WO2016041708A1 - Inverter für elektrische maschinen - Google Patents

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WO2016041708A1
WO2016041708A1 PCT/EP2015/068697 EP2015068697W WO2016041708A1 WO 2016041708 A1 WO2016041708 A1 WO 2016041708A1 EP 2015068697 W EP2015068697 W EP 2015068697W WO 2016041708 A1 WO2016041708 A1 WO 2016041708A1
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control unit
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Klaus Mühlbauer
Thomas Baumann
Andreas Greif
Wilhelm Hackmann
Matthias Töns
Michael Hetzenecker
Martin SPORNRAFT
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • 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
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • Inverter for electrical machines The invention relates to an inverter, in particular a
  • Inverter for converting a direct current (DC) into an alternating voltage (AC)
  • Inverters are generally used to convert a DC voltage to an AC voltage or an AC voltage to a DC voltage.
  • inverters For controlling electrical machines, in particular for controlling the power of electric power machines such as e.g. of electric motors, for example in the form of a three-phase machine, inverters are used, which convert a DC voltage into an AC voltage.
  • This conversion is usually carried out by a switching mechanism, which has power semiconductor elements and which are switched by high-frequency switching operations so that when an applied DC voltage, an AC voltage of a desired frequency with a desired current or voltage waveform is output.
  • the switching losses are usually approximately proportional to the switching frequency ⁇ , ie that increase with increasing switching frequency, the switching losses and vice versa.
  • Passage losses occur.
  • Flat-top modulation can be divided into sub-modulation techniques. These differ in which angle and over which angle range the period of the AC voltage is not switched.
  • As a reference signal usually the electrical AC voltage target signal is used.
  • an inverter for converting a
  • the inverter has a control unit and a rear derailleur.
  • the switching ⁇ factory is designed to generate an AC voltage by a series of switching operations from the DC voltage.
  • the control unit is designed to control the rear derailleur so that in a predetermined angular range of the AC voltage no switching operations take place and to vary a first angle of the angle ⁇ range so that losses in the inverter, which are caused by the switching operations are reduced.
  • the inverter is supplied with a DC voltage on one input side and outputs an AC voltage on an output side.
  • the predefinable angular range in which no switching operations take place refers to the AC voltage on the output side.
  • the circuit-free angle range can, for example, cover at most the range between 0 ° and 180 ° (one half-wave) of the alternating voltage, but also be smaller, for example between 50 ° and 80 ° or between 70 ° and 110 °.
  • the first angle of the angular range is, for example, that angle value of a period of the alternating voltage at which the circuit-free angular range begins, ie when the switching mechanism changes from the state of the high-frequency switching into the on-state (constant on).
  • the first angle can also be the angle value at which the circuit-free angle range ends, ie when the switching mechanism changes from the on-state to the state of high-frequency switching.
  • the first angle is used below as the angle at which the circuit-free angular range begins.
  • the value of the first angle thus for example the is begun in the period of the AC voltage from the angle ⁇ offset, not to clock the switching mechanism with the switching frequency or to connect them, but to be energized constantly, is used as a degree of freedom to the Total losses of the inverter too minimize.
  • the inverter as described above and below can be used for example in a drive system of a vehicle, which has a power source, in particular a DC voltage source, which is designed to supply a DC voltage to the inverter.
  • the inverter converts the DC voltage into an AC voltage in order to supply it to an electric motor, which is used, for example, as the drive of the vehicle.
  • This mode of operation may be referred to as engine operation.
  • engine operation In this use, a power output of the power source to the electric ⁇ combustion engine takes place.
  • the inverter may also be configured to accept power from the electric motor in a so-called generator mode and to supply this power to the power source to, for example, operate energy recovery.
  • the inverter as described above and below can be used in both engine operation and generator operation.
  • the inverter can be designed in particular to output the AC voltage over three phases.
  • the control unit may be designed to control the switching mechanism so that no switching operations take place in a predefinable angular range of each phase of the AC voltage.
