DE102008004039A1 - Halbleiterschonende Ansteuerung eines Antriebssystems mit einem Pulsstromrichter und einem nachgeschalteten Asynchronmotor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur halbleiterschonenden Ansteuerung eines Antriebssystems (1) mit einem Pulsstromrichter (4) und mindestens einem diesem nachgeschalteten Asynchronmotor (2) angegeben. Danach wird der Pulsstromrichter (4) bei geringer Motorlast des Asynchronmotors (2) mit einer höheren Pulstaktfrequenz (fPWM) betrieben als bei hoher Motorlast. Alternativ oder zusätzlich wird das Antriebssystem (1) bei geringer Motorlast mit einem den Kippschlupf (sK) des Asynchronmotors (2) übersteigender Schlupf (s) betrieben.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Antriebssystems mit einem Pulsstromrichter und mindestens einem diesem nachgeschalteten Asynchronmotor. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein nach diesem Verfahren arbeitendes Antriebssystem.
• Antriebssysteme der oben genannten Art werden unter anderem als Antrieb für Schienenfahrzeuge, z. B. U-Bahn- und Straßenbahntriebwägen, oder Baumaschinen, z. B. zur Drehkranzverstellung bei einem Bagger, eingesetzt.
• Solche Antriebssysteme werden typischerweise bei wechselnder Motorlast, d. h. Drehmomentbelastung des Asynchronmotors, mit punktuellen Hochlastphasen und intermediären Niederlastphasen betrieben. Infolge dieser Lastschwankungen kommt es in den Leistungshalbleitern des Pulsstromrichters zu starken Temperaturschwankungen, die bestimmend für die Lebensdauer der Leistungshalbleiter sind. Aufgrund ihres Aufbaus können die in Pulsstromrichtern üblicherweise eingesetzten Leistungshalbleiter nämlich nur eine begrenzte Anzahl von Temperaturhüben aushalten. Wird diese kritische Grenze überschritten, kommt es zum Ausfall. Bei Leistungshalbleitern in Form von IGBTs sind beispielsweise das Abheben von Bonddrähten und die Delamination von Lötstellen typische Ausfallmuster. Je höher im Betrieb die Temperaturhübe sind, desto geringer ist die zulässige Anzahl von Lastwechseln, und damit die Lebensdauer der Leistungshalbleiter.
• Um einen vorzeitigen Ausfall eines Pulsstromrichters auszuschließen, werden dessen Leistungshalbleiter üblicherweise in Bezug auf ihre Stromtragfähigkeit überdimensioniert, oder es werden mehr Leistungshalbleiter parallel geschaltet als für die angestrebte Maximalleistung erforderlich wären. Alternativ hierzu werden Antriebssysteme der oben genannten Art präventiv instandgehalten, d. h. die Leistungshalbleiter des Pulsstromrichters werden vorsorglich bereits vor Erreichen des zu erwartenden Lebensdauerendes ausgetauscht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur besonders halbleiterschonenden Ansteuerung eines Antriebssystems anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung anzugeben.
• Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach wird der Pulsstromrichter bei geringer Motorlast mit einer höheren Pulstaktfrequenz betrieben als bei hoher Motorlast. Zusätzlich oder alternativ hierzu wird das Antriebssystem bei geringer Motorlast mit einem den Kippschlupf des Asynchronmotors übersteigenden Schlupf betrieben.
• Beide Varianten der Erfindung gehen von der gemeinsamen erfinderischen Grundidee aus, die Leistungshalbleiter des Pulsstromrichters in Phasen geringer Motorlast thermisch besonders stark zu belasten, um einer Abkühlung der Leistungshalbleiter entgegenzuwirken und so die gewöhnlich bei wechselnder Motorlast auftretenden Temperaturhübe zu vermeiden oder zumindest abzuschwächen. Erfindungsgemäß soll aber in den Niederlastphasen trotz gesteigerter Belastung der Leistungshalbleiter im Asynchronmotor ein vorgegebenes Solldrehmoment – insbesondere ein Solldrehmoment mit dem Wert Null – nicht überschritten werden.
