WO2021174279A1 - Maschinenumrichter und verfahren zum betrieb eines maschinenumrichters - Google Patents

Maschinenumrichter und verfahren zum betrieb eines maschinenumrichters Download PDF

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Erwin Reisinger
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    • H02M1/0043—Converters switched with a phase shift, i.e. interleaved

Definitions

  • the invention relates to a machine converter and a method for operating a machine converter.
  • Inverters for operating electrical machines are known from the prior art.
  • these are designed as switched inverters with semiconductor bridge circuits that use a modulation method, for example pulse width modulation (PWM), to simulate a sinusoidal alternating voltage from short high-frequency pulses (a few kHz to over 20 kHz).
  • PWM pulse width modulation
  • Such inverters are also referred to as sine wave inverters.
  • the semiconductor switches switch the DC voltage on and off at a high frequency; the mean value of the high-frequency, pulse-width-modulated switching frequency is the output alternating voltage.
  • the output alternating voltage is thus composed of small pulses of different widths; the resulting current approximates a normal network sinusoidal current curve.
  • Such switched inverters are used in particular in test stands for vehicles, since with such test stands AC voltages of variable amplitude and frequency with high power and at the same time the lowest possible ripple current are required.
  • the electrical power is made available via a DC voltage intermediate circuit, and machine converters convert the DC voltage into the AC voltage required for the respective electrical machine, for example an electric motor as the load machine of a mechanical drive train.
  • machine converters At least one half bridge per phase of the electrical machine is controlled by a PWM method via a control device.
  • a machine converter is to be made available that is compact and can be used in particular in a test bench for vehicles or as part of an electrical drive unit of a vehicle without excessively disrupting the DC voltage intermediate circuit and without loading the driven electrical machine with ripple currents .
  • a machine converter in the context of the invention is to be understood as an inverter which is used to operate an electrical machine.
  • a machine converter is for supplying an N-phase electrical machine with alternating current from a DC voltage source, for example a battery, a fuel cell or a DC voltage intermediate circuit executed.
  • a DC voltage source for example a battery, a fuel cell or a DC voltage intermediate circuit executed.
  • M electronically controllable half bridges are provided, M being greater than one.
  • M half bridges can also be provided for each phase.
  • An electronic control unit which controls the half-bridges in pulse width modulation and is designed to activate the half-bridges of at least one of the N phases with a time delay in such a way that the current in this phase is divided essentially equally between the M half-bridges assigned to the phase.
  • the electronic control unit is designed to activate the half-bridges of each of the N phases with a time offset in such a way that the current in each phase is distributed essentially equally over the M half-bridges assigned to the phase.
  • the outputs of the half bridges can be fed directly into the electrical machine, for example electrical windings in the machine can be fed directly.
  • the outputs of those M half bridges which supply the same phase are interconnected via current-compensated interleaving chokes.
  • This has the advantage that a smooth transition between the switched half bridges is possible and interference is reduced.
  • Current compensated means that the windings of the chokes run in opposite directions on a common iron core.
  • the control unit can be designed to activate the M half bridges assigned to a phase each for an identical switch- on duration t on and with a delay to each other by a period of time of essentially WM.
  • the control unit can be designed to generate a pulse-width-modulated control signal of the half bridges with a frequency which is a factor of 5 to 100, preferably a factor of 10 to 20, higher than the frequency of the desired output signal (sinusoidal signal) on the phases. For example, at a frequency of the (sine) output signal on the phase of 1 kHz, a frequency of the pulse-width-modulated control signal of approximately 5 kHz to approximately 100 kHz can be provided. When using appropriately designed semiconductor switches, an even higher frequency of the pulse-width-modulated control signal can also be provided. Due to the superposition of the control signals according to the invention, this frequency is increased even further, so that a particularly low ripple current can be achieved.
  • the number of phases N can be equal to three.
  • the number M of half bridges per phase can be two, three, four, five, six or more.
  • Each of the half bridges can comprise two controlled semiconductor switches Q1, Q 2 , preferably SiC transistors.
  • the invention also extends to a loading unit for a test stand with a machine converter according to the invention and an N-phase electrical machine.
  • separate and mutually insulated machine windings are provided in the electrical machine in at least one of the N phases M, the machine windings of this phase each being led to one of the half bridges.
  • the machine windings of this phase each being led to one of the M half bridges.
  • a separate inverter unit each with M half bridges, is provided for each of the N phases of the electrical machine.
  • a separate control unit can be provided for each of the inverter units, but a common control unit can also be provided for all inverter units.