  • the predeterminable angular range in which no switching operations take place can be identical, in particular for each of the three phases with respect to the respective angular position, ie between 80 ° and 100 ° of the first phase and between 80 ° and 100 ° of the second and third phase.
  • the inverter can be designed in particular, an undesirable fluctuation of the alternating voltage possibly occurring thereby being caused by the others Compensate for phases.
  • the other phases can be operated at a predetermined switching frequency.
  • the voltage compensation can be done by the two switched phases, so that the chained voltages of the phases do not change.
  • the control unit is designed to reduce a value of the first angle. If the value of the first angle is reduced, this means that the circuit-free angle range relative to the period of the alternating voltage begins earlier, ie at a lower angle value. By this measure, the duration of the scarf ⁇ tung free angular range is extended and changes its relative mean position with respect to the course of the AC voltage to the front.
  • control unit is designed to increase a value of the first angle.
  • the circuit-free angle range relative to the period of the AC voltage starts later in this embodiment, that is to say at a higher angle value.
  • the duration of the circuit-free Winkelbe ⁇ empire is shortened and changed its relative mean position with respect to the course of the AC voltage to the rear.
  • Control unit executed to vary a value of the first angle during an operating time of the inverter. This ensures that the circuit-free angular offset ⁇ is continuously adapted to changing operating parameters of the inverter and / or coupled to the inverter electric machine, to keep the losses under changing operating conditions is low allows.
  • control unit is designed to determine a value of the first angle for each period of the alternating voltage.
  • circuit-free angle range refers to one period of the alternating voltage, it may be resource-conserving with respect to the computing power of the control unit to perform the determination of the circuit-free angle range more often than once per period of the AC voltage.
  • the first angle of the angular range is an initial angle value. This means that the first angle indicates at which position the circuit-free angular range begins.
  • control unit is designed to vary a value of a second angle of the angular range.
  • both the duration and the absolute position of the circuit-free angle range with respect to the AC voltage can be adjusted so that thereby the operation of the inverter can be set more accurately and the losses in the inverter can be further reduced.
  • the first angle and the second angle can each be changed so that the value of only one angle changes or that the value of both angles changes.
  • the value of the second angle can be changed so that an angular difference (i.e., the time duration of the switching-free ⁇ angle range and its length) between the second angle and the first angle increases (a value of the first angle is smaller and / or the value of the second angle becomes smaller), or the value of the second angle becomes smaller, or the angle difference remains the same (the value of the first angle becomes smaller or larger as the first angle becomes larger or smaller) Value of the second angle).
  • the second angle of the angular range is an end angle value.
  • the control unit is designed to detect at least one of the following Pa ⁇ parameters of the inverter: power factor on an output side, relationship between the voltage on the off ⁇ input side and the voltage on the input side, transit transmission characteristic of the switching mechanism, Wegmanne ⁇ rrick of the switching mechanism, the current amplitude on the output side, temperature of the inverter.
  • the control unit is designed to vary the first angle and / or the second angle of the angular range based on the at least one detected parameter.
  • the detected parameters may generally be referred to as operating parameters of the inverter or operating state of the inverter.
  • the control unit may have corresponding Er isolatedsein ⁇ units or sensors, which provide and detect the respective parameters for the further processing.
  • the power factor on the output side is to be understood as a phase shift between current and voltage, which results from the properties of the electrical machine.
  • the electric machine represents a load which causes this Pha ⁇ senverschiebung on the output side of the inverter. Depending on whether the load is inductive or capacitive, the corresponding phase shift results.
  • inverter Use of the inverter in a drive system of a vehicle for providing electrical energy for an electric motor is in particular an inductive / resistive load.
  • the relationship between the voltage on the output side and the voltage on the input side can also be referred to as the modulation degree.
  • the circuit-free angular range may be positioned so that its position with respect to the alternating current on the output side of the inverter over several periods of Wech ⁇ selstroms not changed. In this case, the position of the circuit-free angle range with respect to the AC voltage but remains constant with respect to the alternating current. This can lead to a further reduced loss of the inverter especially in phase shifts between current and voltage on the output side.
