WO2016128194A1 - Verfahren zum betreiben eines an eine elektrische maschine angeschlossenen aktiven umrichters und mittel zu dessen implementierung - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines an eine elektrische maschine angeschlossenen aktiven umrichters und mittel zu dessen implementierung Download PDF

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WO2016128194A1
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Paul Mehringer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/48—Arrangements for obtaining a constant output value at varying speed of the generator, e.g. on vehicle

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an active converter connected to an electrical machine and means for implementing this method according to the respective preambles of the independent claims.
  • inverters in six-, eight- or ten-pulse versions are usually used in correspondence with the three-, four- or five-phase alternators usually installed here.
  • the invention is also suitable for converters for other phase or pulse numbers.
  • a generator this can also be a generator-operated and motor-operated electric machine, for example a so-called starter generator.
  • An inverter is understood below to mean a bridge circuit of a known type, which operates as a rectifier in a generator operation of the electrical machine. Simplified is also spoken of a rectifier below.
  • An arrangement of an electric machine which can be operated at least as a generator and a corresponding converter which operates as a rectifier is also referred to below as a power supply device.
  • a critical operating case with corresponding power supply devices is the so-called load dump (English load dump). This occurs when the load on the electrical machine or the inverter abruptly decreases when the electrical machine and the corresponding high current are high.
  • a load shedding can result from a disconnection of consumers in the connected motor vehicle electrical system or from a cable break.
  • the electrical machine can still supply more energy for up to one second than the motor vehicle electrical system can absorb due to the inductance of the excitation winding and the excitation field which is therefore only slowly degraded. If this energy can not be intercepted completely or not completely by capacitive elements in the motor vehicle electrical system or in the converter, overvoltages and overvoltage damage in components in the motor vehicle electrical system can occur.
  • the generator phases can be short-circuited by briefly or all current valves of the upper or lower branch of a corresponding inverter are turned on.
  • Clip circuits are designed to trap voltage spikes before a load shedding reaction in the form of phase shorts can take hold.
  • a voltage clamping brought about by the clamp circuits is activated from a point in time at which the vehicle electrical system voltage or a corresponding voltage potential rises to a predetermined threshold value, and is kept activated as long as the voltage potential does not drop below the threshold value. As a result of the clamping, the vehicle electrical system voltage no longer rises above the threshold value that has been safely defined for at least a short time.
  • phase shorts are also used to drive the current valves in the branches of the converter not used for the phase shorts and thus to establish a conductive connection between the phase terminals connected to these current valves and the corresponding DC voltage connection.
  • the core of the present invention is to determine whether in the cases explained at the outset of a load shedding due to a cable break, a further activation of a load shedding reaction in the form of phase shorts is required or whether it can be terminated.
  • a continuous and no longer conventionally terminable change between active rectification and phase shorts can only occur through the effects of the small remaining capacitances, even if the electrical machine used is already (largely) de-energized.
  • possibilities are shown that make it possible to detect cases in which the electrical machine is already de-energized or largely de-energized and therefore no further activation of phase shorts is required. In this way, the invention makes it possible to go over into the regular rectification faster or at all and to terminate the repeated cycles of regular rectification and phase shorts. This leads to an advantageous operation of a corresponding electrical system even after a cable break.
  • the present invention proposes a method for operating an active converter connected to an electrical machine.
  • the converter is, as far as known, a number of phase connections each connected via a controllable flow control valve in a first inverter branch with a first DC voltage connection and via a controllable flow control valve in a second converter branch with a second DC voltage connection.
  • a "controllable current valve” is a (power) transistor, in particular a metal oxide field-effect transistor of known design.
  • a "first converter branch” comprises the entirety of the current valves connected to the first DC voltage connection
  • a “second converter branch” comprises the entirety of the second DC elements connected to the first DC voltage connection. voltage connection connected flow control valves.
  • the first converter branch is the "highside” or “upper” branch of the converter and the second converter branch the "Lowside” or “lower” branch of the inverter.
  • the first converter branch is the "highside” or “upper” branch of the converter and the second converter branch the “Lowside” or “lower” branch of the inverter.
  • Each of the current valves of one of the two Umrichtzweigeige is provided with a clamp circuit which is adapted to activate a voltage clamp from a first time, from a voltage applied to the first DC voltage terminal voltage or a voltage applied between the first and the second DC voltage terminal voltage , So a vehicle electrical system voltage, to a predetermined first threshold value increases, and to keep the voltage clamping so long activated, as long as the voltage potential does not fall below the first threshold.
  • the voltage clamp comprises driving the clamp valve provided with the current valve and thus to establish a conductive connection between the connected to the flow control valve and the respective DC terminal.
  • the converter is further configured to activate a load shedding reaction only in the additional presence of activation conditions from a second point in time when the voltage potential is above a second threshold at the second time.
  • the second time is after the first time and the second threshold is below the first threshold.
  • the load shedding reaction involves driving all the current valves of the other of the two inverter branches to establish a conductive connection between all the phase terminals.
  • the first time is determined by the time at which the first threshold value is reached by the vehicle electrical system voltage, that is to say the voltage potential mentioned, and corresponds to the point in time at which a clamping function is activated.
  • the second time may be a predetermined period (dead time) after the first time, for example 50 microseconds. Within this period between the first and the second period, a staple function need not be permanently activated, in particular not if the vehicle electrical system voltage drops below the first threshold value after a very short time.
  • the voltage clamping is thus in the branch of the inverter, which is not used for the phase shorts and vice versa. Will be the
  • Phase short circuits in the lower branch of the inverter causes the voltage clamp in the upper branch of the inverter (“Highside”) and vice versa.
  • the "first" DC voltage connection corresponds to a positive battery pole and the "second" DC voltage connection corresponds to a negative battery pole or ground.
  • the activation conditions for activating the load shedding reaction include determining that, at the second time, a voltage potential applied to the supply side of a field winding of the electric machine is between the voltage potential applied to the first DC voltage terminal and a ground potential, when the field winding is at the voltage potential the vehicle electrical system voltage is disconnected, and / or a current flowing through the exciter winding is below a current threshold value and / or has elapsed after a first activation of a load shedding reaction, after which further load shedding reactions have been activated, more than a predetermined period of time has elapsed and / or more than one predetermined number of load shedding reactions have been activated.
  • a generator controller (hereinafter also referred to as "voltage regulator” or short as “controller”) is used, in which a field winding via a controllable flow control valve (“supply side”) is connected to the DC voltage connection.
  • supply side a controllable flow control valve
  • the exciter winding is tied to ground at the other end.
  • the "supply-side” potential designates the voltage potential applied to the one or more current valve on the side ("winding side"), with which the flow control valve is connected to the field winding, and in particular when the field winding from the potential of the first DC voltage connection is disconnected, because the at least one flow control valve is not activated.
  • the determination at the second time point that the voltage potential applied to the supply winding of the electric machine lies between the voltage potential applied to the first DC voltage terminal and a ground potential, when the exciter winding is disconnected from the voltage potential of the vehicle electrical system voltage therefore advantageously Also, the detection of a drive state of the flow control valve, via which the exciter winding is connected to the DC voltage connection. If it is determined that the current valve, via which the excitation winding is connected to the DC voltage connection, is not activated, and if the supply side voltage applied to the excitation winding of the electric machine voltage potential is at a positive value, as explained below with reference to Figure 4, be assumed that the electrical machine is completely de-energized.
  • the voltage potential is achieved in this case by a coupling in the electric machine, the is only possible if the current through the excitation coil 401 of Figure 4 has already subsided completely. Otherwise, the supply-side potential is connected by a current flow through the diode 407 to the ground potential. In an appropriate procedure, the statement that the person responsible for the
  • the measurement of the current by means of a current measuring device for example, a shunt
  • the comparison with the current threshold value can already be present in conventional generator regulators and can therefore continue to be used.
  • the current threshold value is determined based on a rotational speed and taking into account thermal and / or electrical properties of the electrical machine, so that a corresponding electrical machine or the converter are always reliable.
  • the determination at the second time point, whether after the first activation of a load shedding reaction after which further load shedding reactions have been activated, has elapsed more than a predefined period of time, furthermore comprises a minimum and / or maximum number of actions of load shedding reactions and / or specify a minimum and / or maximum time interval between successive activations of load shedding reactions and only then determine that after the first activation of a load shedding reaction, after the further load shedding reactions have been activated, more than a predetermined period has elapsed, if at least one of these requirements is met.
  • a period of time which can be used in all cases can be, for example, 100 to 400 milliseconds.
  • the predetermined number of load shedding reactions are determined on the basis of a number of load shifts determined during a load shedding due to a shutdown of a consumer. Throwing reactions is specified. A safety factor can be added to this number. Only when this resulting number has been exceeded is the series of load shedding responses in response to cable breakage assumed and assumed to be unusable in a regular manner, as discussed above.
  • a counter that counts a number of load shedding responses, at least for a given period of time. If the number determined thereby and / or a corresponding frequency are above a predetermined threshold value, it can be safely assumed that the machine has been sufficiently de-energized.
  • An arithmetic unit according to the invention e.g. a control device of a power supply device or an active converter is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs and the like. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • FIG. 1 illustrates load shedding events based on a simplified equivalent circuit diagram of a motor vehicle electrical system.
  • FIG. 2 illustrates current and voltage profiles in the case of a load shedding reaction in the event of a cable break and a de-energized electrical machine.
  • FIG. 3 illustrates current and voltage profiles in the event of a load shedding reaction in the event of a cable break and an energized electrical machine.
  • FIG. 4 illustrates the basic structure of a voltage regulator of an electrical machine in a schematic representation.
  • FIG. 5 illustrates an additional circuit of a flow control valve of an active one
  • FIG. 6 shows a voltage curve of a vehicle electrical system voltage during and after the activation of a clamping function in a detailed view.
  • FIG. 7 illustrates a method according to an embodiment of the invention in the form of a schematic flow chart.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of an electrical machine with an active converter connected to it.
  • FIG. 1 illustrates different load shedding events on the basis of a replacement circuit diagram 100 of a motor vehicle electrical system.
  • the equivalent circuit diagram 100 represents an electric machine 101 operating as a generator with an associated active converter 102. Reference is made to FIG. 6 for details.
