WO2022058100A1 - Acceleration of electrical synchronous machines with an optimized thermal budget - Google Patents

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WO2022058100A1
WO2022058100A1 PCT/EP2021/072658 EP2021072658W WO2022058100A1 WO 2022058100 A1 WO2022058100 A1 WO 2022058100A1 EP 2021072658 W EP2021072658 W EP 2021072658W WO 2022058100 A1 WO2022058100 A1 WO 2022058100A1
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synchronous machine
frequency
voltage
source
semiconductor switches
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PCT/EP2021/072658
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German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Speinle
Armin Ruf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/66Controlling or determining the temperature of the rotor
    • H02P29/662Controlling or determining the temperature of the rotor the rotor having permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to the operation of electrical synchronous machines that are supplied with an AC voltage of variable frequency via an inverter or frequency converter.
  • an AC voltage with a variable frequency is therefore required.
  • Such an AC voltage can be generated, for example, in an inverter or frequency converter from a source DC voltage or from a source AC voltage.
  • Such a power converter connects the three or more phases of its output according to a predetermined time program in alternation with the source DC voltage or with the source AC voltage, so that an at least approximately sinusoidal target AC voltage with the desired target frequency is present at its output .
  • the target AC voltage U ⁇ ,z can, in particular, be three-phase or multi-phase.
  • the synchronous machine is supplied with the target AC voltage U ⁇ ,z.
  • the arrangement of semiconductor switches is switched with a mean modulation frequency fM, which is lower than the nominal frequency fu used during steady-state operation of the synchronous machine with a constant speed.
  • Switching with a high modulation frequency fu means that the target AC voltage is closely approximated to the sinusoidal shape and accordingly fewer eddy current losses occur in the rotor. If the rotating field is sinusoidal in each phase, the rotor is in a fixed with the rotor connected reference system in a constant magnetic field, so that no eddy currents are induced. On the other hand, deviations from the sinusoidal shape, such as harmonics, affect the rotor-fixed reference system and lead to eddy currents.
  • semiconductor switches with larger semiconductors are disproportionately more expensive to manufacture in relation to the increase in current carrying capacity. This is due, among other things, to the fact that monocrystalline semiconductor material is usually only available with a specific defect density per unit area or volume. The larger the piece of semiconductor required to manufacture a semiconductor switch, the greater the likelihood that there will be a defect and the lower the yield in mass production. This is reflected in the final price of the semiconductor switch, especially when the starting material is an expensive semiconductor with a particularly wide band gap, such as silicon carbide.
  • the mean modulation frequency fM is therefore initially reduced in response to the fact that acceleration of the synchronous machine is requested. Before the temperature TR of the rotor of the synchronous machine exceeds a predetermined threshold value, the modulation frequency fM is increased again to the nominal frequency fu and the current I supplied to the synchronous machine is reduced. This means that in case of doubt the acceleration process is weakened or even stopped if the reduced modulation frequency fM can no longer be maintained.
  • a maximum period of time for which the arrangement of semiconductor switches is switched with the lower mean modulation frequency fM is determined using a model that consists of at least
  • the temperature T of the rotor can be monitored by measurement.
  • a non-contact infrared thermometer for example, can be used for this purpose.
  • the mean modulation frequency fM is only reduced in response to an acceleration of the synchronous machine being requested if the absolute difference between the requested setpoint speed ns and the current actual speed ni exceeds a predefined threshold value.
  • a predefined threshold value such a large deviation is associated with large requested currents IB.
  • smaller deviations can also be corrected with smaller currents IB, for which it is not necessary to use the rotor as a heat buffer.
  • the threshold value prevents the small deviations that occur again and again in normal operation between the target speed ns and the actual speed ni from leading to a permanent heat input into the rotor, so that the rotor can no longer keep up with its speed when greater acceleration is requested full heat capacity is available as a heat buffer.
  • the mean modulation frequency can be reduced, for example, in particular by reducing the frequency of the pulse width modulation.
  • the time program for switching is then only scaled in terms of time and otherwise remains unchanged.
  • the switching state of one phase of the arrangement can be kept constant over one period of the pulse width modulation, with the phase affected by this being changed in turn.
  • This modification of the time program causes only a slight deviation of the target AC voltage U ⁇ ,z from the sinusoidal shape, but reduces the average modulation frequency fM and thus the heat load on the semiconductor switches by a third.
  • the mean modulation frequency fM can be reduced, for example, by increasing a hysteresis and/or a time constant of the current controller.
  • the "sacrifice" to be made in the interest of not heating up the semiconductor switches too much is then not made in the form of a deviation of the target AC voltage U ⁇ ,z from the sinusoidal shape, but in the form of a somewhat reduced control quality of the current controller. This means that no additional eddy currents are generated in the rotor.
  • the mean modulation frequency fM is advantageously reduced to such an extent that the maximum junction temperature Tj in the arrangement of semiconductor switches remains below a predetermined threshold value during the acceleration process.
  • This temperature Tj can be measured directly.
  • the change in the mean modulation frequency fM can therefore be adapted dynamically. If the heat buffer provided by the rotor is not quantitatively sufficient and the junction temperature Tj approaches the critical limit, the current I supplied to the synchronous machine can be reduced in order to weaken the acceleration process or stop it altogether.
  • the method can be fully or partially computer-implemented.
  • the invention therefore also relates to a computer program with machine-readable instructions which, when executed on one or more computers, cause the computer or computers to carry out one of the methods described. In this sense, embedded systems for technical devices and control units for vehicles that are also able to execute machine-readable instructions are also to be regarded as computers.
  • the invention also relates to a machine-readable data carrier and/or a download product with the computer program.
  • a downloadable product is a digital product that can be transmitted over a data network, i.e. can be downloaded by a user of the data network and that can be offered for sale in an online shop for immediate download, for example.
  • a computer can be equipped with the computer program, with the machine-readable data carrier or with the downloadable product.
  • the method described above makes it possible to dispense with large oversizing of these semiconductor switches when generating a target AC voltage U ⁇ ,z with a variable frequency fz for an electrical synchronous machine with an arrangement of semiconductor switches.
  • the invention therefore also relates to a system with an electrical synchronous machine and an arrangement of semiconductor switches, in which this waiver is manifested.
  • the arrangement of semiconductor switches is designed in such a way that it is used for acceleration processes the current IB provided for the synchronous machine can only carry at a lower mean modulation frequency fs than the nominal frequency fu provided for stationary operation of the synchronous machine with a constant speed.
  • FIG. 1 embodiment of the method 100
  • FIG. 2 Effects of an exemplary use of the method 100
  • FIG. 3 embodiment of the system 10.
  • FIG. 1 is a schematic flowchart of an embodiment of the method 100 for operating a.
  • the arrangement la of semiconductor switches is switched with a mean modulation frequency fM, which is lower than the nominal frequency fu used during steady-state operation of the synchronous machine 2 at a constant speed.
  • step 140 the electrical synchronous machine 2 is supplied with the target AC voltage U.about.z, which has the frequency fz.
  • the mean modulation frequency fM can be reduced in response to the fact that an acceleration of the synchronous machine 2 is requested.
