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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen
Maschine, die zumindest zwei elektrisch getrennte Statorwicklungen
aufweist, wobei die erste Statorwicklung über einen ersten Teilumrichter
gespeist wird, und die zweite Statorwicklung über einen zweiten Teilumrichter
gespeist wird, und wobei der erste und der zweite Teilumrichter
mittels getakteter Signale gesteuert werden.
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Derartige
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine werden beispielsweise
als Komponente einer elektronischen Steuerung in Fahrzeugen, wie
beispielsweise Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen, eingesetzt.
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Hybridfahrzeuge
sind Fahrzeuge, die über zwei
separate Antriebssysteme verfügen.
In der Regel sind dies eine elektrische Maschine und ein Verbrennungsmotor,
die durch eine elektronische Steuerung koordiniert werden. Die elektronische
Steuerung besteht u. a. aus einem Umrichter, der im Antriebsstrang
des Hybridfahrzeuges angeordnet ist und wahlweise als Gleichrichter
oder Wechselrichter betrieben werden kann und der elektrischen Maschine
Energie in geeigneter Form zur Verfügung stellt.
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Üblicherweise
werden elektrische Maschinen als mehrphasige Maschinen mit einer
Anzahl von nph Phasen, beispielsweise drei
Phasen (nph = 3), ausgeführt. Dementsprechend muss eine
Spannungsquelle über
nph elektrische Anschlüsse, beispielsweise drei elektrische
Anschlüsse,
mit der elektrischen Maschine verbunden werden. Elektrische Maschinen
können
aber auch eine andere Anzahl von Phasen, wie beispielsweise vier,
und dementsprechend viele elektrischen Anschlüsse aufweisen.
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Bei
vielen Anwendungen kommt für
den elektrischen Betrieb einer solchen elektrischen Maschine ein
Umrichter zum Einsatz. Ein Umrichter ist typischerweise so aufgebaut,
dass die Gleichspannung eines Zwischenkreiskondensators durch Schalter,
wie beispielsweise Halbleiterbauelemente bzw. -schalter, auf die
Statorwicklungen der elektrischen Maschine geschaltet wird. Dies
geschieht meist getaktet, d. h. pulsweitenmodulierte Signale betätigen die
Schalter, die durch antiparallele Dioden ergänzt werden. Der Zwischenkreiskondensator
ist über
eine Zuleitung mit einer Gleichspannungsquelle, wie beispielsweise
einer Batterie, verbunden.
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Um
das benötigte
Drehmoment der elektrischen Maschine zu erzeugen, sind hohe Motorphasenströme erforderlich.
Um diese zu schalten, sind aufwändige
Schalter zu dimensionieren, beispielsweise durch Parallelschaltung
mehrerer Schalter mit kleinerer Stromtragfähigkeit, wie beispielsweise
IGBTs oder MOSFETs. Solche Paralleleschaltungen sind aber oftmals
nicht leicht zu beherrschen.
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Besonders,
wenn die Kapazität
des Zwischenkreiskondensators klein ist, entstehen bei den Schaltvorgängen Über- und
Unterspannungsspitzen, die zum einen die Regelung der Motorphasenströme erschweren,
zum anderen auf der Zuleitung zur Gleichspannungsquelle so genannte
Rippleströme erzeugen.
Die Zwischenkreisspannung bricht ein, wobei der Einbruch der Zwischenkreisspannung
des Umrichters umso größer ist,
je größer der
Motorphasenstrom ist, der geschaltet wird. Ferner sind solche Rippleströme nachteilig,
da sie beispielsweise eine Erwärmung
der Gleichspannungsquelle über
deren Innenwiderstand bewirken können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer
elektrischen Maschine bereitzustellen, welches auch bei hohen Motorphasenströmen einen
optimalen Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die
Statorwicklung der elektrischen Maschine, insbesondere eines dreiphasigen
Drehstrommotors, wird in mehrere einzelne Statorwicklungen unterteilt.
Die elektrische Maschine weist zumindest zwei elektrisch getrennte
Statorwicklungen auf. Die getrennten Statorwicklungen werden zu
so genannten „Teilmotoren" zusammengefasst.
Jedem Teilmotor kann nun ein separater Teilumrichter zugeordnet werden.