  • the invention also extends to a method for supplying an N-phase electrical machine with alternating current from a direct voltage source, for example a battery, a fuel cell or a direct voltage intermediate circuit.
  • a direct voltage source for example a battery, a fuel cell or a direct voltage intermediate circuit.
  • electronically controllable half bridges and a control unit controlling the half bridges in pulse width modulation are provided for at least one, preferably each of the N phases of the electrical machine M.
  • the control unit activates the half-bridges of at least one, preferably each phase, with a time offset in such a way that the current in this phase is divided essentially equally between the M half-bridges assigned to the phase.
  • the control unit can use the M assigned to a phase Activate half bridges for an identical switch-on duration t on and delayed by a time offset of t on / M.
  • the control unit can be designed as an integrated electronic component, but can also comprise several separate control devices.
  • the invention also extends to the use of a method according to the invention for operating a load unit of a test stand.
  • 1a shows an embodiment of a machine converter according to the invention when controlling an electrical machine using interieaving chokes
  • FIGS. 1 b-1 c show schematic voltage and current curves when an embodiment of the method according to the invention is carried out
  • FIG. 2 shows an embodiment of a machine converter according to the invention using an electrical machine with separate windings in each of the three phases.
  • FIG. 1a shows an embodiment of a machine converter according to the invention for supplying a 3-phase electrical machine 1, namely an electric motor with the 3 windings U, V and W.
  • the machine converter converts an input DC voltage VDC from a DC voltage intermediate circuit into three phase-shifted AC voltages L. 1, L 2, L 3 to operate the electric motor.
  • the machine converter comprises a bridge rectifier with six half bridges 2, 2 2a, 2a ', 2b, 2b', one phase U, V, W of the electrical machine 1 being supplied via two half bridges.
  • the half bridges each include two electronically switchable semiconductor switches Q 1, Q 2, Q 1 ', Q 2 ', Q 1a , Q 2a , Q 1a ', Q 2a , Q 1b , Q 2b , Q 1b , Q 2b ', which are connected to an electronic control unit 3 are connected.
  • the control unit 3 is implemented as an integrated electronic component.
  • the semiconductor switches are designed as SiC switches and have a high dielectric strength.
  • the control unit 3 switches the semiconductor switches in a pulse width modulation method with a basic frequency per switch of approximately 5 kHz in order to be able to form a sinusoidal shape that is as ideal as possible for each of the phases U, V and W.
  • the frequency of the control signals of a switch is approximately 5 kHz in this exemplary embodiment.
  • the control unit 3 is designed to activate those half-bridge pairs that supply the same phase of the electric motor with a time delay in such a way that the current of this phase is divided essentially equally between the two half-bridges.
  • control unit 3 first activates the first half-bridge 2 for a certain period of time t on and, after a delay time of t on / 2, the half-bridge 2 'for an identical period of time t on .
  • This halves the power transmitted per Haib Portugal and doubles the frequency of the PWM process for each phase of the electric motor. As a result, the ripple in the output current decreases and disruptive repercussions in the DC voltage intermediate circuit are also reduced.
  • the outputs of two half bridges each, which supply the same phase, are connected together via current-compensated interior leaving chokes 4, 4 ', 4a, 4a', 4b, 4b ' .
  • Two windings running in opposite directions are provided on a common iron core for each phase. This enables the compact design of the chokes and, at the same time, particularly ripple-free operation of the bridge rectifier.
  • Fig. 1b shows schematically the time profile of the voltage V at the phase L 1 and the schematic profile of the switch-on phases for the switches Q 1 , Q 2 of the first half bridge 2 and Q 1 , Q 2 'of the second half bridge 2'.
  • This schematic diagram shows how the PWM process works for generating a sine output signal that is as precise as possible.
  • the period of the PWM The signal is marked with the symbol T, whereby the duty cycle, i.e. the duty cycle, of the PWIM signal rises and falls sinusoidally, the period duration of the sine output signal is marked with the symbol T L1 and is about 20 times higher than T,
  • the two half bridges are each activated for an identical switch-on duration t on, the second half bridge 2 'being activated with a delay compared to the first half bridge 2 by the time period t on / 2.
  • the resulting phase offset is usually less than 1 °, approximately 0.1 °.
  • the frequency of the PWM method is doubled.
  • the superposition of the partial currents L 2 and L 2 reduces the alternating current load on capacitive elements, while the switching frequency of the half bridges remains low.
