenanordnungen Ll , L2 , L3 haben gleiche Windungszahlen (Ll = L2 = L3 ) . Jeweils einander entsprechende Spulenanordnungen Ll, Ll ' , L2 , L2 ' , L3 , L3 ' der beiden Wechselrichter WR, WR ' sind miteinander durch ein magnetisch leitendes Koppelelement T verbunden, wodurch jeweils ein (Ausgleichs- ) Transformator gebildet wird.
In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem Koppelelement T um einen Ferrit-Kern (wegen der hohen Betriebsfrequenz von mehreren Hundert Kilohertz) mit zwei Schenkeln Kl, K2 die jeweils von einer der Induktivitäten Ln, Ln' umgeben sind. An ihren jeweiligen beiden Stirnsei- ten sind die beiden Schenkel Kl, K2 durch durch ein Joch Jl, J2 verbunden, (siehe Fig. 2a, 2b). Es versteht sich, daß der Ferrit-Kern als Ganzes ein einstückiges Teil sein kann, oder als EI-, M, oder L-Ferritkern ausgestaltet sein kann. Dieses magnetisches Koppelelement T wirkt als Aus- gleichstransformator, der im wesentlichen keine elektrische Energie speichert. Bei einer Wechselrichter-Schaltungsanordnung mit mehr als zwei miteinander über die Spulenanordnungen verbundenen Wechselrichtern sind für jeden weiteren Wechselrichter ein zusätzlicher, über die Joche Jl, J2 ver-
bundener Schenkel vorzusehen, um die die Spulenanordnung aufzunehmen .
In Fig. 2b ist darüberhinaus für die jeweiligen Spulenan- Ordnung Ln, Ln ' der Wicklungssinn angegeben. Für die hier gezeigte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist eine der der Anzahl der Phasen entsprechende Anzahl von Koppelelementen T erforderlich. Die Windungsanzahl der einzelnen Spulenanordnungen hängt von der erforderlichen Durchflutung des Koppelelementes T ab . Im einfachsten Fall können die beiden Spulenanordnungen Ln, Ln' auch durch zwei Leitungs- abschnitte gebildet sein, die durch das Koppelelement T in der in Fig. 2b gezeigten Weise hindurchgesteckt sind.
Die drei Halbbrücken Hl, H2 , H3 bzw. die sechs Leistungshalbleiter Sll, S12; S21, S22; S31, S32 in Fig. 3 werden durch eine elektronische Ansteuerschaltung ECU über sechs Steuerleitungen a, a\; b, b\ ; c, c\ so angesteuert, daß sich der gewünschte Stromverlauf an den Eingangsleitungen der elekrischen Maschine EM ergibt.
Ein möglicher Verlauf Verlauf der Ansteuerungssignale auf den sechs Steuerleitungen a, a\ ; b, b\ ; c, c\ ist in Fig. 3 veranschaulicht. Im gezeigten Signalverlauf sind die Phasen der Halbbrücken Hl und H2 bzw. jeweils mit fast 50% (48%) ausgesteuert, während die Phasen der Halbbrücke H3 mit fast 100% (96%) ausgesteuert ist. Die Phasen der Halbbrücken Hl1, H2 ' und H3 ' sind demgegenüber um die halbe Takt-Periodendauer versetzt. Die gezeigten Signale bilden einen sich über die Darstellunglänge sich nicht verändernden drei-pha- sigen Sinus ab. Die elektronische Ansteuerschaltung ECU hat dabei sicherzustellen, daß die invertierten und nicht-invertierten Ausgängen x, x\ sich nicht zeitlich "überlappen" . Vielmehr muß zwischen den Pegelwechseln bei den in- vertierten und den nicht- invertierten Ausgängen x, x\ eine auf das Schaltverhalten der sechs Leistungshalbleiter Sll,
S12; S21, S22; S31, S32 angepaßte Totzeit (zum Beispiel einige 100 Nanosekunden) eingehalten sein.
Eingangsseitig ist außerdem parallel zu den Halbbrückenan- Ordnungen Hl, H2 , H3 ein Glättungskondensator Cl angeordnet. Dieser kann im Verhältnis zu herkömmlichen Wechselrichter-Schaltungen mit erheblich geringerer Kapazität dimensioniert sein.
Das Koppelelement aus Ferrit (oder Eisenblechen) kann als Kühlkörper für die sechs Leistungshalbleiter Sll, S12; S21, S22; S31, S32 verwendet werden.