WO2024022665A1 - Maschinensystem und verfahren zum betreiben des maschinensystems - Google Patents

Maschinensystem und verfahren zum betreiben des maschinensystems Download PDF

Info

Publication number
WO2024022665A1
WO2024022665A1 PCT/EP2023/065586 EP2023065586W WO2024022665A1 WO 2024022665 A1 WO2024022665 A1 WO 2024022665A1 EP 2023065586 W EP2023065586 W EP 2023065586W WO 2024022665 A1 WO2024022665 A1 WO 2024022665A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
phase
winding
connections
subsystem
bridges
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/065586
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix BENSING
Patrick Heuser
Peter Theisinger
Johannes Riedl
Patrick Fruehauf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2024022665A1 publication Critical patent/WO2024022665A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/22—Multiple windings; Windings for more than three phases
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control specially adapted for damping motor oscillations, e.g. for reducing hunting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/18—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/18—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays
    • H02P25/188—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays wherein the motor windings are switched from series to parallel or vice versa to control speed or torque
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/028—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the motor continuing operation despite the fault condition, e.g. eliminating, compensating for or remedying the fault
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor
    • H02P3/22—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor by short-circuit or resistive braking

Definitions

  • Machine system and method for operating the machine system are Machine system and method for operating the machine system
  • the invention is based on a machine system according to the preamble of the main claim.
  • a machine system is already known from DE3227602 A1, which includes a generator as an electrical machine and several uncontrolled half-bridges of an uncontrolled full-wave rectifier circuit, the electrical machine having a stator with a stator winding, the half-bridges each having two input nodes for connection to a DC voltage source , each having two switching elements connected in series between the input nodes and each having a phase connection between the switching elements, the stator winding comprising two multi-phase winding parts with the same number of phases, in particular two three-phase winding parts, each winding part having a number of winding strands corresponding to the number of phases and one corresponding to the number of phases Number of winding connections, the winding connections of one winding part being electrically connected to phase connections of a first group of half-bridges and the winding connections of the other winding part being electrically connected to phase connections of a second group of half-bridges, each group of half-bridges having a number of half-bridges corresponding to the phase number of the respective winding part
  • the respective bridge connection can only be switched to be electrically conductive throughout in one current direction.
  • a series connection operation below a certain speed of an internal combustion engine, the two winding parts of the stator winding are connected in series with one another and correspond to a single winding with a correspondingly high number of turns.
  • a parallel connection operation above the specific speed of the internal combustion engine, the two winding parts of the stator winding are connected in parallel to one another and correspond to a single winding with a lower number of turns than in series connection operation.
  • all switching devices of the bridge connections are either opened or closed together.
  • the unregulated half bridges of the rectifier circuit only include diodes.
  • the phase currents are determined by the phase voltages induced in the stator winding.
  • the machine system comprises a phase system with several phase subsystems, the respective phase subsystem being formed by one of the half-bridge pairs, the bridge connection of the respective half-bridge pair and the two winding connections that can be connected by the respective half-bridge pair.
  • the machine system according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage over the prior art that the line losses and the switching losses in the semiconductors of the half-bridges can be reduced on average over time, which enables an increase in the phase currents and / or a thermal relief of the half-bridges.
  • an operating point-dependent Adjustment of the impedance of the electrical machine can be achieved. By reducing current ripple, losses in the electrical machine can be reduced.
  • the torque ripple of the electric machine can be reduced and the efficiency of the electric machine can be increased.
  • the half bridges of the machine system are regulated half bridges for feeding a phase current or a phase voltage into the stator winding
  • each winding strand of one of the two winding parts forms a strand pair with one of the winding strands of the other winding part, the winding strands of each strand pair being out of phase with one another by 180 degrees and
  • the respective bridge connection can be continuously switched in an electrically conductive manner in both current directions by means of the respective switching device.
  • the winding strands of each strand pair generate currents in the stator in the same direction, the contributions to the fundamental wave of which are 180 degrees out of phase with one another.
  • the bridge connection can be electrically interrupted by opening the switching device or can be continuously electrically conductive by closing the switching device.
  • the switching elements of the respective half bridge are semiconductor switches, in particular IGBT transistors or MOSFET transistors, with the respective semiconductor switch being assigned in particular a freewheeling diode as a separate component connected in parallel, or with the respective semiconductor switch intrinsically comprising the function of a freewheeling diode.
  • the current can pass through the half bridge Pulse width modulation can be regulated in interaction with an inductance, in particular the inductance of the stator.
  • the switching device of the respective bridge connection can advantageously comprise at least one semiconductor switch, which is in particular an IGBT transistor, a MOSFET transistor or a thyristor.
  • the switching device can be formed by an anti-series connection of two transistors, in particular IGBT transistors or MOSFET transistors, or by an anti-parallel connection of two thyristors, in particular by a triac.
  • the switching devices of the bridge connections are preferably switched on when high phase currents flow in order to maximally relieve the load on the half bridges. Therefore, the switching device must have a high current carrying capacity. It is not necessary for the switching devices to be able to switch quickly and efficiently, since the switching devices are only switched cyclically in a series connection operation. Since series connection operation is only used at low to medium speeds, the required switching frequency is low.
  • winding strands of each strand pair have the same voltage-holding number of turns (with respect to the fundamental wave) and/or the same conductor cross section and/or the same inductance. In this way, the power is distributed evenly across the winding parts during operation, which means they are optimally utilized and high levels of efficiency are achieved.
  • the two groups of half bridges and in particular the bridge connections including the switching devices are part of an inverter.
  • a space-saving structure can be achieved.
  • Arranging the components on a heat sink enables a cost-effective, highly integrated structure, with low interconnection effort due to the small distances between the components.
  • the control circuits can be integrated in a control device.
  • the winding strands of the respective winding part can advantageously be connected in a star connection or in a delta connection, with one pair of strands being able to be connected to one another via the respective bridge connection in the case of the star connection and two pairs of strands in the case of the delta connection.
  • the machine system includes a control device for controlling the switching elements of the half bridges and for controlling the switching devices of the bridge connections.
  • the invention further relates to a method for operating the machine system according to the invention, wherein the machine system comprises a phase system with a plurality of phase subsystems, the respective phase subsystem being formed by one of the half-bridge pairs, the bridge connection of the respective half-bridge pair and the two the respective bridge connection connectable winding connections, the machine system being operable in one of several operating states depending on one or more system operating parameters, in particular speed, torque and / or efficiency of the electrical machine and / or a fault parameter of the machine system, in particular in a series connection operation, a separate operation, an emergency operation or an active short-circuit operation.
  • the operating state can be selected, for example, using a lookup table.
  • Series connection operation is particularly suitable for low and medium speeds and separate operation for high speeds.
  • phase subsystems In series connection operation, it is provided that, depending on at least one subsystem operating parameter, one of the phase subsystems is alternately operated in a passive subsystem operation and the remaining phase subsystems are operated in an active subsystem operation.
  • the two half-bridges of the respective phase subsystem are deactivated, forming a passive phase subsystem. Furthermore, the bridge connection of the passive phase Subsystem in passive subsystem operation continuously electrically conductive through a corresponding switching position to enable an electrical current flow in both directions from one of the two winding connections via the bridge connection of the passive phase subsystem to the other of the two winding connections.
  • the two half-bridges of the respective phase subsystem are controlled to form an active phase subsystem to provide two regulated phase currents that are 180 degrees out of phase with each other, in particular the same in magnitude and shape, but different in sign. Furthermore, the bridge connection of the active phase subsystem is electrically interrupted by a corresponding switching position in active subsystem operation by means of the respective switching device.
  • the half bridges of the respective active phase subsystem are controlled in anti-phase with respect to pulse width modulation. Since the half-bridges deliver phase currents in anti-phase when active, the duty cycles to be set by the half-bridges are also in anti-phase. With an anti-phase pulse width modulation of the half-bridges (180° phase shift with respect to the PWM frequency between the centers of the switch-on periods) of a half-bridge pair, approximately anti-phase voltage curves can be achieved at the winding connections. As a result, the phase currents (displacement currents) flowing through the coupling capacitances of the winding parts, in particular to the rotor, are also in anti-phase and compensate for each other. The rotor voltages caused by capacitive coupling can be reduced, which means that leakage currents that damage the ball bearings can be avoided. Any necessary rotor grounding measures or insulating ceramic bearings can be eliminated.
  • the method according to the invention ensures that, in response to the provision of the regulated phase currents in the active phase subsystems, an indirectly regulated phase current is automatically established in the series connection of the two winding parts, which depending on its sign in one of the two directions via the bridge connection of the passive phase subsystem flows. In this way the correct one is available Phase current at the respective winding connection of the inactive phase subsystem is ready for feeding.
  • the subsystem operating parameter is the magnitude of the phase currents in the phase subsystems, with that phase subsystem being operated in passive subsystem operation whose phase currents are above a threshold value in magnitude, in particular are in a time interval of one Twelfth of the electrical period of the phase currents around a peak value of the phase currents, i.e. from one twelfth of the electrical period before the peak value to one twelfth of the electrical period after the peak value, in each case in the positive and negative current half-wave.
  • phase current is passed on from the bridge connection from one winding part to the other winding part in a time interval with maximum phase current, so that it does not have to be regulated by the half bridges of the passive phase subsystem. Since the power loss in the half-bridges is proportional to the current-time area in which they carry current, setting the passive subsystem operation in the specified interval results in the greatest possible relief of the half-bridges.
  • the two winding parts are controlled separately by interrupting all bridge connections by means of the switching devices and by controlling the half bridges of the first group and the second group to provide regulated phase currents at the winding connections of the two winding parts.
  • the supply voltage can be optimally used in separate operation to generate high power at high speeds with a reduced need for field weakening current.
  • the two winding parts Since all half bridges are deactivated in fault mode, the two winding parts have no electrical connection to a power supply.
  • the winding parts are therefore in a potential-free active short circuit (especially if the system is powered by a battery), which creates a safe condition even in the event of an insulation defect in one of the two winding parts.
  • phase currents at the winding connections of the first winding part form a first three-phase current and the phase currents at the winding connections of the second winding part form a second three-phase current, the two three-phase currents having a phase shift of 180° relative to one another.
  • the first and the second three-phase current act in the machine approximately like a three-phase current, the amplitude of which corresponds to the sum of the amplitudes of the two three-phase currents.
  • the method according to the invention ensures that the power loss in the half-bridges is reduced on average over time due to the inactive phases of the half-bridges, as a result of which they have a lower temperature with the same cooling.
  • the same maximum semiconductor temperature it is possible to increase the phase currents in the machine system.
  • the possible increase in the phase currents in the machine system in turn enables a reduction in the voltage-holding number of turns in the electrical machine with the same maximum torque, which reduces the need for field weakening current at higher speeds.
  • operating points can be reached at higher speeds that require a smaller proportion of field weakening current in the phase current, whereby a larger proportion of the phase current contributes to torque generation. This makes it possible to significantly increase the electrical power and efficiency of the electrical machine at high speeds.