  • the switching frequency of each individual half bridge is approximately 5 kHz, whereas the switching frequency of the resulting current curve is approximately 10 kHz.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of a device according to the invention.
  • a loading unit for a test stand is shown, which comprises a machine converter and a 3-phase electrical machine 1.
  • the load unit is designed to test the mechanical drive train of a vehicle. 2 further shows the flowing currents of the half bridges l 2 , l 2 , l 2a , l 2a ⁇ , l 2b , l 2b ⁇ .
  • the currents of the three phases U, V, W each flow in pairs in the same direction, so that the magnetic fields of the currents of the respective phase add up in pairs.
  • the machine converter corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 1a, with two half-bridges 2, 2 ', 2a, 2a 1 , 2b, 2b 1 being provided for each phase of the electrical machine 1, which are controlled separately via the control unit 3.
  • the electrical machine 1 is specially adapted to the machine converter and has two phases in each of its three phases U, V, W separate and mutually insulated machine windings 5, 5 ', 5a, 5a', 5b, 5b ', These machine windings are brought out via the connections U 1 , U 2 , V 2 , W 1 , W 1 , W 2 and with the outputs of the controlled Half bridges 2, 2 ', 2a, 2a', 2b, 2b 'connected. Since the machine windings for each phase are wound on a common iron core, there is no need to arrange additional interleaving chokes in this exemplary embodiment, since the machine windings take over their function.
  • each phase of the electrical machine 1 is controlled via a separate machine converter with several half bridges, in the present exemplary embodiment two half bridges each. This can be particularly advantageous in applications with very high outputs.
  • windings are brought out to separate machine converters, which are controlled via a common or separate, interconnected control units.
  • two separate machine converters can be provided for a machine with two windings on each phase, each of which supplies one of the windings on the phases.
  • a converter or machine converter according to the invention can be understood to mean any controlled electrical and / or electronic circuit which converts a direct voltage into an alternating voltage, or converts an alternating voltage into another alternating voltage.
  • Such a circuit can be, for example, but not exclusively, a direct converter, a matrix converter, an AC voltage converter, a switched bridge inverter or the like.
  • the concrete circuit implementation of the converter is not essential.
  • Converters provided according to the invention can also provide internal galvanic isolation and can be provided for high electrical powers, for example powers in the range of 100 kW with a direct voltage of 850 V or 300 kVA alternating current power.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mascbinenumrichter zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine (1) mit Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis, wobei für zumindest eine, vorzugsweise jede der N Phasen der elektrischen Maschine (1) M elektronisch steuerbare Halbbrücken (2, 2', 2a, 2a1, 2b, 2b') vorgesehen sind, wobei M größer eins ist, eine die Halbbrücken (2, 2', 2a, 2a', 2b, 2b') in Pulsweitenmodulation ansteuernde Steuerungseinheit (3) vorgesehen ist, und die Steuerungseinheit (3) dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken (2, 2', 2a, 2a1, 2b, 2b') zumindest einer, vorzugsweise jeder der N Phasen derart zeitversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom dieser Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken (2, 2', 2a, 2a', 2b, 2b1) im Wesentlichen gleich aufteilt. Die Erfindung betrifft ferner eine Belastungseinheit für eine Prüfstand mit einem derartigen Maschinenumrichter ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Maschinenumrichters und die Verwendung eines derartigen Maschinenumrichters zum Betrieb einer Belastungseinheit eines Prüfstands.

Description

Maschinenumrichter und Verfahren zum Betrieb eines Maschinenumrichters
Die Erfindung betrifft einen Maschinenumrichter sowie Verfahren zum Betrieb eines Maschinenumrichters.
Aus dem Stand der Technik sind Wechselrichter zum Betrieb von elektrischen Maschinen (Maschinenumrichter) bekannt. Zur Generierung variabler Wechseispannungen sind diese als geschaltete Wechselrichter mit Halbleiter- Brückenschaltungen ausgeführt, die durch ein Modulationsverfahren, beispielsweise Pulsweitenmodulation (PWM) eine Sinus-Wechselspannung aus kurzen Pulsen hoher Frequenz (einige kHz bis über 20 kHz) nachbilden. Derartige Wechselrichter werden auch als Sinus-Wechselrichter bezeichnet. Die Halbleiterschalter schalten die Gleichspannung mit hoher Frequenz ein und aus; der Mittelwert der hochfrequenten, pulsweitenmodulierten Schaltfrequenz ist die Ausgangs-Wechselspannung. Die Ausgangs-Wechselspannung setzt sich somit aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammen; der resultierende Strom nähert so einen netzüblichen sinusförmigen Stromverlauf an.