• Eine besonders einfache Maßnahme zur erhöhten thermischen Belastung der Leistungshalbleiter, die diesen Anforderungen genügt, besteht erkanntermaßen in einer Erhöhung der Pulstaktfrequenz während der Niederlastphasen. Dieser Variante der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Schaltvorgängen in den Leistungshalbleitern des Pulsstromrichters be sonders viel Verlustwärme anfällt. Die Änderung der Pulstaktfrequenz ist andererseits auch insofern vorteilhaft, als sie keinen Einfluss auf die im Zeitmittel im Asynchronmotor fließenden Ströme hat und somit drehmomentneutral ist.
• Die zweite Variante der Erfindung beruht auf der Idee, in dem Antriebssystem einen vergleichsweise hohen Kurzschlussstrom zu erzeugen, und die Leistungshalbleiter durch diesen Stromfluss in den Niederlastphasen zu „heizen". Eine besonders geeignete Maßnahme zur Erzeugung eines solchen Kurzschlussstroms besteht erkanntermaßen darin, den Asynchronmotor gezielt jenseits seines Kipppunktes zu betreiben. In diesem Bereich arbeitet der Asynchronmotor vergleichsweise ineffektiv, zieht also bei geringer Drehmomentmomentausbeute einen vergleichsweise hohen Strom. Es wird daher für gewöhnlich im Betrieb eines Asynchronmotors versucht, den Kipppunkt nicht zu überschreiten. Erkanntermaßen ist aber gerade die Ineffizienz des gekippten Betriebs in den Niederlastphasen von Vorteil, da sie zu der erfindungsgemäß gewünschten thermischen Belastung der Leistungshalbleiter führt.
• Durch beide Varianten der Erfindung werden die im Betrieb des Asynchronmotors mit wechselnder Last gewöhnlich im Pulsstromrichter auftretenden Temperaturhübe vermieden oder zumindest verringert, wodurch die Lebensdauer der Leistungshalbleiter im Pulsstromrichter entscheidend verlängert wird.
• Der gekippte Betrieb des Asynchronmotors wird in bevorzugter Ausführung des Verfahrens realisiert durch Einstellung einer die Motordrehzahl wesentlich übersteigenden Drehfeldfrequenz, wobei gleichzeitig für die in den Wicklungssträngen der Drehfeldwicklung anliegende Phasenspannung ein vergleichsweise geringer Effektivwert eingestellt wird. Die Drehfeldfrequenz, d. h. die Umlauffrequenz des magnetischen Drehfeldes im Luftspalt zwischen Ständer und Läufer des Motors, übersteigt dabei die Motordrehzahl zweckmäßigerweise um mindestens 20%.
• Insbesondere bei Anwendungen, bei denen der Asynchronmotor im Niederlastbetrieb stillstehen muss, wird der Asynchronmotor hierbei bevorzugt mit 100% Schlupf betrieben. D. h. es wird trotz des Läuferstillstands ein von Null verschiedenes Drehfeld erzeugt. In dieser Ausführung des Verfahrens hat sich eine Drehfeldfrequenz zwischen 30 Hz und 300 Hz, insbesondere etwa 200 Hz als zweckmäßig erwiesen.
• Um in dieser Betriebsart des Motors auch eine geringe Drehmomenterzeugung auszuschließen, wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens die Reihenfolge der Phasenspannungen – und damit die Drehrichtung des Drehfeldes – periodisch alternierend gewechselt. Das von dem Drehfeld auf den Läufer des Asynchronmotors ausgeübte Drehmoment kompensiert sich hierdurch im zeitlichen Mittel zu Null. Diese Verfahrensvariante ist insbesondere vorteilhaft für Anwendungen des Antriebssystems, bei denen der Motor im Niederlastbetrieb stillstehen muss, und der Drehung des Läufers nur ein geringes mechanisches Widerstandsmoment entgegensteht.
• Bei der vorstehend beschriebenen Verfahrensvariante hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Drehrichtung des Drehfeldes mit einer Wechselfrequenz umzukehren, die zwischen 1/10 und 1/30, insbesondere 1/20 der Drehfeldfrequenz entspricht. In bevorzugter Ausführung liegt diese Wechselfrequenz konkret in einem Bereich von 5 Hz bis 20 Hz, insbesondere bei etwa 10 Hz.
