WO2018184814A1 - Vorrichtung und verfahren zur ansteuerung eines wechselrichters - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ansteuerung eines wechselrichters Download PDF

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WO2018184814A1
WO2018184814A1 PCT/EP2018/056638 EP2018056638W WO2018184814A1 WO 2018184814 A1 WO2018184814 A1 WO 2018184814A1 EP 2018056638 W EP2018056638 W EP 2018056638W WO 2018184814 A1 WO2018184814 A1 WO 2018184814A1
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inverter
space
degrees
angle
pointers
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PCT/EP2018/056638
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Waleed SAHHARY
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/032—Preventing damage to the motor, e.g. setting individual current limits for different drive conditions
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/12—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation pulsing by guiding the flux vector, current vector or voltage vector on a circle or a closed curve, e.g. for direct torque control

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for
  • the present invention relates to an inverter arrangement, which by means of
  • Space vector modulation used to control three-phase machines.
  • a space vector is passed through
  • the fundamental voltage pointers are switched pulse-width modulated, so that a
  • the present invention discloses an apparatus for driving an inverter with the features of claim 1, a
  • the device is adapted to the
  • the predetermined switching states include six
  • Base space pointers of which two adjacent base space pointers form an angle of 60 degrees.
  • the apparatus is further configured to drive the inverter through a combination of two base space hands, the two combined base space hands forming an angle of 120 degrees.
  • the inverter includes several switching elements.
  • the inverter includes several switching elements.
  • Inverter designed to use a polyphase AC voltage
  • predetermined switching states are set at the inverter by means of space vector modulation.
  • the predetermined switching states include six base-space pointers, of which two adjacent base-space pointers make an angle of 60 degrees.
  • the inverter is driven by a combination of two base space pointers, the two combined
  • Base space pointer make an angle of 120 degrees.
  • the present invention is based on the finding that in a conventional control of an inverter, in particular in a control by means of space vector modulation, operating conditions may occur in which at least one switching element of the inverter should be relieved.
  • Such a discharge of a switching element in an inverter can be justified, for example, by an uneven heating of the switching elements.
  • the maximum output power of the inverter would be limited by the most strongly heating switching element. By relieving such an excessively heating switching element, consequently, an increase in the maximum output power can be achieved.
  • other reasons for the discharge of switching elements in an inverter are possible.
  • the present invention is therefore based on the idea to take this finding into account and a control for the switching elements of a
  • Inverter to provide at the targeted at least one of
  • Inverter arrangement leads, inter alia, that at this
  • Switching element is also implemented a lower power loss.
  • the predetermined switching element will also heat to a lesser extent.
  • a more uniform heating of all switching elements can be achieved in an inverter.
  • Such a more uniform heating of the switching elements in the inverter makes it possible to operate the inverter with a higher maximum output power over a longer period of time.
  • the predetermined switching states to which the inverter can be set include at least one
  • the predetermined switching states may in particular comprise one or two zero voltage space pointers.
  • the device for controlling the inverter can be designed to drive the inverter by combining the at least one zero-voltage space vector and the two base-space pointers, wherein the two base-space vectors form an angle of 120 degrees.
  • the base space pointer By combining the base space pointer with a zero voltage space vector, the length of the voltage space vector to be set and thus the amplitude of the voltage to be output by the inverter can be set as desired between 0 and a maximum value.
  • Inverter designed to invert the inverter in a first
  • Operating mode make an angle of 120 degrees.
  • the device for controlling the inverter is designed to control the inverter in a second operating mode by combining two base-space pointers that form an angle of 60 degrees.
  • a drive of the inverter by combining base space pointers that form an angle of 60 degrees this corresponds to a conventional drive of the inverter, while driving the inverter by
  • Inverter are relieved.
  • the control of the inverter can be optimally adapted to the respective operating conditions of the inverter.
  • Upon reaching a critical state in the inverter or possibly even when exceeding a threshold, for example, announces such a critical state then can be changed to the alternative operating mode by the inverter is driven by combination of base space hands, which is an angle of 120 degrees form.
  • the operability of the inverter can be maintained over an extended operating range.
  • a power limitation due to a temperature increase can be avoided or at least delayed.
  • an operation in particular a
  • Inverter configured to set the first operating mode or the second operating mode depending on a measured value of the inverter. For this purpose, for example, a to the inverter
  • the measured value comprises a temperature of a switching element of the inverter, an electrical current through the inverter, a coolant temperature of the inverter and / or an error message about a switching element of the inverter.
  • Figure 1 a schematic representation of an inverter arrangement
  • FIG. 2 a schematic illustration to illustrate the
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the formation of a voltage vector for the control of an inverter in an operating mode according to an embodiment; and a schematic diagram for forming a voltage vector by means of space vector modulation according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an inverter arrangement according to an embodiment.
  • the inverter arrangement comprises an inverter 1 and a device 2 for controlling the inverter 1.
  • the inverter 1 is fed on the input side by a DC voltage source 4.
  • the inverter 1 is connected to a multi-phase electric machine 3.
  • a DC voltage source 4 On the output side, the inverter 1 is connected to a multi-phase electric machine 3.