Derartige geschaltete Wechselrichter finden insbesondere bei Prüfständen für Fahrzeuge Anwendung, da bei derartigen Prüfständen Wechselspannungen variabler Amplitude und Frequenz mit hoher Leistung und gleichzeitig möglichst niedrigem Rippelstrom benötigt werden. In Prüfständen aus dem Stand der Technik wird die elektrische Leistung über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis zur Verfügung gestellt, und Mascbinenumrichter wandeln die Gleichspannung in die für die jeweilige elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor als Belastungsmaschinen eines mechanischen Antriebsstrangs, benötigte Wechselspannung um. In derartigen IVIaschinenumrichtern wird zumindest eine Halbbrücke je Phase der elektrischen Maschine durch ein PWM~Verfahren über eine Steuereinrichtung angesteuert.
Eine Problematik herkömmlicher Prüfstände besteht jedoch darin, dass die Maschinenumrichter aufgrund der hohen erforderlichen Leistung von meist über 100 kW und der hohen Gleichspannung von meist über 500 V zu groß sind, um direkt auf der anzutreibenden elektrischen Maschine angeordnet werden zu können. Somit sind lange dreiphasige Anschlussleitungen erforderlich, was jedoch wiederum zu erhöhten elektrischen Störeinfiüssen führt. Außerdem entstehen durch die Pulsweitenmodulation der hohen Gleichspannung hochfrequente Störungen, die in den Gleichspannungs- Zwischenkreis zurückwirken und Rippelströme in der angetriebenen elektrischen Maschine bewirken. Die hohe geschaltete Gleichspannung resultiert auch in einer sehr hohen Wechselstrombelastung der eingangsseitigen Kondensatoren durch den blockförmigen Strom.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, mindestens eines dieser Probleme zu lösen.
Es soll insbesondere ein Maschinenumrichter zur Verfügung gestellt werden, der kompakt ist und insbesondere in einem Prüfstand für Fahrzeuge oder als Teil einer elektrischen Antriebseinheit eines Fahrzeuges eingesetzt werden kann, ohne den Gleichspannungs-Zwischenkreis übermäßig zu stören und ohne die angetriebene elektrische Maschine mit Rippelströmen zu belasten.
Diese und andere Aufgaben werden durch einen Maschinenumrichter und ein Verfahren zum Betrieb eines Maschinenumrichters nach den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Als Maschinenumrichter im Sinne der Erfindung ist ein Wechselrichter zu verstehen, welcher zum Betrieb einer elektrischen Maschine eingesetzt wird.
Ein erfindungsgemäßer Maschinenumrichter ist zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine mit Wechselstrom aus einer Gieichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis ausgeführt. Für zumindest eine der N Phasen der elektrischen Maschine sind M elektronisch steuerbare Halbbrücken vorgesehen, wobei M größer eins ist. Es können auch für jede Phase M Halbbrücken vorgesehen sein.
Es ist eine die Halbbrücken in Puisweitenmodulation ansteuernde elektronische Steuerungseinheit vorgesehen, die dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken zumindest einer der N Phasen derart zeitversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom in dieser Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken im Wesentlichen gleich aufteilt. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung der Schaltfrequenz des PWM-Verfahrens um den Faktor M und es kann eine glattere und störungsfreiere Nachbildung eines Sinussignals auch bei hohen Spannungen und hohen Frequenzen erreicht werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die elektronische Steuerungseinheit dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken jeder der N Phasen derart zeitversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom in jeder Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken im Wesentlichen gleich aufteiit.
Die Ausgänge der Halbbrücken können direkt in die elektrische Maschine geführt werden, beispielsweise können damit direkt elektrische Wicklungen in der Maschine gespeist werden.
Erfindungsgemäß kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ausgänge jener M Halbbrücken, welche dieselbe Phase versorgen, über stromkompensierte lnterleaving- Drosseln zusammengeschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass ein glatter Übergang zwischen den geschalteten Halbbrücken möglich ist und Störungen reduziert werden. Strom kompensiert bedeutet dabei, dass die Wicklungen der Drosseln gegensinnig auf einem gemeinsamen Eisenkern verlaufen.