  • block 132 it can then be checked whether the temperature TR of the rotor of the synchronous machine 2 exceeds a predetermined threshold value. If this is the case (truth value 1), the modulation frequency fM is increased again to the nominal frequency fu according to block 133, and according to block 134 the current I supplied to the synchronous machine 2 is reduced.
  • a maximum time At for which the arrangement 1a of semiconductor switches is switched with the lower mean modulation frequency fM, can be determined using a model 3 that predicts the development of the temperature T of the rotor.
  • This temperature TR can also be measured directly according to block 132b.
  • block 135 it can be checked whether the absolute difference between the requested setpoint speed ns and the current actual speed ni exceeds a predetermined threshold value.
  • the reduction of the mean modulation frequency fM according to block 136 can then be restricted to the case where the threshold value is exceeded (truth value 1). Otherwise (truth value 0) this reduction does not take place.
  • the arrangement 1a of semiconductor switches can be operated, for example, in pulse width modulation.
  • the mean modulation frequency fM can then be reduced by reducing the frequency of the pulse width modulation.
  • the switching state of one phase of the arrangement 1a can be kept constant over a period of the pulse width modulation, with the phase affected by this being changed in turn.
  • the semiconductor switches can be controlled by a current regulator, for example, in order to regulate the current I supplied to the synchronous machine to a desired value.
  • the mean modulation frequency fM can then be reduced by increasing a hysteresis and/or a time constant of the current controller.
  • the mean modulation frequency fM can be reduced to such an extent that the maximum junction temperature Tj in the arrangement la of semiconductor switches remains below a predetermined threshold value during the acceleration process.
  • Figure 2 shows the effects of an exemplary use of the method 100 in an acceleration process of the synchronous machine 2.
  • the time t measured in seconds are the speeds n, the current I supplied to the synchronous machine 2, the modulation frequency fM of the arrangement la of semiconductor switches in the inverter or frequency converter 1 , the junction temperature Tj in the arrangement la of semiconductor switches and the temperature TR of the rotor of the synchronous machine 2 are plotted.
  • the actual speed ni reflects this request with a flatter edge.
  • the current I supplied to the synchronous machine also jumps up to an acceleration level IB. Shortly before the actual speed ni reaches the target speed ns, the current I begins to fall until it reaches the steady-state level Is and remains there.
  • the arrangement la of semiconductor switches can carry the high current IB, it is operated with a modulation frequency fM below the nominal frequency fu for the steady-state current Is during the period in which the current I is above the steady-state level Is. Therefore, during the acceleration process, the junction temperature Tj overshoots the eventual steady state far less than if the device la were operated constantly at the nominal modulation frequency fu.
  • FIG 3 shows an embodiment of the system 10 from the synchronous machine 2 and the inverter 1, which consists of a source
  • the arrangement la of semiconductor switches corresponds to an arrangement that is customary for an inverter. However, it differs from this in the dimensioning of the semiconductors used.
  • the semiconductors are dimensioned in such a way that the modulation frequency fM must be lowered below the nominal frequency fu for the stationary state when the current I supplied to the synchronous machine 2 becomes greater than the current Is provided for the stationary state.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Method (100) for operating an electrical synchronous machine (2), having the following steps: - a source DC voltage U=,Q or source AC voltage U~,Q with a source frequency fQ is provided (110); - the source DC voltage U=,Q or source AC voltage U~,Q is converted (120) into a target AC voltage U~,Z with a target frequency fZ in an inverter or frequency converter (1) by means of temporally modulated switching of an arrangement (1a) of semiconductor switches, wherein, during at least one acceleration process of the synchronous machine (2), the arrangement (1a) of semiconductor switches is switched at an average modulation frequency fM which is lower than the nominal frequency fN used during steady-state operation of the synchronous machine (2) at a constant speed. - the synchronous machine (2) is fed (140) with the target AC voltage U~,Z.

Description

Beschreibung description
Titel: Title:
Beschleunigung elektrischer Synchronmaschinen mit optimiertem Wärmebudget Accelerating synchronous electric machines with optimized heat budget
Die vorliegende Erfindung betrifft den Betrieb elektrischer Synchronmaschinen, die über einen Wechselrichter oder Frequenzumrichter mit einer Wechselspannung variabler Frequenz versorgt werden. The present invention relates to the operation of electrical synchronous machines that are supplied with an AC voltage of variable frequency via an inverter or frequency converter.
Stand der Technik State of the art
Elektrische Synchronmaschinen laufen synchron mit einem durch den Stator erzeugten Drehfeld, in dem sich der Rotor bewegt. Um die Synchronmaschine mit variabler Drehzahl betreiben zu können, wird somit eine Wechselspannung mit variabler Frequenz benötigt. Eine solche Wechselspannung kann beispielsweise in einem Wechselrichter oder Frequenzumrichter aus einer Quell- Gleichspannung, bzw. aus einer Quell-Wechselspannung, erzeugt werden. Ein derartiger Stromrichter verbindet die drei oder mehr Phasen seines Ausgangs nach einem vorgegebenen Zeitprogramm im Wechsel mit der Quell- Gleichspannung, bzw. mit der Quell-Wechselspannung, so dass an seinem Ausgang eine zumindest näherungsweise sinusförmige Ziel-Wechselspannung mit der gewünschten Ziel- Frequenz anliegt. Electrical synchronous machines run synchronously with a rotating field generated by the stator, in which the rotor moves. In order to be able to operate the synchronous machine with a variable speed, an AC voltage with a variable frequency is therefore required. Such an AC voltage can be generated, for example, in an inverter or frequency converter from a source DC voltage or from a source AC voltage. Such a power converter connects the three or more phases of its output according to a predetermined time program in alternation with the source DC voltage or with the source AC voltage, so that an at least approximately sinusoidal target AC voltage with the desired target frequency is present at its output .
Hierbei kommt es darauf an, dass das Drehfeld die Sinusform möglichst gut annähert, da Abweichungen von der Sinusform zu Wirbelstromverlusten im Rotor führen können. Um die Sinusform möglichst gut anzunähern, ist es wiederum wichtig, in dem vorgegebenen Zeitprogramm mit einer möglichst hohen Modulationsfrequenz zu schalten. Je höher die Modulationsfrequenz ist, desto geringer ist der Effekt der Diskretisierung, dass eine Phase des Ausgangs zu einem beliebigen Zeitpunkt nur entweder mit der Quell-Gleichspannung oder Quell-Wechselspannung verbunden sein kann oder eben nicht. Aus der DE 10 2018 217 051 Al ist ein Verfahren bekannt, mit dem durch Parallelbetrieb mehrerer Wechselrichter oder Frequenzumrichter eine besonders hohe Modulationsfrequenz bereitgestellt werden kann. It is important here that the rotating field approximates the sinusoidal shape as closely as possible, since deviations from the sinusoidal shape can lead to eddy current losses in the rotor. In order to approximate the sinusoidal shape as well as possible, it is again important to switch with the highest possible modulation frequency in the specified time program. The higher the modulation frequency, the less discretization effect that one phase of the output may or may not be connected to either the DC source voltage or the AC source voltage at any given time. From the DE 10 2018 217 051 A1 discloses a method with which a particularly high modulation frequency can be provided by operating several inverters or frequency converters in parallel.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Synchronmaschine entwickelt. A method for operating an electrical synchronous machine was developed as part of the invention.