  • the electric machine 3 comprises three electrical phases.
  • the inverter 1 comprises in the embodiment shown here six switching elements Ml to M6.
  • the switching elements M1 to M6 can be, for example, semiconductor switching elements such as bipolar transistors with an insulated one
  • the inverter 1 For each phase of the electric machine 3, the inverter 1 comprises an upper switching element Ml, M3, M5 and a lower switching element M2, M4 and M6, respectively.
  • the switching elements Ml to M6 of the inverter 1 are provided by a device 2 for controlling the
  • switching elements M1 to M6 of the inverter 1 are selectively opened and closed in order to set phase voltages at the electric machine 3 with a predetermined profile and thus to energize the electric machine 3 with the corresponding phase currents.
  • a pulse width modulated control of the inverter 1 is selectively opened and closed in order to set phase voltages at the electric machine 3 with a predetermined profile and thus to energize the electric machine 3 with the corresponding phase currents.
  • Switching elements Ml to M6 of the inverter 1 wherein the drive signals for the switching elements Ml to M6 of the inverter 1 are generated in the device 2 for driving the inverter 1 by means of space vector modulation.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the space pointer, as they are based on a space vector modulation according to one embodiment.
  • space vector modulation a total of eight space vectors ZO to Z7 are available.
  • Each of these room pointers represents a switching state for the switching elements M1 to M6 of the inverter 1.
  • the switching states of the switching elements M1 to M6 and the corresponding space vector ZO to Z7 are shown in Table 1 below, with "+" open and "-" closed.
  • the space pointers include two so-called
  • Zero voltage room pointer ZO and Z7 In the case of the first zero-voltage space vector ZO, the three upper switching elements M1, M3 and M5 are opened, while the lower three switching elements M2, M4 and M6 are closed. In the second zero voltage space pointer Z7, the upper three switching elements Ml, M3 and M5 are closed and the lower three switching elements M2, M4 and M6 open. In both cases, the same voltage is applied to all three output terminals of the inverter 1, so that between the
  • six basic space pointers ZI to Z6 can be set as shown in Table 1 shown above.
  • six base space pointers ZI to Z6 can be set, with two adjacent base space pointers forming an angle of 60 degrees.
  • an angle of 60 degrees is clamped between the first base-space pointer ZI and the second base-space pointer Z2.
  • the second base space pointer Z2 and the third base space pointer Z3 also form an angle of 60 degrees.
  • Base space pointer Z4 for the fourth base space pointer Z4 and the fifth Base space pointer Z5, for the fifth base space pointer Z5 and the sixth base space pointer Z6, and for the sixth base space pointer Z6 and the first base space pointer ZI.
  • the six base space pointers ZI to Z6 thus form a hexagon with six
  • FIG. 3 illustrates the generation of a predetermined voltage space pointer Zsoll in a first operating mode.
  • the to be generated the to be generated
  • Stress space vector Zsoll formed from the base space pointers ZI and Z2, which enclose the sector I according to Figure 2, in which the voltage space vector Zsoll to be formed is located. These two voltage space pointers ZI and Z2 together form an angle of 60 degrees. Furthermore, to form the desired voltage space pointer Zsoll one or, if appropriate, also both zero-voltage space vectors Z0 and Z7
  • the voltage space vector Zsoll to be formed can be generated by a first voltage space vector T1 in the direction of the first base space vector Z1 and a second voltage space vector T1
  • Stress space pointer T2 are formed in the direction of the second base space pointer Z2.
  • the length of the two voltage-space pointers T1 and T2 are in each case proportional to the switching times in which the inverter 1 is switched in a switching state corresponding to the respective base-space vector Z1, Z2.
  • Zero voltage space pointer Z0, Z7 corresponds to a period of the
  • Variation of the turn-on can thus be formed any arbitrary voltage space pointer within the first sector I.
  • This type of control of the inverter 1 by means of space vector modulation essentially corresponds to a conventional space vector modulation.
  • FIG. 4 shows a representation for controlling an inverter 1 by means of space vector modulation in a further operating mode according to FIG. 4
  • a stress space vector Zsoll to be formed is not formed by a combination of two adjacent base space pointers Z1 to Z6, which together form an angle of 60 degrees.
  • Base space pointer ZI and the third base space pointer Z3 in the example shown here is only for better understanding.
  • other base space pointers ZI and Z6 can be combined with each other, which together form an angle of 120 degrees.
  • the second and fourth base space pointers Z2 and Z4, the third and fifth base space pointers Z3, Z5, the fourth and sixth base space pointers Z4, Z6, the fifth and first base space pointers Z5, ZI and the sixth and second base space pointers Z6 may also be used , Z2 are combined with each other.
  • Voltage space pointer Z3 is used for the formation of the voltage space pointer Zsoll, in the inverter 1 are therefore also different
  • Switching elements Ml driven to M6.
  • the lower switching element M2 is driven here instead of the upper switching element Ml.
  • the upper switching element Ml be relieved. Since the upper switching element Ml is not driven in the further operating mode, no conduction losses occur here on these switching elements Ml.
  • the heating of a switching element Ml to M6, in particular here of the first switching element Ml can be reduced.