Die Steuerungseinheit kann dazu ausgeführt sein, die einer Phase zugeordneten M Halbbrücken jeweils für eine identische Einscbaltdauer ton und zueinander um eine Zeitspanne von im Wesentlichen WM verzögert zu aktivieren. Mit anderen Worten, die Einschaltdauern der zugeordneten Halbbrücken sind im Wesentlichen gleich lang, nämlich gleich ton, jedoch zueinander um WM versetzt. Diese Versetzung der Einscbaltdauer der zugeordneten Halbbrücken führt zu einer zeitlichen Überlagerung der Ansteuersignale der einzelnen Halbbrücken. Beispielsweise werden bei M=2 die beiden einer Phase zugeordneten Halbbrücken in diesen Ausführungsbeispielen um etwa ton/2 verzögert aktiviert.
Dabei können selbstverständlich geringfügige Abweichungen auftreten, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, beispielsweise können auch tatsächliche Verzögerungswerte von 0,4 x ton - 0,6 x ton bei M=2 erfindungsgemäß vorgesehen sein. Bei Ausführungsbeispieien mit drei Halbbrücken je Phase, also M=3, werden die Halbbrücken jeweils um etwa ton/3 verzögert für eine Dauer von ton aktiviert, wobei wiederum eine gewisse Toleranz der Verzögerungswerte vorgesehen sein kann, beispielsweise etwa 0,2 x ton - 0,4 x ton.
Durch diese Überlagerung der Ansteuersignale einzelner Halbbrücken ergibt sich aus Sicht der angesteuerten Phase eine Erhöhung der Schaltfrequenz um den Faktor M, d.h. bei M=2 etwa eine Schaltfrequenzverdoppelung.
Die Steuereinheit kann dazu ausgeführt sein, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal der Halbbrücken mit einer Frequenz zu erzeugen, weiche um einen Faktor 5 bis 100, vorzugsweise um einen Faktor 10 bis 20, höher ist als die Frequenz des gewünschten Ausgangssignals (Sinussignals) auf den Phasen. Beispielsweise kann bei einer Frequenz des (Sinus-)Ausgangssignals auf des Phasen von 1 kHz eine Frequenz des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals von etwa 5 kHz bis etwa 100 kHz vorgesehen sein. Bei der Verwendung entsprechend ausgeführter Haibleiterschalter kann auch eine noch höhere Frequenz des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals vorgesehen sein. Durch die erfindungsgemäße Überlagerung der Ansteuersignale wird diese Frequenz noch weiter erhöht, sodass ein besonders niedriger Rippelstrom erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß kann die die Phasenzahl N gleich drei sein. Die Zahl M der Halbbrücken je Phase kann gleich zwei, drei, vier, fünf, sechs oder höher sein.
Jede der Halbbrücken kann zwei gesteuerte Haibleiterschalter Q1, Q2, vorzugsweise SiC-Transistoren umfassen. Die Erfindung erstreckt sich ferner auf eine Belastungseinheit für einen Prüfstand mit einem erfindungsgemäßen Maschinenumrichter und einer N-phasigen elektrischen Maschine.
Erfindungsgemäß sind in der elektrischen Maschine in zumindest einer der N Phasen M separate und gegeneinander isolierte Maschinenwicklungen vorgesehen, wobei die Maschinenwicklungen dieser Phase jeweils an eine der Halbbrücken geführt sind. Vorzugsweise sind in jeder der N Phasen M separate und gegeneinander isolierte Maschinenwicklungen vorgesehen, wobei die Maschinenwicklungen jeder Phase jeweils an eine der M Halbbrücken geführt sind. In diesem Fall erübrigt sich die Verwendung von Interieaving-Drosseln, da die Maschinenwicklungen selbst zu der gewünschten Überlagerung des Stromes bzw. des magnetischen Flusses in der Maschine führen.
Erfindungsgemäß kann für besonders hohe elektrische Leistungen vorgesehen sein, dass für jede der N Phasen der elektrischen Maschine eine separate Wechselrichtereinheit mit jeweils M Halbbrücken vorgesehen ist. Es kann für jede der Wechselrichtereinheiten eine separate Steuereinheit vorgesehen sein, es kann jedoch auch eine gemeinsame Steuereinheit für alle Wechselrichtereinheiten vorgesehen sein.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Verfahren zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine mit Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind für zumindest eine, vorzugsweise jede der N Phasen der elektrischen Maschine M elektronisch steuerbare Halbbrücken und eine die Halbbrücken in Pulsweitenmodulation ansteuernde Steuerungseinheit vorgesehen.