  • the winding parts appear as a load with greater inductance, greater ohmic resistance and greater pole wheel voltage due to the conductive bridge connection in the passive phase subsystem, which means that the duty cycles to be set become larger. This reduces the current ripple or the current distortion factor and the torque ripple. In addition, iron losses in the electrical machine are reduced.
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of a machine system according to the invention, which includes an electrical machine according to a first exemplary embodiment, is operated in a series connection operation according to the invention and is in a state at time Y according to FIGS. 2A-2C, Fig.1 A one of the half bridges according to Fig.1,
  • FIG. 2A for the phase subsystem 21V according to FIG. 1 the course of the phase currents in the active and passive subsystem operation of the series connection operation, , 2C for the phase subsystem 21W according to FIG for each phase subsystem of the machine system operated in separate operation according to FIG. 3, the course of the phase currents at the phase connections of the respective half bridges, FIG 1 according to the invention, which is operated in an active short-circuit operation according to the invention and FIG.
  • Fig. 1 shows an equivalent circuit diagram of a machine system according to the invention, which includes an electrical machine according to a first exemplary embodiment and is operated in a series connection operation according to the invention.
  • the machine system 1 according to the invention comprises an electrical machine 2 and a plurality of half-bridges 3 arranged in an electrical circuit for controlling the electrical machine 2.
  • the electrical machine 2 has a stator with a stator winding 4.
  • Each half bridge 3 of the machine system 1 according to the invention has, according to FIG.
  • the stator winding 4 comprises two multi-phase, in particular three-phase, winding parts 4.1, 4.2 with the same number of phases, each winding part 4.1, 4.2 having a number of winding strands 14 corresponding to the number of phases and a number of winding connections 10 corresponding to the number of phases.
  • the winding strands 14 can each have parallel sub-strands.
  • the winding connections 10 of one winding part 4.1 of the stator winding 4 are electrically connected to phase connections 8 of a first group 13.1 of half-bridges 3 and the winding connections 10 of the other winding part 4.2 to phase connections 8 of a second group 13.2 of half-bridges 3.
  • the first group 13.1 of half-bridges 3 comprises a number of half-bridges 3 corresponding to the phase number of the winding part 4.1.
  • the second group 13.2 of half-bridges 3 comprises a number of half-bridges 3 corresponding to the phase number of the winding part 4.2.
  • Each winding connection 10 of each winding part 4.1, 4.2 is electrically connected to another half bridge 3 of the respective group 13.1, 13.2 of half bridges 3.
  • phase connections 8 of the first group 13.1 of half-bridges 3 can each be electrically connected via a bridge connection 11 to one of the phase connections 8 of the second group 13.2 of half-bridges 3 to form a half-bridge pair 23 for the (direct) electrical connection of two winding connections 10 of different winding parts 4.1, 4.2 the stator winding 4.
  • Switching device 12 is provided for interrupting the respective electrical bridge connection 11.
  • the half bridges 3 of the machine system 1 are regulated half bridges for feeding a phase current l u , l v , lw or a phase voltage into the stator winding 4.
  • each winding strand 14 of one of the two winding parts 4.1, 4.2 forms a strand pair 15 with one of the winding strands 14 of the other winding part 4.1, 4.2, the winding strands 14 of each strand pair 15 being out of phase with one another by 180 degrees.
  • the respective bridge connection 11 can be continuously switched in an electrically conductive manner in both current directions by means of the respective switching device 12.
  • the respective bridge connection 11 can therefore be switched into a continuously electrically conductive state for both current directions in the respective bridge connection 11.
  • the respective bridge connection 11 is either continuously electrically conductive or electrically interrupted.
  • the switching elements 7 of the respective half bridge 3 are electronic semiconductor switches, in particular IGBT transistors or MOSFET transistors.
  • a freewheeling diode 9 can be assigned to the respective semiconductor switch 7 as a separate component connected in parallel.
  • the respective semiconductor switch 7 can intrinsically comprise the function of a freewheeling diode.
  • the two groups 13.1, 13.2 of half-bridges 3 are part of an inverter 16.
  • the bridge connections 11 are also part of the inverter 16, for example.
  • the winding strands 14 of each strand pair 15 are designed in such a way that they generate a flow in the machine when energized Fundamental wave components have a phase shift of 180 degrees to each other.
  • the winding strands 14 of each strand pair 15 can be offset from one another by the angle of a stator pole.
  • the winding strands 14 of each strand pair 15 can be strands that act identically, but in which the start and end of the winding are swapped with one another. Approximately identical voltages are induced in the winding strands 14 of each strand pair 15.
  • the switching device 12 of the respective bridge connection 11 comprises, for example, at least one semiconductor switching element, in particular an IGBT transistor, a MOSFET transistor or a thyristor.
  • the winding strands 14 of each strand pair 15 can have the same voltage-holding number of turns and/or the same conductor cross section and/or the same inductance.
  • the winding strands 14 of the respective winding part 4.1, 4.2 are connected in a star connection according to the first exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 6 and in a delta connection according to a second exemplary embodiment according to FIG. 7.
  • Two specific winding connections 10 made of different winding parts 4.1, 4.2 can be electrically connected via the respective bridge connection 11, with the two specific winding connections 10 forming a connection pair of winding connections 10.
  • the connection pair of winding connections 10 in the case of a star connection, one strand pair 15 and, in the case of a delta connection, two strand pairs 15 can be connected to one another.
  • the machine system 1 additionally has a control device 17 for controlling the switching elements 7 of the half bridges 3 and for controlling the switching devices 12 of the bridge connections 11.
  • the machine system 1 includes a phase system 20 with several phase subsystems 21, for example 21u , 21v , 21w .
  • the number of phase Subsystems 21 corresponds to the number of phases of one of the winding parts 4.1, 4.2 of the stator winding 4.
  • Each phase subsystem 21 is formed by one of the half-bridge pairs 23, the bridge connection 11 of the respective half-bridge pair 23 and the two winding connections 10 of the two winding parts 4.1, 4.2 that can be (directly) connected by the respective bridge connection 11.
  • the machine system 1 can be operated in one of several operating states, in particular in a series connection operation, a separate operation, depending on one or more system operating parameters, in particular speed, torque and/or efficiency of the electrical machine 2 and/or a fault parameter of the machine system 1. emergency operation or active short-circuit operation.
  • the machine system 1 is in series-connected operation, the states of the machine system 1 in FIG. 1 being shown as an example for the time Y according to FIGS. 2A to 2C.
  • phase subsystems 21 In series connection operation, depending on at least one subsystem operating parameter, one of the phase subsystems 21 is alternately “passive” in a passive subsystem operation and the remaining phase subsystems are “active” in an active subsystem operation.
  • the two half bridges 3 of the respective phase subsystem 21 are deactivated or switched inactive to form a passive phase subsystem 21 and the bridge connection 11 of the passive phase subsystem 21 is continuously electrically conductive due to a corresponding switching position of the switching device 12 to enable an electrical current flow in both directions from one of the two winding connections 10 via the bridge connection 11 of the passive phase subsystem 21 to the other of the two winding connections 10.
  • the two half bridges 3 of the respective phase subsystem 21 are controlled to form an active phase subsystem 21 to provide two regulated phase currents l u , lv, lw, which are 180 degrees out of phase with each other, in particular the same in terms of amount and shape, but different in sign.
  • the bridge connection 11 of the active phase subsystem 21 is or is electrically interrupted by a corresponding switching position by means of the respective switching device 12.
  • FIG. 2A shows for the phase subsystem 21 according to FIG. 1 the course of the phase currents in the active and passive subsystem operation of the series connection operation over the electrical phase angle.
  • Fig.2Ab shows the course of the phase currents l v at the phase connections 8 of the two half bridges 3 of the phase subsystem 21V
  • Fig.2Ac shows the course of the phase current Ibr in the bridge connection 11 of the phase subsystem 21V and
  • Fig.2Ad shows the change of the phase subsystem 21V between the active subsystem operation “active” and the passive subsystem operation “passive” over the electrical phase angle.
  • phase subsystem 21 U shows for the phase subsystem 21 U according to FIG. 1 the course of the phase currents in the active and passive subsystem operation of the series connection operation over the electrical phase angle.
  • Fig.2Bc shows the course of the phase current Ibr in the bridge connection 11 of the phase subsystem 21 U and
  • Fig.2Bd shows the change of the phase subsystem 21 U between the active subsystem operation “active” and the passive subsystem operation “passive” over the electrical phase angle.
  • 20 shows for the phase subsystem 21W according to FIG. 1 the course of the phase currents in the active and passive subsystem operation of the series connection operation over the electrical phase angle.
  • Fig.2Cd shows the change of the phase subsystem 21 W between the active subsystem operation “active” and the passive subsystem operation “passive” over the electrical phase angle.
  • phase currents l u , k, Iw at the phase connections 8 of the half bridges 3 shows sudden changes to the value zero in the time intervals dt according to FIGS. 2Ab, 2Bb and 2Cb.
  • phase currents lu.lv, Iw at the winding connections 10 of the first winding part 4.1 form a first three-phase current at any time or in any state.
  • the phase currents at the winding connections 10 of the second winding part 4.2 form a second three-phase current at any time, the two three-phase currents at the two winding parts 4.1, 4.2 having a phase shift of 180° to one another.
  • the phase currents l u , k, Iw of each of the two three-phase currents are each 120 degrees out of phase with one another and, for example, wave-shaped or sinusoidal.
  • phase currents l u , k, Iw in response to the provision of regulated phase currents l u , k, Iw according to FIGS. 2Ab, 2Bb and 2Cb in the active phase subsystems 21, the remaining (not directly regulated by means of half-bridges 3) arises.
  • Phase current as an indirectly regulated phase current l u , l v , Iw in the series connection of the two winding parts 4.1, 4.2 automatically turns on when the bridge connection
  • phase current Ibr flows in one of the two directions via the bridge connection 11 of the passive phase subsystem 21 depending on its sign.
  • phase subsystems 21v , 21w are in active subsystem operation and the phase subsystem 21u is in passive subsystem operation.
  • the half bridges 3 are therefore actively operated, so that phase currents l v , l w are provided at the phase connections 8 of the half bridges 3.
  • the passive phase subsystem 21 u the half bridges 3 are inactive, so that no phase currents l u are provided at the phase connections 8 of the half bridges 3.
  • phase current Ibr depends on its sign in one of the two directions via the bridge connection
  • phase currents l u at the winding connections 10 of the phase subsystem 21 U therefore have a wave-shaped, for example sinusoidal, course despite the temporary deactivation of the half-bridges 3 in passive subsystem operation.
  • phase currents in the respective passive phase subsystem 21 results from the fact that Kirchhoff's first rule (sum of all phase currents equal to zero) applies to each winding part 4.1, 4.2.
  • one of the phase currents of the winding parts 4.1, 4.2 is determined by the remaining phase currents, so that one of the phase currents does not have to be actively regulated.
  • all phase subsystems 21 are sequentially switched to passive subsystem operation in a continuous sequence depending on the subsystem operating parameter.
  • the subsystem operating parameter can, for example, be the amount of the phase currents l u , k, lw in the phase subsystems 21, with that phase subsystem 21 being operated in passive subsystem operation whose phase currents l u , k, Iw are above one in magnitude Threshold value
  • the bridge connection 11 of the associated phase subsystem 21 is continuously electrically conductive in two time intervals dt, for which two switch-on and two switch-off processes are provided on the respective switching device 12, which is achieved by a suitable control can be.
  • Fig. 3 shows an equivalent circuit diagram of the machine system according to the invention according to Fig. 1, which is operated in a separate operation according to the invention.
  • the two winding parts 4.1, 4.2 are controlled separately in that all bridge connections 11 of the machine system are or are interrupted by means of the switching devices 12 and in that all half bridges 3 of the first and second groups 13.1, 13.2 are active, i.e. are controlled to provide regulated Phase currents l u , k, lw at all winding connections 10 of the two winding parts 4.1, 4.2.
  • Fig. 4 shows the course of the phase currents of all phase subsystems of the machine system operated in separate operation according to Fig. 3 over the electrical phase angle.
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of the machine system according to the invention according to FIG. 1, which is operated in an emergency mode according to the invention.
  • emergency operation only one of the two winding parts 4.1, 4.2 is energized by only controlling the half bridges 3 of the first or second group 13.1, 13.2 to provide regulated phase currents l u , k, L at the winding connections 10 of one of the two winding parts 4.1, 4.2.
  • All bridge connections 11 are interrupted by corresponding switching positions by means of the switching devices 12.
  • phase subsystems 21 are in a “semi-active” state, in which one half-bridge 3 of the half-bridge pair 23 is actively controlled, providing regulated phase current l u , l v , lw and the other half-bridge 3 is passive.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of the machine system according to the invention according to FIG. 1, which is operated in an active short-circuit operation according to the invention.
  • all half-bridges 3 of all phase subsystems 21 are passive or are deactivated.
  • all bridge connections 11 of the machine system 1 are continuously electrically conductive by means of the switching devices 12 through corresponding switching positions in order to generate an active short circuit of the electrical machine 2 through the bridge connections 11.