  • a predetermined Switching element Ml to M6 also for other reasons, for example, due to a further advanced aging, imbalance im
  • Voltage space pointer Zsoll based on space vector modulation in the first mode of operation with base space pointers forming an angle of 60 degrees or space vector modulation in another mode of operation with base space pointers Ml to M6 forming an angle of 120 degrees, based on corresponding measured or calculated
  • Operating parameters of the inverter 1 are taken. For example, the temperatures at the switching elements M1 to M6 can be monitored. If it is determined that a temperature at one of
  • Switching elements Ml to M6 exceeds a predetermined threshold, so the choice of the operating mode for the space vector modulation can be specifically adjusted such that such a switching element Ml to M6 is not or only less frequently controlled. By reducing the control of such a switching element Ml to M6 consequently occur less switching losses, which may lead to a smaller increase in temperature or possibly even a drop in temperature of the corresponding switching element Ml to M6.
  • Base space pointers are selected which form an angle of 120 degrees.
  • Base room hands which span an angle of 120 degrees, may be associated with increased or at least altered noise development.
  • this unusual for a user noise can be taken for the advantages described above in purchasing.
  • Operating mode can also be deliberately induced to signal a user also a possible problem, such as a fault.
  • the noise can also be used specifically to, for example, by means of an inverter 1 in the invention
  • the present invention relates to a
  • a stress space vector to be formed can also be formed, in particular, by a combination of non-adjacent space hands, that is to say two space hands, which form an angle of 120 degrees, are combined instead of two space hands which form an angle of 60 degrees.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung eine Wechselrichteranordnung sowie die Ansteuerung eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation. Hierbei kann ein zu bildender Spannungsraumzeiger insbesondere auch durch Kombination von nicht benachbarten Raumzeigern gebildet werden, das heißt es werden anstelle von zwei Raumzeigern, die einen Winkel von 60 Grad bilden, zwei Raumzeiger miteinander kombiniert, die einen Winkel von 120 Grad bilden.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Ansteuerung eines Wechselrichters
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Ansteuerung eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Wechselrichteranordnung, welche mittels
Raumzeigermodulation angesteuert wird.
Stand der Technik
Für die Ansteuerung von Drehstrommaschinen sind unterschiedliche
Ansteuerungsverfahren bekannt. Unter anderem wird das Verfahren der
Raumzeigermodulation zur Ansteuerung von Drehstrommaschinen eingesetzt. Bei diesem Ansteuerungsverfahren wird ein Raumzeiger durch
aufeinanderfolgende Einstellungen von mehreren Grundspannungszeigern gebildet. Um die gewünschten Strangspannungen bereitzustellen, werden die Grundspannungszeiger pulsweitenmoduliert geschaltet, so dass eine
entsprechende Ansteuerspannung generiert wird.
In der Druckschrift EP 2 297 845 AI wird offenbart, einen von zwei spannungsfrei schaltenden Grundspannungszeigern in bestimmten
Pulsweitenmodulationsperioden entfallen zu lassen. Hierdurch sollen
Schaltverluste in den Leistungshalbleiterschaltern verringern werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Wechselrichters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine
Wechselrichteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Wechselrichters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Wechselrichters mittels
Raumzeigermodulation. Die Vorrichtung ist dazu ausgelegt, an dem
Wechselrichter mittels Raumzeigermodulation vorbestimmte Schaltzustände einzustellen. Die vorbestimmten Schaltzustände umfassen sechs
Basisraumzeiger, von denen jeweils zwei benachbarte Basisraumzeiger einen Winkel von 60 Grad bilden. Die Vorrichtung ist ferner dazu ausgelegt, den Wechselrichter durch eine Kombination von zwei Basisraumzeigern anzusteuern, wobei die beiden kombinierten Basisraumzeiger einen Winkel von 120 Grad bilden.
Weiterhin ist vorgesehen:
Eine Wechselrichteranordnung mit einem Wechselrichter und einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung des Wechselrichters. Der Wechselrichter umfasst mehrere Schaltelemente. Insbesondere ist der
Wechselrichter dazu ausgelegt, eine mehrphasige Wechselspannung
bereitzustellen.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Ansteuerung eines Wechselrichters mittels
Raumzeigermodulation. Gemäß dem Verfahren werden an dem Wechselrichter mittels Raumzeigermodulation vorbestimmte Schaltzustände eingestellt. Die vorbestimmten Schaltzustände umfassen sechs Basisraumzeiger, von denen jeweils zwei benachbarte Basisraumzeiger einen Winkel von 60 Grad bilden. Ferner wird gemäß dem Verfahren der Wechselrichter durch eine Kombination von zwei Basisraumzeigern angesteuert, wobei die zwei kombinierten
Basisraumzeiger einen Winkel von 120 Grad bilden.