Bei diesem Verfahren wird eine Quell-Gleichspannung U=,Q oder eine Quell- Wechselspannung U~,Q mit einer Quell-Frequenz fo bereitgestellt. Diese Quell- Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U~,Q wird in einem Wechselrichter oder Frequenzumrichter durch zeitlich moduliertes Schalten einer Anordnung aus Halbleiterschaltern in eine Ziel-Wechselspannung U~,z mit einer Ziel-Frequenz fz umgewandelt. Die Ziel-Wechselspannung U~,z kann insbesondere drei- oder mehrphasig sein. Durch das Schalten kann jede der Phasen der Ziel-Wechselspannung U~,z nach einem vorgegebenen Zeitprogramm im Wechsel mit den Polen der Quell-Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U~,Q verbunden werden. Die Synchronmaschine wird mit der Ziel-Wechselspannung U~,z gespeist. In this method, a direct source voltage U=,Q or an alternating source voltage U˜,Q with a source frequency fo is provided. This source DC voltage U=,Q or source AC voltage U~,Q is converted into a target AC voltage U~,z with a target frequency fz in an inverter or frequency converter by time-modulated switching of an arrangement of semiconductor switches. The target AC voltage U˜,z can, in particular, be three-phase or multi-phase. By switching, each of the phases of the target AC voltage U~,z can be connected alternately to the poles of the source DC voltage U=,Q or source AC voltage U~,Q according to a predetermined time program. The synchronous machine is supplied with the target AC voltage U~,z.
Dabei wird während mindestens eines Beschleunigungsvorgangs der Synchronmaschine die Anordnung aus Halbleiterschaltern mit einer mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet, die geringer ist als die während des stationären Betriebes der Synchronmaschine mit konstanter Drehzahl genutzte Nominalfrequenz fu. During at least one acceleration process of the synchronous machine, the arrangement of semiconductor switches is switched with a mean modulation frequency fM, which is lower than the nominal frequency fu used during steady-state operation of the synchronous machine with a constant speed.
Es wurde erkannt, dass gerade derartige Beschleunigungsvorgänge bislang auslegungsbestimmend für die Dimensionierung der verwendeten Halbleiterschalter waren. It was recognized that such acceleration processes were hitherto decisive for the dimensioning of the semiconductor switches used.
Das Schalten mit hoher Modulationsfrequenz fu führt dazu, dass die Ziel- Wechselspannung gut der Sinusform angenähert wird und dementsprechend weniger Wirbelstromverluste im Rotor entstehen. Wenn das Drehfeld in jeder Phase sinusförmig ist, befindet sich der Rotor in einem fest mit dem Rotor verbundenen Bezugssystem in einem konstanten Magnetfeld, so dass keine Wirbelströme induziert werden. Abweichungen von der Sinusform, wie beispielsweise Oberwellen, schlagen hingegen auf das rotorfeste Bezugssystem durch und führen zu Wirbelströmen. Switching with a high modulation frequency fu means that the target AC voltage is closely approximated to the sinusoidal shape and accordingly fewer eddy current losses occur in the rotor. If the rotating field is sinusoidal in each phase, the rotor is in a fixed with the rotor connected reference system in a constant magnetic field, so that no eddy currents are induced. On the other hand, deviations from the sinusoidal shape, such as harmonics, affect the rotor-fixed reference system and lead to eddy currents.
Auf der anderen Seite führen hohe Modulationsfrequenzen fu in Verbindung mit hohen Strömen zu Schaltverlusten in den Halbleiterschaltern, die wiederum zu einer Erwärmung dieser Halbleiterschalter führen. Während eines Beschleunigungsvorgangs werden besonders hohe Ströme benötigt. Beispielsweise kann der Leistungsbedarf einer Synchronmaschine, die einen elektrischen Turbokompressor antreibt und im stationären Betrieb mit konstanter Drehzahl etwa 15 kW elektrische Leistung benötigt, beim Erhöhen der Drehzahl von 20.000 1/min auf 100.000 1/min um etwa 5-6 kW in die Höhe schnellen. Die Halbleiterschalter müssen dafür ausgelegt sein, dass auch bei den hierfür nötigen hohen Strömen ihre Sperrschichttemperatur niemals den hochstzulässigen Wert überschreitet, da ansonsten irreversible Schäden an den Halbleiterschaltern drohen. Die Auslegung für höhere Ströme wiederum ist mit einer verbesserten Kühlung der Halbleiterschalter allein meistens nicht zu schaffen, sondern erfordert es auch, die Halbleiter größer zu bauen. On the other hand, high modulation frequencies fu in connection with high currents lead to switching losses in the semiconductor switches, which in turn lead to these semiconductor switches heating up. Particularly high currents are required during an acceleration process. For example, the power requirement of a synchronous machine that drives an electric turbo compressor and requires around 15 kW of electrical power in steady-state operation at a constant speed can increase by around 5-6 kW when the speed is increased from 20,000 rpm to 100,000 rpm . The semiconductor switches must be designed so that their junction temperature never exceeds the maximum permissible value, even with the high currents required for this, otherwise there is a risk of irreversible damage to the semiconductor switches. The design for higher currents, on the other hand, cannot usually be achieved with improved cooling of the semiconductor switches alone, but also requires the semiconductors to be built larger.
Halbleiterschalter mit größeren Halbleitern sind jedoch im Verhältnis zur Erhöhung der Stromfestigkeit überproportional teurer in der Herstellung. Dies liegt unter anderem darin begründet, dass einkristallines Halbleitermaterial meistens nur mit einer bestimmten Defektdichte pro Einheit Fläche oder Volumen erhältlich ist. Je größer das Stück Halbleiter ist, das für die Fertigung eines Halbleiterschalters benötigt wird, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich dort ein Defekt befindet, und desto geringer ist die Ausbeute in der Massenfertigung. Dies schlägt sich im Endpreis für den Halbleiterschalter nieder, insbesondere wenn das Ausgangsmaterial ein teurer Halbleiter mit besonders breiter Bandlücke ist, wie etwa Siliziumkarbid. However, semiconductor switches with larger semiconductors are disproportionately more expensive to manufacture in relation to the increase in current carrying capacity. This is due, among other things, to the fact that monocrystalline semiconductor material is usually only available with a specific defect density per unit area or volume. The larger the piece of semiconductor required to manufacture a semiconductor switch, the greater the likelihood that there will be a defect and the lower the yield in mass production. This is reflected in the final price of the semiconductor switch, especially when the starting material is an expensive semiconductor with a particularly wide band gap, such as silicon carbide.