  • the electrical machine 101 and the converter 102 are each provided with cables 103, for example, each 1.5 meters in length and one
  • a capacitor 105 is connected, as it is present for example at a Fremdstartstütztician a vehicle.
  • the switching points 104 are in a real vehicle electrical system for Foreign start the motor vehicle provided.
  • a resistive load 107 is symbolically illustrated.
  • Another capacitor 109 which illustrates a vehicle electrical system capacity, is integrated between yet another switching points 108, between which also a further resistive load 1 10 is symbolically illustrated.
  • the switches 1 1 1 and 1 12 are not present in a real vehicle electrical system and illustrate the entering during a load shedding states, as explained below.
  • the normal operation of a corresponding vehicle electrical system, i. without load dump, corresponds to a closed (conductive) state of the switches 1 1 1 and
  • a voltage UB At the electric machine 101 and the inverter 102 is a voltage UB, as illustrated by an appropriately labeled arrow.
  • the voltage UB is referred to below as the vehicle electrical system voltage.
  • the vehicle electrical system voltage is applied to the DC-side outputs of the inverter 102, wherein one of these outputs can also be grounded. In this case, the vehicle electrical system voltage results as a potential difference between ground and the other DC voltage side output of the inverter 102.
  • the voltage drop across the capacitor 107 is also illustrated with an arrow and designated UF.
  • the state without load shedding corresponds, as mentioned, a closed state of the switches 1 1 1 and 1 12.
  • the electric machine 101 is via the inverter 102 outputs a current to the illustrated in Figure 1 electrical system, which is composed of the load resistances of the resistive loads 107 and 1 10 results.
  • a load shedding can now be illustrated by opening one of the switches 1 1 1 and 1 12.
  • the opening of the switch 1 1 1 corresponds to a cable outline on the inverter 102.
  • the opening of the switch 1 however, from a load shedding, as it is caused by the shutdown of the resistive load 1 10 in the electrical system.
  • FIG. 2 illustrates current and voltage curves in four diagrams 210 to 240 in volts or amps or milliamps on the respective ordinate over a common time axis in milliseconds on the abscissa. Three characteristic times in the diagrams 210 to 240 are indicated diagrammatically 1 to 4.
  • the diagrams 210 to 240 relate in each case to the case of a cable break (corresponding to opening of the switch 1 1 1 according to the preceding figure 1) with (largely) decayed excitation current in a regenerative electric machine, for example, the electric machine 101 of FIG 1. This is assumed below as a five-phase electric machine. As mentioned, however, the invention is also suitable for electrical machines of other phase numbers.
  • Diagram 210 illustrates the profile 21 1 of the vehicle electrical system voltage, for example the voltage UB according to FIG. 1.
  • Diagram 220 illustrates waveforms 221 to 225 of the phase currents of the electric machine as here assumed as a five-phase.
  • diagram 230 the course 231 of the excitation current (here in the milliampere range) is shown by the exciter winding of the electrical machine, diagram 240 shows a profile 241 of a voltage applied to the exciter winding.
  • FIG. 4 explained below.
  • the vehicle electrical system voltage illustrated by the curve 21 1 in diagram 210, decreases, which is another characteristic of a (largely) de-energized electric machine, as compared to Figure 3 seen.
  • phase short circuit a threshold value defined for the initiation of phase shorts (in the context of this application referred to above as “second” threshold value)
  • second threshold value a threshold value defined for the initiation of phase shorts
  • time point 3 in the context of this application, and in the patent claims as “second "time”
  • the vehicle electrical system voltage is reduced due to the power consumption of the converter and its regulator. Since the electrical machine experiences no countervoltage during the phase short circuit, the induced voltages due to the residual remanence are sufficient to induce phase currents, as can be seen from the curves 221 to 225 of the diagram 220. In this case, these phase currents even couple over to the excitation circuit, as can be seen in diagram 230 on the basis of the profile 231 of the exciter current.
  • phase short circuit is released again.
  • the cached in the phase currents energy is sufficient to at the low existing capacity, the vehicle electrical system voltage, seen in the course 21 1 of the slide 210 again to a value which is above the triggering threshold, which in turn leads to the activation of the phase short circuit.
  • the cycle according to FIG. 2 begins again. It can be seen that, even with a (largely) de-energized electrical machine, a corresponding circuit can conventionally not be left.
  • FIG. 3 illustrates current and voltage curves in five diagrams 310 to 350 in volts or amps or milliamps on the respective ordinate over a common time axis in milliseconds (abscissa).
  • the characteristic times in the diagrams 310 to 350 are also denoted here by diagrams 1 to 4.
  • the diagrams 310 to 350 in each case relate to the case of a cable break (corresponding to opening of the switch 1 1 1 according to the above Figure 1) with (hardly) decayed excitation current in a regenerative electric machine, such as the electric machine 101 of FIG 1. This is also assumed here as a five-phase electrical machine. As mentioned, however, the invention is also suitable for electrical machines of other phase numbers.
  • the gradients 31 1 to 341 shown in the diagrams 310 to 340 correspond in their origin to the gradients 21 1 to 24 1 shown in the diagrams 210 to 240 and are correspondingly indicated by reference numerals incremented by 100.
  • curves 351 to 355 of phase voltages of the electrical machine are shown. Throughout the period illustrated in the diagrams 310 to 350, as already explained with reference to FIG. 2, there is a load shedding due to a cable break. Also, the times 1 to 4 correspond to each other, so that the explanations to Figure 2 also apply here.
  • FIG. 4 which, denoted overall by 400, shows the basic structure of a voltage regulator of an electric machine, such as the electric machine 101 of FIG. 1, in a schematic view.
  • a corresponding voltage regulator 400 comprises an excitation winding 401 with an inductance of, for example, 400 millihenries, by means of which a current flow (excitation current) is typically regulated by means of a two-point regulator on the basis of the vehicle electrical system voltage.
  • a current valve 403 for example a metal-oxide field-effect transistor, is activated and thus turned on. As shown by arrow 404, current flows through the excitation winding 401. As soon as the voltage at the terminal becomes too high or above a certain threshold, the control of the current valve 403 is terminated and the excitation winding 401 is disconnected from the terminal 402 , As illustrated by an arrow 405, this results in a freewheeling current from a ground terminal 406 via a diode 407. The excitation current is thereby reduced.
  • the applied voltage (whose curves 241 and 341 are shown in the diagrams 240 and 340 in FIGS. 2 and 3) oscillates between two values in regular rectifier operation.
  • the freewheel according to arrow 405 ie in the absence of connection of the exciter winding 410 to terminal 402
  • the voltage at the voltage applied to the terminal 402 ie at the vehicle electrical system voltage when the flow control valve 403 is controlled and thus there is a conductive connection of the switching point 408 to the terminal 402.
  • FIG. 5 Shown is, generally designated 500, a known additional circuit of a flow control valve 501, for example a field-effect transistor, in the high-side branch of an active converter (for details see the following FIG. 8), with which the clip behavior between times 2 and 3 according to FIGS. 2 and 3 ("first" and "second” Time) can cause.
  • the additional circuit 500 comprises an antiparallel diode 502 and a Zener diode 503, which are arranged between gate G and drain D of the flow control valve 501.
  • the breakdown voltage of the zener diode 503 is selected so that it breaks through when exceeding a defined voltage value of a voltage applied to your terminal 510 board voltage and thus the gate G of the flow control valve 501-controlled and the flow control valve 501 is turned on.
  • a comparator evaluation of the gate-source voltage can be performed using two comparators 506 and 507 and a decoupling resistor 508 (and evaluating an output signal at terminal 509).
  • amplifiers can amplify only positive input voltages and, in the case of negative input voltages, deliver 0 volts as the output voltage.
  • Such amplifiers are provided as amplifiers 506 and 507 in the example shown.
  • the phase voltage signal 520 is greater than the voltage signal of the positive DC voltage terminal 510 and the amplifier 506 provides a positive signal at the output.
  • the amplifier 506 provides an output voltage of 0 volts, while via the clamp path at the drive port G of the flow control valve 501, a voltage near the threshold voltage is set. This voltage difference is seen at the input of the amplifier 507 and the output 509. This can be clearly recognized at the output 509, whether the circuit is in parentheses.
  • FIG. 6 illustrates curves 601 and 602 of a vehicle electrical system voltage in the case of (largely) deenergized electrical machine (profile 601) and in the case of an electrical machine (profile 602) which is not yet or only barely de-energized.
  • the curves 601 and 602 are plotted in volts on the ordinate versus a time in microseconds on the abscissa in a plot 600.
  • the courses 601 and 602 can be regarded as detailed views of the courses 21 1 and 31 1 according to FIGS. 2 and 3; the times 2 and 3 are also designated accordingly.
  • FIG. 7 illustrates a method according to an embodiment of the present invention in the form of a schematic flow chart.
  • the method begins in a state illustrated at 701 in which an active inverter performs regular rectification. If it is detected in a checking step 702 that a vehicle electrical system voltage has reached a predetermined value for activating a clamping function (+), for example 24 volts (referred to in the context of the present application as the "first" threshold value), first in a step 703 a dead time of, for example Waited 50 microseconds. The beginning of this dead time is the same as that covered by the present so called “first" time, the end of this dead time corresponding to the "second" time.
  • a clamping function (+) for example 24 volts
  • a stapling function may be activated between the "first" and the "second" time (times 2 and 3 of the previously explained figures).
  • verification steps 704 to 710 are now carried out (partially) alternatively and / or (partly) cumulatively. If, however, in the checking step 702 it is detected that a vehicle electrical system voltage is not above a predetermined value for initiating a phase short circuit, ie for activating a load shedding reaction (-), for example above 24 V, the method continues with state 701.
  • verification steps 704 to 710 include the determination as to whether at the second time, that is to say the end of the dead time in accordance with step 703, the multiply explained voltage clamp is still activated and / or the voltage potential has not dropped below the first threshold value and / or A value indicating a current flowing through at least one of the phase terminals is above a third threshold.
  • the checking steps 704 to 710 can include the determination as to whether a voltage potential present on the supply side of a field winding of the electrical machine (exciter winding 401 according to FIG. 4, terminal 408) lies between the voltage potential of the vehicle electrical system voltage and a ground potential when the exciter winding is separated from the voltage potential of the vehicle electrical system voltage, and / or flowing through the field winding
  • a further dead time of, for example, 50 is reached in a step 713 Wait microseconds before the process returns to state 701. Otherwise (-) the method returns directly to state 701. Similarly, the method returns directly to state 701 but without a load dump response being initiated in step 71 1 beforehand if a negative lock (-) is encountered in one or more of check steps 704-710.