• Um unerwünschte Ausgleichsströme bei der Inversion der Drehfeldrichtung zu vermeiden, wird zweckmäßigerweise bei jedem Wechsel der eingestellte Effektivwert der Phasenspannung kurzzeitig auf den Wert Null gefahren. Insbesondere wird der Effektivwert vor jedem Wechsel der Drehfeldrichtung in Form einer Rampe, d. h. im Wesentlichen zeitlich linear von einem vorgegebenen Normalwert auf Null gefahren. Nach dem Wechsel der Drehfeldrichtung wird der Effektivwert wieder rampenförmig, d. h. wieder im Wesentlichen zeitlich linear, von Null auf den Normalwert zurückgefahren.
• In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens wird die Temperatur der Leistungshalbleiter in den Niederlastphasen durch Einstellung des Effektivwerts der Phasenspannung gesteuert oder geregelt. Die Steuerung bzw. die Regelung erfolgt dabei insbesondere nach der Maßgabe, dass die Temperatur der Leistungshalbleiter eine vorgegebene Grenztemperatur nicht unterschreitet oder dass der Temperaturhub im Vergleich zu der Maximaltemperatur in einer vorausgegangenen Hochlastphase einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet. Im Falle einer Regelung wird als Regelgröße zweckmäßigerweise eine für die Temperatur der Leistungshalbleiter charakteristische Temperaturkenngröße herangezogen, bei der es sich entweder um eine gemessene Temperatur oder um eine unter Zuhilfenahme eines Temperaturmodells berechnete Temperatur handelt.
• Zusätzlich oder alternativ hierzu wird zur Steuerung oder Regelung der Temperatur der Leistungshalbleiter in einer weiteren Variante des Verfahrens die Pulstaktfrequenz als Stellgröße variiert.
• In einer vorteilhaften Ausführung umfasst das Verfahren einen Hochlastmodus und einem Niederlastmodus, zwischen denen nach Maßgabe einer Lastkenngröße reversibel geschaltet wird. Der Pulstromrichter wird dabei insbesondere immer dann nach dem Hochlastmodus des Verfahrens angesteuert, wenn die Lastkenngröße einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet (oder unterschreitet), und immer dann nach dem Niederlastmodus angesteuert, wenn die Lastkenngröße den Schwellwert unterschreitet (bzw. überschreitet). Als Lastkenngröße werden hierbei vorzugsweise ein Lastsollwert (insbesondere Drehmomentsollwert), der beispielsweise der Stellung eines „Gaspedals" oder dergleichen entspricht, oder ein Drehzahlsollwert herangezogen.
• Die obige Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11. Danach wird ein Antriebssystem mit einem Pulsstromrichter und mindestens einem diesem nachgeschalteten Asynchronmotor angegeben. Das Antriebssystem umfasst weiterhin eine den Pulsstromrichter ansteuernde Steuereinheit, die schaltungs- und/oder programmtechnisch zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens in einer seiner Varianten ausgebildet ist.
• Die Steuereinheit ist bevorzugt durch einen Mikrocontroller gebildet oder enthält zumindest einen solchen, wobei in diesem Mikrocontroller das vorstehend beschriebene Verfahren in Form eines Steuerprogramms softwaretechnisch implementiert ist.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 in einem schematischen Blockschaltbild ein Antriebssystem mit einem Pulsstromrichter und einem nachgeschaltetem Asynchronmotor, sowie mit einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Pulsstromrichters,
• 2 in einem schematischen Diagramm die Drehmomentkurve des Asynchronmotors, angetragen gegen den Schlupf des Asynchronmotors,
• 3 in einem grob schematisch vereinfachten Blockschaltbild ein in der Steuereinheit implementiertes Steuerprogramm mit einem Hochlastmodus und einem Niederlastmodus, und
• 4 in vier übereinander angeordneten, zeitlichen Diagrammen den Verlauf der Drehstromfrequenz, des Effektivwerts der Phasenspannung, eines Phasenstromes und des im Asynchronmotor erzeugten Drehmoments im Niederlastmodus des Steuerprogramms gemäß 3.
• Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt grob schematisch ein Antriebssystem 1. Das Antriebssystem 1 umfasst einen (Asynchron-)Motor 2, einen zwischen den Motor 2 und einen (Spannungs-)Zwischenkreis 3 ge schalteten Pulsstromrichter 4 sowie eine Steuereinheit 5 zur Ansteuerung des Pulsstromrichters 4.