Vorteile der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer konventionellen Ansteuerung eines Wechselrichters, insbesondere bei einer Ansteuerung mittels Raumzeigermodulation, Betriebszustände auftreten können, in denen mindestens ein Schaltelement des Wechselrichters entlastet werden sollte. Eine solche Entlastung eines Schaltelements in einem Wechselrichter kann beispielsweise durch eine ungleichmäßige Erwärmung der Schaltelemente begründet sein. In diesem Falle würde die maximale Ausgangsleistung des Wechselrichters durch das sich am Stärksten erwärmende Schaltelement begrenzt werden. Durch die Entlastung eines solchen sich übermäßig stark erwärmenden Schaltelements kann folglich eine Steigerung der maximalen Ausgangsleistung erzielt werden. Darüber hinaus sind auch noch weitere Gründe für die Entlastung von Schaltelementen in einem Wechselrichter möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Ansteuerung für die Schaltelemente eines
Wechselrichters vorzusehen, bei der gezielt mindestens eines der
Schaltelemente des Wechselrichters entlastet werden kann. Hierzu ist es die Idee der vorliegenden Erfindung, während einer Ansteuerung des
Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation gezielt solche
Raumzeigervektoren zu vermeiden, bei denen ein vorgegebenes Schaltelement des Wechselrichters angesteuert wird. Dabei wird ein durch den Wechselrichter einzustellender Spannungsvektor durch Kombination von alternativen
Raumzeigervektoren gebildet.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Auswahl von Raumzeigervektoren ist es möglich, gezielt eine Ansteuerung mindestens eines Schaltelements einer Wechselrichteranordnung zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Diese verringerte Ansteuerung eines vorgegebenen Schaltelements in einer
Wechselrichteranordnung führt unter anderem dazu, dass an diesem
Schaltelement auch eine geringere Verlustleistung umgesetzt wird. Hierdurch wird sich das vorgegebene Schaltelement auch in einem geringeren Maße erwärmen. Auf diese Weise kann beispielsweise gezielt eine gleichmäßigere Erwärmung aller Schaltelemente in einem Wechselrichter erreicht werden. Eine solche gleichmäßigere Erwärmung der Schaltelemente in dem Wechselrichter ermöglicht es, den Wechselrichter über einen längeren Zeitraum mit einer höheren maximalen Ausgangsleistung zu betreiben.
Darüber hinaus ist es auch möglich, durch die erfindungsgemäße Kombination von Raumzeigervektoren den Wechselrichter auch dann in einem
Notfallbetriebsmodus weiterzubetreiben, selbst wenn eines oder gegebenenfalls auch mehrere der Schaltelemente des Wechselrichters einen Fehler aufweisen und daher nicht oder nur eingeschränkt angesteuert werden können. Hierdurch kann die Verfügbarkeit des Wechselrichters gesteigert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die vorbestimmten Schaltzustände, auf die der Wechselrichter eingestellt werden kann, mindestens einen
Nullspannungsraumzeiger. Die vorbestimmten Schaltzustände können insbesondere einen oder zwei Nullspannungsraumzeiger umfassen. Die
Vorrichtung zur Ansteuerung des Wechselrichters kann in diesem Fall dazu ausgelegt sein, den Wechselrichter durch Kombination des mindestens einen Nullspannungsraumzeigers sowie den zwei Basisraumzeigern anzusteuern, wobei die zwei Basisraumzeiger einen Winkel von 120 Grad bilden. Durch die Kombination der Basisraumzeiger mit einem Nullspannungsraumzeiger kann die Länge des einzustellenden Spannungsraumzeigers und somit die Amplitude der durch den Wechselrichter auszugebenden Spannung beliebig zwischen 0 und einem Maximalwert eingestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Ansteuerung des
Wechselrichters dazu ausgelegt, den Wechselrichter in einem ersten
Betriebsmodus durch Kombination von zwei Basisraumzeigern anzusteuern, wobei die zwei zu kombinierenden Basisraumzeiger in dem ersten
Betriebsmodus einen Winkel von 120 Grad bilden. Ferner ist die Vorrichtung zur Ansteuerung des Wechselrichters dazu ausgelegt, den Wechselrichter in einem zweiten Betriebsmodus durch Kombination von zwei Basisraumzeigern anzusteuern, die einen Winkel von 60 Grad bilden. Eine Ansteuerung des Wechselrichters durch Kombination von Basisraumzeigern, die einen Winkel von 60 Grad bilden, entspricht hierbei einer konventionellen Ansteuerung des Wechselrichters, während die Ansteuerung des Wechselrichters durch
Kombination von Basisraumzeigern, die einen Winkel von 120 Grad bilden, einer alternativen Ansteuerung des Wechselrichters entspricht. Durch diese alternative Ansteuerung des Wechselrichters können gezielt Schaltelemente des
Wechselrichters entlastet werden. Durch die Auswahl einer Ansteuerung des Wechselrichters aus mindestens zwei Betriebsmodi kann die Ansteuerung des Wechselrichters auf die jeweiligen Betriebsbedingungen des Wechselrichters optimal angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, den Wechselrichter solange auf konventionelle Weise anzusteuern, solange in dem Wechselrichter keine kritischen Verhältnisse auftreten. Bei Erreichen eines kritischen Zustands in dem Wechselrichter oder gegebenenfalls auch bei Überschreiten eines Schwellwertes, der zum Beispiel einen solchen kritischen Zustand ankündigt, kann daraufhin in den alternativen Betriebsmodus gewechselt werden, indem der Wechselrichter durch Kombination von Basisraumzeigern angesteuert wird, die einen Winkel von 120 Grad bilden. Auf diese Weise kann die Funktionsfähigkeit des Wechselrichters über einen erweiterten Betriebsbereich aufrechterhalten werden. Insbesondere kann beispielsweise eine Leistungsbegrenzung aufgrund einer Temperaturerhöhung vermieden oder zumindest hinausgezögert werden. Darüber hinaus kann gegebenenfalls auch ein Betrieb, insbesondere ein