  • FIG. 8 schematically illustrates an electrical machine, designated 101 in FIG. 1, with an active converter 102 connected thereto.
  • the electric machine 101 comprises a five-phase and Drudenfußscrien formed in the stator 1 1 and a rotor with a field winding 401.
  • the individual windings of the stator 1 1 and the rotor 12 are not designated separately.
  • a generator regulator evaluates a vehicle electrical system voltage between a first DC voltage connection B + and a second DC voltage connection B- (the second DC voltage connection B- can be grounded) and, as explained with reference to FIG. 4, regulates the output power of the electrical system Machine 101.
  • the first DC voltage terminal B + therefore corresponds to the terminal 402 according to FIG. 4, the second DC voltage terminal corresponds to the terminal 406.
  • the electrical machine 101 is connected to the first DC voltage connection B + and the second DC voltage connection B- via five phase connections U to Y via switchable on and off controllable current valves, designated here by UL to YL and UH to YH.
  • the current valves UH to YH form an upper rectifier branch ("highside"), the current valves UL to YL a lower rectifier branch ("Lowside").
  • Each of the flow control valves UH to YH may therefore have an auxiliary circuit 500, as illustrated in FIG. 5, and therefore constitute the flow control valve 501 illustrated in FIG.
  • each of the phase terminals U to Y forms a terminal 520 according to FIG. 5 and the first DC voltage terminal B + the terminal 510 illustrated in FIG. 5.
  • the controllable current valves UH to YH which can be switched on and off are simplified in FIG. 6 as switches with parallel switched zener diodes illustrated.
  • the Zener diodes symbolize both the typical breakdown characteristic from a certain drain-source voltage due to a circuit such as shown in Figure 5 or the avalanche voltage, as well as the typically existing inverse diode.
  • YL is represented in each case a simple diode, since the stapling operation is not kept here.
  • a clamping function can instead also be provided in the other branch of the converter, the introduction of phase shorts takes place in each case by means of the current valves not provided with the clamping function.
  • the current valves UH to YH and UL to YL are controllable by respective decentralized control devices 21 to 25, as illustrated here with dashed control arrows.
  • the additional circuit 500 illustrated in FIG. 5 may be integrated in the control devices 21 to 25.
  • a central control of all flow valves UH to YH and UL to YL can also be provided.

Abstract

In einem an eine elektrische Maschine (101) angeschlossenen aktiven Umrichter (102), in der Klammerschaltungen zur Aktivierung einer Spannungsklammerung ab einem ersten Zeitpunkt vorgesehen sind, und der ferner dafür eingerichtet ist, nur bei einem Vorliegen von Aktivierungsbedingungen ab einem zweiten Zeitpunkt eine Lastabwurfsreaktion zu aktivieren, umfassen die Aktivierungsbedingungen, dass festgestellt wird, dass zu dem zweiten Zeitpunkt ein versorgungsseitig einer Erregerwicklung der elektrischen Maschine (101) anliegendes Spannungspotential zwischen dem an dem ersten Gleichspannungsanschluss (B+) anliegenden Spannungspotential und einem Massepotential liegt, wenn die Erregerwicklung von dem Spannungspotential der Bordnetzspannung getrennt ist und/oder ein durch die Erregerwicklung fließender Strom unterhalb eines Stromschwellwerts liegt und/oder nach einem erstmaligen Aktivieren einer Lastabwurfsreaktion, nach der weitere Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden, mehr als ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist und/oder mehr als eine vorgegebene Anzahl an Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden.

Description

Beschreibung
Titel
VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES AN EINE ELEKTRISCHE MASCHINE ANGESCHLOSSENEN AKTIVEN UMRICHTERS UND MITTEL ZU DESSEN IMPLEMENTIERUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines an eine elektrische Maschine angeschlossenen aktiven Umrichters und Mittel zur Implementierung dieses Verfahrens gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Zur Speisung von Gleichstromnetzen aus Drehstromquellen, insbesondere von Kraftfahrzeugbordnetzen durch Drehstromgeneratoren, können als Gleichrichter betriebene Umrichter unterschiedlicher Bauart eingesetzt werden. In Kraftfahrzeugbordnetzen werden in Entsprechung zu den hier üblicherweise verbauten drei-, vier- oder fünfphasigen Drehstromgeneratoren üblicherweise Umrichter in sechs-, acht- oder zehnpulsiger Ausführung verwendet. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für Umrichter für andere Phasen- bzw. Pulszahlen.
Ist nachfolgend vereinfacht von einem Generator die Rede, kann es sich hierbei auch um eine generatorisch und motorisch betreibbare elektrische Maschine handeln, beispielsweise um einen sogenannten Startergenerator. Unter einem Umrichter wird nachfolgend eine Brückenschaltung bekannter Art verstanden, die bei einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine als Gleichrichter arbeitet. Vereinfacht wird nachfolgend auch von einem Gleichrichter gesprochen. Eine Anordnung aus einer zumindest generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine und einem entsprechenden, als Gleichrichter arbeitenden Umrichter wird nachfolgend auch als Stromversorgungseinrichtung bezeichnet. Ein kritischer Betriebsfall bei entsprechenden Stromversorgungseinrichtungen ist der sogenannte Lastabwurf (engl. Load Dump). Dieser tritt auf, wenn sich bei hoch erregter elektrischer Maschine und einem entsprechend hohen abgegebe- nen Strom die Last an der elektrischen Maschine bzw. dem Umrichter schlagartig verringert. Ein Lastabwurf kann aus einer Abschaltung von Verbrauchern im angeschlossenen Kraftfahrzeugbordnetz oder aus einem Kabelabriss resultieren.
Werden, insbesondere in einem batterielosen Betrieb, in einem Kraftfahrzeug- bordnetz Verbraucher schlagartig abgeschaltet, kann die elektrische Maschine aufgrund der Induktivität der Erregerwicklung und des sich daher nur langsam abbauenden Erregerfelds noch bis zu einer Sekunde lang mehr Energie liefern, als das Kraftfahrzeugbordnetz aufnehmen kann. Kann diese Energie nicht oder nicht vollständig durch kapazitive Elemente im Kraftfahrzeugbordnetz oder im Umrichter abgefangen werden, kann es zu Überspannungen und Überspannungsschäden bei Komponenten im Kraftfahrzeugbordnetz kommen.
Bei einem Kabelabriss, durch den das Kraftfahrzeugbordnetz vom Umrichter getrennt wird, liefert die elektrische Maschine ebenfalls weiter Energie, es ist jedoch kein Verbraucher mehr angeschlossen. Im Vergleich zu dem soeben erläuterten
Fall der Abschaltung von Verbrauchern sind damit keine Verbraucher mehr gefährdet. Die Verbraucher können auch weiterhin durch die Batterie versorgt werden. Durch Überspannungen kann aber in solchen Fällen die Leistungselektronik der elektrischen Maschine oder des Umrichters geschädigt werden.
In herkömmlichen (passiven) Umrichtern erfolgt jeweils ein gewisser Schutz des Bordnetzes bzw. der Leistungselektronik der elektrischen Maschine und des Umrichters durch den Umrichter selbst, nämlich mittels der dort klassischerweise verbauten Zenerdioden, in denen die Überspannung geklammert und überschüs- sige Energie in Wärme umgesetzt wird. Auch die Verwendung zusätzlicher
Klammerelemente ist in diesem Zusammenhang bekannt.
In Kraftfahrzeugen ist jedoch der Einsatz von aktiven bzw. gesteuerten Umrichtern wünschenswert, unter anderem deshalb, weil aktive Umrichter im Gegensatz zu passiven bzw. ungesteuerten Umrichtern geringere Verlustleistungen im Normalbetrieb aufweisen. Derzeit erhältliche ansteuerbare bzw. aktive Stromventile für aktive Umrichter, beispielsweise Feldeffekttransistoren, besitzen jedoch keine integrierte Klammerfunktion mit einer ausreichenden Robustheit wie herkömmli- che Zenerdioden und können daher die Überspannung nicht abfangen. Daher sind in aktiven Umrichtern zwingend zusätzliche Schutzstrategien erforderlich.
Bei einem Lastabwurf können beispielsweise die Generatorphasen kurzgeschlossen werden, indem einige oder alle Stromventile des oberen oder unteren Zweigs eines entsprechenden Umrichters kurzzeitig leitend geschaltet werden.