  • control unit is designed to take the value of the first angle and / or the value of the second angle of the angular range based on the at least one detected parameter from a characteristic curve.
  • control unit only has to have low computing power, since the circuit-free angle range is not determined algorithmically, but can be determined by a pure read operation based on the values of the parameter (s).
  • control unit may also determine the first and second angles of the circuit-free angular range algorithmically (that is, based on a predetermined calculation rule), the parameter (s) being fed to an arithmetic unit which determines the first and / or second angle based on the parameter or determined the parameters.
  • the inverter makes it possible to determine and adjust the position and duration of the angular offset, that is to say the circuit-free angle range, during an operating time of the inverter in such a way that the losses in the inverter over the entire working or operating range of the inverter on the output side or the powered electrical machine can be reduced.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an inverter according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the circuit-free angular range with respect to the AC voltage of an inverter according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an inverter 100.
  • the inverter 100 On an input side 110, the inverter 100 is supplied with a DC voltage, which is inverted into an AC voltage and output on the output side 120.
  • the AC voltage can be output, for example, three-phase.
  • the inverter 100 has a control unit 130 and a switching mechanism 140.
  • the switching mechanism 140 has power semiconductor elements which are designed to generate an alternating voltage by high-frequency switching operations from the DC voltage.
  • the control unit is designed to control the switching operations of the Leis ⁇ tung semiconductor elements of the switching mechanism.
  • Fig. 2 shows in the upper diagram a schematic course of a period (360 °, marked with the symbol ⁇ ) of the AC voltage u on the output side 120 of the inverter.
  • the switching behavior z of at least one power semiconductor element of the switching mechanism 140 is above the Angle ⁇ of the AC voltage u shown.
  • a high-frequency switching of the power semiconductor element takes place.
  • This angular range between ⁇ and ⁇ 2 is referred to as a circuit-free angular range.
  • the circuit-free angle range can be recalculated. That it can change either ⁇ or ⁇ 2 or both.
  • the two vertical dashed lines indicate that the circuit-free angular range is given with reference to the alternating voltage u.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Es ist ein Inverter (100) zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung angegeben. Der Inverter weist eine Steuereinheit (130) und ein Schaltwerk (140) auf. Das Schaltwerk (140) ist ausgeführt, durch eine Folge von Schaltvorgängen aus der Gleichspannung eine Wechselspannung zu erzeugen. Die Steuereinheit (130) ist ausgeführt, das Schaltwerk (140) so anzusteuern, dass in einem vorgebbaren Winkelbereich der Wechselspannung keine Schaltvorgänge erfolgen und einen ersten Winkel (φ1) des Winkelbereichs so zu variieren, dass Verluste in dem Inverter, welche durch die Schaltvorgänge bedingt sind, reduziert werden.

Description

Beschreibung
Inverter für elektrische Maschinen Die Erfindung betrifft einen Inverter, insbesondere einen
Inverter zum Umwandeln einer Gleichspannung (direct current, DC) in eine Wechselspannung (alternating current, AC)
Inverter werden grundsätzlich verwendet, um eine Gleichspannung in eine Wechselspannung oder eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln.
Zur Regelung von elektrischen Maschinen, insbesondere zur Regelung der Leistung von elektrischen Kraftmaschinen wie z.B. von Elektromotoren, beispielsweise in Form einer Drehstrommaschine, werden Inverter verwendet, die eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umsetzen.
Diese Wandlung wird üblicherweise durch ein Schaltwerk aus- geführt, welches Leistungshalbleiterelemente aufweist und welche durch hochfrequente Schaltvorgänge so geschaltet werden, dass bei einer angelegten Gleichspannung eine Wechselspannung einer gewünschten Frequenz mit einem gewünschten Strom- oder Spannungsverlauf ausgegeben wird.
Durch die Schaltvorgänge des Schaltwerks können Verluste entstehen, welche als Schaltverluste bezeichnet werden. Die Schaltverluste sind in der Regel näherungsweise der Schalt¬ frequenz proportional, d.h. dass mit zunehmender Schaltfrequenz die Schaltverluste zunehmen und umgekehrt. Daneben können in den Leistungshalbleiterelementen des Schaltwerks auf Grund des Stromflusses sog. Durchlassverluste entstehen.