Notbetrieb aufrechterhalten werden, falls ein Schaltelement des Wechselrichters beschädigt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Ansteuerung des
Wechselrichters dazu ausgelegt, den ersten Betriebsmodus oder den zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von einem Messwert des Wechselrichters einzustellen. Hierzu kann an dem Wechselrichter beispielsweise ein
entsprechender Sensor zur Erfassung eines Messwertes vorgesehen sein.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, einen Wert, basierend auf dem ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus einzustellen, basierend auf einem Rechenmodell abzuleiten oder basierend auf weiteren Messwerten zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Messwert eine Temperatur eines Schaltelements des Wechselrichters, einen elektrischen Strom durch den Wechselrichter, eine Kühlmitteltemperatur des Wechselrichters und/oder eine Fehlermeldung über ein Schaltelement des Wechselrichters. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere Messwerte oder auch modellbasierte Werte des Wechselrichters möglich, auf deren Grundlage ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus erfolgen kann.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den
Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer Wechselrichteranordnung
gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung zur Illustration der
Raumzeigervektoren, wie sie einer Raumzeigermodulation gemäß einer Ausführungsform zugrundeliegen; Figur 3: eine schematische Darstellung zur Bildung eines Spannungsvektors für die Ansteuerung eines Wechselrichters in einem Betriebsmodus gemäß einer Ausführungsform; und eine schematische Darstellung zur Bildung eines Spannungsvektors mittels Raumzeigermodulation gemäß einer Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen, soweit nicht anders angegeben, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wechselrichteranordnung gemäß einer Ausführungsform. Die Wechselrichteranordnung umfasst einen Wechselrichter 1 und eine Vorrichtung 2 zur Ansteuerung des Wechselrichters 1. Der Wechselrichter 1 wird eingangsseitig von einer Gleichspannungsquelle 4 gespeist. Ausgangsseitig ist der Wechselrichter 1 mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine 3 verbunden. In dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel umfasst die elektrische Maschine 3 drei elektrische Phasen.
Eingangsseitig kann an dem Wechselrichter 1 zwischen den Eingängen des Wechselrichters 1 eine Kapazität Cl vorgesehen sein. Der Wechselrichter 1 umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sechs Schaltelemente Ml bis M6. Bei den Schaltelementen Ml bis M6 kann es sich beispielsweise um Halbleiterschaltelemente wie bipolare Transistoren mit einem isolierten
Gateanschluss (IGBT) oder um MOSFET oder um beliebige weitere geeignete Halbleiterschaltelemente handeln. Für jede Phase der elektrischen Maschine 3 umfasst der Wechselrichter 1 jeweils ein oberes Schaltelement Ml, M3, M5 und ein unteres Schaltelement M2, M4 und M6. Die Schaltelemente Ml bis M6 des Wechselrichters 1 werden von einer Vorrichtung 2 zur Ansteuerung des
Wechselrichters 1 angesteuert. Hierbei werden Schaltelemente Ml bis M6 des Wechselrichters 1 gezielt geöffnet und geschlossen, um an der elektrischen Maschine 3 Phasenspannungen mit einem vorgegebenen Verlauf einzustellen und so die elektrische Maschine 3 mit den entsprechenden Phasenströmen zu bestromen. Hierbei erfolgt eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung der
Schaltelemente Ml bis M6 des Wechselrichters 1, wobei die Ansteuersignale für die Schaltelemente Ml bis M6 des Wechselrichters 1 in der Vorrichtung 2 zur Ansteuerung des Wechselrichters 1 mittels Raumzeigermodulation erzeugt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Raumzeiger, wie sie einer Raumzeigermodulation gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen. Für die Raumzeigermodulation stehen hierbei insgesamt acht Raumzeiger ZO bis Z7 zur Verfügung. Jeder dieser Raumzeiger repräsentiert einen Schaltzustand für die Schaltelemente Ml bis M6 des Wechselrichters 1. Die Schaltzustände der Schaltelemente Ml bis M6 und die hierzu korrespondierenden Raumzeiger ZO bis Z7 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt, wobei„+" geöffnet und„-" geschlossen bezeichnet.
Figure imgf000009_0001
Tabelle 1: Schaltzustände eines B6-Wechselrichters
Die Raumzeiger umfassen unter anderem zwei sogenannte
Nullspannungsraumzeiger ZO und Z7. Bei dem ersten Nullspannungsraumzeiger ZO sind hierbei die drei oberen Schaltelemente Ml, M3 und M5 geöffnet, während die unteren drei Schaltelemente M2, M4 und M6 geschlossen sind. Bei dem zweiten Nullspannungsraumzeiger Z7 sind die oberen drei Schaltelemente Ml, M3 und M5 geschlossen und die unteren drei Schaltelemente M2, M4 und M6 geöffnet. In beiden Fällen liegt an allen drei Ausgangsanschlüssen des Wechselrichters 1 die gleiche Spannung an, so dass sich zwischen den
Ausgangsanschlüsse keine Spannungsdifferenz einstellt.