Jeder Teilumrichter schaltet die Motorphasenströme des entsprechenden Teilmotors,
der ihm zugeordnet wurde. Somit sind durch den Teilumrichter bzw.
dessen Schalter nicht die Motorphasenströme des gesamten Elektromotors
zu schalten, sondern nur die Motorphasenströme des Teilmotors. Diese Motorphasenströme der Teilmotoren
sind entsprechend der Anzahl der Teilmotoren kleiner als die Motorphasenströme des gesamten
Elektromotors. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Teilumrichter
in getrennten Gehäusen
oder in einem Gehäuse
verbaut sind. Sind die Teilumrichter in einem Gehäuse verbaut,
so können
verschiedene Komponenten gemeinsam genutzt werden, wie beispielsweise
der Zwischenkreiskondensator oder die Regelungs- bzw. Signalverarbeitungseinheit.
Selbstverständlich
kann eine elektrische Maschine in beliebig viele Teilmotoren und
somit Teilumrichter getrennt bzw. unterteilt werden. Weiterhin ist
es ebenso möglich,
dass im Elektromotor mehrere Statorwicklungen eines Teilmotors zusätzlich parallel
verschaltet werden.
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Erfindungsgemäß werden
der erste und der zweite Teilumrichter jeweils mittels getakteter
Signale gesteuert, wobei die Steuerung mittels versetzt getakteter
Signale erfolgt. Die Teilumrichter werden also versetzt getaktet,
was bedeutet, dass die Ansteuersignale für die Schalter der Teilumrichter
so erzeugt werden, dass diese nicht gleichzeitig, sondern nacheinander
geschaltet werden.
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Entsprechend
der Anzahl der Phasen einer Statorwicklung der elektrischen Maschine
wird der zugehörige
Teilumrichter mit getakteten Signalen angesteuert. Weist die erste
Statorwicklung beispielsweise zwei Phasen auf, so wird der erste
Teilumrichter mit zumindest einem ersten und einem zweiten getakteten
Signal gesteuert. Ebenso wird der zweite Teilumrichter mit zumindest
einem ersten und einem zweiten getakteten Signal gesteuert, wenn
die zweite Statorwicklung ebenso zwei Phasen aufweist. Erhöht sich
die Anzahl der Phasen einer Statorwicklung, so erhöht sich
entsprechend die Anzahl der getakteten Signale des dazugehörigen Teilumrichters.
Die getakteten Signale sowohl des ersten Teilumrichters als auch
des zweiten Teilumrichters weisen zudem Symmetriezentren auf.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, dass die Symmetriezentren der getakteten
Signale des ersten Teilumrichters gegenüber den Symmetriezentren der
getakteten Signale des zweiten Teilumrichters versetzt werden.
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Insbesondere
ist die Versetzung V der Symmetriezentren V = TPWM/mteil, wobei TPWM die
Periodendauer des Signal-Grundtaktes ist und mteil die
Anzahl der Teilmotoren ist.
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Die
Versetzung V der Symmetriezentren kann aber auch V < TPWM/mteil bzw. V > TPWM/mteil sein, wobei TPWM die
Periodendauer des Signal-Grundtaktes ist und mteil die
Anzahl der Teilmotoren ist.
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Vorzugsweise
kann die Versetzung V der Symmetriezentren zusätzlich zeitlich variiert werden.
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Die
Ansteuersignale für
die Teilumrichter, bzw. die Schalter der Teilumrichter, werden vorteilhafterweise
symmetrisch pulsweitenmoduliert erzeugt, d. h. die getakteten Signale
sind symmetrische pulsweitenmodulierte Signale. Es können jedoch auch
andere getaktete Signale verwendet werden.
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Die
erste Phase der ersten bzw. zweiten Statorwicklung wird dabei dem
ersten getakteten Signal des ersten bzw. zweiten Teilumrichters
zugeordnet und die zweite Phase der ersten bzw. zweiten Statorwicklung
wird dem zweiten getakteten Signal des ersten bzw. zweiten Teilumrichters
zugeordnet.
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Insbesondere
wird jedem getakteten Signal, und somit jeder Phase, ein Taktverhältnis T
von T = PWMon/TPWM zugeordnet,
wobei PWMon die Dauer des eingeschalteten
Zustands des jeweiligen getakteten Signals und TPWM die
Periodendauer des Signal-Grundtaktes ist.
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Mit
besonderem Vorteil weisen das erste getaktete Signal des ersten
Teilumrichters und das erste getaktete Signal des zweiten Teilumrichters
das gleiche Tastverhältnis
auf sowie das zweite getaktete Signal des ersten Teilumrichters
und das zweite getaktete Signal des zweiten Teilumrichters das gleiche Taktverhältnis auf.