Eine Möglichkeit, die Verluste in einem Inverter zu reduzieren, besteht darin, die Schaltfrequenz zu reduzieren, wobei bei diesem Vorgehen in der Regel der Betriebspunkt berücksichtigt wird.
Eine weitere Möglichkeit, die Verluste des Inverters zu re- duzieren, stellt das sogenannte Flat-Top-Modulationsverfahren dar. Hierbei werden die Leistungshalbleiterelemente des
Schaltwerks nicht mit einer gleichbleibenden Schaltfrequenz betrieben, sondern sie bleiben für einen vorgegebenen Winkelbereich der Periode der Wechselspannung (der Betriebsspannung der elektrischen Maschine) dauerhaft eingeschaltet. Über eine Periode der Wechselspannung gemittelt ergibt sich hierdurch eine geringere mittlere Schaltzahl, was die Schaltverluste und damit auch die Gesamtverluste des Inverters reduziert. Das
Flat-Top-Modulationsverfahren kann in Untermodulationsver- fahren eingeteilt werden. Diese unterscheiden sich darin, ab welchem Winkel und über welchen Winkelbereich der Periode der Wechselspannung nicht geschaltet wird. Als Referenzsignal wird üblicherweise das elektrische Wechselspannungssollsignal herangezogen .
Es kann als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, einen Inverter anzugeben, der sich durch reduzierte Verluste auszeichnet . Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einem Aspekt ist ein Inverter zum Umwandeln einer
Gleichspannung in eine Wechselspannung angegeben. Der Inverter weist eine Steuereinheit und ein Schaltwerk auf. Das Schalt¬ werk ist ausgeführt, durch eine Folge von Schaltvorgängen aus der Gleichspannung eine Wechselspannung zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgeführt, das Schaltwerk so anzusteuern, dass in einem vorgebbaren Winkelbereich der Wechselspannung keine Schaltvorgänge erfolgen und einen ersten Winkel des Winkel¬ bereichs so zu variieren, dass Verluste in dem Inverter, welche durch die Schaltvorgänge bedingt sind, reduziert werden.
Der Inverter wird auf einer Eingangsseite mit einer Gleichspannung beaufschlagt und gibt auf einer Ausgangsseite eine Wechselspannung aus. Der vorgebbare Winkelbereich, in dem keine Schaltvorgänge stattfinden (schaltungsfreier Winkelbereich) , bezieht sich auf die Wechselspannung auf der Ausgangsseite.
Der schaltungsfreie Winkelbereich kann beispielsweise maximal den Bereich zwischen 0° und 180° (eine Halbwelle) der Wechselspannung abdecken, aber auch kleiner sein, beispielsweise zwischen 50° und 80° oder zwischen 70° und 110°.
Der erste Winkel des Winkelbereichs ist beispielsweise derjenige Winkelwert einer Periode der Wechselspannung, bei dem der schaltungsfreie Winkelbereich beginnt, wenn also das Schaltwerk aus dem Zustand des hochfrequenten Schaltens in den Durchlasszustand (konstant eingeschaltet) wechselt. Es kann sich bei dem ersten Winkel aber auch um denjenigen Winkelwert handeln, bei dem der schaltungsfreie Winkelbereich endet, wenn also das Schaltwerk aus dem Durchlasszustand in den Zustand des hoch- frequenten Schaltens handelt. Der Einfachheit halber wird im Folgenden zu illustrativen Zwecken der erste Winkel als derjenige Winkel herangezogen, bei dem der schaltungsfreie Winkelbereich beginnt . Der Wert des ersten Winkels, also beispielsweise der Winkel¬ versatz, ab dem in der Periode der Wechselspannung begonnen wird, das Schaltwerk nicht mehr mit der Schaltfrequenz zu takten bzw. zu schalten, sondern konstant eingeschaltet zu lassen, wird als Freiheitsgrad genutzt, um die Gesamtverluste des Inverters zu minimieren .