Erfindungsgemäß aktiviert die Steuerungseinheit die Halbbrücken zumindest einer, vorzugsweise jeder Phase derart zeitversetzt, dass sich der Strom in dieser Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken im Wesentlichen gleich aufteilt. Insbesondere kann die Steuerungseinheit die einer Phase zugeordneten M Halbbrücken jeweils für eine identische Einschaltdauer ton und um einen Zeitversatz von ton/M verzögert aktivieren.
Die Steuerungseinheit kann als integriertes elektronisches Bauelement ausgeführt sein, kann jedoch auch mehrere getrennte Steuergeräte umfassen.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Belastungseinheit eines Prüfstands.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen, den Figuren und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von nicht ausschließlichen Ausführungsbeispielen erläutert:
Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinenumrichters bei der Ansteuerung einer elektrischen Maschine unter Verwendung von Interieaving- Drosseln;
Fig. 1 b - 1 c zeigen schematische Spannungs- und Stromverläufe bei der Ausübung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinenumrichters unter Verwendung einer elektrischen Maschine mit getrennten Wicklungen in jeder der drei Phasen.
Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinenumrichters zur Versorgung einer 3-phasigen elektrischen Maschine 1, nämlich eines Elektromotors mit den 3 Wicklungen U, V und W. Der Maschinenumrichter wandelt eine Eingangs- Gleichspannung VDC aus einem Gieichspannungs-Zwischenkreis in drei phasenverschobene Wechselspannungen L1, L2, L3 zum Betrieb des Elektromotors um. Zu diesem Zweck umfasst der Maschinenumrichter einen Brücken-Gleichrichter mit sechs Halbbrücken 2, 2 2a, 2a‘, 2b, 2b‘, wobei jeweils eine Phase U, V, W der elektrischen Maschine 1 über zwei Halbbrücken versorgt wird. Die Halbbrücken umfassen jeweils zwei elektronisch schaitbare Halbleiterschalter Q1 , Q2, Q1‘, Q2', Q1a, Q2a, Q1a‘, Q2a , Q1b, Q2b, Q1b , Q2b‘, die mit einer elektronischen Steuereinheit 3 verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 3 als integriertes elektronisches Bauelement realisiert. Die Haibleiterschalter sind in diesem Ausführungsbeispiei als SiC-Schalter ausgefübrt und weisen eine hohe Spannungsfestigkeit auf.
Die Steuereinheit 3 schaltet die Halbleiterschalter in einem Pulsweitenmodulations- Verfahren mit einer Grundfrequenz je Schalter von etwa 5 kHz, um für jede der Phasen U, V und W eine möglichst ideale Sinusform bilden zu können. Mit anderen Worten, die Frequenz der Ansteuersignale eines Schalters beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 5 kHz.
Die Steuereinheit 3 ist dazu ausgeführt, jene Haibbrückenpaare, die dieselbe Phase des Elektromotors versorgen, derart zeitversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom dieser Phase auf die beiden Halbbrücken im Wesentlichen gleich aufteilt.
Beispielsweise aktiviert die Steuereinheit 3 zunächst die erste Halbbrücke 2 für eine bestimmte Zeitdauer ton und, nach einer Verzögerungszeit von ton/2, die Halbbrücke 2‘ für eine identische Zeitdauer ton. Dadurch wird die je Haibbrücke übertragene Leistung halbiert und die Frequenz des PWM-Verfahrens pro Phase des Elektromotors verdoppelt. Folglich sinkt der Rippel im Ausgangsstrom und auch störende Rückwirkungen in den Gleichspannungs-Zwischenkreis werden reduziert.
In diesem Ausführungsbeispiei sind die Ausgänge von je zwei Halbbrücken, welche dieselbe Phase versorgen, über stromkompensierte Interieaving-Drosseln 4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b' zusammengeschaitet. Dabei sind für jede Phase zwei gegensinnig laufende Wicklungen auf einem gemeinsamen Eisenkern vorgesehen. Dies ermöglicht die kompakte Ausführung der Drosseln und gleichzeitig einen besonders rippelfreien Betrieb des Brückengleichrichters.