Dies erfolgt insbesondere auf Grundlage einer Auswertung der an den Gleichspannungsanschlüssen des Umrichters anliegenden Bordnetzspannung. Überschreitet diese einen vorgegebenen oberen Schwellwert, wird ein entsprechender Kurzschluss eingeleitet und die Bordnetzspannung sinkt. Unterschreitet die Bordnetzspannung danach einen vorgegebenen unteren Schwellwert, wird der
Kurzschluss aufgehoben und die Bordnetzspannung steigt erneut an. Die Bordnetzspannung pendelt daher zwischen dem oberen und dem unteren Schwellwert, bis das Erregerfeld abgeklungen ist. Eine elektrische Maschine mit (zumindest weitgehend) abgeklungenem Erregerfeld wird nachfolgend auch als "entregt", eine elektrische Maschine mit nicht oder nur kaum abgeklungenem Erregerfeld als "erregt" bezeichnet. Ist nachfolgend davon die Rede, dass ein "Phasenkurzschluss eingeleitet" wird, sei hierunter verstanden, dass, wie erläutert, die Stromventile des oberen oder des unteren Zweigs eines Umrichters leitend geschaltet werden. Ein entsprechender Phasenkurzschluss wird "aufgehoben", wenn die reguläre aktive Gleichrichtung, beispielsweise unter Verwendung der bekannten Pulsweitenmodulations- oder Blockansteuerung, wieder aufgenommen wird. Bei den erläuterten Verfahren kann es zu einem kontinuierlichen und nicht mehr auf herkömmliche Weise beendbaren Wechsel zwischen aktiver Gleichrichtung und Phasenkurzschlüssen kommen. Da bei einem Kabelabriss kapazitiv wirkende Elemente im Bordnetz nicht mehr zur Verfügung stehen und die im Umrichter vorhandenen kapazitiven Elemente vergleichsweise klein sind, reichen geringe Energien aus, um die Bordnetzspannung (des verbleibenden, nicht durch den Kabelabriss getrennten Netzes) wieder derart anzuheben, dass der zur Einleitung der Phasenkurzschlüsse verwendete Schwellwert überschritten wird. Das Verfahren kommt daher nicht mehr "zur Ruhe", geht also nicht oder nur sehr ver- spätet wieder in die dauerhafte aktive Gleichrichtung über. Diese Problematik ist auch unten unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
Umrichter, in denen neben Mitteln zum Aktivieren einer entsprechenden Lastab- wurfsreaktion in Form von Phasenkurzschlüssen eine Spannungsklammerung vorgesehen ist, sind ebenfalls von dieser Problematik betroffen. Entsprechende
Klammerschaltungen sind dazu eingerichtet, Spannungsspitzen abzufangen, vor eine Lastabwurfsreaktion in Form von Phasenkurzschlüssen greifen kann. Eine durch die Klammerschaltungen herbeigeführte Spannungsklammerung wird ab einem Zeitpunkt aktiviert, ab dem die Bordnetzspannung bzw. ein entsprechen- des Spannungspotential bis auf einen vorgegebenen Schwellwert ansteigt, und so lange aktiviert gehalten, so lange das Spannungspotential nicht unter den Schwellwert absinkt. Durch die Klammerung steigt die Bordnetzspannung nicht mehr über den als zumindest kurzzeitig sicher definierten Schwellwert an. Typischerweise umfasst eine derartige Spannungsklammerung in Umrichtern, in de- nen auch Phasenkurzschlüsse eingesetzt werden, die Stromventile in den nicht für die Phasenkurzschlüsse verwendeten Zweigen des Umrichters anzusteuern und damit eine leitende Verbindung zwischen den mit diesen Stromventilen verbundenen Phasenanschlüssen und dem entsprechenden Gleichspannungsan- schluss herzustellen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erweisen sich, wie erwähnt, insbesondere bei Kabelabrissen nicht immer als günstig, so dass für solche Fälle der Bedarf nach verbesserten Schutzstrategien besteht.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines an eine elektrische Maschine angeschlossenen aktiven Umrichters und Mittel zur Implementierung dieses Verfahrens gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Pa- tentansprüche vorgeschlagen. Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Kern der vorliegenden Erfindung ist es, festzustellen, ob in den eingangs erläuterten Fällen eines Lastabwurfs aufgrund eines Kabelabrisses eine weitere Aktivierung einer Lastabwurfsreaktion in Form von Phasenkurzschlüssen erforderlich ist oder ob diese beendet werden kann. Wie erwähnt, kann es in den erläuterten Verfahren zu einem kontinuierlichen und nicht mehr auf herkömmliche Weise beendbaren Wechsel zwischen aktiver Gleichrichtung und Phasenkurzschlüssen nur durch die Effekte der geringen verbliebenen Kapazitäten kommen, auch wenn die verwendete elektrische Maschine bereits (weitgehend) entregt ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Möglichkeiten aufgezeigt, die es ermöglichen, Fälle zu erkennen, in denen die elektrische Maschine bereits entregt oder weitgehend entregt ist und daher keine weitere Aktivierung von Phasenkurzschlüssen mehr erforderlich ist. Die Erfindung ermöglicht es auf diese Weise, schneller oder überhaupt wieder in die reguläre Gleichrichtung überzuge- hen und die wiederholten Zyklen von regulärer Gleichrichtung und Phasenkurzschlüssen zu beenden. Dies führt zu einem vorteilhaften Betrieb eines entsprechenden Bordnetzes auch nach einem Kabelabriss.
Die vorliegende Erfindung schlägt hierbei ein Verfahren zum Betreiben eines an eine elektrische Maschine angeschlossenen aktiven Umrichters vor. In dem Umrichter ist, wie insoweit bekannt, eine Anzahl von Phasenanschlüssen jeweils über ein ansteuerbares Stromventil in einem ersten Umrichterzweig mit einem ersten Gleichspannungsanschluss und über ein ansteuerbares Stromventil in einem zweiten Umrichterzweig mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss ver- bunden. Ein "ansteuerbares Stromventil" ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein (Leistungs-)Transistor, insbesondere ein Metalloxid- Feldeffekttransistor, bekannter Bauart. Ein "erster Umrichterzweig" umfasst die Gesamtheit der mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbundenen Stromventile, ein "zweiter Umrichterzweig" die Gesamtheit der mit dem zweiten Gleich- spannungsanschluss verbundenen Stromventile. Ist an den ersten Gleichspan- nungsanschluss beispielsweise ein positiver Batteriepol angeschlossen und der zweite Gleichspannungsanschluss mit einem negativen Batteriepol oder Masse verbunden, handelt es sich bei dem ersten Umrichterzweig um den "Highside-" oder "oberen" Zweig des Umrichters und bei dem zweiten Umrichterzweig um den "Lowside-" oder "unteren" Zweig des Umrichters. Es sind immer genau zwei Umrichterzweige vorhanden.
Jedes der Stromventile eines der beiden Umrichterzweige ist mit einer Klammer- Schaltung versehen, die dazu eingerichtet ist, eine Spannungsklammerung ab einem ersten Zeitpunkt zu aktivieren, ab dem ein an dem ersten Gleichspannungsanschluss anliegendes Spannungspotential bzw. eine zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichspannungsanschluss anliegende Spannung, also eine Bordnetzspannung, bis auf einen vorgegebenen ersten Schwellwert ansteigt, und die Spannungsklammerung so lange aktiviert zu halten, so lange das Spannungspotential nicht unter den ersten Schwellwert absinkt. Die Spannungsklammerung umfasst, das mit der Klammerschaltung versehene Stromventil anzusteuern und damit eine leitende Verbindung zwischen dem mit dem Stromventil verbundenen Phasenanschluss und dem jeweiligen Gleichspannungsanschluss herzustellen.
Der Umrichter ist ferner dafür eingerichtet, nur beim zusätzlichen Vorliegen von Aktivierungsbedingungen ab einem zweiten Zeitpunkt eine Lastabwurfsreaktion zu aktivieren, wenn zu dem zweiten Zeitpunkt das Spannungspotential oberhalb eines zweiten Schwellwerts liegt. Der zweite Zeitpunkt liegt nach dem ersten Zeitpunkt und der zweite Schwellwert liegt unterhalb des ersten Schwellwerts.
Die Lastabwurfsreaktion umfasst, alle Stromventile des anderen der beiden Umrichterzweige anzusteuern und damit eine leitende Verbindung zwischen allen Phasenanschlüssen herzustellen. Der erste Zeitpunkt ist durch den Zeitpunkt des Erreichens des ersten Schwellwerts durch die Bordnetzspannung, also das er- wähnte Spannungspotential, festgelegt und entspricht dem Zeitpunkt, zu dem eine Klammerfunktion aktiviert wird. Der zweite Zeitpunkt kann einen vorgegebenen Zeitraum (Totzeit) nach dem ersten Zeitpunkt liegen, beispielsweise 50 Mik- rosekunden. Innerhalb dieses Zeitraums zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitraum muss nicht dauerhaft eine Klammerfunktion aktiviert sein, insbesondere dann nicht, wenn die Bordnetzspannung bereits nach sehr kurzer Zeit wieder unter den ersten Schwellwert absinkt.
Die Spannungsklammerung erfolgt also in dem Zweig des Umrichters, der nicht für die Phasenkurzschlüsse verwendet wird und umgekehrt. Werden also die
Phasenkurzschlüsse im unteren Zweig des Umrichters ("Lowside") herbeigeführt, erfolgt die Spannungsklammerung im oberen Zweig des Umrichters ("Highside") und umgekehrt. Typischerweise entspricht dabei der "erste" Gleichspannungsanschluss einem positiven Batteriepol und der "zweite" Gleichspannungsanschluss einem negativen Batteriepol oder Masse.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Aktivierungsbedingungen zur Aktivierung der Lastabwurfsreaktion umfassen, dass festgestellt wird, dass zu dem zweiten Zeitpunkt ein versorgungsseitig einer Erregerwicklung der elektrischen Maschine anliegendes Spannungspotential zwischen dem an dem ersten Gleichspannungsanschluss anliegenden Spannungspotential und einem Massepotential liegt, wenn die Erregerwicklung von dem Spannungspotential der Bordnetzspannung getrennt ist, und/oder ein durch die Erregerwicklung fließender Strom unterhalb eines Stromschwellwerts liegt und/oder nach einem erstmaligen Akti- vieren einer Lastabwurfsreaktion, nach der weitere Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden, mehr als ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist und/oder mehr als eine vorgegebene Anzahl an Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden.
Sämtliche genannten Kriterien lassen sich in einem Regler einer elektrischen fremderregten Synchronmaschine, wie z.B. einem Klauenpolgenerator, bzw. auf
Grundlage von Kenngrößen eines entsprechenden Reglers selbst feststellen. Ein Rückgriff auf beispielsweise in einem aktiven Umrichter ermittelte Werte ist nicht erforderlich. Wie insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren 2, 3 und 4 erläutert, kann, wenn ein versorgungsseitig der Erregerwicklung der elektrischen Maschine anliegendes Spannungspotential zwischen dem an dem ersten Gleichspannungsanschluss anliegenden Spannungspotential und einem Massepotential liegt, wenn die Erregerwicklung von dem Spannungspotential der Bordnetzspannung getrennt ist, davon ausgegangen werden, dass eine elektrische Maschine ausreichend entregt ist. Entsprechendes gilt, wenn der durch die Erregerwicklung fließende Strom unterhalb eines Stromschwellwerts liegt. Ist nach einem erstmaligen Aktivieren einer Lastabwurfsreaktion, nach dem weitere Lastabwurfsreakti- onen aktiviert wurden, mehr als ein vorgegebener Zeitraum verstrichen und/oder wurde mehr als eine vorgegebene Anzahl an Lastabwurfsreaktionen aktiviert, ist aufgrund der verstrichenen Zeit ebenso zuverlässig von einer ausreichenden Entregung der elektrischen Maschine auszugehen. Vorteilhafterweise wird in dem Verfahren ein Generatorregler (nachfolgend auch als "Spannungsregler" oder kurz als "Regler" bezeichnet) verwendet, in dem eine Erregerwicklung über ein ansteuerbares Stromventil ("versorgungsseitig") an den Gleichspannungsanschluss angeschlossen ist. Mit dem anderen Ende ist die Erregerwicklung beispielsweise an Masse angebunden. Das "versorgungsseitige" Potential bezeichnet zugleich das Spannungspotential, das an dem oder den genannten Stromventil an der Seite ("wicklungsseitig") anliegt, mit dem das Stromventil mit der Erregerwicklung verbunden ist, auch und insbesondere dann, wenn die Erregerwicklung von dem Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses getrennt ist, weil das wenigstens eine Stromventil nicht angesteuert wird.