Das bedeutet, dass die erste Phase des ersten Teilmotors mit dem
gleichen getakteten Signal, d. h. Signal mit gleichem Taktverhältnis, angesteuert
wird wie die erste Phase des zweiten Teilmotors. Werden die Tastverhältnisse
gleich gewählt,
so kann der gesamte Aufbau der elektrischen Maschine bzw. der Teilumrichter
mit kleinerem Aufwand realisiert werden. Die Tastverhältnisse
werden beispielsweise für
einen Teilmotor mit einem dreiphasigen Stromregler berechnet und
können
dann für
alle weiteren Teilmotoren verwendet werden.
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Es
ist aber ebenso möglich,
die jeweils erste Phase der Teilmotoren mit getakteten Signalen
mit unterschiedlichen Tastverhältnissen
anzusteuern. Der Vorteil unterschiedlich gewählter Tastverhältnisse
besteht darin, dass Unsymmetrien der Teilmotor-Statorwicklungen,
beispielsweise durch Regelung der Motorphasenströme der Teilmotoren, ausgeglichen
werden können.
Weiterhin können
die Schalter aller Teilumrichter näher an ihrer Leistungsgrenze betrieben
werden.
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Vorzugsweise
ist die elektrische Maschine als Drehstrommotor ausgebildet und
für den
Einbau in einem Kraftfahrzeug vorgesehen.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden die Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf
alle Ausführungsbeispiele übertragbar.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung mit Gleichspannungsquelle, Zwischenkreiskondensator,
Umrichter und elektrischer Maschine;
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2 eine
schematische Darstellung eines Drehstrommotors mit zwei getrennten
Statorwicklungen;
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3 eine
schematische Darstellung eines Drehstrommotors mit zwei getrennten
Statorwicklungen und zwei getrennten Teilumrichtern;
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4 den
zeitlichen Verlauf getakteter Signale eines Teilumrichters;
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5 den
zeitlichen Verlauf getakteter Signale mehrerer Teilumrichter mit
versetzten Symmetriezentren.
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Zur
besseren Verständlichkeit
der Beschreibung werden für
gleiche Elemente in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung mit einer Gleichspannungsquelle G, einem
Zwischenkreiskondensator K, einem Umrichter U und einer elektrischer
Maschine M.
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Die
elektrische Maschine M ist als mehrphasige Maschine mit einer Anzahl
von drei Phasen ausgeführt.
Dementsprechend muss eine Spannungsquelle G über drei elektrische Anschlüsse mit
der elektrischen Maschine M verbunden werden. Der Umrichter U ist
zwischen Spannungsquelle G, die beispielsweise als Batterie ausgebildet
ist, und elektrischer Maschine M angeordnet. Der Umrichter U ist so
aufgebaut, dass die Gleichspannung des Zwischenkreiskondensators
K durch die Schalter S auf die elektrische Maschine M, insbesondere
die in 1 nicht gezeigten Statorwicklungen, geschaltet wird.
Dies geschieht meist getaktet, d. h. pulsweitenmodulierte Signale
betätigen
die Schalter S, die durch die antiparallelen Dioden D ergänzt werden. Der
Kondensator K ist über
die Zuleitungen L mit der Spannungsquelle G verbunden.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Drehstrommotors M mit zwei getrennten
Statorwicklungen W1 und W2. Die getrennten Statorwicklungen W1 und
W2 werden zu so genannten „Teilmotoren" zusammengefasst.
Die Statorwicklung W1 entspricht dabei einem nicht dargestellten
Teilmotor 1 und die Statorwicklung W2 einem nicht dargestellten
Teilmotor 2.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Drehstrommotors M mit zwei getrennten
Statorwicklungen W1 und W2 und zwei getrennten Teilumrichtern U1
und U2. Wie bereits ausgeführt,
werden die getrennten Statorwicklungen W1 und W2 zu Teilmotoren
zusammengefasst. Jedem Teilmotor bzw. Statorwicklung kann nun ein
separater Teilumrichter zugeordnet werden. Die Statorwicklung W1
ist mit dem Teilumrichter U1 und die Statorwicklung W2 mit dem Teilumrichter
U2 verbunden. Die Teilumrichter U1 und U2 sind jeweils mit der Spannungsquelle G
verbunden.