Der Inverter wie oben und im Folgenden beschrieben kann beispielsweise in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs eingesetzt werden, welches über eine Energiequelle, insbesondere eine Gleichspannungsquelle, verfügt, welche ausgeführt ist, eine Gleichspannung an den Inverter zu liefern. Der Inverter wandelt die Gleichspannung in eine Wechselspannung um, um diese an eine Elektrokraftmaschine, welche beispielsweise als Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird, zu liefern. Dieser Betriebsmodus kann als Motorbetrieb bezeichnet werden. In dieser Verwendung erfolgt eine Leistungsabgabe von der Energiequelle zu der Elektro¬ kraftmaschine . Der Inverter kann auch ausgeführt sein, in einem sog. Generatorbetrieb Energie von der Elektrokraftmaschine anzunehmen und diese Energie zu der Energiequelle zu liefern, um beispielsweise Energierückgewinnung zu betreiben. Der Inverter wie oben und im Folgenden beschrieben kann sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb verwendet werden. Der Inverter kann insbesondere ausgeführt sein, die Wechsel¬ spannung über drei Phasen auszugeben. Dabei kann die Steuereinheit ausgeführt sein, das Schaltwerk so anzusteuern, dass in einem vorgebbaren Winkelbereich einer jeden Phase der Wechselspannung keine Schaltvorgänge erfolgen. Der vorgebbare Winkelbereich, in dem keine Schaltvorgänge erfolgen, kann dabei insbesondere für jede der drei Phasen bezogen auf die jeweilige Winkellage identisch sein, also z.B. zwischen 80° und 100° der ersten Phase und zwischen 80° und 100° der zweiten und dritten Phase .
Wird bei der oben beschriebenen Dreiphasen-Wechselspannung das Schalten für eine der Phasen unterbrochen, kann der Inverter insbesondere ausgeführt sein, eine hierdurch ggf. entstehende unerwünschte Schwankung der Wechselspannung durch die anderen Phasen zu kompensieren. Während des schaltfreien Winkelbereichs einer Phase können die anderen Phasen mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz betrieben werden. Damit kann die Spannungskompensation durch die beiden geschalteten Phasen erfolgen, so dass sich die verketteten Spannungen der Phasen nicht verändern.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit ausgeführt, einen Wert des ersten Winkels zu reduzieren. Wird der Wert des ersten Winkels reduziert, so bedeutet dies, dass der schaltungsfreie Winkelbereich bezogen auf die Periode der Wechselspannung früher beginnt, also bei einem niedrigeren Winkelwert. Durch diese Maßnahme wird die Dauer des schal¬ tungsfreien Winkelbereichs verlängert und seine relative mittlere Position mit Bezug zu dem Verlauf der Wechselspannung nach vorne verändert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit ausgeführt, einen Wert des ersten Winkels zu erhöhen.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform mit dem Reduzieren des Wertes des ersten Winkels beginnt der schaltungsfreie Winkelbereich bezogen auf die Periode der Wechselspannung in dieser Aus- führungsform später, also bei einem höheren Winkelwert. Durch diese Maßnahme wird die Dauer des schaltungsfreien Winkelbe¬ reichs verkürzt und seine relative mittlere Position mit Bezug zu dem Verlauf der Wechselspannung nach hinten verändert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die
Steuereinheit ausgeführt, einen Wert des ersten Winkels während einer Betriebszeit des Inverters zu variieren. Hierdurch wird ermöglicht, dass der schaltungsfreie Winkel¬ versatz laufend an veränderte Betriebsparameter des Inverters und/oder einer mit dem Inverter gekoppelten elektrischen Maschine angepasst wird, um die Verluste auch unter veränderten Betriebsbedingungen gering halten zu können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit ausgeführt, einen Wert des ersten Winkels für jede Periode der Wechselspannung zu ermitteln.