Es wurde nun erkannt, dass speziell bei Synchronmaschinen für den Antrieb von Turbokompressoren die hohen Ströme für das Erhöhen der Drehzahl nur für sehr kurze Zeit benötigt werden, da diese Kompressoren sehr kompakt gebaut sind. Typischerweise wird für die besagte Beschleunigung von 20.000 1/min auf 100.000 1/min nur etwa eine Sekunde benötigt. Wenn für diese kurze Zeit nun die Modulationsfrequenz der Halbleiterschalter vermindert wird, wird in Kauf genommen, dass in dieser Zeit die Ziel-Wechselspannung U~,z Oberwellen und andere Abweichungen von der Sinusform beinhaltet und der Rotor entsprechend durch Wirbelstromverluste erwärmt wird. Der Rotor hat jedoch eine gewisse Wärmekapazität, so dass er die Erwärmung für eine kurze Zeit verträgt, bevor seine hochstzulässige Temperatur erreicht ist. Die Erwärmung kann nach dem Ende des Beschleunigungsvorgangs durch die Kühlung des Rotors wieder abgeführt werden. Zugleich wird durch die verringerte Modulationsfrequenz fM eine übermäßige Erwärmung der Halbleiterschalter trotz der hohen angeforderten Ströme für die Beschleunigung vermieden, so dass es nicht mehr erforderlich ist, die Halbleiterschalter im bisherigen Maße überzudimensionieren. It has now been recognized that, especially in the case of synchronous machines for driving turbocompressors, the high currents for increasing the speed are only required for a very short time, since these compressors have a very compact design. Typically, for said acceleration of 20,000 rpm 100,000 rpm only takes about one second. If the modulation frequency of the semiconductor switches is reduced for this short time, it is accepted that the target AC voltage U~,z contains harmonics and other deviations from the sinusoidal shape during this time and that the rotor is correspondingly heated by eddy current losses. However, the rotor has some heat capacity, so it can withstand heating for a short time before reaching its maximum allowable temperature. After the end of the acceleration process, the heat can be dissipated again by cooling the rotor. At the same time, the reduced modulation frequency fM avoids excessive heating of the semiconductor switches, despite the high currents required for acceleration, so that it is no longer necessary to oversize the semiconductor switches as was previously the case.
Sollte der Beschleunigungsvorgang länger dauern als der Rotor mit seiner Wärmekapazität die Erwärmung durch Wirbelströme abpuffern kann, sollte die erhöhte Belastung durch die Wirbelströme beendet werden. Daher wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die mittlere Modulationsfrequenz fM in Antwort darauf, dass eine Beschleunigung der Synchronmaschine angefordert wird, zunächst vermindert. Bevor die Temperatur TR des Rotors der Synchronmaschine einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird die Modulationsfrequenz fM wieder auf die Nominalfrequenz fu erhöht, und der Strom I, der der der Synchronmaschine zugeführt wird, wird vermindert. Das bedeutet, dass der Beschleunigungsvorgang im Zweifel abgeschwächt oder gar abgebrochen wird, wenn die verminderte Modulationsfrequenz fM nicht länger beibehalten werden kann. If the acceleration process lasts longer than the rotor with its heat capacity can buffer the heating caused by eddy currents, the increased stress caused by the eddy currents should be stopped. In a particularly advantageous embodiment, the mean modulation frequency fM is therefore initially reduced in response to the fact that acceleration of the synchronous machine is requested. Before the temperature TR of the rotor of the synchronous machine exceeds a predetermined threshold value, the modulation frequency fM is increased again to the nominal frequency fu and the current I supplied to the synchronous machine is reduced. This means that in case of doubt the acceleration process is weakened or even stopped if the reduced modulation frequency fM can no longer be maintained.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Halbleiterschalter nicht dafür ausgelegt sind, die während des Beschleunigungsvorgangs erhöhten Ströme auch bei einer der Nominalfrequenz entsprechenden Modulationsfrequenz zu tragen. Wenn von der durch das Verfahren geschaffenen Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, die Halbleiterschalter kleiner als bislang zu dimensionieren, dann sollte dies nicht dazu führen, dass diese Halbleiterschalter in bestimmten Situationen überhitzen. Insbesondere führt ein schnelles Aufheizen auf eine zu hohe Sperrschichttemperatur dazu, dass das Material auf Grund der thermischen Ausdehnung mechanisch stark beansprucht wird. Die durch eine solche Beanspruchung verursachten Folgen sind nicht vollständig reversibel, sondern addieren sich mit der Zeit analog einem Summationsgift, bis der Halbleiterschalter irgendwann ausfällt. This is particularly advantageous when the semiconductor switches are not designed to carry the currents that are increased during the acceleration process even at a modulation frequency that corresponds to the nominal frequency. If use is made of the possibility created by the method of dimensioning the semiconductor switches smaller than hitherto, then this should not result in these semiconductor switches overheating in certain situations. In particular, rapid heating to a junction temperature that is too high causes the material to be subject to high mechanical stress due to thermal expansion. The by such Consequences caused by stress are not completely reversible, but add up over time, analogously to a summation poison, until the semiconductor switch eventually fails.
Wie lange der Rotor eine erhöhte Erwärmung durch Wirbelströme abpuffern kann, hängt von der aktuellen Betriebssituation der Synchronmaschine ab. Daher wird in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung eine maximale Zeitdauer, für die die Anordnung aus Halbleiterschaltern mit der geringeren mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet wird, anhand eines Modells ermittelt, das mindestens aus How long the rotor can buffer increased heating caused by eddy currents depends on the current operating situation of the synchronous machine. Therefore, in a further particularly advantageous embodiment, a maximum period of time for which the arrangement of semiconductor switches is switched with the lower mean modulation frequency fM is determined using a model that consists of at least
• dem Strom-Zeit-Profil des der Synchronmaschine zugeführten Stroms I,• the current-time profile of the current I supplied to the synchronous machine,
• der Drehzahl n der Synchronmaschine und • the speed n of the synchronous machine and
• der Umgebungstemperatur die Entwicklung der Temperatur TR des Rotors vorhersagt. Diese Größen werden beim Betrieb der Synchronmaschine typischerweise ohnehin überwacht und stehen daher ohne Zusatzaufwand zur Verfügung. • the ambient temperature predicts the development of the rotor temperature TR. These variables are typically monitored anyway during operation of the synchronous machine and are therefore available without additional effort.
Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann die Temperatur T des Rotors durch Messung überwacht werden. Hierzu kann beispielsweise ein berührungsloses Infrarot-Thermometer verwendet werden. Alternatively or in combination with this, the temperature T of the rotor can be monitored by measurement. A non-contact infrared thermometer, for example, can be used for this purpose.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die mittlere Modulationsfrequenz fM in Antwort darauf, dass eine Beschleunigung der Synchronmaschine angefordert wird, nur dann vermindert, wenn die betragsmäßige Differenz zwischen der angeforderten Soll-Drehzahl ns und der aktuellen Ist-Drehzahl ni einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Eine solche große Abweichung geht mit großen angeforderten Strömen IB einher. Kleinere Abweichungen können hingegen auch mit kleineren Strömen IB ausgeregelt werden, für die es nicht erforderlich ist, den Rotor als Wärmepuffer zu nutzen. Insbesondere wird durch den Schwellwert vermieden, dass die im normalen Betrieb immer wieder auftretenden kleinen Abweichungen zwischen Soll-Drehzahl ns und Ist-Drehzahl ni zu einem permanenten Wärmeeintrag in den Rotor führen, so dass der Rotor dann bei einer angeforderten größeren Beschleunigung nicht mehr mit seiner vollen Wärmekapazität als Wärmepuffer zur Verfügung steht. Sofern die Anordnung aus Halbleiterschaltern in Pulsweitenmodulation betrieben wird, kann die mittlere Modulationsfrequenz insbesondere beispielsweise reduziert werden, indem die Frequenz der Pulsweitenmodulation reduziert wird. Das Zeitprogramm für das Schalten wird dann lediglich zeitlich skaliert und bleibt ansonsten unverändert. Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann beispielsweise der Schaltzustand jeweils einer Phase der Anordnung über eine Periode der Pulsweitenmodulation konstant gehalten werden, wobei die hiervon betroffene Phase reihum gewechselt wird. Diese Abänderung des Zeitprogramms bewirkt nur eine geringe Abweichung der Ziel-Wechselspannung U~,z von der Sinusform, vermindert jedoch die mittlere Modulationsfrequenz fM und damit die Wärmebelastung der Halbleiterschalter um ein Drittel. In a further advantageous embodiment, the mean modulation frequency fM is only reduced in response to an acceleration of the synchronous machine being requested if the absolute difference between the requested setpoint speed ns and the current actual speed ni exceeds a predefined threshold value. Such a large deviation is associated with large requested currents IB. On the other hand, smaller deviations can also be corrected with smaller currents IB, for which it is not necessary to use the rotor as a heat buffer. In particular, the threshold value prevents the small deviations that occur again and again in normal operation between the target speed ns and the actual speed ni from leading to a permanent heat input into the rotor, so that the rotor can no longer keep up with its speed when greater acceleration is requested full heat capacity is available as a heat buffer. If the arrangement of semiconductor switches is operated in pulse width modulation, the mean modulation frequency can be reduced, for example, in particular by reducing the frequency of the pulse width modulation. The time program for switching is then only scaled in terms of time and otherwise remains unchanged. Alternatively or in combination with this, for example, the switching state of one phase of the arrangement can be kept constant over one period of the pulse width modulation, with the phase affected by this being changed in turn. This modification of the time program causes only a slight deviation of the target AC voltage U~,z from the sinusoidal shape, but reduces the average modulation frequency fM and thus the heat load on the semiconductor switches by a third.
Sofern die Halbleiterschalter durch einen Stromregler angesteuert werden, um den der Synchronmaschine zugeführten Strom auf einen Sollwert zu regeln, kann die mittlere Modulationsfrequenz fM insbesondere beispielsweise reduziert werden, indem eine Hysterese und/oder eine Zeitkonstante des Stromreglers erhöht wird. Das im Interesse einer nicht zu großen Erwärmung der Halbleiterschalter zu erbringende „Opfer“ wird dann nicht in Form einer Abweichung der Ziel-Wechselspannung U~,z von der Sinusform erbracht, sondern in Form einer etwas verminderten Regelgüte des Stromreglers. Das bedeutet, dass hierbei gar keine zusätzlichen Wirbelströme im Rotor erzeugt werden. If the semiconductor switches are controlled by a current controller in order to regulate the current supplied to the synchronous machine to a desired value, the mean modulation frequency fM can be reduced, for example, by increasing a hysteresis and/or a time constant of the current controller. The "sacrifice" to be made in the interest of not heating up the semiconductor switches too much is then not made in the form of a deviation of the target AC voltage U~,z from the sinusoidal shape, but in the form of a somewhat reduced control quality of the current controller. This means that no additional eddy currents are generated in the rotor.
Wie zuvor erläutert, wird vorteilhaft die mittlere Modulationsfrequenz fM so weit vermindert, dass während des Beschleunigungsvorgangs die maximale Sperrschichttemperatur Tj in der Anordnung aus Halbleiterschaltern unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts bleibt. Diese Temperatur Tj lässt sich direkt messen. Die Änderung der mittleren Modulationsfrequenz fM lässt sich also dynamisch anpassen. Sollte der Wärmepuffer, den der Rotor zur Verfügung stellt, quantitativ nicht ausreichen und sich die Sperrschichttemperatur Tj der kritischen Grenze nähern, kann beispielsweise der Strom I, der der Synchronmaschine zugeführt wird, vermindert werden, um den Beschleunigungsvorgang abzuschwächen oder ganz abzubrechen. Das Verfahren kann insbesondere ganz oder teilweise computerimplementiert sein. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogramm mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden, den oder die Computer dazu veranlassen, eines der beschriebenen Verfahren auszuführen. In diesem Sinne sind auch Embedded-Systeme für technische Geräte sowie Steuergeräte für Fahrzeuge, die ebenfalls in der Lage sind, maschinenlesbare Anweisungen auszuführen, als Computer anzusehen. As explained above, the mean modulation frequency fM is advantageously reduced to such an extent that the maximum junction temperature Tj in the arrangement of semiconductor switches remains below a predetermined threshold value during the acceleration process. This temperature Tj can be measured directly. The change in the mean modulation frequency fM can therefore be adapted dynamically. If the heat buffer provided by the rotor is not quantitatively sufficient and the junction temperature Tj approaches the critical limit, the current I supplied to the synchronous machine can be reduced in order to weaken the acceleration process or stop it altogether. In particular, the method can be fully or partially computer-implemented. The invention therefore also relates to a computer program with machine-readable instructions which, when executed on one or more computers, cause the computer or computers to carry out one of the methods described. In this sense, embedded systems for technical devices and control units for vehicles that are also able to execute machine-readable instructions are also to be regarded as computers.
Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf einen maschinenlesbaren Datenträger und/oder auf ein Downloadprodukt mit dem Computerprogramm. Ein Downloadprodukt ist ein über ein Datennetzwerk übertragbares, d.h. von einem Benutzer des Datennetzwerks downloadbares, digitales Produkt, das beispielsweise in einem Online-Shop zum sofortigen Download feilgeboten werden kann. The invention also relates to a machine-readable data carrier and/or a download product with the computer program. A downloadable product is a digital product that can be transmitted over a data network, i.e. can be downloaded by a user of the data network and that can be offered for sale in an online shop for immediate download, for example.
Weiterhin kann ein Computer mit dem Computerprogramm, mit dem maschinenlesbaren Datenträger bzw. mit dem Downloadprodukt ausgerüstet sein. Furthermore, a computer can be equipped with the computer program, with the machine-readable data carrier or with the downloadable product.
Wie zuvor erläutert, ermöglicht das zuvor beschriebene Verfahren, bei der Erzeugung einer Ziel-Wechselspannung U~,z mit variabler Frequenz fz für eine elektrische Synchronmaschine mit einer Anordnung aus Halbleiterschaltern auf eine große Überdimensionierung dieser Halbleiterschalter zu verzichten. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf ein System mit einer elektrischen Synchronmaschine und einer Anordnung aus Halbleiterschaltern, in dem sich dieser Verzicht manifestiert. As explained above, the method described above makes it possible to dispense with large oversizing of these semiconductor switches when generating a target AC voltage U˜,z with a variable frequency fz for an electrical synchronous machine with an arrangement of semiconductor switches. The invention therefore also relates to a system with an electrical synchronous machine and an arrangement of semiconductor switches, in which this waiver is manifested.