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Jeder
Teilumrichter schaltet die Motorphasenströme des entsprechenden Teilmotors,
der ihm zugeordnet wurde. Der Teilumrichter U1 schaltet die Statorwicklung
W1 und der Teilumrichter U2 schaltet die Statorwicklung W2. Somit
sind durch den Teilumrichter U1 bzw. U2 nicht die Motorphasenströme des gesamten
Elektromotors M zu schalten, sondern nur die Motorphasenströme des Teilmotors
W1 bzw. W2.
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4 zeigt
den zeitlichen Verlauf t der getakteten Signale PWM1, PWM2 und PWM3
eines nicht dargestellten Teilumrichters. Die getakteten Signale PWM1,
PWM2 und PWM3 weisen die Symmetriezentren Z1, Z2 und Z3 auf. Innerhalb
der Symmetriezentren haben die Signale PWM1, PWM2 und PWM3 den gleichen
Zustand. Sowohl im Symmetriezentrum Z1 als auch in den Symmetriezentren
Z2 und Z3 befinden sich die Signale PWM1, PWM2 und PWM3 im eingeschalteten
Zustand. Wie in 4 zu sehen, werden die Ansteuersignale
PWM1, PWM2 und PWM3 symmetrisch pulsweitenmoduliert erzeugt. TPWM bezeichnet die Periodendauer des Signal-Grundtaktes.
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5 zeigt
den zeitlichen Verlauf der getakteten Signale PWM1, PWM2 und PWM3
von vier, nicht dargestellten, Teilumrichtern und somit vier Teilmotoren
Mot1, Mot2, Mot3 und Mot4 mit versetzten Symmetriezentren Z1 und
Z2. Jeder Teilmotor Mot1 bis Mot4 wird jeweils mittels versetzt
getakteter Signale gesteuert. Die Ansteuersignale PWM1 bis PWM3
werden so erzeugt, dass die Teilmotoren Mot1 bis Mot4 nicht gleichzeitig
geschaltet werden, sondern nacheinander. Dies erfolgt insbesondere
dadurch, dass die Symmetriezentren Z1 und Z2 der getakteten Signale
PWM1 bis PWM3 des ersten Teilmotors Mot1 gegenüber den Symmetriezentren Z1
und Z2 der getakteten Signale PWM1 bis PWM3 der Teilmotoren Mot2,
Mot3 und Mot4 versetzt werden. Die Versetzung V der Symmetriezentren
der vier Teilmotoren Mot1 bis Mot4 ist gleich V = TPWM/mteil wobei TPWM die
Periodendauer des Signal-Grundtaktes ist und mteil die
Anzahl der Teilmotoren ist. Weiterhin ist in 5 gut zu
erkennen, dass die jeweils ersten getaktete Signale PWM1 der vier
Teilmotoren Mot1 bis Mot4 identisch sind, d. h. sie weisen das gleiche
Tastverhältnis
auf. Ebenso sind die jeweils zweiten und dritten Signale PWM2 und
PWM3 identisch, d. h. auch diese weisen das gleiche Tastverhältnis auf. Das
Tastverhältnis
T ergibt sich aus T = PWMon/TPWM, wobei
PWMon die Dauer des eingeschalteten Zustands
des jeweiligen getakteten Signals und TPWM die
Periodendauer des Signal-Grundtaktes ist.
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Bezugszeichenliste
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- D
- Diode
- G
- Gleichspannungsquelle
- I
- Motorphasenstrom
- K
- Zwischenkreiskondensator
- L
- Zuleitung
- M
- Elektrische Maschine
(Drehstrommotor)
- Mot1
- Teilmotor 1
- Mot2
- Teilmotor 2
- Mot3
- Teilmotor 3
- Mot4
- Teilmotor 4
- mteil
- Anzahl Teilmotoren
- PWM1
- Signal 1 (pulsweitenmoduliert
erzeugtes Signal)
- PWM2
- Signal 2 (pulsweitenmoduliert
erzeugtes Signal)
- PWM3
- Signal 3 (pulsweitenmoduliert
erzeugtes Signal)
- PWMon
- Signal im eingeschalteten
Zustand
- S
- Schalter
- T
- Tastverhältnis
- TPWM
- Periodendauer des
Signal-Grundtaktes
- t
- Zeit
- U
- Umrichter
- U1
- Teilumrichter 1
- U2
- Teilumrichter 2
- V
- Versetzung
- W1
- Statorwicklung 1 (Teilmotor
1)
- W2
- Statorwicklung 2 (Teilmotor
2)
- Z1
- Symmetriezentrum 1
- Z2
- Symmetriezentrum 2
- Z3
- Symmetriezentrum 3