Da der schaltungsfreie Winkelbereich sich auf jeweils eine Periode der Wechselspannung bezieht, kann es bezogen auf die Rechenleistung der Steuereinheit ressourcenschonend sein, die Ermittlung des schaltungsfreien Winkelbereichs nicht öfter durchzuführen als einmal pro Periode der Wechselspannung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Winkel des Winkelbereichs ein Anfangswinkelwert. Das bedeutet, dass der erste Winkel angibt, an welcher Position der schaltungsfreie Winkelbereich beginnt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit ausgeführt, einen Wert eines zweiten Winkels des Winkelbereichs zu variieren.
Damit wird ermöglicht, über eine Veränderung des ersten Winkels und des zweiten Winkels den schaltungsfreien Winkelbereich beliebig mit Bezug zu einer Periode oder einer Halbwelle des Wechselstroms auf der Ausgangsseite des Inverters zu ver¬ schieben .
Über eine Veränderung des ersten Winkels und des zweiten Winkels kann somit sowohl die Dauer als auch die absolute Position des schaltungsfreien Winkelbereichs mit Bezug zu der Wechselspannung angepasst werden, so dass hierdurch die Arbeitsweise des In- verters genauer eingestellt und die Verluste in dem Inverter weiter reduziert werden können.
Der erste Winkel und der zweite Winkel können jeweils so verändert werden, dass sich der Wert nur eines Winkels verändert oder dass sich der Wert beider Winkel verändert. Insbesondere kann der Wert des zweiten Winkels so verändert werden, dass eine Winkel- differenz (also die zeitliche Dauer des schaltfreien Winkel¬ bereichs bzw. seine Länge) zwischen dem zweiten Winkel und dem ersten Winkel sich vergrößert (Wert des ersten Winkels wird kleiner und/oder Wert des zweiten Winkels wird größer), sich verkleinert (Wert des ersten Winkels wird größer und/oder Wert des zweiten Winkels wird kleiner) , oder dass die Winkeldifferenz gleich bleibt (Wert des ersten Winkels wird in dem Umfang kleiner bzw. größer wie der Wert des zweiten Winkels) .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Winkel des Winkelbereichs ein Endwinkelwert.
Das bedeutet, dass der zweite Winkel angibt, an welcher Position der schaltungsfreie Winkelbereich endet. Zwischen dem Wert des ersten Winkels und dem Wert des zweiten Winkels erfolgt also in dem Schaltwerk bzw. an den Leistungshalbleiterelementen des Schaltwerks kein Schaltvorgang, sondern in einer Periode der Wechselspannung lediglich vor dem ersten Winkel und nach dem zweiten Winkel. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit ausgeführt, zumindest einen der folgenden Pa¬ rameter des Inverters zu erfassen: Leistungsfaktor auf einer Ausgangsseite, Verhältnis zwischen der Spannung auf der Aus¬ gangsseite und der Spannung auf der Eingangsseite, Durch- lasscharakteristik des Schaltwerks, Schaltverlustcharakte¬ ristik des Schaltwerks, Stromamplitude auf der Ausgangsseite, Temperatur des Inverters. Die Steuereinheit ist in dieser Ausführungsform ausgeführt, basierend auf dem zumindest einen erfassten Parameter den ersten Winkel und/oder den zweiten Winkel des Winkelbereichs zu variieren.
Die erfassten Parameter können allgemein als Betriebsparameter des Inverters bzw. Betriebszustand des Inverters bezeichnet werden. Die Steuereinheit kann entsprechende Erfassungsein¬ heiten bzw. Sensoren aufweisen, welche den jeweiligen Parameter erfassen und zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stellen.
Der Leistungsfaktor auf der Ausgangsseite ist als Phasenver- Schiebung zwischen Strom und Spannung zu verstehen, welche sich auf Grund der Eigenschaften der elektrischen Maschine ergibt. Die elektrische Maschine stellt eine Last dar, welche diese Pha¬ senverschiebung auf der Ausgangsseite des Inverters verursacht. In Abhängigkeit davon, ob die Last induktiv oder kapazitiv wirkt, ergibt sich die entsprechende Phasenverschiebung. Bei der
Verwendung des Inverters in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs zum Bereitstellen von elektrischer Energie für eine Elektro- kraftmaschine handelt es sich insbesondere um eine induk- tiv/ohmsche Last.