Darüber hinaus können in dem Wechselrichter 1 sechs Basisraumzeiger ZI bis Z6 eingestellt werden, wie sie in der oben dargestellten Tabelle 1 ausgeführt sind. Auf diese Weise können sechs Basisraumzeiger ZI bis Z6 eingestellt werden, wobei jeweils zwei benachbarte Basisraumzeiger einen Winkel von 60 Grad bilden. So wird beispielsweise zwischen dem ersten Basisraumzeiger ZI und dem zweiten Basisraumzeiger Z2 ein Winkel von 60 Grad aufgespannt. In gleicher Weise bilden auch beispielsweise der zweite Basisraumzeiger Z2 und der dritte Basisraumzeiger Z3 ebenfalls einen Winkel von 60 Grad. Gleiches gilt für die Kombination des dritten Basisraumzeigers Z3 und den vierten
Basisraumzeiger Z4, für den vierten Basisraumzeiger Z4 und den fünften Basisraumzeiger Z5, für den fünften Basisraumzeiger Z5 und den sechsten Basisraumzeiger Z6, sowie für den sechsten Basisraumzeiger Z6 und den ersten Basisraumzeiger ZI. Die sechs Basisraumzeiger ZI bis Z6 bilden somit ein Sechseck mit sechs
Sektoren I bis VI.
In Figur 3 ist die Erzeugung eines vorgegebenen Spannungsraumzeigers Zsoll in einem ersten Betriebsmodus dargestellt. Hierbei wird der zu erzeugende
Spannungsraumzeiger Zsoll aus den Basisraumzeigern ZI und Z2 gebildet, welche den Sektor I gemäß Figur 2 umschließen, in dem sich der zu bildende Spannungsraumzeiger Zsoll befindet. Diese beiden Spannungsraumzeiger ZI und Z2 bilden zusammen einen Winkel von 60 Grad. Weiterhin können zur Bildung des gewünschten Spannungsraumzeigers Zsoll noch ein oder gegebenenfalls auch beide Nullspannungsraumzeiger Z0 sowie Z7
herangezogen werden. Wie hierbei zu erkennen ist, kann der zu bildende Spannungsraumzeiger Zsoll durch einen ersten Spannungsraumzeiger Tl in Richtung des ersten Basisraumzeigers ZI und einen zweiten
Spannungsraumzeiger T2 in Richtung des zweiten Basisraumzeigers Z2 gebildet werden. Die Länge der beiden Spannungsraumzeiger Tl und T2 sind dabei jeweils proportional zu den Schaltzeiten, in denen der Wechselrichter 1 in einem zu dem jeweiligen Basisraumzeiger ZI, Z2 korrespondierenden Schaltzustand geschaltet wird. Die Summe der Einschaltzeiten für den ersten Raumzeigervektor ZI, den zweiten Raumzeigervektor Z2 sowie den oder die
Nullspannungsraumzeiger Z0, Z7 entspricht dabei einer Periodendauer der
Pulsbreitenmodulation für die Ansteuerung des Wechselrichters 1. Durch
Variation der Einschaltzeiten kann somit ein beliebiger Spannungsraumzeiger innerhalb des ersten Sektors I gebildet werden. Diese Art der Ansteuerung des Wechselrichters 1 mittels Raumzeigermodulation entspricht im Wesentlichen einer konventionellen Raumzeigermodulation.
Figur 4 zeigt eine Darstellung zur Ansteuerung eines Wechselrichters 1 mittels Raumzeigermodulation in einem weiteren Betriebsmodus gemäß einer
Ausführungsform. Hierbei wird ein zu bildender Spannungsraumzeiger Zsoll nicht durch Kombination von zwei benachbarten Basisraumzeigern ZI bis Z6 gebildet, die zusammen einen Winkel von 60 Grad bilden. Im Gegensatz zu der
Raumzeigermodulation des ersten Betriebsmodus gemäß Figur 3 werden in dem hier dargestellten Betriebsmodus zwei Basisraumzeiger ZI und Z3 kombiniert, die zusammen einen Winkel von 120 Grad bilden. Die Wahl des ersten
Basisraumzeigers ZI und des dritten Basisraumzeigers Z3 in dem hier dargestellten Beispiel dient nur dem besseren Verständnis. Darüber hinaus können selbstverständlich ebenso weitere Basisraumzeiger ZI und Z6 miteinander kombiniert werden, die zusammen einen Winkel von 120 Grad bilden. Beispielsweise können auch der zweite und der vierte Basisraumzeiger Z2 und Z4, der dritte und der fünfte Basisraumzeiger Z3, Z5, der vierte und der sechste Basisraumzeiger Z4, Z6, der fünfte und der erste Basisraumzeiger Z5, ZI sowie der sechste und der zweite Basisraumzeiger Z6, Z2 miteinander kombiniert werden. Durch die Kombination eines ersten Spannungsraumzeigers Tl* in Richtung des ersten Basisraumzeigers ZI und einem weiteren Spannungsraumzeiger T3* in Richtung des dritten Basisraumzeigers Z3 ist es hierbei ebenso möglich, einen Spannungsraumzeiger Zsoll zu generieren, der dem Spannungsraumzeiger Zsoll in dem zuvor im Zusammenhang mit Figur 3 beschriebenen Betriebsmodus entspricht. Auch hier korrespondieren die Längen der jeweiligen
Spannungsraumzeiger Tl* und T3* zu den jeweiligen Einschaltzeitdauern der Schaltzustände der entsprechenden Basisraumzeiger ZI und Z3 in einer pulsbreitenmodulierten Ansteuerung des Wechselrichters 1.