In diesem Fall umfasst die Feststellung zu dem zweiten Zeitpunkt, dass das versorgungsseitig an der Erregerwicklung der elektrischen Maschine anliegende Spannungspotential zwischen dem an dem ersten Gleichspannungsanschluss anliegenden Spannungspotential und einem Massepotential liegt, wenn die Erre- gerwicklung von dem Spannungspotential der Bordnetzspannung getrennt ist, daher vorteilhafterweise auch die Erfassung eines Ansteuerzustands des Stromventils, über das die Erregerwicklung an den Gleichspannungsanschluss angebunden ist. Wird festgestellt, dass das Stromventil, über das die Erregerwicklung an den Gleichspannungsanschluss angebunden ist, nicht angesteuert wird, und liegt das versorgungsseitig an der Erregerwicklung der elektrischen Maschine anliegende Spannungspotential bei einem positiven Wert, kann, wie auch nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 4 erläutert, davon ausgegangen werden, dass die elektrische Maschine vollständig entregt ist. Das Spannungspotential wird in diesem Fall durch eine Überkopplung in der elektrischen Maschine erreicht, die nur dann möglich ist, wenn der Strom durch die Erregerspule 401 aus Figur 4 bereits vollständig abgeklungen ist. Ansonsten ist das versorgungsseitige Potential durch einen Stromfluss durch die Diode 407 an das Massepotential angebunden. In einem entsprechenden Verfahren umfasst die Feststellung, dass der durch die
Erregerwicklung fließende Strom unterhalb eines Stromschwellwerts liegt, die Messung des Stroms mittels einer Strommesseinrichtung (z.B. eines Shunts) und den Vergleich mit dem Stromschwellwert. Entsprechende Strommesseinrichtungen können bereits in herkömmlichen Generatorreglern vorhanden sein und da- mit weiter genutzt werden. Vorteilhafterweise wird der Stromschwellwert dabei auf Grundlage einer Drehzahl sowie unter Berücksichtigung thermischer und/oder elektrischer Eigenschaften der elektrischen Maschine festgelegt, so dass eine entsprechende elektrische Maschine bzw. der Umrichter stets betriebssicher sind.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Feststellung zu dem zweiten Zeitpunkt, ob nach dem erstmaligen Aktivieren einer Lastabwurfsreaktion, nach der weitere Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden, mehr als ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist, ferner umfasst, eine Mindest- und/oder Maximalanzahl von Akti- vierungen von Lastabwurfsreaktionen und/oder einen minimalen und/oder maximalen zeitlichen Abstand zwischen aufeinander folgenden Aktivierungen von Lastabwurfsreaktionen vorzugeben und nur dann festzustellen, dass nach dem erstmaligen Aktivieren einer Lastabwurfsreaktion, nach der weitere Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden, mehr als ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist, wenn zumindest eine dieser getroffenen Vorgaben erfüllt ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass beispielsweise zwei wiederholt regulär eingeleitete und aufgehobene Serien von Lastabwurfsreaktionen, beispielsweise aufgrund von Abschaltungen von Verbrauchern, irrtümlich für eine einzige, nicht behebbare Serie von Lastabwurfsreaktionen gehalten werden. Ein in allen Fällen verwend- barer Zeitraum kann beispielsweise 100 bis 400 Millisekunden betragen.
In entsprechender Weise kann es auch vorteilhaft sein, wenn die vorgegebene Anzahl an Lastabwurfsreaktionen auf Grundlage einer bei einem Lastabwurf aufgrund einer Abschaltung eines Verbrauchers festgestellten Anzahl an Lastab- wurfsreaktionen vorgegeben wird. Zu dieser Anzahl kann ein Sicherheitsfaktor addiert werden. Erst wenn diese sich hieraus ergebende Anzahl überschritten ist, wird die Serie an Lastabwurfsreaktionen als Reaktion auf einen Kabelabriss angesehen und davon ausgegangen, dass diese auf reguläre Weise nicht mehr beendbar ist, wie bereits oben erläutert.
In bestimmten Fällen kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn ein Zähler verwendet wird, der eine Anzahl an Lastabwurfsreaktionen zumindest während eines vorgegebenen Zeitraums zählt. Liegt die dadurch ermittelte Anzahl und/oder eine entsprechende Frequenz oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, kann sicher von einer ausreichend entregten Maschine ausgegangen werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer Stromversorgungseinrichtung oder eines aktiven Umrichters ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 veranschaulicht Lastabwurfsereignisse anhand eines vereinfachten Ersatzschaltbilds eines Kraftfahrzeugbordnetzes. Figur 2 veranschaulicht Strom- und Spannungsverläufe bei einer Lastabwurfsre- aktion bei Kabelabriss und entregter elektrischer Maschine.
Figur 3 veranschaulicht Strom- und Spannungsverläufe bei einer Lastabwurfsre- aktion bei Kabelabriss und erregter elektrischer Maschine.
Figur 4 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau eines Spannungsreglers einer elektrischen Maschine in schematischer Darstellung. Figur 5 veranschaulicht eine Zusatzbeschaltung eines Stromventils eines aktiven
Umrichters in schematischer Darstellung.
Figur 6 veranschaulicht einen Spannungsverlauf einer Bordnetzspannung während und nach der Aktivierung einer Klammerfunktion in Detailansicht.
Figur 7 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans.
Figur 8 veranschaulicht eine elektrische Maschine mit einem an diese ange- schlossenen aktiven Umrichter in schematischer Darstellung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 werden unterschiedliche Lastabwurfsereignisse anhand eines Ersatz- Schaltbilds 100 eines Kraftfahrzeugbordnetzes veranschaulicht.
Das Ersatzschaltbild 100 stellt eine als Generator arbeitende elektrische Maschine 101 mit einem zugeordneten aktiven Umrichter 102 dar. Zu Details sei auf die Figur 6 verwiesen. Die elektrische Maschine 101 und der Umrichter 102 sind je- weils über Kabel 103 mit beispielsweise jeweils 1 ,5 Metern Länge und einem
Querschnitt von beispielsweise jeweils 25 Quadratmillimetern an Schaltpunkte 104 angebunden. Zwischen den Schaltpunkten 104 ist ein Kondensator 105 angeschlossen, wie er beispielsweise an einem Fremdstartstützpunkt eines Fahrzeugs vorhanden ist. Die Schaltpunkte 104 sind in einem realen Bordnetz zum Fremdstarten des Kraftfahrzeugs vorgesehen. Zwischen weiteren Schaltpunkten 106 ist symbolisch eine resistive Last 107 veranschaulicht. Ein weiterer Kondensator 109, der eine Bordnetzkapazität veranschaulicht, ist zwischen nochmals weiteren Schaltpunkten 108 eingebunden, zwischen denen auch eine weitere re- sistive Last 1 10 symbolisch veranschaulicht ist.
Die Schalter 1 1 1 und 1 12 sind in einem realen Bordnetz nicht vorhanden und veranschaulichen die bei einem Lastabwurf eintretenden Zustände, wie unten erläutert. Der Normalbetrieb eines entsprechenden Bordnetzes, d.h. ohne Lastab- wurf, entspricht einem geschlossenen (leitenden) Zustand der Schalter 1 1 1 und
1 12. An der elektrischen Maschine 101 und dem Umrichter 102 liegt eine Spannung UB an, wie durch einen entsprechend beschrifteten Pfeil veranschaulicht. Die Spannung UB wird nachfolgend als Bordnetzspannung bezeichnet. Die Bordnetzspannung liegt an den gleichspannungsseitigen Ausgängen des Um- richters 102 an, wobei einer dieser Ausgänge auch auf Masse liegen kann. In diesem Fall ergibt sich die Bordnetzspannung als Potentialdifferenz zwischen Masse und dem anderen gleichspannungsseitigen Ausgang des Umrichters 102. Die über den Kondensator 107 abfallende Spannung ist ebenfalls mit einem Pfeil veranschaulicht und mit UF bezeichnet.
Der Zustand ohne Lastabwurf entspricht, wie erwähnt, einem geschlossenen Zustand der Schalter 1 1 1 und 1 12. Die elektrische Maschine 101 gibt über den Umrichter 102 gibt einen Strom an das in Figur 1 veranschaulichte Bordnetz ab, der sich aus den Lastwiderständen der resistiven Lasten 107 und 1 10 ergibt. Ein Lastabwurf kann nun durch das Öffnen eines der Schalter 1 1 1 und 1 12 veranschaulicht werden. Das Öffnen des Schalters 1 1 1 entspricht dabei einem Kabel- abriss am Umrichter 102. Das Öffnen des Schalters 1 12 bildet dagegen einen Lastabwurf ab, wie er durch die Abschaltung der resistiven Last 1 10 im Bordnetz verursacht wird. Die Höhe des abgeworfenen Laststroms richtet sich im letzteren Fall, d.h. einer Lastabschaltung, nach dem Lastwiderstand der abgeworfenen resistiven Last 1 10, die Höhe des verbleibenden Bordnetzstroms nach dem Lastwiderstand der resistiven Last 107. In Figur 2 sind Strom- und Spannungsverläufe in vier Diagrammen 210 bis 240 in Volt bzw. Ampere oder Milliampere auf der jeweiligen Ordinate über eine gemeinsame Zeitachse in Millisekunden auf der Abszisse veranschaulicht. Drei charakteristische Zeitpunkte in den Diagrammen 210 bis 240 sind diagramm- übergreifend mit 1 bis 4 bezeichnet. Die Diagramme 210 bis 240 betreffen dabei jeweils den Fall eines Kabelabrisses (entsprechend einem Öffnen des Schaltes 1 1 1 gemäß der voranstehenden Figur 1 ) bei (weitgehend) abgeklungenem Erregerstrom in einer generatorisch arbeitenden elektrischen Maschine, beispielsweise der elektrischen Maschine 101 gemäß Figur 1. Diese wird nachfolgend als fünfphasige elektrische Maschine angenommen. Wie erwähnt, eignet sich die Erfindung aber auch für elektrische Maschinen anderer Phasenzahlen.