Das Verhältnis zwischen der Spannung auf der Ausgangsseite und der Spannung auf der Eingangsseite kann auch als Aussteuergrad bezeichnet werden. Der schaltungsfreie Winkelbereich kann so positioniert sein, dass sich seine Position mit Bezug zu dem Wechselstrom auf der Ausgangsseite des Inverters über mehrere Perioden des Wech¬ selstroms nicht verändert. Dabei kann sich die Position des schaltungsfreien Winkelbereichs mit Bezug zu der Wechselspannung verändern, bleibt jedoch mit Bezug zu dem Wechselstrom konstant. Dies kann insbesondere bei Phasenverschiebungen zwischen Strom und Spannung auf der Ausgangsseite zu einem weiter reduzierten Verlust des Inverters führen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit ausgeführt, den Wert des ersten Winkels und/oder den Wert des zweiten Winkels des Winkelbereichs basierend auf dem zumindest einen erfassten Parameter aus einer Kennlinie zu entnehmen.
Damit wird ermöglicht, dass die Steuereinheit lediglich über geringe Rechenleistung verfügen muss, da der schaltungsfreie Winkelbereich nicht algorithmisch ermittelt wird, sondern durch eine reine Leseoperation basierend auf den Werten des bzw. der Parameter ermittelt werden kann.
Alternativ kann die Steuereinheit den ersten und zweiten Winkel des schaltungsfreien Winkelbereichs auch algorithmisch (d.h. auf einer vorgegebenen Rechenregel beruhend) ermitteln, wobei der bzw. die erfassten Parameter einem Rechenwerk zugeführt werden, welches den ersten und/oder zweiten Winkel basierend auf dem Parameter bzw. den Parametern ermittelt. Der Inverter ermöglicht insbesondere, Position und Dauer des Winkelversatzes, also des schaltungsfreien Winkelbereichs, während einer Betriebszeit des Inverters so zu bestimmen und anzupassen, dass die Verluste in dem Inverter über den kompletten Arbeits- bzw. Betriebsbereich des Inverters auf der Aus- gangsseite bzw. der mit Energie versorgten elektrischen Maschine reduziert werden.
Das Reduzieren der Verlustleistung im Inverter kann Auswirkungen auf die Auslegung des Inverters bzw. auf die Dimensionierung der Bauteile des Inverters haben. So kann beispielsweise die Le¬ bensdauer des Inverters erhöht oder die Halbleiterfläche der Leistungshalbleiterelemente reduziert werden. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Inverters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des schaltungsfreien Winkelbereichs mit Bezug zur Wechselspannung eines Inverters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Darstellung in den Figuren ist schematisch und nicht maßstabsgetreu . Fig. 1 zeigt einen Inverter 100. Auf einer Eingangsseite 110 wird der Inverter 100 mit einer Gleichspannung versorgt, welche in eine Wechselspannung invertiert wird und auf der Ausgangsseite 120 ausgegeben wird. Die Wechselspannung kann beispielsweise dreiphasig ausgegeben werden.
Der Inverter 100 weist eine Steuereinheit 130 und ein Schaltwerk 140 auf. Das Schaltwerk 140 weist Leistungshalbleiterelemente auf, welche ausgeführt sind, durch hochfrequente Schaltvorgänge aus der Gleichspannung eine Wechselspannung zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgeführt, die Schaltvorgänge der Leis¬ tungshalbleiterelemente des Schaltwerks zu steuern.
Fig. 2 zeigt im oberen Diagramm einen schematischen Verlauf einer Periode (360°, gekennzeichnet mit dem Symbol φ) der Wechsel- Spannung u auf der Ausgangsseite 120 des Inverters.