• Der Motor 2 umfasst einen (in der Darstellung lediglich schematisch angedeuteten) Ständer 6, der mit einer Drehfeldwicklung 7 bewickelt ist. Die Drehfeldwicklung 7 umfasst drei Wicklungsstränge, die nachfolgend als Motorphasen L1, L2 und L3 bezeichnet sind. Die Motorphasen L1, L2, L3 sind motorseitig beispielhaft in einem Sternpunkt 8 zusammengeschlossen. Es kann aber alternativ auch ein in Dreieckschaltung ausgeführter Motor eingesetzt werden. Der in jeder der Motorphasen L1, L2, L3 fließende elektrische Strom ist nachfolgend als Phasenstrom I_L1, I_L2, I_L3 bezeichnet. Die an jeder der Motorphasen L1, L2, L3 anliegende elektrische Spannung ist nachfolgend als Phasenspannung U_L1, U_L2, U_L3 bezeichnet.
• Der Motor 2 umfasst ferner einen Läufer 9, der drehbar um eine Läuferachse 10 in dem Ständer 6 angeordnet ist.
• Der Pulsstromrichter 4 umfasst drei Halbbrücken 11a, 11b, 11c, die parallel zueinander in den Zwischenkreis 3 geschaltet sind. Jede Halbbrücke 11a, 11b, 11c umfasst einen Phasenanschluss 12a, 12b, 12c, an dem die zugehörige Motorphase L1, L2, L3 angeschlossen ist. So sind die Motorphase L1 an dem Phasenanschluss 12a der Halbbrücke 11a, die Motorphase L2 an dem Phasenanschluss 12b der Halbbrücke 11b und die Motorphase L3 an dem Phasenanschluss 12c der Halbbrücke 11c angeschlossen.
• Zwischen dem jeweiligen Phasenanschluss 12a, 12b, 12c und einer Hochpotentialseite 13 des Zwischenkreises 3 umfasst jede Halbbrücke 11a, 11b, 11c einen hochpotentialseitigen Leistungsschalter 14a, 14b, 14c, insbesondere in Form eines IGBT. Jedem dieser Leistungsschalter 14a, 14b, 14c ist jeweils eine Freilaufdiode 15a, 15b, 15c parallelgeschaltet. Zwischen den Phasenanschluss 12a, 12b, 12c einer jeden Halbbrücke 11a, 11b, 11c und eine Niederpotentialseite 16 des Zwischenkreises 3 ist jeweils ein niederpotentialseitiger Leistungsschalter 17a, 17b, 17c geschaltet. Jeder dieser Leistungsschalter 17a, 17b, 17c ist wiederum insbesondere in Form eines IGBT ausgebildet und wird von einer parallelgeschalteten Freilaufdiode 18a, 18b, 18c flankiert. Die Leistungsschalter 14a–c, 17a–c und Freilaufdioden 15a–c, 18a–c bilden zusammen die vorstehend genannten Leistungshalbleiter des Pulsstromrichters 4.
• Die Steuereinheit 5 ist durch einen Mikrocontroller gebildet oder umfasst zumindest einen solchen. In der Steuereinheit 5 ist hierbei ein das nachfolgend näher beschriebene Verfahren automatisch durchführendes Steuerprogramm 19 softwaretechnisch implementiert.
• Die Steuereinheit 5 ist ausgangsseitig mit den Leistungsschaltern 14a, 14b, 14c und 17a, 17b, 17c zur Ausgabe von Stellsignalen Y verschaltet. Eingangsseitig ist der Steuereinheit 5 ein Messwert S des in der Motorphase L3 fließenden Phasenstroms I_L3 zugeführt. Dieser Messwert S wird von einem in die Motorphase L3 geschalteten Messwandler 20 erhoben. Der Steuereinheit 5 ist als weitere Eingangsgröße eine Lastkenngröße X zugeführt, deren Wert beispielsweise mit der Stellung eines mit dem Antriebssystem 1 gekoppelten Betätigungshebels oder „Gaspedals" korreliert ist.