Die Anordnung aus Halbleiterschaltern ist dazu ausgebildet, eine Quell- Gleichspannung U=,Q oder eine Quell-Wechselspannung U~,Q mit einer Quell- Frequenz fo durch zeitlich moduliertes Schalten in eine Ziel-Wechselspannung U~,z mit einer Ziel-Frequenz fz umzuwandeln, die als Versorgungsspannung zu der elektrischen Synchronmaschine geführt ist. Dabei ist die Anordnung aus Halbleiterschaltern so ausgelegt, dass sie einen für Beschleunigungsvorgänge der Synchronmaschine vorgesehenen Strom IB nur bei einer geringeren mittleren Modulationsfrequenz fs als der für den stationären Betrieb der Synchronmaschine mit konstanter Drehzahl vorgesehenen Nominalfrequenz fu tragen kann. The arrangement of semiconductor switches is designed to convert a source DC voltage U=,Q or a source AC voltage U~,Q with a source frequency fo by time-modulated switching into a target AC voltage U~,z with a target frequency fz to convert, which is performed as a supply voltage to the electrical synchronous machine. The arrangement of semiconductor switches is designed in such a way that it is used for acceleration processes the current IB provided for the synchronous machine can only carry at a lower mean modulation frequency fs than the nominal frequency fu provided for stationary operation of the synchronous machine with a constant speed.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with the aid of figures.
Ausführungsbeispiele exemplary embodiments
Es zeigt: It shows:
Figur 1 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100; FIG. 1 embodiment of the method 100;
Figur 2 Auswirkungen eines beispielhaften Einsatzes des Verfahrens 100; FIG. 2 Effects of an exemplary use of the method 100;
Figur 3 Ausführungsbeispiel des Systems 10. Figure 3 embodiment of the system 10.
Figur 1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 zum Betreiben einer . In Schritt 110 wird eine Quell- Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U~,Q mit einer Quell-Frequenz fo bereitgestellt. In Schritt 120 wird die Quell-Gleichspannung U=,Q oder Quell- Wechselspannung U~,Q in einem Wechselrichter oder Frequenzumrichter 1 durch zeitlich moduliertes Schalten einer Anordnung la aus Halbleiterschaltern in eine Ziel-Wechselspannung U~,z mit einer Ziel-Frequenz fz umgewandelt. Dabei wird in Schritt 130 während mindestens eines Beschleunigungsvorgangs der Synchronmaschine 2 die Anordnung la aus Halbleiterschaltern mit einer mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet, die geringer ist als die während des stationären Betriebes der Synchronmaschine 2 mit konstanter Drehzahl genutzte Nominalfrequenz fu. In Schritt 140 wird die elektrische Synchronmaschine 2 mit der Ziel-Wechselspannung U~.z, die die Frequenz fz hat, gespeist. Gemäß Block 131 kann die mittlere Modulationsfrequenz fM in Antwort darauf, dass eine Beschleunigung der Synchronmaschine 2 angefordert wird, vermindert werden. Gemäß Block 132 kann dann geprüft werden, ob die Temperatur TR des Rotors der Synchronmaschine 2 einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Wenn dies der Fall ist (Wahrheitswert 1), wird die Modulationsfrequenz fM gemäß Block 133 wieder auf die Nominalfrequenz fu erhöht, und gemäß Block 134 wird der der Synchronmaschine 2 zugeführte Strom I vermindert. Figure 1 is a schematic flowchart of an embodiment of the method 100 for operating a. In step 110, a direct source voltage U=,Q or an alternating source voltage U˜,Q with a source frequency fo is provided. In step 120, the source DC voltage U=,Q or source AC voltage U~,Q in an inverter or frequency converter 1 is converted into a target AC voltage U~,z with a target frequency fz by time-modulated switching of an arrangement la of semiconductor switches transformed. In step 130, during at least one acceleration process of the synchronous machine 2, the arrangement la of semiconductor switches is switched with a mean modulation frequency fM, which is lower than the nominal frequency fu used during steady-state operation of the synchronous machine 2 at a constant speed. In step 140, the electrical synchronous machine 2 is supplied with the target AC voltage U.about.z, which has the frequency fz. According to block 131, the mean modulation frequency fM can be reduced in response to the fact that an acceleration of the synchronous machine 2 is requested. According to block 132, it can then be checked whether the temperature TR of the rotor of the synchronous machine 2 exceeds a predetermined threshold value. If this is the case (truth value 1), the modulation frequency fM is increased again to the nominal frequency fu according to block 133, and according to block 134 the current I supplied to the synchronous machine 2 is reduced.
Dabei kann gemäß Block 132a eine maximale Zeitdauer At, für die die Anordnung la aus Halbleiterschaltern mit der geringeren mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet wird, anhand eines Modells 3 ermittelt werden, das die Entwicklung der Temperatur T des Rotors vorhersagt. Diese Temperatur TR kann gemäß Block 132b auch direkt gemessen werden. According to block 132a, a maximum time At, for which the arrangement 1a of semiconductor switches is switched with the lower mean modulation frequency fM, can be determined using a model 3 that predicts the development of the temperature T of the rotor. This temperature TR can also be measured directly according to block 132b.
Gemäß Block 135 kann geprüft werden, ob die betragsmäßige Differenz zwischen der angeforderten Soll-Drehzahl ns und der aktuellen Ist-Drehzahl ni einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Das Vermindern der mittleren Modulationsfrequenz fM gemäß Block 136 kann dann auf den Fall beschränkt werden, dass der Schwellwert überschritten ist (Wahrheitswert 1). Andernfalls (Wahrheitswert 0) unterbleibt dieses Vermindern. According to block 135, it can be checked whether the absolute difference between the requested setpoint speed ns and the current actual speed ni exceeds a predetermined threshold value. The reduction of the mean modulation frequency fM according to block 136 can then be restricted to the case where the threshold value is exceeded (truth value 1). Otherwise (truth value 0) this reduction does not take place.
Die Anordnung la aus Halbleiterschaltern kann gemäß Block 121 beispielsweise in Pulsweitenmodulation betrieben werden. Gemäß Block 137a kann dann die mittlere Modulationsfrequenz fM reduziert werden, indem die Frequenz der Pulsweitenmodulation reduziert wird. Alternativ oder in Kombination hierzu kann gemäß Block 137b der Schaltzustand jeweils einer Phase der Anordnung la über eine Periode der Pulsweitenmodulation konstant gehalten werden, wobei die hiervon betroffene Phase reihum gewechselt wird. According to block 121, the arrangement 1a of semiconductor switches can be operated, for example, in pulse width modulation. According to block 137a, the mean modulation frequency fM can then be reduced by reducing the frequency of the pulse width modulation. Alternatively or in combination with this, according to block 137b, the switching state of one phase of the arrangement 1a can be kept constant over a period of the pulse width modulation, with the phase affected by this being changed in turn.