Landscapes

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

Abstract

Maschinensystem (1) umfassend eine elektrische Maschine (2) und mehrere Halbbrücken (3) zum Steuern der elektrischen Maschine (2), wobei die elektrische Maschine (2) eine Statorwicklung (4) aufweist, die zwei Wicklungsteile (4.1, 4.2) umfasst, wobei jeder Wicklungsteil (4.1, 4.2) Wicklungsstränge (14) und Wicklungsanschlüsse (10) aufweist, wobei die Wicklungsanschlüsse (10) des einen Wicklungsteils (4.1) mit Phasenanschlüssen (8) einer ersten Gruppe (13.1) von Halbbrücken (3) und die Wicklungsanschlüsse (10) des anderen Wicklungsteils (4.2) mit Phasenanschlüssen (8) einer zweiten Gruppe (13.2) von Halbbrücken (3) elektrisch verbunden sind, wobei die Phasenanschlüsse (8) der ersten Gruppe (13.1) von Halbbrücken (3) jeweils über eine Brückenverbindung (11) mit einem der Phasenanschlüsse (8) der zweiten Gruppe (13.2) von Halbbrücken (3) elektrisch verbindbar sind zur elektrischen Verbindung von zwei Wicklungsanschlüssen (10) von unterschiedlichen Wicklungsteilen (4.1, 4.2), wobei in der jeweiligen Brückenverbindung (11) eine schaltbare Schalteinrichtung (12) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Halbbrücken (3) des Maschinensystems (1) geregelte Halbbrücken sind, - jeder Wicklungsstrang (14) eines der beiden Wicklungsteile (4.1, 4.2) mit einem der Wicklungsstränge (14) des jeweils anderen Wicklungsteils (4.1, 4.2) ein Strangpaar (15) bildet, wobei die Wicklungsstränge (14) jedes Strangpaares (15) um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind und - die jeweilige Brückenverbindung (11) mittels der jeweiligen Schalteinrichtung (12) in beide Stromrichtungen durchgehend elektrisch leitend schaltbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Maschinensystem und Verfahren zum Betreiben des Maschinensystems
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Maschinensystem nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon ein Maschinensystem aus der DE3227602 A1 bekannt, das einen Generator als elektrische Maschine und mehrere ungeregelte Halbbrücken einer ungesteuerten Doppelweg-Gleichrichterschaltung umfasst, wobei die elektrische Maschine einen Stator mit einer Statorwicklung aufweist, wobei die Halbbrücken jeweils zwei Eingangsknoten zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle, jeweils zwei zwischen den Eingangsknoten in Reihe geschaltete Schaltelemente und zwischen den Schaltelementen jeweils einen Phasenanschluss haben, wobei die Statorwicklung zwei mehrphasige Wicklungsteile mit derselben Phasenzahl umfasst, insbesondere zwei dreiphasige Wicklungsteile, wobei jeder Wicklungsteil eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungssträngen und eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungsanschlüssen aufweist, wobei die Wicklungsanschlüsse des einen Wicklungsteils mit Phasenanschlüssen einer ersten Gruppe von Halbbrücken und die Wicklungsanschlüsse des anderen Wicklungsteils mit Phasenanschlüssen einer zweiten Gruppe von Halbbrücken elektrisch verbunden sind, wobei jede Gruppe von Halbbrücken eine der Phasenzahl des jeweiligen Wicklungsteils entsprechende Anzahl von Halbbrücken aufweist, wobei die Phasenanschlüsse der ersten Gruppe von Halbbrücken jeweils über eine Brückenverbindung mit einem der Phasenanschlüsse der zweiten Gruppe von Halbbrücken unter Bildung eines Halbbrücken-Paares elektrisch verbindbar sind zur elektrischen Verbindung von zwei Wicklungsanschlüssen von unterschiedlichen Wicklungsteilen, wobei in der jeweiligen Brückenverbindung ein Thyristor als schaltbare Schalteinrichtung zum Unterbrechen der elektrischen Brückenverbindung vorgesehen ist. Die jeweilige Brückenverbindung ist jedoch nur in eine Stromrichtung durchgehend elektrisch leitend schaltbar. In einem Reihenschaltungsbetrieb unterhalb einer bestimmten Drehzahl eines Verbrennungsmotors sind die beiden Wicklungsteile der Statorwicklung zueinander in Reihe geschaltet und entsprechen einer einzigen Wicklung mit entsprechend hoher Windungszahl. In einem Parallelschaltungsbetrieb oberhalb der bestimmten Drehzahl des Verbrennungsmotors sind die beiden Wicklungsteile der Statorwicklung zueinander parallel geschaltet und entsprechen einer einzigen Wicklung mit geringerer Windungszahl als im Reihenschaltungsbetrieb. Es werden in beiden System betrieben immer alle Schalteinrichtungen der Brückenverbindungen gemeinsam entweder geöffnet oder geschlossen. Die ungeregelten Halbbrücken der Gleichrichterschaltung umfassen nur Dioden. Die Phasenströme werden durch die generatorisch in der Statorwicklung induzierten Phasenspannungen bestimmt. Es werden sogenannte „ungleichnamige“ Verbindungen durch die Brückenverbindungen geschaffen, so dass sich eine Phasenverschiebung der Phasenstränge eines über die jeweilige Brückenverbindung verbundenen Strangpaars von 60 Grad (=180°-120°) ergibt. Die beiden Wicklungsteile der Wicklung sind als zueinander „gegenphasig“ bezeichnet, was bedeuten soll, dass die Phasen der beiden Wicklungsteile entgegengesetzte Zyklusrichtungen haben. Darunter ist zu verstehen, dass die Wicklungsstränge der Wicklungsteile nach Fig.3 der DE3227601 A1 in entgegengesetzter Drehrichtung im Stator angeordnet sind.
Das Maschinensystem umfasst ein Phasensystem mit mehreren Phasen- Untersystemen, wobei das jeweilige Phasen-Untersystem gebildet ist durch eines der Halbbrücken-Paare, die Brückenverbindung des jeweiligen Halbbrücken- Paares und die beiden durch das jeweilige Halbbrücken-Paar verbindbaren Wicklungsanschlüsse.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Maschinensystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Leitungsverluste und die Schaltverluste in den Halbleitern der Halbbrücken im zeitlichen Mittel reduzierbar sind, was eine Erhöhung der Phasenströme und/oder eine thermische Entlastung der Halbbrücken ermöglicht. Außerdem kann durch eine Reihenschaltung von Wicklungsteilen eine betriebspunktabhängige Anpassung der Impedanz der elektrischen Maschine erreicht werden. Durch Reduzierung einer Stromwelligkeit können Verluste in der elektrischen Maschine gesenkt werden. Darüber hinaus kann die Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine verringert und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht werden.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem
- nach einem ersten Erfindungsmerkmal die Halbbrücken des Maschinensystems geregelte Halbbrücken sind zum Einspeisen jeweils eines Phasenstroms bzw. einer Phasenspannung in die Statorwicklung,
- nach einem zweiten Erfindungsmerkmal jeder Wicklungsstrang eines der beiden Wicklungsteile mit einem der Wicklungsstränge des jeweils anderen Wicklungsteils ein Strangpaar bildet, wobei die Wicklungsstränge jedes Strangpaares um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind und
- nach einem dritten Erfindungsmerkmal die jeweilige Brückenverbindung mittels der jeweiligen Schalteinrichtung in beide Stromrichtungen durchgehend elektrisch leitend schaltbar ist.
Durch das zweite Erfindungsmerkmal erzeugen die Wicklungsstränge jedes Strangpaares bei gleichsinniger Bestromung im Stator Durchflutungen, deren Beiträge zur Grundwelle um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind. Nach dem dritten Erfindungsmerkmal kann die Brückenverbindung durch Öffnen der Schalteinrichtung elektrisch unterbrochen sein oder durch Schließen der Schalteinrichtung durchgehend elektrisch leitend sein.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Maschinensystems möglich.
Nach einer vorteilhaften Ausführung sind die Schaltelemente der jeweiligen Halbbrücke Halbleiterschalter, insbesondere IGBT-Transistoren oder MOSFET- Transistoren, wobei dem jeweiligen Halbleiterschalter insbesondere eine Freilaufdiode als parallel geschaltetes separates Bauelement zugeordnet ist oder wobei der jeweilige Halbleiterschalter die Funktion einer Freilaufdiode intrinsisch umfasst. Auf diese Weise kann der Strom der Halbbrücke durch Pulsweitenmodulation in Wechselwirkung mit einer Induktivitiät, insbesondere der Induktivität der Stators, geregelt werden.
Die Schalteinrichtung der jeweiligen Brückenverbindung kann vorteilhafterweise zumindest einen Halbleiterschalter umfassen, der insbesondere ein IGBT- Transistor, ein MOSFET-Transistor oder ein Thyristor ist. Nach einer vorteilhaften Ausführung kann die Schalteinrichtung gebildet sein durch eine Antireihenschaltung von zwei Transistoren, insbesondere IGBT-Transistoren oder MOSFET-Transistoren, oder durch eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren, insbesondere durch einen Triac.
Da die Schalteinrichtungen weniger oft schalten müssen als die Schaltelemente der Halbbrücken, können für die Schalteinrichtungen kostengünstige Halbleiter- Bauelemente genutzt werden, wobei höhere Schaltverluste toleriert werden können. Die Schalteinrichtungen der Brückenverbindungen werden bevorzugt eingeschaltet, wenn hohe Phasenströme fließen, um die Halbbrücken maximal zu entlasten. Daher muss die Schalteinrichtung eine hohe Stromtragfähigkeit aufweisen. Eine Fähigkeit der Schalteinrichtungen zum schnellen und effizienten Schalten ist nicht notwendig, da die Schalteinrichtungen nur in einem Reihenschaltungsbetrieb zyklisch geschaltet werden. Da der Reihenschaltungsbetrieb nur bei geringen bis mittleren Drehzahlen genutzt wird, ist die erforderliche Schaltfrequenz gering.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Wicklungsstränge jedes Strangpaares eine gleiche spannungshaltende Windungszahl (bezüglich der Grundwelle) und/oder einen gleichen Leiterquerschnitt und/oder eine gleiche Induktivität aufweisen. Auf diese Weise erfolgt im Betrieb eine gleichmäßige Verteilung der Leistung auf die Wicklungsteile, wodurch diese optimal ausgenutzt und wodurch hohe Wirkungsgrade erreicht werden.