• Der Zwischenkreis 3 führt einen Gleichstrom mit einer im Wesentlichen konstanten Zwischenkreisspannung U_Z. Im Betrieb des Antriebssystems 1 richtet der Pulsstromrichter 4 diesen Gleichstrom in einen in die Motorphasen L1, L2, L3 eingespeisten Drehstrom um, im Rahmen dessen die Phasenströme I_L1, I_L2, I_L3 sinusförmig mit einer Drehstromfrequenz f (auch als Ständerfrequenz bezeichnet) mit überlagerten Oberschwingungen oszillieren. Aufgrund des Drehstroms wird in dem Motor 2 ein den Läufer 9 antreibendes magnetisches Ständerdrehfeld F erzeugt, das mit einer Drehfeldfrequenz n₁ in dem zwischen dem Ständer 6 und dem Läufer 9 gebildeten Luftspalt umläuft. Die Drehfeldfrequenz n₁ verhält sich hierbei zu der Drehstromfrequenz f allgemein gemäß

  

  wobei p die Polpaarzahl der Drehfeldwicklung 7 bezeichnet. Im Folgenden wird aus Vereinfachungsgründen angenommen, dass es sich bei dem Motor 2 um einen zweipoligen Motor (p = 1) handelt. In diesem Fall entspricht die Drehfeldfrequenz n₁ der Drehstomfrequenz f (n₁ = f). Im motorischen Betrieb des Asynchronmotors 2 ist Drehfeldfrequenz n₁ in der Regel größer als die Läuferdrehzahl n, so dass sich das Ständerdrehfeld F gegenüber dem Läufer 9 mit einer Relativdrehzahl Δn = n1 – n GLG 2bewegt.
• Das Verhältnis der Relativdrehzahl Δn zu der Drehfeldfrequenz n₁ wird als Schlupf s bezeichnet:

  
• Der Schlupf s hat also den Wert Null, wenn das Drehfeld F synchron mit dem Läufer 9 umläuft, und den Wert 1 (bzw. 100%), wenn der Läufer 9 bei umlaufendem und von Null verschiedenem Drehfeld F steht.
• Die Steuereinheit 5 steuert die Leistungsschalter 14a, 14b, 14c und 17a, 17b, 17c durch Pulsweitenmodulation der Stellsignale Y an. Die Stellsignale Y umfassen somit Pulse variabler Pulsweite, die mit einer vorgegebenen Pulstaktfrequenz f_PWM periodisch aufeinander folgen. Entsprechend variieren im Betrieb des Antriebssystems 1 auch die Phasenspannungen U_L1, U_L2, U_L3 pulsartig mit der Pulstaktfrequenz f_PWM. Die Stellsignale Y werden von der Steuereinheit 5 dabei derart pulsweitenmoduliert, dass die Phasenspannungen U_L1, U_L2, U_L3 mit ihrer Grundschwingung – d. h. über die Pulstaktdauer 1/f_PWM gemittelt – sinusförmig mit der Drehstromfrequenz f oszillieren. Im Mit tel über die Drehstromperiode 1/f entsprechen die Phasenspannungen U_L1, U_L2, U_L3 einem – von der Steuereinheit 5 durch entsprechende Pulsweitenmodulation der Stellgrößen Y vorgegebenen – Effektivwert U_eff.
• Das von dem Asynchronmotor 2 übertragbare Drehmoment M weist eine charakteristische Abhängigkeit von dem Schlupf s auf, die schematisch in 2 dargestellt ist. Gemäß dieser sogenannten Drehmomentkurve kann ohne Schlupf kein Drehmoment übertragen werden. Bei s = 0 ist also das übertragbare Drehmoment M ebenfalls Null. Für kleine, positive Schlupfwerte (s → 0) steigt das übertragbare Drehmoment M zunächst ungefähr linear mit dem Schlupf s an (M ∝ s). Nach Durchschreiten eines Maximums, dessen zugehöriger Schlupfwert s_K in einem Intervall 0 < s_K < 1 liegt, fällt das übertragbare Drehmoment M dann wiederum ab. Das Maximum der Drehmomentkurve wird als Kipppunkt des Asynchronmotors 2 bezeichnet. Der diesem Maximum zugehörige Wert des Drehmoments M wird als Kippmoment M_K bezeichnet, der zugehörige Schlupfwert wird als Kippschlupf s_K bezeichnet.
• 3 zeigt – grob vereinfacht – den Aufbau des in der Steuereinheit 5 implementierten Steuerprogramms 19. Aus der Darstellung ist zu erkennen, dass das Steuerprogramm 19 einen Hochlastmodus 21 und einen Niederlastmodus 22 umfasst. Ein Entscheidungsmodul 23 schaltet hierbei nach Maßgabe der Lastkenngröße X zwischen dem Hochlastmodus 21 und dem Niederlastmodus 22. Sofern die Lastkenngröße X einen vorgegebenen Grenzwert X₀ überschreitet (X > X₀), wird der Pulsstromrichter 4 im Hochlastmodus 21 betrieben. Ansonsten (X ≤ X₀) wird der Pulsstromrichter 4 im Niederlastmodus 22 betrieben.