Im unteren Diagramm der Fig. 2 ist das Schaltverhalten z zumindest eines Leistungshalbleiterelements des Schaltwerks 140 über dem Winkel φ der Wechselspannung u dargestellt. In einem Bereich zwischen φ = 0° und φΐ (z = 1) erfolgt ein hochfrequentes Schalten des Leistungshalbleiterelements. Sodann wird das Leistungshalbleiterelement zwischen φΐ und φ2 nicht mehr getaktet, sondern konstant eingeschaltet gelassen (z = 0, zeigt an, dass keine hochfrequenten Schaltvorgänge stattfinden) . Dieser Winkelbereich zwischen φΐ und φ2 wird als schaltungsfreier Winkelbereich bezeichnet.
Zwischen φ2 und φ = 360° erfolgen erneut die hochfrequenten Schaltvorgänge der Leistungshalbleiterelemente.
Für die nächste Periode kann der schaltungsfreie Winkelbereich neu berechnet werden. D.h. es kann sich entweder φΐ oder φ2 oder beide ändern.
Die beiden senkrechten gestrichelten Linien deuten an, dass der schaltungsfreie Winkelbereich mit Bezug zu der Wechselspannung u angegeben wird.
Bezugs zeichenliste
100 Inverter
110 Eingangsseite
120 Ausgangsseite
130 Steuereinheit
140 Schaltwerk
u Ausgangswechselspannung φ Winkel
φΐ erster Winkel
φ2 zweiter Winkel
z Schaltmodus

Claims

Patentansprüche
1. Inverter (100) zum Umwandeln einer Gleichspannung
Wechselspannung, aufweisend:
eine Steuereinheit (130); und
ein Schaltwerk (140);
wobei das Schaltwerk (140) ausgeführt ist, durch eine Folge von Schaltvorgängen aus der Gleichspannung eine Wechselspannung zu erzeugen;
wobei die Steuereinheit (130) ausgeführt ist, das
Schaltwerk (140) so anzusteuern, dass in einem vorgebbaren Winkelbereich der Wechselspannung keine Schaltvorgänge erfolgen; und
wobei die Steuereinheit (130) ausgeführt ist, einen ersten Winkel (φΐ) des Winkelbereichs so zu variieren, dass Verluste in dem Inverter, welche durch die Schaltvorgänge bedingt sind, reduziert werden.
2. Inverter (100) nach Anspruch 1,
wobei die Steuereinheit (130) ausgeführt ist, einen Wert des ersten Winkels (φΐ) zu reduzieren.
3. Inverter (100) nach Anspruch 1,
wobei die Steuereinheit (130) ausgeführt ist, einen Wert des ersten Winkels (φΐ) zu erhöhen.
4. Inverter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (130) ausgeführt ist, einen Wert des ersten Winkels (φΐ) während einer Betriebszeit des Inverters zu variieren .
5. Inverter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (130) ausgeführt ist, einen Wert des ersten Winkels (φΐ) für jede Periode der Wechselspannung zu ermitteln .
6. Inverter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Winkel (φΐ) des Winkelbereichs ein An¬ fangswinkelwert ist.
7. Inverter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (130) ausgeführt ist, einen Wert eines zweiten Winkels (φ2) des Winkelbereichs zu variieren.
8. Inverter (100) nach Anspruch 7,
wobei der zweite Winkel (φ2) des Winkelbereichs ein Endwinkelwert ist.
9. Inverter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (130) ausgeführt ist, zumindest einen der folgenden Parameter des Inverters zu erfassen:
Leistungsfaktor auf einer Ausgangsseite (120), Verhältnis zwischen der Spannung auf der Ausgangsseite (120) und der Spannung auf der Eingangsseite (110), Durchlasscharakteristik des Schaltwerks (140), Schaltverlustcharakteristik des
Schaltwerks (140), Stromamplitude auf der Ausgangsseite (120), Temperatur des Inverters (100) und basierend auf dem zumindest einen erfassten Parameter den ersten Winkel (φΐ) und/oder den zweiten Winkel (φ2) des Winkelbereichs zu variieren.
10. Inverter (100) nach Anspruch 10,
wobei die Steuereinheit (130) ausgeführt ist, den Wert des ersten Winkels (φΐ) und/oder den Wert des zweiten Winkels (φ2) des Winkelbereichs basierend auf dem zumindest einen erfassten Parameter aus einer Kennlinie zu entnehmen.
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