Sehr vorteilhaft ist, wenn die beiden Gruppen von Halbbrücken und insbesondere die Brückenverbindungen inklusive der Schalteinrichtungen Teil eines Inverters sind. Auf diese Weise kann ein platzsparender Aufbau erreicht werden. Eine Anordnung der Komponenten auf einem Kühlkörper ermöglicht einen kostengünstigen hochintegrierten Aufbau, wobei durch geringe Abstände der Komponenten zueinander der Verschaltungsaufwand gering ist. Die Ansteuerschaltungen können in einem Steuergerät integriert werden. Die Wicklungsstränge des jeweiligen Wicklungsteils können vorteilhafterweise in einer Sternschaltung oder in einer Dreieckschaltung verschaltet sein, wobei über die jeweilige Brückenverbindung im Falle der Sternschaltung ein Strangpaar und im Falle der Dreieckschaltung zwei Strangpaare miteinander verbindbar sind.
Das Maschinensystem umfasst ein Steuergerät zum Ansteuern der Schaltelemente der Halbbrücken und zum Ansteuern der Schalteinrichtungen der Brückenverbindungen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Maschinensystems, wobei das Maschinensystem ein Phasensystem mit mehreren Phasen-Untersystemen umfasst, wobei das jeweilige Phasen-Untersystem gebildet ist durch eines der Halbbrücken-Paare, die Brückenverbindung des jeweiligen Halbbrücken-Paares und die beiden durch die jeweilige Brückenverbindung verbindbaren Wicklungsanschlüsse, wobei das Maschinensystem abhängig von einem oder mehreren System- Betriebsparametern, insbesondere Drehzahl, Drehmoment und/oder Wirkungsgrad der elektrischen Maschine und/oder ein Störungsparameter des Maschinensystems, in einem von mehreren Betriebszuständen betreibbar ist, insbesondere in einem Reihenschaltungsbetrieb, einem Separatbetrieb, einem Notbetrieb oder einem aktiven Kurzschlussbetrieb. Das Auswählen des Betriebszustandes kann beispielsweise mittels einer Lookup-Tabelle erfolgen. Der Reihenschaltungsbetrieb ist insbesondere für niedrige und mittlere Drehzahlen und der Separatbetrieb für hohe Drehzahlen geeignet.
Im Reihenschaltungsbetrieb ist vorgesehen, dass abhängig von zumindest einem Untersystem-Betriebsparameter abwechselnd jeweils eines der Phasen- Untersysteme in einem passiven Untersystem-Betrieb betrieben wird und die jeweils übrigen Phasen-Untersysteme in einem aktiven Untersystem-Betrieb betrieben werden.
Im passiven Untersystem-Betrieb sind die beiden Halbbrücken des jeweiligen Phasen-Untersystems deaktiviert unter Bildung eines passiven Phasen- Untersystems. Weiterhin ist die Brückenverbindung des passiven Phasen- Untersystems im passiven Untersystem-Betrieb durch eine entsprechende Schaltstellung durchgehend elektrisch leitend zum Ermöglichen eines elektrischen Stromflusses in beide Richtungen von einem der beiden Wicklungsanschlüsse über die Brückenverbindung des passiven Phasen- Untersystems zum jeweils anderen der beiden Wicklungsanschlüsse.
Im aktiven Untersystem-Betrieb werden die beiden Halbbrücken des jeweiligen Phasen-Untersystems unter Bildung eines aktiven Phasen-Untersystems angesteuert zum Bereitstellen von zwei geregelten Phasenströmen, die zueinander um 180 Grad phasenverschoben sind, insbesondere hinsichtlich Betrag und Form gleich, aber im Vorzeichen unterschiedlich sind. Weiterhin ist die Brückenverbindung des aktiven Phasen-Untersystems im aktiven Untersystem-Betrieb mittels der jeweiligen Schalteinrichtung durch eine entsprechende Schaltstellung elektrisch unterbrochen.
Besonders vorteilhaft ist wenn die Halbbrücken des jeweiligen aktiven Phasen- Untersystems bezüglich Pulsweitenmodulation gegenphasig angesteuert werden. Da die Halbbrücken im aktiven Zustand gegenphasige Phasenströme liefern, sind die von den Halbbrücken zu stellenden Einschalt-Dauern (Duty-Cycles) ebenfalls gegenphasig. Bei einer gegenphasigen Pulsweitenmodulation der Halbbrücken (180° Phasenverschiebung bezüglich PWM-Frequenz zwischen den Mitten der Einschalt-Perioden) eines Halbbrücken-Paares können somit annähernd gegenphasige Spannungsverläufe an den Wicklungsanschlüssen erreicht werden. Dadurch sind die durch die Koppelkapazitäten der Wicklungsteile fließenden Phasenströme (Verschiebungsströme) insbesondere zum Rotor ebenfalls gegenphasig und kompensieren sich. Die durch kapazitive Kopplung verursachten Spannungen des Rotors können verringert werden, wodurch Ableitströme, welche die Kugellager schädigen, vermieden werden können. Eventuell notwendige Rotor- Erdungsmaßnahmen oder isolierende Keramiklager können eingespart werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass im Ansprechen auf das Bereitstellen der geregelten Phasenströme in den aktiven Phasen- Untersystemen sich ein indirekt geregelter Phasenstrom in der Reihenschaltung der beiden Wicklungsteile selbstständig einstellt, der abhängig von seinem Vorzeichen in eine der beiden Richtungen über die Brückenverbindung des passiven Phasen-Untersystems fließt. Auf diese Weise steht jeweils der korrekte Phasenstrom am jeweiligen Wicklungsanschluss des jeweils inaktiven Phasen- Untersystems zum Einspeisen bereit.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn im Reihenschaltungsbetrieb alle Phasen- Untersysteme in einer fortlaufenden Folge abhängig von dem Untersystem- Betriebsparameter nacheinander in den passiven Untersystem-Betrieb gewechselt werden.
Auf diese Weise wird die thermische Entlastung der Halbbrücken zeitlich gleichverteilt.
Sehr vorteilhaft ist, wenn der Untersystem-Betriebsparameter der Betrag der Phasenströme in den Phasen-Untersystemen ist, wobei jeweils dasjenige Phasen-Untersystem im passiven Untersystem-Betrieb betrieben wird, dessen Phasenströme betragsmäßig über einem Schwellwert liegen, insbesondere sich in einem Zeitintervall befinden von einem Zwölftel der elektrischen Periode der Phasenströme um einen Scheitelwert der Phasenströme herum, also von einem Zwölftel der elektrischen Periode vor dem Scheitelwert bis zu einem Zwölftel der elektrischen Periode nach dem Scheitelwert, jeweils in der positiven und der negativen Strom-Halbwelle.
Auf diese Weise wird der Phasenstrom in einem Zeitintervall mit maximalem Phasenstrom von der Brückenverbindung von einem Wicklungsteil in den anderen Wicklungsteil weitergeleitet, wodurch dieser durch die Halbbrücken des passiven Phasen-Untersystems nicht geregelt werden muss. Da die Verlustleistung in den Halbbrücken proportional zur Strom-Zeit-Fläche ist, in der sie Strom tragen, führt das Einstellen des passiven Untersystem-Betriebs in dem genannten Intervall zur größtmöglichen Entlastung der Halbbrücken.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn im Separatbetrieb die beiden Wicklungsteile separat gesteuert werden, indem alle Brückenverbindungen mittels der Schalteinrichtungen unterbrochen sind und indem die Halbbrücken der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen an den Wicklungsanschlüssen der beiden Wicklungsteile. Auf diese Weise kann die Versorgungsspannung im Separatbetrieb optimal genutzt werden zum Erzeugen hoher Leistungen bei hohen Drehzahlen mit einem verminderten Bedarf an Feldschwächstrom.
Zusätzlich vorteilhaft ist, wenn im Notbetrieb nur eines der beiden Wicklungsteile bestromt wird, indem nur die Halbbrücken der ersten Gruppe oder der zweiten Gruppe angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen nur an den Wicklungsanschlüssen einer der beiden Wicklungsteile. Im Notbetrieb sind alle Brückenverbindungen mittels der Schalteinrichtungen unterbrochen. Auf diese Weise kann beispielsweise bei einem Isolationsdefekt in einem der beiden Wicklungsteile der andere der beiden Wicklungsteile noch bestromt werden, um einen Limp-home-Betrieb zu ermöglichen.
Auch vorteilhaft ist, wenn im aktiven Kurzschlussbetrieb alle Halbbrücken aller Phasen-Untersysteme deaktiviert und alle Brückenverbindungen durchgehend elektrisch leitend sind zur Erzeugung eines aktiven Kurzschlusses der elektrischen Maschine durch die Brückenverbindungen.
Da alle Halbbrücken im Störungsbetrieb deaktiviert sind, haben die beiden Wicklungsteile keine elektrische Verbindung zu einer Spannungsversorgung. Die Wicklungsteile befinden sich dadurch in einem potentialfreien aktiven Kurzschluss (insbesondere wenn das System von einer Batterie gespeist wird), was auch bei einem Isolationsdefekt in einem der beiden Wicklungsteile einen sicheren Zustand herstellt.
Auch vorteilhaft ist, wenn im Reihenschaltungsbetrieb und im Separatbetrieb die Phasenströme an den Wicklungsanschlüssen des ersten Wicklungsteils einen ersten Drehstrom und die Phasenströme an den Wicklungsanschlüssen des zweiten Wicklungsteils einen zweiten Drehstrom bilden, wobei die beiden Drehströme zueinander eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen.
Dadurch, dass die beiden Wicklungsstränge jedes Strangpaares 180 Grad durch entsprechende Konfiguration zueinander phasenverschoben sind und dass die Phasenströme jedes einzelnen aktiven Phasen-Untersystems zueinander um 180 Grad phasenverschoben sind, insbesondere hinsichtlich Betrag und Form gleich, aber im Vorzeichen unterschiedlich sind, werden im Stator Durchflutungen erzeugt, welche sich zur Drehmomenterzeugung additiv überlagern. Der erste und der zweite Drehstrom wirken in der Maschine annähernd wie ein Drehstrom, dessen Amplitude der Summe der Amplituden der beiden Drehströme entspricht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass die Verlustleistung in den Halbbrücken aufgrund der inaktiven Phasen der Halbbrücken im zeitlichen Mittel verringert wird, wodurch diese bei gleicher Kühlung eine geringere Temperatur aufweisen. Bei gleicher Halbleiter-Maximaltemperatur ist somit ein Erhöhen der Phasenströme im Maschinensystem möglich. Die mögliche Erhöhung der Phasenströme im Maschinensystem ermöglicht wiederum eine Verringerung der spannungshaltenden Windungszahl in der elektrischen Maschine bei gleichem Maximaldrehmoment, was bei höheren Drehzahlen die Notwendigkeit für Feldschwächsstrom verringert. Im Separatbetrieb können bei höheren Drehzahlen also Betriebspunkte gefahren werden, welche einen geringeren Anteil von Feldschwächstrom am Phasenstrom benötigen, wodurch ein größerer Anteil des Phasenstroms zur Drehmomenterzeugung beiträgt. Es ist somit eine deutliche Erhöhung der elektrischen Leistung und des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine bei hohen Drehzahlen möglich. Für die stromregelnden Halbbrücken der aktiven Phasen-Untersysteme erscheinen die Wicklungsteile auf Grund der leitenden Brückenverbindung im passiven Phasen-Untersystem als Last mit größerer Induktivität, größerem ohmschen Widerstand und größerer Polradspannung, wodurch die zu stellenden Duty-Cycle größer werden. Dadurch verringert sich die Stromwelligkeit bzw. der Strom-Klirrfaktor und die Drehmomentwelligkeit. Außerdem werden die Eisenverluste in der elektrischen Maschine reduziert.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Maschinensystems, das eine elektrische Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst, in einem erfindungsgemäßen Reihenschaltungsbetrieb betrieben wird und sich in einem Zustand zum Zeitpunkt Y nach Fig.2A-Fig.2C befindet, Fig.1 A eine der Halbbrücken nach Fig.1 ,