Da der zu bildende Spannungsraumzeiger Zsoll in dem weiteren Betriebsmodus anstelle des zweiten Spannungsraumzeigers Z2 nun der dritte
Spannungsraumzeiger Z3 für die Bildung des Spannungsraumzeigers Zsoll verwendet wird, werden in dem Wechselrichter 1 auch folglich andere
Schaltelemente Ml bis M6 angesteuert. In dem konkreten Fall wird hier anstelle des oberen Schaltelements Ml das untere Schaltelement M2 angesteuert. Auf diese Weise kann das obere Schaltelement Ml entlastet werden. Da das obere Schaltelement Ml in dem weiteren Betriebsmodus nicht angesteuert wird, treten hier auch keine Leitverluste an diesen Schaltelemente Ml auf. Somit kann die Erwärmung eines Schaltelements Ml bis M6, insbesondere hier des ersten Schaltelements Ml, verringert werden. Darüber hinaus kann ein vorgegebenes Schaltelement Ml bis M6 auch aus weiteren Gründen, beispielsweise aufgrund einer weiter vorangeschrittenen Alterung, eines Ungleichgewichts im
Kühlmittelkreislauf oder gegebenenfalls aufgrund einer detektierten
Beschädigung eines Schaltelements Ml bis M6, deaktiviert werden.
Entsprechend kann die Entscheidung, ob ein einzustellender
Spannungsraumzeiger Zsoll basierend auf einer Raumzeigermodulation in dem ersten Betriebsmodus mit Basisraumzeigern, die einen Winkel von 60 Grad bilden, oder einer Raumzeigermodulation in einem weiteren Betriebsmodus mit Basisraumzeigern Ml bis M6, die einen Winkel von 120 Grad bilden, ausgeführt wird, basierend auf entsprechenden gemessenen oder berechneten
Betriebsparametern des Wechselrichters 1 getroffen werden. Beispielsweise können die Temperaturen an den Schaltelementen Ml bis M6 überwacht werden. Wird dabei festgestellt, dass eine Temperatur an einem der
Schaltelemente Ml bis M6 einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, so kann gezielt die Wahl des Betriebsmodus für die Raumzeigermodulation derart angepasst werden, dass ein solches Schaltelement Ml bis M6 nicht oder nur weniger häufig angesteuert wird. Durch die Verringerung der Ansteuerung eines solchen Schaltelements Ml bis M6 treten folglich weniger Schaltverluste auf, was zu einem geringeren Anstieg der Temperatur oder gegebenenfalls sogar zu einem Temperaturabfall des entsprechenden Schaltelements Ml bis M6 führen kann. Darüber hinaus ist es auch möglich, gegebenenfalls einen Kühlmittelfluss eines Kühlmediums für den Wechselrichter 1 zu überwachen und gegebenenfalls bei Störungen in dem Kühlmittelfluss gezielt eines oder mehrere der
Schaltelemente Ml bis M6 weniger häufig anzusteuern und hierfür in den zuvor beschriebenen weiteren Betriebsmodus zu wechseln, in welchem
Basisraumzeiger gewählt werden, die einen Winkel von 120 Grad bilden.
Ferner ist es auch möglich, gegebenenfalls eine weiter vorangeschrittene Alterung eines oder mehrerer der Schaltelemente Ml bis M6 zu detektieren oder gegebenenfalls auch bei einer Beschädigung eines der Schaltelemente Ml bis M6 den Betriebsmodus derart zu wählen, dass das entsprechende Schaltelement Ml bis M6 nicht angesteuert wird. Durch das Ansteuern des Wechselrichters 1 in dem zuvor beschriebenen weiteren Betriebsmodus mit Basisraumzeigern ZI bis Z6, welche einen Winkel von 120 Grad aufspannen, kann somit der Betrieb des Wechselrichters 1 auch dann aufrechterhalten werden, wenn eines oder gegebenenfalls auch mehrere der Schaltelemente Ml bis M6 des Wechselrichters 1 beschädigt sind oder sich gegebenenfalls übermäßig stark erwärmt haben. Somit steigt die Verfügbarkeit bzw. die von dem Wechselrichter 1 bereitgestellte maximale Ausgangsleistung. Insbesondere ist somit auch ein Notfallbetrieb bei einem beschädigten
Schaltelement Ml bis M6 möglich.