Die Halbleiterschalter können beispielsweise durch einen Stromregler angesteuert werden, um den der Synchronmaschine zugeführten Strom I auf einen Sollwert zu regeln. Gemäß Block 138 kann dann die mittlere Modulationsfrequenz fM reduziert werden, indem eine Hysterese und/oder eine Zeitkonstante des Stromreglers erhöht wird. Generell kann gemäß Block 139 die die mittlere Modulationsfrequenz fM so weit vermindert werden, dass während des Beschleunigungsvorgangs die maximale Sperrschichttemperatur Tj in der Anordnung la aus Halbleiterschaltern unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts bleibt. The semiconductor switches can be controlled by a current regulator, for example, in order to regulate the current I supplied to the synchronous machine to a desired value. According to block 138, the mean modulation frequency fM can then be reduced by increasing a hysteresis and/or a time constant of the current controller. In general, according to block 139, the mean modulation frequency fM can be reduced to such an extent that the maximum junction temperature Tj in the arrangement la of semiconductor switches remains below a predetermined threshold value during the acceleration process.
Figur 2 zeigt die Auswirkungen eines beispielhaften Einsatzes des Verfahrens 100 bei einem Beschleunigungsvorgang der Synchronmaschine 2. Über der in Sekunden gemessenen Zeit t sind Drehzahlen n, der der Synchronmaschine 2 zugeführte Strom I, die Modulationsfrequenz fM der Anordnung la von Halbleiterschaltern im Wechselrichter oder Frequenzumrichter 1, die Sperrschichttemperatur Tj in der Anordnung la von Halbleiterschaltern sowie die Temperatur TR des Rotors der Synchronmaschine 2 aufgetragen. Figure 2 shows the effects of an exemplary use of the method 100 in an acceleration process of the synchronous machine 2. Above the time t measured in seconds are the speeds n, the current I supplied to the synchronous machine 2, the modulation frequency fM of the arrangement la of semiconductor switches in the inverter or frequency converter 1 , the junction temperature Tj in the arrangement la of semiconductor switches and the temperature TR of the rotor of the synchronous machine 2 are plotted.
Das Verfahren 100 geht von der Situation aus, dass die Soll-Drehzahl ns der Synchronmaschine 2 bei t=l Sekunde von 20.000 1/min auf 120.000 1/min springt. Die tatsächliche Ist-Drehzahl ni zeichnet diesen Wunsch mit einer flacheren Flanke nach. Method 100 is based on the situation in which setpoint speed ns of synchronous machine 2 jumps from 20,000 rpm to 120,000 rpm at t=1 second. The actual speed ni reflects this request with a flatter edge.
In dem Moment, in dem die Soll-Drehzahl ns hochspringt, springt auch der der Synchronmaschine zugeführte Strom I hoch auf ein Beschleunigungs-Niveau IB. Kurz bevor die Ist-Drehzahl ni die Soll-Drehzahl ns erreicht, beginnt der Strom I zu sinken, bis er das stationäre Niveau Is erreicht und dort verharrt. At the moment when the setpoint speed ns jumps up, the current I supplied to the synchronous machine also jumps up to an acceleration level IB. Shortly before the actual speed ni reaches the target speed ns, the current I begins to fall until it reaches the steady-state level Is and remains there.
Damit die Anordnung la aus Halbleiterschaltern den hohen Strom IB tragen kann, wird sie in der Zeit, in der der Strom I oberhalb des stationären Niveaus Is liegt, mit einer Modulationsfrequenz fM betrieben, die unterhalb der Nominalfrequenz fu für den stationären Strom Is liegt. Daher schießt die Sperrschichttemperatur Tj während des Beschleunigungsvorgangs weit weniger über den letztendlich erzielten stationären Zustand über als wenn die Anordnung la konstant mit der nominalen Modulationsfrequenz fu betrieben würde. So that the arrangement la of semiconductor switches can carry the high current IB, it is operated with a modulation frequency fM below the nominal frequency fu for the steady-state current Is during the period in which the current I is above the steady-state level Is. Therefore, during the acceleration process, the junction temperature Tj overshoots the eventual steady state far less than if the device la were operated constantly at the nominal modulation frequency fu.
Im Gegenzug steigt die Temperatur TR des Rotors der Synchronmaschine 2 während des Beschleunigungsvorgangs stärker an als wenn die Anordnung la konstant mit der nominalen Modulationsfrequenz fu betrieben würde. Dieser Überschuss an Temperatur TR wird jedoch nach dem Ende des Beschleunigungsvorgangs nach und nach abgebaut. In return, the temperature TR of the rotor of the synchronous machine 2 increases more during the acceleration process than if the arrangement la were operated constantly at the nominal modulation frequency fu. This However, excess temperature TR is gradually reduced after the end of the acceleration process.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Systems 10 aus der Synchronmaschine 2 und dem Wechselrichter 1, der aus einer Quell-Figure 3 shows an embodiment of the system 10 from the synchronous machine 2 and the inverter 1, which consists of a source
Gleichspannung U=,Q eine Ziel-Wechselspannung U~,z mit Ziel-Frequenz fz erzeugt. Die Anordnung la aus Halbleiterschaltern entspricht schaltungstechnisch einer für einen Inverter üblichen Anordnung. Sie unterscheidet sich hiervon jedoch durch die Dimensionierung der verwendeten Halbleiter. Die Halbleiter sind so dimensioniert, dass die Modulationsfrequenz fM unterhalb der Nominalfrequenz fu für den stationären Zustand abgesenkt werden muss, wenn der der Synchronmaschine 2 zugeführte Strom I größer wird als der für den stationären Zustand vorgesehene Strom Is. DC voltage U=,Q generates a target AC voltage U~,z with target frequency fz. In terms of circuitry, the arrangement la of semiconductor switches corresponds to an arrangement that is customary for an inverter. However, it differs from this in the dimensioning of the semiconductors used. The semiconductors are dimensioned in such a way that the modulation frequency fM must be lowered below the nominal frequency fu for the stationary state when the current I supplied to the synchronous machine 2 becomes greater than the current Is provided for the stationary state.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren (100) zum Betreiben einer elektrischen Synchronmaschine (2) mit den Schritten: 1. Method (100) for operating an electrical synchronous machine (2) with the steps:
• eine Quell-Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U~,Q mit einer Quell-Frequenz fo wird bereitgestellt (110); • a source DC voltage U=,Q or source AC voltage U˜,Q with a source frequency fo is provided (110);
• die Quell-Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U~,Q wird in einem Wechselrichter oder Frequenzumrichter (1) durch zeitlich moduliertes Schalten einer Anordnung (la) aus Halbleiterschaltern in eine Ziel-Wechselspannung U~,z mit einer Ziel-Frequenz fz umgewandelt (120), wobei während mindestens eines Beschleunigungsvorgangs der Synchronmaschine (2) die Anordnung (la) aus Halbleiterschaltern mit einer mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet wird (130), die geringer ist als die während des stationären Betriebes der Synchronmaschine (2) mit konstanter Drehzahl genutzte Nominalfrequenz fu. • the source DC voltage U=,Q or source AC voltage U~,Q is converted into a target AC voltage U~,z with a target Frequency fz converted (120), during at least one acceleration process of the synchronous machine (2), the arrangement (la) of semiconductor switches is switched (130) with a mean modulation frequency fM, which is lower than that during stationary operation of the synchronous machine (2). nominal frequency fu used at constant speed.