Fig.2A für das Phasenuntersystem 21V nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem- Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs, Fig.2B für das Phasenuntersystem 21 U nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem- Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs, Fig.2C für das Phasenuntersystem 21W nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem- Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs, Fig.3 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen Separatbetrieb betrieben wird, Fig.4 für jedes Phasenuntersystem des im Separatbetrieb betriebenen Maschinensystems nach Fig.3 den Verlauf der Phasenströme an den Phasenanschlüssen der jeweiligen Halbbrücken, Fig.5 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen Notbetrieb betrieben wird, Fig.6 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen aktiven Kurzschlussbetrieb betrieben wird und Fig.7 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Maschinensystems, das eine elektrische Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst und in einem erfindungsgemäßen Reihenschaltungsbetrieb betrieben wird.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Maschinensystems, das eine elektrische Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst und in einem erfindungsgemäßen Reihenschaltungsbetrieb betrieben wird. Das erfindungsgemäße Maschinensystem 1 umfasst eine elektrische Maschine 2 und mehrere, in einer elektrischen Schaltung angeordnete Halbbrücken 3 zum Steuern der elektrischen Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 weist einen Stator mit einer Statorwicklung 4 auf. Jede Halbbrücke 3 des erfindungsgemäßen Maschinensystems 1 hat nach Fig.lA zwei Eingangsknoten 5 zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle 6, beispielsweise eine Batterie eines Fahrzeugs, jeweils zwei zwischen den Eingangsknoten 5 in Reihe geschaltete Schaltelemente 7 und zwischen den zwei Schaltelementen 7 jeweils einen Phasenanschluss 8.
Die Statorwicklung 4 umfasst zwei mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Wicklungsteile 4.1,4.2 mit derselben Phasenzahl, wobei jeder Wicklungsteil 4.1,4.2 eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungssträngen 14 und eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungsanschlüssen 10 aufweist. Die Wicklungsstränge 14 können jeweils parallele Unterstränge aufweisen.
Die Wicklungsanschlüsse 10 des einen Wicklungsteils 4.1 der Statorwicklung 4 sind mit Phasenanschlüssen 8 einer ersten Gruppe 13.1 von Halbbrücken 3 und die Wicklungsanschlüsse 10 des anderen Wicklungsteils 4.2 mit Phasenanschlüssen 8 einer zweiten Gruppe 13.2 von Halbbrücken 3 elektrisch verbunden. Die erste Gruppe 13.1 von Halbbrücken 3 umfasst eine der Phasenzahl des Wicklungsteils 4.1 entsprechende Anzahl von Halbbrücken 3. Ebenso umfasst die zweite Gruppe 13.2 von Halbbrücken 3 eine der Phasenzahl des Wicklungsteils 4.2 entsprechende Anzahl von Halbbrücken 3. Jeder Wicklungsanschluss 10 jedes Wicklungsteils 4.1 ,4.2 ist mit einer anderen Halbbrücke 3 der jeweiligen Gruppe 13.1 ,13.2 von Halbbrücken 3 elektrisch verbunden.
Die Phasenanschlüsse 8 der ersten Gruppe 13.1 von Halbbrücken 3 sind jeweils über eine Brückenverbindung 11 mit einem der Phasenanschlüsse 8 der zweiten Gruppe 13.2 von Halbbrücken 3 unter Bildung eines Halbbrücken-Paares 23 elektrisch verbindbar zur (unmittelbaren) elektrischen Verbindung von zwei Wicklungsanschlüssen 10 von unterschiedlichen Wicklungsteilen 4.1 ,4.2 der Statorwicklung 4. In jeder Brückenverbindung 11 ist eine schaltbare Schalteinrichtung 12 zum Unterbrechen der jeweiligen elektrischen Brückenverbindung 11 vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Halbbrücken 3 des Maschinensystems 1 geregelte Halbbrücken sind zum Einspeisen jeweils eines Phasenstroms lu, lv,lw bzw. einer Phasenspannung in die Statorwicklung 4.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jeder Wicklungsstrang 14 eines der beiden Wicklungsteile 4.1,4.2 mit einem der Wicklungsstränge 14 des jeweils anderen Wicklungsteils 4.1,4.2 ein Strangpaar 15 bildet, wobei die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind.
Zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die jeweilige Brückenverbindung 11 mittels der jeweiligen Schalteinrichtung 12 in beide Stromrichtungen durchgehend elektrisch leitend schaltbar ist. Die jeweilige Brückenverbindung 11 ist also für beide Stromrichtungen in der jeweiligen Brückenverbindung 11 in einen durchgehend elektrisch leitenden Zustand schaltbar. Abhängig von der jeweiligen Schaltstellung der Schalteinrichtung 12 ist die jeweilige Brückenverbindung 11 also entweder durchgehend elektrisch leitend oder elektrisch unterbrochen.
Die Schaltelemente 7 der jeweiligen Halbbrücke 3 sind elektronische Halbleiterschalter, insbesondere IGBT-Transistoren oder MOSFET-Transistoren. Dem jeweiligen Halbleiterschalter 7 kann eine Freilaufdiode 9 als parallel geschaltetes separates Bauelement zugeordnet sein. Alternativ kann der jeweilige Halbleiterschalter 7 die Funktion einer Freilaufdiode intrinsisch umfassen.
Die beiden Gruppen 13.1 ,13.2 von Halbbrücken 3 sind Teil eines Inverters 16. Nach dem Ausführungsbeispiel sind auch die Brückenverbindungen 11 (einschließlich der Schalteinrichtungen 12) beispielsweise Teil des Inverters 16.
Die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 sind derart ausgebildet, dass sie bei Bestromung eine Durchflutung in der Maschine erzeugen, deren Grundwellenanteile zueinander eine Phasenverschiebung von 180 Grad besitzen.
Beispielsweise können die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 um den Winkel eines Statorpols zueinander verschoben sein. Alternativ können die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 identisch wirkende Stränge sein, bei denen jedoch Wicklungsanfang- und -ende zueinander vertauscht sind. In den Wicklungssträngen 14 jedes Strangpaares 15 werden annähernd identische Spannungen induziert.
Die Schalteinrichtung 12 der jeweiligen Brückenverbindung 11 umfasst beispielsweise zumindest ein Halbleiter-Schaltelement, insbesondere einen IGBT-Transistor, einen MOSFET-Transistor oder einen Thyristor.
Die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 können eine gleiche spannungshaltende Windungszahl und/oder einen gleichen Leiterquerschnitt und/oder eine gleiche Induktivität aufweisen.
Die Wicklungsstränge 14 des jeweiligen Wicklungsteils 4.1 ,4.2 sind gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig.1 bis Fig.6 in einer Sternschaltung und gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig.7 in einer Dreieckschaltung verschaltet. Über die jeweilige Brückenverbindung 11 ist sind zwei bestimmte Wicklungsanschlüsse 10 aus unterschiedlichen Wicklungsteilen 4.1,4.2 elektrisch verbindbar, wobei die zwei bestimmten Wicklungsanschlüsse 10 ein Anschlusspaar von Wicklungsanschlüssen 10 bilden. Mittels des Anschlusspaares von Wicklungsanschlüssen 10 ist im Falle der Sternschaltung ein Strangpaar 15 und sind im Falle der Dreieckschaltung zwei Strangpaare 15 miteinander verbindbar.
Das Maschinensystem 1 weist zusätzlich ein Steuergerät 17 auf zum Ansteuern der Schaltelemente 7 der Halbbrücken 3 und zum Ansteuern der Schalteinrichtungen 12 der Brückenverbindungen 11.
Das Maschinensystem 1 umfasst ein Phasensystem 20 mit mehreren Phasen- Untersystemen 21, beispielsweise 21 u, 21 v,21 w. Die Anzahl der Phasen- Untersysteme 21 entspricht der Phasenzahl eines der Wicklungsteile 4.1 ,4.2 der Statorwicklung 4.
Jedes Phasen-Untersystem 21 ist gebildet durch eines der Halbbrücken-Paare 23, die Brückenverbindung 11 des jeweiligen Halbbrücken-Paares 23 und die beiden durch die jeweilige Brückenverbindung 11 (unmittelbar) verbindbaren Wicklungsanschlüsse 10 der beiden Wicklungsteile 4.1,4.2.
Das Maschinensystem 1 kann abhängig von einem oder mehreren System- Betriebsparametern, insbesondere Drehzahl, Drehmoment und/oder Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 2 und/oder ein Störungsparameter des Maschinensystems 1 , in einem von mehreren Betriebszuständen betrieben werden, insbesondere in einem Reihenschaltungsbetrieb, einem Separatbetrieb, einem Notbetrieb oder einem aktiven Kurzschlussbetrieb.
Nach Fig.1 befindet sich das Maschinensystem 1 im Reihenschaltungsbetrieb, wobei die Zustände des Maschinensystems 1 in Fig.1 beispielhaft für den Zeitpunkt Y nach Fig.2A bis Fig.2C dargestellt sind.
Im Reihenschaltungsbetrieb ist abhängig von zumindest einem Untersystem- Betriebsparameter abwechselnd jeweils eines der Phasen-Untersysteme 21 in einem passiven Untersystem-Betrieb „passive“ und die jeweils übrigen Phasen- Untersysteme in einem aktiven Untersystem-Betrieb „active“.
Im passiven Untersystem-Betrieb sind die beiden Halbbrücken 3 des jeweiligen Phasen-Untersystems 21 deaktiviert bzw. inaktiv geschaltet unter Bildung eines passiven Phasen-Untersystems 21 und ist die Brückenverbindung 11 des passiven Phasen-Untersystems 21 durch eine entsprechende Schaltstellung der Schalteinrichtung 12 durchgehend elektrisch leitend zum Ermöglichen eines elektrischen Stromflusses in beide Richtungen von einem der beiden Wicklungsanschlüsse 10 über die Brückenverbindung 11 des passiven Phasen- Untersystems 21 zum jeweils anderen der beiden Wicklungsanschlüsse 10.