Diagramm 210 veranschaulicht den Verlauf 21 1 der Bordnetzspannung, beispielsweise der Spannung UB gemäß Figur 1 . Diagramm 220 veranschaulicht Verläufe 221 bis 225 der Phasenströme der, wie erwähnt, hier als fünfphasig angenommenen elektrischen Maschine. In Diagramm 230 ist der (sich hier im Milliamperebereich) bewegende Verlauf 231 des Erregerstroms durch die Erregerwicklung der elektrischen Maschine gezeigt, Diagramm 240 zeigt einen Verlauf 241 einer an der Erregerwicklung anliegenden Spannung. Zur weiteren Erläute- rung der Diagramme 230 und 240 bzw. der Verläufe 231 und 241 sei ergänzend auch auf die unten erläuterte Figur 4 verwiesen.
Während des gesamten Zeitraums, der in den Diagrammen 210 bis 240 veranschaulicht ist, liegt ein Lastabwurf aufgrund eines Kabelabrisses vor. Zum Zeit- punkt 1 wird, beispielsweise aufgrund eines als ausreichend angesehenen Ab- sinkens der Bordnetzspannung, veranschaulicht durch den Verlauf 21 1 in Diagramm 210, entschieden, dass ein Phasenkurzschluss beendet werden kann. Vor dem Zeitpunkt 1 liegt also noch ein Phasenkurzschluss vor. Ab dem Zeitpunkt 1 wird in eine reguläre Gleichrichtung übergegangen. Es wird nun zunächst eine entsprechende Kapazität von beispielsweise 1 bis 100 Mikrofarad, beispielsweise ein Kondensator, der sich im Gleichrichter 102 oder im Regler 400 gemäß Figur 1 zwischen den Anschlüssen B+ und B- befindet, aufgeladen. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Kapazität und der hohen Gene- ratorströme erfolgt die Aufladung sehr schnell. Zum Zeitpunkt 2 , bei dem die Bordnetzspannung, veranschaulicht durch den Verlauf 21 1 in Diagramm 210, einen Schwellwert (Auslöseschwelle) überschreitet (im Rahmen dieser Anmeldung zuvor und in den Patentansprüchen als "erster" Zeitpunkt bezeichnet), wird daher eine Klammerung dieser Spannung im Umrichter aktiv. Zu Details einer solchen
Klammerung wird auf die unten erläuterte Figur 5 verwiesen. Man erkennt, dass zwischen den Zeitpunkten 2 und 3 aufgrund dieser Maßnahme die Phasenströme, veranschaulicht durch die Verläufe 221 bis 225 in Diagramm 220 und der Erregerstrom, veranschaulicht durch den Verlauf 231 in Diagramm 230, bereits auf den Wert Null zurückgehen. Dies stellt, wie im Vergleich zu Figur 3 ersichtlich, ein Charakteristikum bei einer (weitgehend) entregten elektrischen Maschine dar.
Auch die Bordnetzspannung, veranschaulicht durch den Verlauf 21 1 in Diagramm 210, sinkt ab, was ein weiteres Charakteristikum bei einer (weitgehend) entregten elektrischen Maschine darstellt, wie im Vergleich zu Figur 3 ersichtlich.
Weil die Bordnetzspannung jedoch weiter oberhalb eines zur Einleitung von Phasenkurzschlüssen definierten Schwellwerts (im Rahmen dieser Anmeldung zuvor und in den Patentansprüchen als "zweiter" Schwellwert bezeichnet) liegt, wird zum Zeitpunkt 3 (im Rahmen dieser Anmeldung zuvor und in den Patentansprü- chen als "zweiter" Zeitpunkt bezeichnet) ein Phasenkurzschluss ausgelöst. In dem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten 3 und 4 (nach dem "zweiten" Zeitpunkt) wird während des Phasenkurzschlusses die Bordnetzspannung aufgrund des Stromverbrauchs des Umrichters und dessen Reglers abgebaut. Da die elektrische Maschine während des Phasenkurzschlusses keine Gegenspannung er- fährt, reichen die dabei induzierten Spannungen aufgrund der Restremanenz aus, um Phasenströme zu induzieren, wie anhand der Verläufe 221 bis 225 des Diagramms 220 ersichtlich. Diese Phasenströme koppeln dabei sogar über auf den Erregerkreis, wie in Diagramm 230 anhand des Verlaufs 231 des Erregerstroms erkennbar ist.
Zum Zeitpunkt 4 wird der Phasenkurzschluss wieder gelöst. Die in den Phasenströmen zwischengespeicherte Energie reicht aus, um bei der geringen vorhandenen Kapazität die Bordnetzspannung, ersichtlich in dem Verlauf 21 1 des Dia- gramms 210, wieder auf einen Wert anzuheben, der oberhalb der Auslöseschwelle liegt, die wiederum zur Aktivierung des Phasenkurzschlusses führt. Der Kreislauf gemäß Figur 2 beginnt von neuem. Es ist erkennbar, dass auch bei (weitgehend) entregter elektrischer Maschine ein entsprechender Kreis- lauf herkömmlicherweise nicht verlassen werden kann.
In Figur 3 sind Strom- und Spannungsverläufe in fünf Diagrammen 310 bis 350 in Volt bzw. Ampere oder Milliampere auf der jeweiligen Ordinate über eine gemeinsame Zeitachse in Millisekunden (Abszisse) veranschaulicht. Die charakte- ristischen Zeitpunkte in den Diagrammen 310 bis 350 sind auch hier diagrammübergreifend mit 1 bis 4 bezeichnet. Die Diagramme 310 bis 350 betreffen dabei jeweils den Fall eines Kabelabrisses (entsprechend einem Öffnen des Schalters 1 1 1 gemäß der voranstehenden Figur 1 ) bei (kaum) abgeklungenem Erregerstrom in einer generatorisch arbeitenden elektrischen Maschine, beispielsweise der elektrischen Maschine 101 gemäß Figur 1. Diese wird auch hier als fünfpha- sige elektrische Maschine angenommen. Wie erwähnt, eignet sich die Erfindung aber auch für elektrische Maschinen anderer Phasenzahlen.
Die in den Diagrammen 310 bis 340 der Figur 3 dargestellten Verläufe 31 1 bis 341 entsprechen ihrer Herkunft nach jeweils den in den Diagrammen 210 bis 240 dargestellten Verläufen 21 1 bis 241 und sind entsprechend mit um 100 inkre- mentierten Bezugszeichen angegeben. Zusätzlich sind in dem Diagramm 350 Verläufe 351 bis 355 von Phasenspannungen der elektrischen Maschine gezeigt. Während des gesamten Zeitraums, der in den Diagrammen 310 bis 350 veranschaulicht ist, liegt, wie bereits bezüglich Figur 2 erläutert, ein Lastabwurf aufgrund eines Kabelabrisses vor. Auch die Zeitpunkte 1 bis 4 entsprechen einander, so dass die Erläuterungen zu Figur 2 auch hier gelten. Man erkennt in der Zusammenschau der Figuren 2 und 3, dass bei noch nicht weitreichender Entregung der elektrischen Maschine (gemäß Figur 3) die Bordnetzspannung (siehe Verläufe 21 1 und 31 1 im Vergleich zueinander) zu dem Zeitpunkt 3 ("zweiter" Zeitpunkt) noch im Wesentlichen dem Wert zum Zeitpunkt 2 ("erster" Zeitpunkt) entspricht, und dass die Phasenströme (siehe Verläufe 221 und 321 im Vergleich zueinander) noch deutlich höher sind und insbesondere zum Zeitpunkt 3 ("zweiter" Zeitpunkt) nicht deutlich auf einen Wert von im Wesentlichen 0 Ampere absinken. Ferner bleibt auch die an der Erregerwicklung anliegende Spannung (siehe Verläufe 241 und 341 im Vergleich zueinander) bei noch nicht weitreichender Entregung (gemäß Figur 3) der elektrischen Maschine stabil auf einem Wert von weniger als 0 V. Die Beobachtung des Signals 241 bzw. 341 eignet sich damit ebenfalls zur Unterscheidung der Fälle aus den Figuren 2 und 3, d.h. zur Beantwortung der Frage, ob die elektrische Maschine bereits ausreichend entregt ist und damit wieder dauerhaft in einen regulären Gleichrichterbetrieb übergegangen werden könnte.
Als eines der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Kriterien kann daher auch ein Augenmerk auf dem Spannungsverlauf 241 bzw. 341 in den Diagrammen 240 bzw. 340 der Figuren 2 und 3 gelegt werden. Daher wird die Entste- hung entsprechender Spannungen anhand Figur 4 weiter erläutert, die, insgesamt mit 400 bezeichnet, den prinzipiellen Aufbau eines Spannungsreglers einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise der elektrischen Maschine 101 aus Figur 1 , in schematischer Ansicht zeigt. Ein entsprechender Spannungsregler 400 umfasst eine Erregerwicklung 401 mit einer Induktivität von beispielsweise 400 Millihenry, durch welche ein Stromfluss (Erregerstrom) typischerweise mittels eines Zweipunktreglers auf Grundlage der Bordnetzspannung geregelt wird. Sobald die an einem Anschluss 402 anliegende Bordnetzspannung zu niedrig wird bzw. unterhalb einer bestimmten Schwelle liegt, wird ein Stromventil 403, beispielsweise ein Metalloxid-Feldeffekttransistor, angesteuert und damit leitend geschaltet. Es ergibt sich, wie mit Pfeil 404 veranschaulicht, ein Stromfluss durch die Erregerwicklung 401. Sobald die Spannung an dem Anschluss zu hoch wird bzw. oberhalb einer bestimmten Schwelle liegt, wird die Ansteuerung des Stromventils 403 beendet und die Erregerwicklung 401 von dem Anschluss 402 getrennt. Wie mit einem Pfeil 405 veranschaulicht, resultiert daraus ein Freilaufstrom von einem Masseanschluss 406 über eine Diode 407. Der Erregerstrom verringert sich hierdurch. An einem Schaltpunkt 408, der den Verbindungspunkt zwischen Läufer und Regler bezeichnet, pendelt die anliegende Spannung (deren Verläufe 241 und 341 in den Diagrammen 240 und 340 in den Figuren 2 und 3 gezeigt sind) im regulären Gleichrichterbetrieb zwischen zwei Werten. Im Freilauf entsprechend Pfeil 405 (d.h. bei fehlender Verbindung der Erregerwicklung 410 zum Anschluss 402) liegt die Spannung beim negativen Wert der Diodenspannung der Diode 407. Hingegen liegt die Spannung bei dem am Anschluss 402 anliegenden Wert, also bei der Bordnetzspannung, wenn das Stromventil 403 angesteuert ist und damit eine leitende Verbindung des Schaltpunkts 408 zu dem Anschluss 402 besteht.