• die Synchronmaschine (2) wird mit der Ziel-Wechselspannung U~,z gespeist (140). • the synchronous machine (2) is supplied with the target AC voltage U~,z (140).
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei 2. The method (100) of claim 1, wherein
• die mittlere Modulationsfrequenz fM in Antwort darauf, dass eine Beschleunigung der Synchronmaschine (2) angefordert wird, vermindert wird (131) und, • the mean modulation frequency fM is reduced (131) in response to an acceleration of the synchronous machine (2) being requested and,
• bevor die Temperatur TR des Rotors der Synchronmaschine (2) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet (132), die Modulationsfrequenz fM wieder auf die Nominalfrequenz fu erhöht wird (133) und der der Synchronmaschine (2) zugeführte Strom I vermindert wird (134). • Before the temperature TR of the rotor of the synchronous machine (2) exceeds a predetermined threshold value (132), the modulation frequency fM is increased again to the nominal frequency fu (133) and the current I supplied to the synchronous machine (2) is reduced (134).
3. Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei eine maximale Zeitdauer At, für die die Anordnung (la) aus Halbleiterschaltern mit der geringeren mittleren Modulationsfrequenz fM geschaltet wird, anhand eines Modells (3) ermittelt wird (132a), das mindestens aus 3. The method (100) according to claim 2, wherein a maximum period of time At, for which the arrangement (la) of semiconductor switches with the lower average Modulation frequency fM is switched, based on a model (3) is determined (132a), which consists of at least
• dem Strom-Zeit-Profil des der Synchronmaschine (2) zugeführten Stroms I, • the current-time profile of the current I supplied to the synchronous machine (2),
• der Drehzahl n der Synchronmaschine (2) und • the speed n of the synchronous machine (2) and
• der Umgebungstemperatur die Entwicklung der Temperatur TR des Rotors vorhersagt. • the ambient temperature predicts the development of the rotor temperature TR.
4. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Temperatur T des Rotors durch Messung überwacht wird (132b). 4. The method (100) according to any one of claims 2 to 3, wherein the temperature T of the rotor is monitored by measurement (132b).
5. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die mittlere Modulationsfrequenz fM in Antwort darauf, dass eine Beschleunigung der Synchronmaschine (2) angefordert wird, nur dann vermindert wird (136), wenn die betragsmäßige Differenz zwischen der angeforderten Soll-Drehzahl ns und der aktuellen Ist-Drehzahl ni einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet (135). 5. The method (100) according to any one of claims 2 to 4, wherein the mean modulation frequency fM in response to the fact that an acceleration of the synchronous machine (2) is requested, is only reduced (136) if the absolute difference between the requested target - Speed ns and the current actual speed ni exceeds a predetermined threshold value (135).
6. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anordnung (la) aus Halbleiterschaltern in Pulsweitenmodulation betrieben wird (121) und wobei die mittlere Modulationsfrequenz fM reduziert wird, indem 6. The method (100) according to any one of claims 1 to 5, wherein the arrangement (la) is operated from semiconductor switches in pulse width modulation (121) and wherein the average modulation frequency fM is reduced by
• die Frequenz der Pulsweitenmodulation reduziert wird (137a) und/oder• the frequency of the pulse width modulation is reduced (137a) and/or
• der Schaltzustand jeweils einer Phase der Anordnung (la) über eine Periode der Pulsweitenmodulation konstant gehalten wird (137b), wobei die hiervon betroffene Phase reihum gewechselt wird. • the switching state of one phase of the arrangement (1a) is kept constant (137b) over a period of pulse width modulation, with the phase affected by this being changed in turn.
7. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Halbleiterschalter durch einen Stromregler angesteuert werden (122), um den der Synchronmaschine (2) zugeführten Strom I auf einen Sollwert zu regeln, und wobei die mittlere Modulationsfrequenz fM reduziert wird, indem eine Hysterese und/oder eine Zeitkonstante des Stromreglers erhöht wird (138). 7. The method (100) according to any one of claims 1 to 6, wherein the semiconductor switches are controlled by a current regulator (122) in order to regulate the current I supplied to the synchronous machine (2) to a desired value, and wherein the mean modulation frequency fM is reduced by increasing a hysteresis and/or a time constant of the current controller (138).
8. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mittlere Modulationsfrequenz fM so weit vermindert wird (139), dass während des Beschleunigungsvorgangs die maximale Sperrschichttemperatur Tj in der - 14 - 8. The method (100) according to any one of claims 1 to 7, wherein the average modulation frequency fM is reduced so far (139) that during the acceleration process, the maximum junction temperature Tj in the - 14 -
Anordnung (la) aus Halbleiterschaltern unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts bleibt. Arrangement (la) remains from semiconductor switches below a predetermined threshold.
9. Computerprogramm, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden, den oder die Computer veranlassen, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen. 9. Computer program containing machine-readable instructions which, when executed on one or more computers, cause the computer or computers to carry out the method (100) according to any one of claims 1 to 8.
10. Maschinenlesbarer Datenträger und/oder Downloadprodukt mit dem Computerprogramm nach Anspruch 9. 10. Machine-readable data carrier and/or download product with the computer program according to claim 9.
11. Computer mit dem Computerprogramm nach Anspruch 9, und/oder mit dem maschinenlesbaren Datenträger und/oder Downloadprodukt nach Anspruch 10. 11. Computer with the computer program according to claim 9 and/or with the machine-readable data carrier and/or downloadable product according to claim 10.
12. System (10), umfassend eine elektrische Synchronmaschine (2) sowie einen Wechselrichter oder Frequenzumrichter (1) mit einer Anordnung (la) aus Halbleiterschaltern, die dazu ausgebildet ist, eine Quell-Gleichspannung U=,Q oder Quell-Wechselspannung U~,Q mit einer Quell-Frequenz fo durch zeitlich moduliertes Schalten in eine Ziel-Wechselspannung U~,z mit einer Ziel-Frequenz fz umzuwandeln, die als Versorgungsspannung zu der elektrischen Synchronmaschine (2) geführt ist, wobei die Anordnung (la) aus Halbleiterschaltern so ausgelegt ist, dass sie einen für Beschleunigungsvorgänge der Synchronmaschine (2) vorgesehenen Strom IB nur bei einer geringeren mittleren Modulationsfrequenz fM als der für den stationären Betrieb der Synchronmaschine (2) mit konstanter Drehzahl vorgesehenen Nominalfrequenz fN tragen kann. 12. System (10), comprising an electrical synchronous machine (2) and an inverter or frequency converter (1) with an arrangement (la) of semiconductor switches, which is designed to have a source DC voltage U=, Q or source AC voltage U~ To convert Q with a source frequency fo by time-modulated switching into a target AC voltage U~,z with a target frequency fz, which is routed as supply voltage to the electrical synchronous machine (2), the arrangement (la) of semiconductor switches is designed in such a way that it can carry a current IB provided for acceleration processes of the synchronous machine (2) only at a lower mean modulation frequency fM than the nominal frequency fN provided for stationary operation of the synchronous machine (2) with a constant speed.
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