Fig. 1b zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Spannung V an der Phase L1 und den schematischen Verlauf der Einschaitpuise für die Schalter Q1, Q2 der ersten Halbbrücke 2 und Q1 , Q2' der zweiten Haibbrücke 2‘. Aus diesem schematischen Diagramm ist die Funktionsweise des PWM-Verfahrens zur Generierung eines möglichst exakten Sinus-Ausgangssignais ersichtlich. Die Periodendauer des PWM- Signals ist mit dem Symbol T gekennzeichnet, wobei der Duty Cycle, also der Tastgrad, des PWIM-Signais sinusförmig steigt und fällt, wobei die Periodendauer des Sinus- Ausgangssignais mit dem Symbol TL1 bezeichnet ist und etwa 20 mal höher als T ist,
Fig, 1c zeigt das in Fig. 1b schematisch angedeutete Detail A in höherem Detailgrad, wobei die Schaltimpuise der Schalter Q2 und Q2‘ sowie der Strom h durch die erste Halbbrücke 2, der Strom h‘ durch die zweite Halbbrücke 2‘ und der gesamte Strom lges = l2 + l2‘ der Phase L1 idealisiert dargestellt sind. Die beiden Halbbrücken werden jeweils für eine identische Einschaitdauer ton aktiviert, wobei die zweite Halbbrücke 2‘ gegenüber der ersten Halbbrücke 2 um die Zeitspanne ton / 2 verzögert aktiviert wird. Bezogen auf die Periodendauer der zugeordneten Phase liegt der resultierende Phasenversatz in der Regel bei weniger als 1°, etwa bei 0,1°, Dadurch wird aus Sicht der Phase L1 eine Verdoppelung der Frequenz des PWM-Verfahrens erreicht. Durch die Überlagerung der Teilströme L2 und L2 reduziert sich die Wechselstrom belastung kapazitiver Elemente, während die Schaltfrequenz der Halbbrücken niedrig bleibt. Im gegenständlichen Ausführungsbeispiel beträgt die Schaltfrequenz jeder einzelnen Halbbrücke etwa 5 kHz, hingegen die Schaltfrequenz des resultierenden Stromverlaufs etwa 10 kHz.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Ausführungsbeispiei ist eine Beiastungseinheit für einen Prüfstand dargestelit, welche einen Maschinenumrichter und eine 3-phasige eiektrische Maschine 1 umfasst. Die Belastungseinheit ist dazu ausgeführt, den mechanischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs zu testen. Die Fig. 2 zeigt weiters die fließenden Ströme der Halbbrücken l2, l2, l2a, l2a·, l2b, l2b·. Die Ströme der drei Phasen U, V, W fließen jeweils paarweise in die gleiche Richtung, sodass sich die Magnetfelder der Ströme der jeweiligen Phase paarweise addieren.
Der Maschinenumrichter entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a, wobei wiederum je Phase der elektrischen Maschine 1 zwei separat über die Steuereinheit 3 angesteuerte Halbbrücken 2, 2‘, 2a, 2a1, 2b, 2b1 vorgesehen sind. In diesem Ausführungsbeispiei ist die elektrische Maschine 1 jedoch speziell an den Maschinenumrichter angepasst und verfügt in jeder ihrer drei Phasen U, V, W über zwei separate und gegeneinander isolierte Maschinenwickiungen 5, 5‘, 5a, 5a‘, 5b, 5b‘, Diese Maschinenwicklungen sind über die Anschlüsse U1, U2, V2, W1, W1, W2 herausgeführt und mit den Ausgängen der gesteuerten Halbbrücken 2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘ verbunden. Da die Maschinenwicklungen je Phase auf einem gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind, erübrigt sich in diesem Ausführungsbeispiel das Anordnen zusätzlicher Interleaving-Drossein, da die Maschinenwickiungen deren Funktion übernehmen.
Statt eines zentralen Maschinenumrichters kann auch vorgesehen sein, dass jede Phase der elektrischen Maschine 1 über einen separaten Maschinenumrichter mit mehreren Halbbrücken, im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils zwei Halbbrücken, angesteuert wird. Dies kann besonders bei Anwendungen mit sehr hohen Leistungen vorteilhaft sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei elektrischen Maschinen hoher Leistungen, die mehrere Wicklungen je Phase aufweisen, diese Wicklungen an jeweils separate Maschinenumrichter herausgeführt werden, die über eine gemeinsame oder separate, miteinander verbundene Steuereinheiten gesteuert werden. Beispielsweise können für eine Maschine mit zwei Wicklungen auf jeder Phase zwei separate Maschinenumrichter vorgesehen sein, die jeweils eine der Wicklungen auf den Phasen versorgen.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen und Verfahren im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche.