Im aktiven Untersystem-Betrieb werden die beiden Halbbrücken 3 des jeweiligen Phasen-Untersystems 21 unter Bildung eines aktiven Phasen-Untersystems 21 angesteuert zum Bereitstellen von zwei geregelten Phasenströmen lu,lv,lw, die zueinander um 180 Grad phasenverschoben sind, insbesondere hinsichtlich Betrag und Form gleich, aber im Vorzeichen unterschiedlich sind. Die Brückenverbindung 11 des aktiven Phasen-Untersystems 21 ist bzw. wird mittels der jeweiligen Schalteinrichtung 12 durch eine entsprechende Schaltstellung elektrisch unterbrochen.
Fig.2A zeigt für das Phasenuntersystem 21 nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem-Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs über dem elektrischen Phasenwinkel.
Insbesondere zeigt
Fig.2Aa den Verlauf der Phasenströme lvan den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasenuntersystems 21V,
Fig.2Ab den Verlauf der Phasenströme lvan den Phasenanschlüssen 8 der beiden Halbbrücken 3 des Phasenuntersystems 21V,
Fig.2Ac den Verlauf des Phasenstroms Ibr in der Brückenverbindung 11 des Phasenuntersystems 21V und
Fig.2Ad den Wechsel des Phasenuntersystems 21V zwischen dem aktiven Untersystem-Betrieb „active“ und dem passiven Untersystem-Betrieb „passive“ über dem elektrischen Phasenwinkel.
Fig.2B zeigt für das Phasenuntersystem 21 U nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem-Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs über dem elektrischen Phasenwinkel.
Insbesondere zeigt
Fig.2Ba den Verlauf der Phasenströme lu an den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasenuntersystems 21 U,
Fig.2Bb den Verlauf der Phasenströme lu an den Phasenanschlüssen 8 der beiden Halbbrücken 3 des Phasenuntersystems 21 U,
Fig.2Bc den Verlauf des Phasenstroms Ibr in der Brückenverbindung 11 des Phasenuntersystems 21 U und
Fig.2Bd den Wechsel des Phasenuntersystems 21 U zwischen dem aktiven Untersystem-Betrieb „active“ und dem passiven Untersystem-Betrieb „passive“ über dem elektrischen Phasenwinkel. Fig.20 zeigt für das Phasenuntersystem 21W nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem-Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs über dem elektrischen Phasenwinkel.
Insbesondere zeigt
Fig.2Ca den Verlauf der Phasenströme lwan den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasenuntersystems 21W,
Fig.2Cb den Verlauf der der Phasenströme lwan den Phasenanschlüssen 8 der beiden Halbbrücken 3 des Phasenuntersystems 21W,
Fig.2Cc den Verlauf des Phasenstroms Ibr in der Brückenverbindung 11 des Phasenuntersystems 21W und
Fig.2Cd den Wechsel des Phasenuntersystems 21 W zwischen dem aktiven Untersystem-Betrieb „active“ und dem passiven Untersystem-Betrieb „passive“ über dem elektrischen Phasenwinkel.
Aus den Fig.2Aa bis Fig.2Cd ist ersichtlich, dass im Reihenschaltungsbetrieb abhängig von zumindest einem Untersystem-Betriebsparameter abwechselnd jeweils eines der Phasen-Untersysteme 21 in einem passiven Untersystem- Betrieb „passive“ betrieben wird und die jeweils übrigen Phasen-Untersysteme in einem aktiven Untersystem-Betrieb „active“ betrieben werden.
Der Verlauf der Phasenströme lu, k, Iw an den Phasenanschlüssen 8 der Halbbrücken 3 zeigt in den Zeitintervallen dt gemäß den Fig.2Ab, Fig.2Bb und Fig.2Cb sprunghafte Änderungen auf den Wert Null.
Im Reihenschaltungsbetrieb und im Separatbetrieb bilden die Phasenströme lu.lv, Iw an den Wicklungsanschlüssen 10 des ersten Wicklungsteils 4.1 zu jedem Zeitpunkt oder in jedem Zustand einen ersten Drehstrom. Weiterhin bilden die Phasenströme an den Wicklungsanschlüssen 10 des zweiten Wicklungsteils 4.2 zu jedem Zeitpunkt einen zweiten Drehstrom, wobei die beiden Drehströme an den beiden Wicklungsteilen 4.1 ,4.2 zueinander eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen. Die Phasenströme lu,k, Iw jedes der beiden Drehströme sind jeweils 120 Grad zueinander phasenverschoben und beispielsweise wellenförmig oder sinusförmig.
Im Ansprechen auf das Bereitstellen von geregelten Phasenströme lu, k, Iw gemäß den Fig.2Ab, Fig.2Bb und Fig.2Cb in den aktiven Phasen-Untersystemen 21 stellt sich der jeweils übrige (nicht mittels von Halbbrücken 3 direkt geregelte) Phasenstrom als indirekt geregelter Phasenstrom lu, lv, Iw in der Reihenschaltung der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2 selbstständig ein, wenn die Brückenverbindung
11 des passiven Phasen-Untersystems 21 durch eine entsprechende Schaltstellung der Schalteinrichtung 12 durchgehend elektrisch leitend ist, wodurch ein Phasenstrom Ibr abhängig von seinem Vorzeichen in eine der beiden Richtungen über die Brückenverbindung 11 des passiven Phasen-Untersystems 21 fließt.
Zum Zeitpunkt Y nach Fig.2A bis Fig.2C des Maschinensystems 1 sind beispielsweise die Phasen-Untersysteme 21 v,21 w im aktiven Untersystem-Betrieb und das Phasen-Untersystem 21 u im passiven Untersystem-Betrieb. In den aktiven Phasen-Untersystemen 21v,21wwerden also die Halbbrücken 3 aktiv betrieben, so dass Phasenströme lv, lw an den Phasenanschlüssen 8 der Halbbrücken 3 bereitgestellt werden. Im passiven Phasen-Untersystem 21 u sind die Halbbrücken 3 inaktiv, so dass an den Phasenanschlüssen 8 der Halbbrücken 3 keine Phasenströme lu bereitgestellt werden. Im Ansprechen auf das Bereitstellen der geregelten Phasenströme lv,lw in den beiden aktiven Phasen-Untersystemen 21v,21w stellt sich jeweils ein indirekt geregelter Phasenstrom lu in der Reihenschaltung der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2 selbstständig ein, da die Brückenverbindung 11 des passiven Phasen- Untersystems 21 durch eine entsprechende Schaltstellung der Schalteinrichtung
12 durchgehend elektrisch leitend ist, wodurch ein Phasenstrom Ibr abhängig von seinem Vorzeichen in eine der beiden Richtungen über die Brückenverbindung
11 des passiven Phasen-Untersystems 21 u fließt und somit an den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasen-Untersystems 21u bereitsteht. Die Phasenströme lu an den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasenuntersystems 21 U haben daher trotz des zeitweisen Deaktivierens der Halbbrücken 3 im passiven Untersystem-Betrieb einen wellenförmigen, beispielsweise sinusförmigen, Verlauf.
Das selbständige Einstellen der Phasenströme im jeweils passiven Phasen- Untersystem 21 ergibt sich dadurch, dass für jeden Wicklungsteil 4.1 ,4.2 jeweils die erste Kirchhoffsche Regel (Summe aller Phasenströme gleich Null) gilt. Somit ist einer der Phasenströme der Wicklungsteile 4.1 ,4.2 durch die jeweils übrigen Phasenströme bestimmt, so dass einer der Phasenströme nicht aktiv geregelt werden muss. Im Reihenschaltungsbetrieb werden alle Phasen-Untersysteme 21 in einer fortlaufenden Folge abhängig von dem Untersystem-Betriebsparameter nacheinander in den passiven Untersystem-Betrieb gewechselt.
Der Untersystem-Betriebsparameter kann beispielsweise der Betrag der Phasenströme lu,k,lw in den Phasen-Untersystemen 21 sein, wobei jeweils dasjenige Phasen-Untersystem 21 im passiven Untersystem-Betrieb betrieben wird, dessen Phasenströme lu,k, Iw betragsmäßig über einem Schwellwert X liegen, insbesondere sich in einem Zeitintervall dt befinden von einem Zwölftel der elektrischen Periode der Phasenströme lu, k, Iw vor einem Scheitelwert S bis einem Zwölftel der elektrischen Periode nach dem Scheitelwert S der Phasenströme lu, k, Iw.
Pro elektrischer Periode jedes Phasenstroms lu,k,lw ist die Brückenverbindung 11 des zugehörigen Phasen-Untersystems 21 in zwei Zeitintervallen dt durchgehend elektrisch leitend, wofür zwei Einschalt- und zwei Ausschaltvorgänge an der jeweiligen Schalteinrichtung 12 vorgesehen sind, was durch eine geeignete Ansteuerung erreicht werden kann.
Fig.3 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen Separatbetrieb betrieben wird.
Im Separatbetrieb werden die beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2 separat gesteuert, indem alle Brückenverbindungen 11 des Maschinensystems mittels der Schalteinrichtungen 12 unterbrochen sind bzw. werden und indem alle Halbbrücken 3 der ersten und zweiten Gruppe 13.1 ,13.2 aktiv sind, also angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen lu,k,lw an allen Wicklungsanschlüssen 10 der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2.
Fig.4 zeigt den Verlauf der Phasenströme aller Phasenuntersysteme des im Separatbetrieb betriebenen Maschinensystems nach Fig.3 über dem elektrischen Phasenwinkel.
Fig.5 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen Notbetrieb betrieben wird. Im Notbetrieb wird nur eines der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2 bestromt, indem nur die Halbbrücken 3 der ersten oder der zweiten Gruppe 13.1,13.2 angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen lu, k, L an den Wicklungsanschlüssen 10 einer der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2. Dabei sind alle Brückenverbindungen 11 mittels der Schalteinrichtungen 12 durch entsprechende Schaltstellungen unterbrochen. Im Notbetrieb sind die Phasenuntersysteme 21 in einem Zustand „semi-active“, bei dem eine Halbbrücke 3 des Halbbrücken-Paars 23 aktiv angesteuert wird Bereitstellen von geregeltem Phasenstrom lu, lv,lw und die andere Halbbrücke 3 passiv ist.
Fig.6 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen aktiven Kurzschlussbetrieb betrieben wird.
Im aktiven Kurzschlussbetrieb sind alle Halbbrücken 3 aller Phasen- Untersysteme 21 passiv bzw. werden deaktiviert. Außerdem sind alle Brückenverbindungen 11 des Maschinensystems 1 mittels der Schalteinrichtungen 12 durch entsprechende Schaltstellungen durchgehend elektrisch leitend zur Erzeugung eines aktiven Kurzschlusses der elektrischen Maschine 2 durch die Brückenverbindungen 11.