Wendet man sich nun erneut dem in Diagramm 240 der Figur 3 veranschaulichten Verlauf 241 zu, ist hieraus erkennbar, dass jeweils vor und nach dem Zeitpunkt 3 ("zweiter" Zeitpunkt) die Spannungswerte an dem Schaltpunkt 408 (denn diese gibt der Verlauf 241 an) von den erläuterten Werten abweichen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei einem Erregerstrom von 0 Ampere durch die Erregerwicklung 401 der Schaltpunkt 408 nicht niederohmig an ein Spannungspotential, sondern nur über die große Induktivität der Erregerwicklung 401 (wie erwähnt beispielsweise 400 Millihenry) an Masse angebunden ist. Damit lassen sich Spannungen leicht auf die Erregerwicklung induzieren. Die Zeiten, bei denen der Verlauf 241 von den regulären Werten abweicht, korrelieren genau mit den
Zeiten, in denen der Erregerstrom bei 0 Ampere liegt.
Im Gegensatz dazu erkennt man aus Figur 3, in der, wie erwähnt, ein Fall dargestellt ist, in dem die Entregung der elektrischen Maschine noch nicht erreicht ist, dass die Spannung, ersichtlich aus dem Verlauf 341 in Diagramm 340, stabil auf weniger als 0 Volt (der erwähnten negativen Diodenspannung) liegt. Die Beobachtung eines entsprechenden Verlaufs, d.h. der an dem Anschluss 402 anliegenden Spannung, eignet sich damit zur Unterscheidung der Fälle aus den Figuren 2 und 3, d.h., wie erwähnt, zur Beantwortung der Frage, ob die elektrische Maschine bereits entregt ist.
Unter Bezugnahme auf Figur 5 wird nun ein weiteres Verfahren erläutert, das sich ebenfalls zur Unterscheidung dieser beiden Fälle eignet. Dargestellt ist, insgesamt mit 500 bezeichnet, eine bekannte Zusatzbeschaltung eines Stromventils 501 , beispielsweise eines Feldeffekttransistors, im Highside-Zweig eines aktiven Umrichters (zu Details sei auf die nachfolgende Figur 8 verwiesen), mit welcher man das Klammerverhalten zwischen den Zeitpunkten 2 und 3 gemäß den Figuren 2 und 3 ("erster" und "zweiter" Zeitpunkt) bewirken kann. Die Zusatzbeschal- tung 500 umfasst eine antiparallele Diode 502 und eine Zenerdiode 503, die zwischen Gate G und Drain D des Stromventils 501 angeordnet sind. Die Durch- bruchspannung der Zenerdiode 503 ist so gewählt, dass sie bei Überschreiten eines definierten Spann ungswerts einer an deinem Anschluss 510 anliegenden Bordnetzspannung durchbricht und damit das Gate G des Stromventils 501 an- gesteuert und das Stromventil 501 leitend geschaltet wird. Durch eine kompara- torische Auswertung der an der antiparallelen Diode 502 anliegenden Spannung mittels eines Komparators 504 und Erfassen von dessen Ausgangssignal an einem Anschluss 505 kann damit erkannt werden, ob die antiparallele Diode 502 Strom führt und damit die Klammerung aktiv ist.
Alternativ dazu kann auch eine komparatorische Auswertung der Gate-Source- Spannung unter Verwendung zweier Komparatoren bzw. Verstärker 506 und 507 und eines Entkopplungswiderstands 508 (und eine Auswertung eines Ausgangssignals an Anschluss 509) vorgenommen werden. Es werde im Folgenden von Verstärkern ausgegangen, die nur positive Eingangsspannungen verstärken können und im Fall von negativen Eingangsspannungen 0 Volt als Ausgangsspannung liefern. Derartige Verstärker sind als Verstärker 506 und 507 im dargestellten Beispiel vorgesehen. Im Fall einer aktiven Gleichrichtung im oberen Umrichterzweig ist das Phasenspannungssignal 520 größer als das Spannungssignal des positiven Gleichspannungsanschlusses 510 und der Verstärker 506 liefert am Ausgang ein positives Signal. Sobald der Vorgang eingeschwungen ist, fließt kein Strom mehr in den Ansteueranschluss G des Stromventils 501 und der Verstärker 507 sieht am Ein- gang keine Differenzspannung, was zu einem Ausgangssignal von ca. 0 Volt führt. Im Fall einer aktiven Gleichrichtung im unteren Umrichterzweig liegt das an dem Anschluss 520 anliegende Phasenspannungssignal nahe 0 Volt, der Verstärker 506 liefert ein Ausgangssignal bei ca. 0 Volt, ebenso der Verstärker 507. Im Fall einer Klammerung, also einer Spannung zwischen den Anschlüssen 520 und 510, die die Klammerspannung an dem Anschluss 503 und die Threshold- Spannung an dem Stromventil 501 übersteigt, liefert der Verstärker 506 eine Ausgangsspannung von 0 Volt, während über den Klammerpfad am Ansteueran- schluss G des Stromventils 501 eine Spannung nahe der Threshold-Spannung eingestellt wird. Diese Spannungsdifferenz wird am Eingang des Verstärkers 507 und am Ausgang 509 erkennbar. Damit kann am Ausgang 509 eindeutig erkannt werden, ob die Schaltung sich in Klammerung befindet.
Eine weitere mögliche Überprüfung wird anhand Figur 6 veranschaulicht, in der Verläufe 601 und 602 einer Bordnetzspannung bei (weitgehend) entregter elektrischer Maschine (Verlauf 601 ) und bei noch nicht oder nur kaum entregter elektrischer Maschine (Verlauf 602) veranschaulicht sind. Die Verläufe 601 und 602 sind in Volt auf der Ordinate gegenüber einer Zeit in Mikrosekunden auf der Abszisse in einem Diagramm 600 aufgetragen. Die Verläufe 601 und 602 können als Detailansichten der Verläufe 21 1 und 31 1 gemäß den Figuren 2 und 3 angesehen werden, auch die Zeitpunkte 2 und 3 sind entsprechend bezeichnet.
Man erkennt, dass zu dem Zeitpunkt 3 im Fall der (weitgehend) entregten elektrischen Maschine (Verlauf 601 ) die Bordnetzspannung deutlich unter den Wert zu dem Zeitpunkt 2 abgesunken ist. Im Fall der noch nicht oder nur kaum entregten elektrischen Maschine (Verlauf 602) ist hingegen der Wert zu dem Zeitpunkt 3 noch im Wesentlichen derselbe wie zu dem Zeitpunkt 2. Somit lässt sich auch auf Grundlage einer Auswertung der Bordnetzspannung, wie erwähnt, eine Unterscheidung zwischen den beiden Fällen vornehmen.
In Figur 7 ist ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines schematischen Ablaufplans veranschaulicht. Das Verfahren beginnt in einem mit 701 veranschaulichten Zustand, in dem ein aktiver Umrichter eine reguläre Gleichrichtung vornimmt. Wird in einem Überprüfungsschritt 702 erkannt, dass eine Bordnetzspannung einen vorgegebenen Wert zur Aktivierung einer Klammerfunktion erreicht hat (+), beispielsweise 24 Volt (im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als "erster" Schwellwert bezeichnet), wird zunächst in einem Schritt 703 eine Totzeit von beispielsweise 50 Mikrosekunden abgewartet. Der Beginn dieser Totzeit entspricht dem im Rahmen der vorliegenden An- meidung so bezeichneten "ersten" Zeitpunkt, das Ende dieser Totzeit entsprechend dem "zweiten" Zeitpunkt. Zwischen dem "ersten" und dem "zweiten" Zeitpunkt (Zeitpunkte 2 und 3 der zuvor erläuterten Figuren) kann beispielsweise eine Klammerfunktion aktiviert werden. Nach dem Ende der Totzeit, also zum zweiten Zeitpunkt, werden nun, (teilweise) alternativ und/oder (teilweise) kumulativ, Überprüfungsschritte 704 bis 710 durchgeführt. Wird in dem Überprüfungsschritt 702 hingegen erkannt, dass eine Bordnetzspannung nicht oberhalb eines vorgegebenen Werts zur Einleitung eines Phasenkurzschlusses, also zur Aktivierung einer Lastabwurfsreaktion liegt (-), beispielsweise oberhalb von 24 Volt, wird das Verfahren mit Zustand 701 fortgesetzt.