Hierin verwendete Begriffe wie Umrichter oder Maschinenumrichter sollen nicht zu eng ausgelegt werden. Unter einem erfindungsgemäßen Umrichter oder Maschinenumrichter kann jede gesteuerte elektrische und/oder elektronische Schaltung verstanden werden, die eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, oder eine Wechselspannung in eine andere Wechselspannung umwandelt. Bei einer derartigen Schaltung kann es sich beispielsweise, aber nicht ausschließlich, um einen Direktumrichter, einen Matrixumrichter, einen Wechselspannungswandler, einen geschalteten Brückenwechselrichter oder dergleichen handeln. Die konkrete schaitungstechnische Realisierung des Umrichters ist nicht wesentlich. Erfindungsgemäß vorgesehene Umrichter können auch eine interne galvanische Trennung vorsehen und können für hohe elektrische Leistungen vorgesehen sein, beispielsweise Leistungen im Bereich von 100 kW bei einer Gleichspannung von 850 V bzw. 300 kVA Wechselstromleistung.
Bezugszeichenliste
1 Elektrische Maschine
2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘ Halbbrücke 3 Steuerungseinheit
4, 4', 4a, 4a‘, 4b, 4b‘ Interleaving-Drossel
5, 5' 5a, 5a‘, 5b, 5b‘ Maschinenwicklungen

Claims

Patentansprüche
1. Maschinenumrichter zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine (1 ) mit Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis, dadurch gekennzeichnet, dass
- für zumindest eine, vorzugsweise jede der N Phasen der elektrischen Maschine (1) M elektronisch steuerbare Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) vorgesehen sind, wobei M größer eins ist,
- eine die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) in Pulsweitenmodulation ansteuernde Steuerungseinheit (3) vorgesehen ist,
- die Steuerungseinheit (3) dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) zumindest einer, vorzugsweise jeder der N Phasen derart zeitversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom dieser Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) im Wesentlichen gleich aufteilt.
2. Maschinenumrichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der M Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘), welche dieselbe Phase versorgen, über stromkompensierte Interleaving-Drosseln (4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘) zusammengeschaltet sind.
3. Maschinenumrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (3) dazu ausgeführt ist, die einer Phase zugeordneten M Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) jeweils für eine im Wesentlichen identische Einschaltdauer ton und zueinander um eine Zeitspanne von im Wesentlichen WM verzögert zu aktivieren.
4. Maschinenumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenzahl N gleich drei ist.
5. Maschinenumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl M der Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) je Phase gleich zwei, drei, vier, fünf, sechs oder höher ist, und/oder dass jede der Halbbrücken (2, 2‘, 2a‘, 2a‘, 2b, 2b‘) zwei gesteuerte Halbleiterschalter Q1, Q2, vorzugsweise SiC-Transistoren, umfassen.
6. Belastungseinheit für einen Prüfstand, umfassend einen Maschinenumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und eine N-phasige elektrische Maschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass
- in der elektrischen Maschine (1 ) in zumindest einer, vorzugsweise in jeder der N Phasen M separate und gegeneinander isolierte Maschinenwicklungen (5,
5‘, 5a, 5a‘, 5b, 5b‘) vorgesehen sind,
- wobei die Maschinenwicklungen (5, 5‘, 5a, 5a‘, 5b, 5b‘) dieser, vorzugsweise jeder Phase jeweils an eine der M Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) geführt sind.
7. Antriebseinheit eines Fahrzeuges, umfassend einen Maschinenumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und eine N-phasige elektrische Maschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass
- in der elektrischen Maschine (1 ) in zumindest einer, vorzugsweise in jeder der N Phasen M separate und gegeneinander isolierte Maschinenwicklungen (5,
5‘, 5a, 5a‘, 5b, 5b‘) vorgesehen sind,
- wobei die Maschinenwicklungen (5, 5‘, 5a, 5a‘, 5b, 5b‘) dieser, vorzugsweise jeder Phase jeweils an eine der M Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) geführt sind.
8. Verfahren zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine (1) mit Wechselstrom aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis, wobei für zumindest eine, vorzugsweise jede der N Phasen der elektrischen Maschine (1) M elektronisch steuerbare Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) vorgesehen sind, und eine die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) in Pulsweitenmodulation ansteuernde Steuerungseinheit (3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (3) die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) zumindest einer, vorzugsweise jeder Phase derart zeitversetzt aktiviert, dass sich der Strom dieser Phase auf die der Phase zugeordneten M Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) im Wesentlichen gleich aufteilt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (3) die M Halbbrücken einer Phase (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) jeweils für eine identische Einschaltdauer ton und zueinander um einen Zeitspanne von WM verzögert aktiviert.
10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 oder 9 zum Betrieb einer Belastungseinheit eines Prüfstands oder einer Antriebseinheit eines Fahrzeuges.
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