Claims

Ansprüche
1. Maschinensystem (1) umfassend eine elektrische Maschine (2) und mehrere Halbbrücken (3) zum Steuern der elektrischen Maschine (2), wobei die elektrische Maschine (2) einen Stator mit einer Statorwicklung (4) aufweist, wobei die Halbbrücken (3) jeweils zwei Eingangsknoten (5) zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle (6), jeweils zwei zwischen den Eingangsknoten (5) in Reihe geschaltete Schaltelemente (7) und zwischen den Schaltelementen (7) jeweils einen Phasenanschluss (8) haben, wobei die Statorwicklung (4) zwei mehrphasige Wicklungsteile (4.1 ,4.2) mit derselben Phasenzahl umfasst, insbesondere zwei dreiphasige Wicklungsteile, wobei jeder Wicklungsteil
(4.1 ,4.2) eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungssträngen (14) und eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungsanschlüssen (10) aufweist, wobei die Wicklungsanschlüsse (10) des einen Wicklungsteils (4.1) mit Phasenanschlüssen (8) einer ersten Gruppe (13.1) von Halbbrücken (3) und die Wicklungsanschlüsse (10) des anderen Wicklungsteils (4.2) mit Phasenanschlüssen (8) einer zweiten Gruppe (13.2) von Halbbrücken (3) elektrisch verbunden sind, wobei jede Gruppe (13.1 ,13.2) von Halbbrücken (3) eine der Phasenzahl des jeweiligen Wicklungsteils (4.1 ,4.2) entsprechende Anzahl von Halbbrücken (3) aufweist, wobei die Phasenanschlüsse (8) der ersten Gruppe (13.1) von Halbbrücken (3) jeweils über eine Brückenverbindung (11) mit einem der Phasenanschlüsse (8) der zweiten Gruppe (13.2) von Halbbrücken (3) unter Bildung eines Halbbrücken-Paares (23) elektrisch verbindbar sind zur elektrischen Verbindung von zwei Wicklungsanschlüssen (10) von unterschiedlichen Wicklungsteilen (4.1 ,4.2), wobei in der jeweiligen Brückenverbindung (11) eine schaltbare Schalteinrichtung (12) zum Unterbrechen der elektrischen Brückenverbindung (11) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Halbbrücken (3) des Maschinensystems (1) geregelte Halbbrücken sind zum Einspeisen jeweils eines Phasenstroms (lu,lv, Iw) bzw. einer Phasenspannung in die Statorwicklung (4),
- jeder Wicklungsstrang (14) eines der beiden Wicklungsteile (4.1 ,4.2) mit einem der Wicklungsstränge (14) des jeweils anderen Wicklungsteils (4.1 ,4.2) ein Strangpaar (15) bildet, wobei die Wicklungsstränge (14) jedes Strangpaares (15) um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind und - die jeweilige Brückenverbindung (11) mittels der jeweiligen Schalteinrichtung
(12) in beide Stromrichtungen durchgehend elektrisch leitend schaltbar ist.
2. Maschinensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (7) der jeweiligen Halbbrücke (3) Halbleiterschalter sind, insbesondere IGBT-Transistoren oder MOSFET-Transistoren, wobei dem jeweiligen Halbleiterschalter insbesondere eine Freilaufdiode (9) als parallel geschaltetes separates Bauelement zugeordnet ist oder wobei der jeweilige Halbleiterschalter die Funktion einer Freilaufdiode intrinsisch umfasst.
3. Maschinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gruppen (13.1 ,13.2) von Halbbrücken (3) und insbesondere die Brückenverbindungen (11) Teil eines Inverters (16) sind.
4. Maschinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (12) der jeweiligen Brückenverbindung (11) zumindest einen Halbleiterschalter umfasst, der insbesondere ein IGBT-Transistor, ein MOSFET-Transistor oder ein Thyristor ist.
5. Maschinensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (12) gebildet ist durch eine Antireihenschaltung von zwei Transistoren, insbesondere IGBT-Transistoren oder MOSFET-Transistoren, oder durch eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren, insbesondere durch einen Triac.
6. Maschinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstränge (14) jedes Strangpaares (15) eine gleiche spannungshaltende Windungszahl und/oder einen gleichen Leiterquerschnitt und/oder eine gleiche Induktivität aufweisen.
7. Maschinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstränge (14) des jeweiligen Wicklungsteils (4.1 ,4.2) in einer Sternschaltung oder in einer Dreieckschaltung verschaltet sind, wobei über die jeweilige Brückenverbindung (11) im Falle der Sternschaltung ein Strangpaar (15) und im Falle der Dreieckschaltung zwei Strangpaare (15) miteinander verbindbar sind. - TI -
8. Maschinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (17) vorgesehen ist zum Ansteuern der Schaltelemente (7) der Halbbrücken (3) und zum Ansteuern der Schalteinrichtungen (12) der Brückenverbindungen (11).
9. Verfahren zum Betreiben des Maschinensystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Maschinensystem (1) ein Phasensystem (20) mit mehreren Phasen-Untersystemen (21) umfasst, wobei das jeweilige Phasen-Untersystem (21) gebildet ist durch eines der Halbbrücken-Paare (23), die Brückenverbindung (11) des jeweiligen Halbbrücken-Paares (23) und die beiden durch die jeweilige Brückenverbindung (11) verbindbaren Wicklungsanschlüsse (10), wobei das Maschinensystem (1) abhängig von einem oder mehreren System-Betriebsparametern, insbesondere Drehzahl, Drehmoment und/oder Wirkungsgrad der elektrischen Maschine und/oder ein Störungsparameter des Maschinensystems, in einem von mehreren Betriebszuständen betreibbar ist, insbesondere in einem Reihenschaltungsbetrieb, einem Separatbetrieb, einem Notbetrieb oder einem aktiven Kurzschlussbetrieb.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Reihenschaltungsbetrieb abhängig von zumindest einem Untersystem- Betriebsparameter abwechselnd jeweils eines der Phasen-Untersysteme (21) in einem passiven Untersystem-Betrieb (passive) betrieben wird und die jeweils übrigen Phasen-Untersysteme (21) in einem aktiven Untersystem-Betrieb (active) betrieben werden, wobei
- im passiven Untersystem-Betrieb (passive) die beiden Halbbrücken (3) des jeweiligen Phasen-Untersystems (21) deaktiviert sind unter Bildung eines passiven Phasen-Untersystems (21) und die Brückenverbindung (11) des passiven Phasen-Untersystems (21) durchgehend elektrisch leitend ist zum Ermöglichen eines elektrischen Stromflusses in beide Richtungen von einem der beiden Wicklungsanschlüsse (10) über die Brückenverbindung (11) des passiven Phasen-Untersystems (21) zum jeweils anderen der beiden Wicklungsanschlüsse (10), wobei