Durch die zuvor beschriebene Ansteuerung des Wechselrichters 1 mit
Basisraumzeigern, welche einen Winkel von 120 Grad aufspannen, ist gegebenenfalls eine erhöhte oder zumindest veränderte Geräuschentwicklung verbunden. Diese für einen Benutzer ungewohnte Geräuschentwicklung kann jedoch für die zuvor beschriebenen Vorteile in Kauf genommen werden. Darüber hinaus kann die veränderte Geräuschentwicklung in dem weiteren
Betriebsmodus auch bewusst hervorgerufen werden, um einem Benutzer auch ein mögliches Problem, wie zum Beispiel eine Störung, zu signalisieren. Darüber hinaus kann die Geräuschentwicklung auch gezielt dazu genutzt werden, um beispielsweise mittels eines erfindungsgemäßen Wechselrichters 1 im
Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs weitere Personen im Umfeld des Fahrzeugs auf das Fahrzeug aufmerksam zu machen. Darüber hinaus kann der zuvor beschriebene weitere Betriebsmodus selbstverständlich auch aus beliebigen weiteren Gründen eingesetzt werden.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine
Wechselrichteranordnung sowie die Ansteuerung eines Wechselrichters mittels Raumzeigermodulation. Hierbei kann ein zu bildender Spannungsraumzeiger insbesondere auch durch Kombination von nicht benachbarten Raumzeigern gebildet werden, das heißt es werden anstelle von zwei Raumzeigern, die einen Winkel von 60 Grad bilden, zwei Raumzeiger miteinander kombiniert, die einen Winkel von 120 Grad bilden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (2) zur Ansteuerung eines Wechselrichters (1) mittels
Raumzeigermodulation, die dazu ausgelegt ist: an dem Wechselrichter (1) mittels Raumzeigermodulation vorbestimmte Schaltzustände einzustellen; wobei die vorbestimmten Schaltzustände sechs Basisraumzeiger (ZI - Z6) umfassen, von denen jeweils zwei benachbarte Basisraumzeiger (ZI - Z6) einen Winkel von 60 Grad bilden; und wobei der Wechselrichter (1) durch eine Kombination von zwei
Basisraumzeigern (ZI - Z6) angesteuert wird, die einen Winkel von 120 Grad bilden.
2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmten
Schaltzustände ferner mindestens einen Nullspannungsraumzeiger (Z0, ZI) umfassen, und wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, den
Wechselrichter (1) durch den mindestens einen Nullspanungsraumzeigers (Z0, ZI) und die zwei Basisraumzeiger (ZI - Z6), die einen Winkel von 120 Grad bilden, anzusteuern.
3. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der
Wechselrichter (1) in einem ersten Betriebsmodus durch Kombination von zwei Basisraumzeigern (ZI - Z6) angesteuert wird, die einen Winkel von 120 Grad bilden, und wobei der Wechselrichter (1) in einem zweiten Betriebsmodus durch Kombination von zwei Basisraumzeigern (ZI - Z6) angesteuert wird, die einen Winkel von 60 Grad bilden. Vorrichtung (2) nach Anspruch 3, wobei der erste Betriebsmodus oder der zweite Betriebsmodus in Abhängigkeit von einem Messwert des Wechselrichters (1) eingestellt wird.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 4, wobei der Messwert eine Temperatur eines Schaltelements des Wechselrichters (1), einen elektrischen Strom durch den Wechselrichter (1), eine Kühlmitteltemperatur des
Wechselrichters (1) und/oder eine Fehlermeldung für ein Schaltelement (Ml - M6) umfasst.
Wechselrichteranordnung, mit: einem Wechselrichter (1) umfassend mehrere Schaltelemente (Ml - M6), wobei der Wechselrichter (1) dazu ausgelegt ist, eine mehrphasige Wechselspannung bereitzustellen, und einer Vorrichtung (2) zur Ansteuerung des Wechselrichters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zur Ansteuerung eines Wechselrichters (1) mittels
Raumzeigermodulation, wobei an dem Wechselrichter (1) mittels
Raumzeigermodulation vorbestimmte Schaltzustände eingestellt werden, die vorbestimmten Schaltzustände sechs Basisraumzeiger (ZI - Z6) umfassen, von denen jeweils zwei benachbarte Basisraumzeiger (ZI - Z6) einen Winkel von 60 Grad bilden, und wobei der Wechselrichter (1) durch eine Kombination von zwei Basisraumzeigern (ZI - Z6) angesteuert wird, die einen Winkel von 120 Grad bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmten Schaltzustände ferner mindestens einen Nullspannungsraumzeiger (Z0, ZI) umfassen, und der Wechselrichter (1) durch den mindestens einen
Nullspanungsraumzeigers (Z0, ZI) und zwei Basisraumzeiger( ZI - Z6) angesteuert wird, die einen Winkel von 120 Grad bilden.
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DE102014002303A1 (de) * 2013-02-20 2014-08-21 Infineon Technologies Ag PSEUDO-NULLZEIGER FÜR EINE RAUMZEIGERMODULATION SOWlE EINE VERBESSERTE RAUMZEIGERMODULATION

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