Im Gegensatz zur Darstellung der Figur 7 können mehr oder weniger der Überprüfungsschritte 704 bis 710 vorgesehen sein. Beispielsweise umfassen Überprüfungsschritte 704 bis 710 die Feststellung, ob zu dem zweiten Zeitpunkt, also zum Ende der Totzeit gemäß Schritt 703, die mehrfach erläuterte Spannungs- klammerung noch aktiviert ist und/oder das Spannungspotential noch nicht unter den ersten Schwellwert abgesunken ist und/oder ein Wert, der einen durch wenigstens einen der Phasenanschlüsse fließenden Strom kennzeichnet, oberhalb eines dritten Schwellwerts liegt. Ferner können die Überprüfungsschritte 704 bis 710 im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung die Feststellung umfassen, ob ein versorgungsseitig einer Erregerwicklung der elektrischen Maschine (Erregerwicklung 401 gemäß Figur 4, Anschluss 408) anliegendes Spannungspotential zwischen dem Spannungspotential der Bordnetzspannung und einem Massepotential liegt, wenn die Erregerwicklung von dem Spannungspotential der Bord- netzspannung getrennt ist, und/oder ein durch die Erregerwicklung fließender
Strom unterhalb eines entsprechenden Stromschwellwerts liegt und/oder nach einem erstmaligen Aktivieren einer Lastabwurfsreaktion, nach der weitere Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden, mehr als ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist und/oder mehr als eine vorgegebene Anzahl an Lastabwurfsreak- tionen aktiviert wurden. Sind eine oder mehrere dieser Bedingungen erfüllt, wird in einem Schritt 71 1 eine Lastabwurfsreaktion in Form eines Phasenkurzschlusses eingeleitet. So lange in einem Überprüfungsschritt 712 festgestellt wird, dass die Bordnetzspannung noch nicht auf einen vorgegebenen Wert zur Deaktivierung der Lastabwurfsreaktion, der hier als "zweiter" Schwellwert bezeichnet wird, abgesunken ist (+),wird in einem Schritt 713 eine weitere Totzeit von beispielsweise 50 Mikrosekunden abgewartet, ehe das Verfahren in den Zustand 701 zurückkehrt. Anderenfalls (-) kehrt das Verfahren direkt in den Zustand 701 zurück. Ebenso kehrt das Verfahren direkt in den Zustand 701 zurück, jedoch ohne dass zuvor eine Lastabwurfsreaktion gemäß Schritt 71 1 eingeleitet wird, wenn in einem oder in mehreren der Überprüfungsschritte 704 bis 710 eine negative Fest- Stellung (-) getroffen wird.
In Figur 8 ist zur weiteren Erläuterung eine elektrische Maschine, wie in Figur 1 mit 101 bezeichnet, mit einem an diese angeschlossenen aktiven Umrichter 102 schematisch veranschaulicht.
Die elektrische Maschine 101 umfasst einen fünfphasig und in Drudenfußschaltung ausgebildeten Stator 1 1 und einen Rotor mit einer Erregerwicklung 401. Die einzelnen Wicklungen des Stators 1 1 und des Rotors 12 sind nicht gesondert bezeichnet. Ein Generatorregler, wie in Figur 4 mit 400 bezeichnet, wertet eine Bordnetzspannung zwischen einem ersten Gleichspannungsanschluss B+ und einem zweiten Gleichspannungsanschluss B- (der zweite Gleichspannungsanschluss B- kann auf Masse liegen) aus und regelt, wie zu Figur 4 erläutert, die Ausgangsleistung der elektrischen Maschine 101 . Der erste Gleichspannungsanschluss B+ entspricht daher dem Anschluss 402 gemäß Figur 4, der zweite Gleichspannungsanschluss dem Anschluss 406.
Die elektrische Maschine 101 ist über fünf Phasenanschlüsse U bis Y jeweils über ein- und ausschaltbare, steuerbare Stromventile, hier mit UL bis YL und UH bis YH bezeichnet, an den ersten Gleichspannungsanschluss B+ und den zwei- ten Gleichspannungsanschluss B- angebunden. Die Stromventile UH bis YH bilden einen oberen Gleichrichterzweig ("Highside"), die Stromventile UL bis YL einen unteren Gleichrichterzweig ("Lowside"). Jedes der Stromventile UH bis YH kann daher eine Zusatzbeschaltung 500 aufweisen, wie sie in Figur 5 veranschaulicht ist, und daher das in Figur 5 veranschaulichte Stromventil 501 bilden. In diesem Fall bildet jeder der Phasenanschlüsse U bis Y einen Anschluss 520 gemäß Figur 5 und der erste Gleichspannungsanschluss B+ den in Figur 5 veranschaulichten Anschluss 510. Die ein- und ausschaltbaren, steuerbaren Stromventile UH bis YH sind in der Figur 6 vereinfacht als Schalter mit parallel geschalteten Zenerdioden veranschaulicht. Die Zenerdioden symbolisieren dabei sowohl die typische Durchbruchseigenschaft ab einer bestimmten Drain-Source-Spannung aufgrund einer Schaltung wie beispielsweise in Figur 5 gezeigt oder aber der Avalanche-Spannung, als auch die typischerweise vorhandene Inversdiode. Im unteren Zweig UL bis
YL ist jeweils eine einfache Diode dargestellt, da hier der Klammerbetrieb nicht vorgehalten ist. Wie erwähnt, kann stattdessen eine Klammerfunktion auch in dem anderen Zweig des Umrichters vorgesehen sein, die Einleitung von Phasenkurzschlüssen erfolgt jeweils mittels der nicht mit der Klammerfunktion verse- henen Stromventile.
Die Stromventile UH bis YH und UL bis YL sind durch jeweilige dezentrale Steuereinrichtungen 21 bis 25, wie hier mit gestrichelten Ansteuerpfeilen veranschaulicht, ansteuerbar. Die in Figur 5 veranschaulichte Zusatzbeschaltung 500 kann in die Steuereinrichtungen 21 bis 25 integriert sein. Auch eine zentrale Ansteue- rung aller Stromventile UH bis YH und UL bis YL kann vorgesehen sein.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines an eine elektrische Maschine (101 ) angeschlossenen aktiven Umrichters (102), in dem eine Anzahl von Phasenanschlüssen (U-Y) jeweils über ein ansteuerbares Stromventil (UH-YH) in ei- nem ersten Umrichterzweig mit einem ersten Gleichspannungsan- schluss (B+) und über ein ansteuerbares Stromventil (UL-YL) in einem zweiten Umrichterzweig mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss (B-) verbunden ist, wobei jedes der Stromventile (UH-YH) eines der beiden Umrichterzweige mit einer Klammerschaltung (500) versehen ist, die dazu ein- gerichtet ist, eine Spannungsklammerung ab einem ersten Zeitpunkt (2) zu aktivieren, ab dem ein an dem ersten Gleichspannungsanschluss (B+) anliegendes Spannungspotential bis auf einen vorgegebenen ersten Schwellwert ansteigt, und die Spannungsklammerung so lange aktiviert zu halten, so lange das Spannungspotential nicht unter den ersten Schwellwert absinkt, wo- bei die Spannungsklammerung umfasst, das mit der Klammerschaltung (500) versehene Stromventil (UH-YH) anzusteuern und damit eine leitende Verbindung zwischen dem mit diesem Stromventil (UH-YH) verbundenen Phasenanschluss (U-Y) und dem jeweiligen Gleichspannungsanschluss (B+) herzustellen, und wobei der Umrichter (102) ferner dafür einge- richtet ist, nur beim Vorliegen von Aktivierungsbedingungen ab einem zweiten Zeitpunkt (3) eine Lastabwurfsreaktion zu aktivieren, wenn zu dem zweiten Zeitpunkt (3) das Spannungspotential oberhalb eines zweiten Schwellwerts liegt, wobei der zweite Zeitpunkt (3) nach dem ersten Zeitpunkt (2) und der zweite Schwellwert unterhalb des ersten Schwellwerts liegt und die Lastabwurfsreaktion umfasst, alle Stromventile (UL-YL) des anderen der beiden Umrichterzweige anzusteuern und damit eine leitende Verbindung zwischen allen Phasenanschlüssen (U-Y) herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsbedingungen umfassen, dass festgestellt wird, dass zu dem zweiten Zeitpunkt (3) ein versorgungsseitig einer Erre- gerwicklung (401 ) der elektrischen Maschine (101 ) anliegendes Spannungspotential zwischen dem an dem ersten Gleichspannungsanschluss (B+) anliegenden Spannungspotential und einem Massepotential liegt, wenn die Erregerwicklung von dem Spannungspotential der Bordnetzspannung getrennt ist und/oder ein durch die Erregerwicklung (401 ) fließender Strom unterhalb eines Stromschwellwerts liegt und/oder nach einem erstmaligen Aktivieren einer Lastabwurfsreaktion, nach der weitere Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden, mehr als ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist und/oder mehr als eine vorgegebene Anzahl an Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden.
Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Generatorregler (400) verwendet wird, in dem die Erregerwicklung (401 ) über wenigstens ein ansteuerbares Stromventil (403) an den Gleichspannungsanschluss (B+) angeschlossen ist und bei dem die Feststellung zu dem zweiten Zeitpunkt (3), dass das versor- gungsseitig der Erregerwicklung (401 ) der elektrischen Maschine (101 ) anliegende Spannungspotential zwischen dem an dem ersten Gleichspannungsanschluss (B+) anliegenden Spannungspotential und einem Massepotential liegt, wenn die Erregerwicklung von dem Spannungspotential der Bordnetzspannung getrennt ist, die Feststellung umfasst, dass das wenigstens eine Stromventil (403), über das die Erregerwicklung (401 ) an den Gleichspannungsanschluss (B+) angebunden ist, nicht angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Feststellung, dass der durch die Erregerwicklung (401 ) fließende Strom unterhalb eines Stromschwellwerts liegt, die Messung des Stroms mittels einer Strommesseinrichtung und den Vergleich mit dem Stromschwellwert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Stromschwellwert auf Grundlage einer Drehzahl sowie unter Berücksichtigung thermischer und/oder elektrischer Eigenschaften der elektrischen Maschine (101 ) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Feststellung zu dem zweiten Zeitpunkt (3), ob nach dem erstmaligen Aktivieren einer Lastabwurfsreaktion, nach der weitere Lastabwurfsreaktionen aktiviert wur- den, mehr als ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist, umfasst, eine Mindest- und/oder Maximalanzahl von Aktivierungen von Lastabwurfsreaktionen und/oder einen minimalen und/oder maximalen zeitlichen Abstand zwischen aufeinander folgenden Aktivierungen von Lastabwurfsreaktionen vorzugeben und nur dann eine festzustellen, dass nach dem erstmaligen Aktivieren einer
Lastabwurfsreaktion, nach der weitere Lastabwurfsreaktionen aktiviert wurden, mehr als ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist, wenn zumindest eine dieser getroffenen Vorgaben erfüllt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die vorgegebene Anzahl an Lastabwurfsreaktionen auf Grundlage einer bei einem Lastabwurf aufgrund einer Abschaltung eines Verbrauchers festgestellten Anzahl an Lastabwurfsreaktionen vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Zähler verwendet wird, der eine Anzahl an Lastabwurfsreaktionen zumindest wäh rend eines vorgegebenen Zeitraums zählt.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
9. Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.
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