- im aktiven Untersystem-Betrieb (active) die beiden Halbbrücken (3) des jeweiligen Phasen-Untersystems (21) unter Bildung eines aktiven Phasen- Untersystems (21) angesteuert werden zum Bereitstellen von zwei geregelten Phasenströmen (lu,lv,lw), die zueinander um 180 Grad phasenverschoben sind, insbesondere hinsichtlich Betrag und Form gleich, aber im Vorzeichen unterschiedlich sind, und die Brückenverbindung (11) des aktiven Phasen- Untersystems (21) mittels der jeweiligen Schalteinrichtung (12) elektrisch unterbrochen ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Ansprechen auf das Bereitstellen der geregelten Phasenströme (lu, k, Iw) in den aktiven Phasen-Untersystemen (21) sich ein indirekt geregelter Phasenstrom in der Reihenschaltung der beiden Wicklungsteile (4.1 ,4.2) selbstständig einstellt, der abhängig von seinem Vorzeichen in eine der beiden Richtungen über die Brückenverbindung (11) des passiven Phasen-Untersystems (21) fließt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Reihenschaltungsbetrieb alle Phasen-Untersysteme (21) in einer fortlaufenden Folge abhängig von dem Untersystem- Betriebsparameter nacheinander in den passiven Untersystem-Betrieb (passive) gewechselt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Untersystem-Betriebsparameter der Betrag der Phasenströme (lu,k, Iw) in den Phasen-Untersystemen (21) ist, wobei jeweils dasjenige Phasen-Untersystem (21) im passiven Untersystem-Betrieb (passive) betrieben wird, dessen Phasenströme (lu,k, Iw) betragsmäßig über einem Schwellwert (X) liegen, insbesondere sich in einem Zeitintervall (dt) befinden von einem Zwölftel der elektrischen Periode der Phasenströme um einen Scheitelwert (S) der Phasenströme (lu, k, Iw) herum.
14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Separatbetrieb die beiden Wicklungsteile (4.1 ,4.2) separat gesteuert werden, indem alle Brückenverbindungen (11) mittels der Schalteinrichtungen (12) unterbrochen sind und indem alle Halbbrücken (3) der ersten und zweiten Gruppe (3.1 ,3.2) angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen (lu, k w) an allen Wicklungsanschlüssen (10) der beiden Wicklungsteile (4.1,4.2).
15. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Notbetrieb nur eines der beiden Wicklungsteile (4.1 ,4.2) bestromt wird, indem nur die Halbbrücken (3) der ersten Gruppe (3.1) oder der zweiten Gruppe (3.2) angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen (lu,lv, Iw) nur an den Wicklungsanschlüssen (10) einer der beiden Wicklungsteile (4.1 ,4.2), wobei im Notbetrieb alle Brückenverbindungen (11) mittels der Schalteinrichtungen (12) unterbrochen sind.
16. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im aktiven Kurzschlussbetrieb alle Halbbrücken (3) aller Phasen-Untersysteme (21) deaktiviert und alle Brückenverbindungen (11) durchgehend elektrisch leitend sind zur Erzeugung eines aktiven Kurzschlusses der elektrischen Maschine (2) durch die Brückenverbindungen (11).
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Reihenschaltungsbetrieb und im Separatbetrieb die Phasenströme (lu, lv, Iw) an den Wicklungsanschlüssen (10) des ersten Wicklungsteils (4.1) einen ersten Drehstrom und die Phasenströme (lu,lv,lw) an den Wicklungsanschlüssen (10) des zweiten Wicklungsteils (4.2) einen zweiten Drehstrom bilden, wobei die beiden Drehströme an den beiden Wicklungsteilen (4.1,4.2) zueinander eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen.
PCT/EP2023/065586 2022-07-26 2023-06-12 Maschinensystem und verfahren zum betreiben des maschinensystems WO2024022665A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022207600.1A DE102022207600A1 (de) 2022-07-26 2022-07-26 Maschinensystem und Verfahren zum Betreiben des Maschinensystems
DE102022207600.1 2022-07-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024022665A1 true WO2024022665A1 (de) 2024-02-01

Family

ID=86942239

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/065586 WO2024022665A1 (de) 2022-07-26 2023-06-12 Maschinensystem und verfahren zum betreiben des maschinensystems

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022207600A1 (de)
WO (1) WO2024022665A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3227602A1 (de) 1981-07-23 1983-02-10 Marelli Autronica S.p.A., Pavia Wechselstromgenerator, insbesondere fuer kraftfahrzeuge
DE102017130869A1 (de) * 2017-12-21 2019-06-27 Hans-Peter Wyremba Elektrisches Getriebe und Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors
DE112018001565T5 (de) * 2017-03-24 2019-12-19 Nidec Corporation Leistungsumwandlungsvorrichtung, Motorantriebseinheit und elektrische Servolenkungsvorrichtung
US20190393823A1 (en) * 2017-03-08 2019-12-26 Nidec Corporation Power conversion device, motor drive unit, and electric power steering device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3227602A1 (de) 1981-07-23 1983-02-10 Marelli Autronica S.p.A., Pavia Wechselstromgenerator, insbesondere fuer kraftfahrzeuge
US20190393823A1 (en) * 2017-03-08 2019-12-26 Nidec Corporation Power conversion device, motor drive unit, and electric power steering device
DE112018001565T5 (de) * 2017-03-24 2019-12-19 Nidec Corporation Leistungsumwandlungsvorrichtung, Motorantriebseinheit und elektrische Servolenkungsvorrichtung
DE102017130869A1 (de) * 2017-12-21 2019-06-27 Hans-Peter Wyremba Elektrisches Getriebe und Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022207600A1 (de) 2024-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2522069B1 (de) Schaltungsanordnung für modulare antriebsstromrichter
WO2017174102A1 (de) Modul für einen multilevelkonverter
EP1317791B1 (de) Steuer- und regelverfahren für einen dreipunkt-stromrichter mit aktiven klemmschaltern sowie vorrichtung hierzu
DE102015121226A1 (de) Umrichter, Elektrisches Polyphasensystem und Verfahren
EP3211784B1 (de) Doppel-submodul für einen modularen mehrpunktstromrichter und modularer mehrpunktstromrichter mit diesem
DE112008001796B4 (de) Wechselrichtersystem und Steuerverfahren
DE112017004726T5 (de) Invertersteuerungsvorrichtung
DE69820158T2 (de) Schaltkreis für eine Reluktanzmaschine
EP3255773A1 (de) Verlustarmes doppel-submodul für einen modularen mehrpunktstromrichter und modularer mehrpunktstromrichter mit diesem
DE102005042324A1 (de) Weitspannungs-Umrichter
EP3213401A1 (de) Verfahren zum umschalten eines betriebszustands einer elektrischen maschine und vorrichtung zum umschalten eines betriebszustands einer elektrischen maschine
DE102011014165A1 (de) Umrichter für eine elektrische Maschine und Verfahren zur Ansteuerung eines Leistungsschalters
EP2764614B1 (de) Modularer mehrstufiger wechselrichter mit einer vielzahl seriell geschalteter wechselrichtermodule zur erzeugung mehrphasiger ausgangsspannungen
WO2013092046A2 (de) Stromrichterschaltung
WO2017032716A1 (de) Antriebssystem
EP2673877A2 (de) System mit einer elektrisch erregten maschine
WO2012107127A1 (de) Energiespeichereinrichtung für eine fremderregte elektrische maschine
WO2015000669A1 (de) Vermeidung von bremsmomenten bei permanenterregten synchronmaschinen
WO2024022665A1 (de) Maschinensystem und verfahren zum betreiben des maschinensystems
WO2013072107A1 (de) Energiespeichereinrichtung, system mit energiespeichereinrichtung und verfahren zum ansteuern einer energiespeichereinrichtung
WO2015113780A1 (de) Energiespeichereinrichtung, system mit energiespeichereinrichtung und verfahren zum ansteuern einer energiespeichereinrichtung
WO2013092039A1 (de) Stromrichterschaltung
DE10214509A1 (de) Stromrichteranordnung zur Speisung einer dreiphasigen Last aus einem einphasigen Netz
DE102021205290A1 (de) Halbbrücke, Leistungsmodul und Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs mit einer integrierten DC-Störsignal-reduzierenden Hilfsschaltung
DE102021104567A1 (de) Umrichter sowie Verfahren zum Betrieb eines Umrichters

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23733650

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1