• Im Hochlastmodus 21 wird der Pulsstromrichter 4 von der Steuereinheit 5 – wie üblich – derart angesteuert, dass der Schlupf s des Motors 2 den Wert des Kippschlupf s_K nicht überschreitet (s ≤ s_K).
• In einem ersten Anwendungsbeispiel ist das vorstehend beschriebene Antriebssystem 1 als Drehkranzverstellung für einen Bagger eingesetzt. Dabei wird dem Entscheidungsmodul 23 als Lastkenngröße X der Absolutwert eines Drehzahlsollwerts zugeführt. Der zugehörige Grenzwert X₀ ist hierbei auf den Wert Null gesetzt. Der Motor 2 wird somit im Hochlastmodus 21 betrieben, wenn der als Lastkenngröße X vorgegebene Drehzahlsollwert von Null verschieden ist. Dabei wird die Läuferdrehzahl n durch die Steuereinheit 5 auf den Drehzahlsollwert geregelt.
• Der Motor 2 wird dagegen dann im Niederlastmodus 22 betrieben, wenn der als Lastkenngröße X vorgegebene Drehzahlsollwert den Wert Null hat und der Motor 2 somit im Stillstand ist. In diesem Fall wird der Motor 2 gezielt im gekippten Betriebsbereich (s > s_K), nämlich mit einem Schlupf von 100% betrieben. Die Steuereinheit 5 realisiert den gekippten Betrieb durch eine Ansteuerung, deren charakteristische Eigenschaften aus den in 4 dargestellten Diagrammen der Drehstromfrequenz f, des Effektivwertes U_eff der Phasenspannungen U_L1, U_L2, U_L3, des Phasenstroms I_L3 und des auf den Läufer 9 des Motors 2 übertragenen Drehmoments M gegen die Zeit t deutlich wird.
• Danach erzeugt die Steuereinheit 5 durch entsprechende Ansteuerung der Leistungsschalter 14a, 14b, 14c und 17a, 17b, 17c in den Motorphasen L1, L2, L3 Phasenströme I_L1, I_L2, I_L3 mit einem hohen Drehstromfrequenzwert f₀ von vorzugsweise 200 Hz. Gleichzeitig stellt die Steuereinheit 5 den Effektivwert U_eff auf einen vergleichsweise geringen Normalwert U_eff,0 ein. Dies hat zur Folge, dass in den Motorphasen L1, L2, L3 vergleichsweise hohe Phasenströme I_L1, I_L2, I_L3 erzeugt werden – in 4 beispielhaft dargestellt anhand des in der Motorphase L3 fließende Phasenstrom I_L3. Diese Phasenströme I_L1, I_L2, I_L3 bewirken einerseits eine vergleichsweise starke Verlustwärme in den Leistungsschaltern 14a, 14b, 14c und 17a, 17b, 17c, im Motor 2 aber andererseits einen nur sehr geringen Drehmomentwert M₀.
• Wie aus 4 hervorgeht, wird das Vorzeichen der Drehstromfrequenz f periodisch gewechselt mit einer Wechselfrequenz f_w, die 1/20 des Drehstromfrequenzwertes f₀, nämlich etwa 10 Hz, entspricht. Der Vorzeichenwechsel der Drehstromfrequenz f hat zur Folge, dass die Reihenfolge, in der die Oszillation der Strangströme I_L1, I_L2 und I_L3 zeitlich aufeinander folgt, umgekehrt wird. Dies wiederum führt im Motor 2 zu einer Umkehrung der Drehfeldrichtung und – hiermit verbunden – zu einem Vorzeichenwechsel des Drehmoments M. Im zeitlichen Mittel über die Wechselperiode 1/f_w ist somit das Drehmoment M exakt 0, so dass das Antriebssystem 1 auch bei einem sehr schwachen mechanischen Gegenmoment im Niederlastmodus 22 nicht zu laufen beginnt.
• Um unerwünschte Ausgleichsströme beim Umschalten der Drehstromfrequenz f zu vermeiden, wird der Effektivwert U_eff der Phasenspannungen U_L1, U_L2, U_L3 vor jedem Vorzeichenwechsel der Drehstromfrequenz f in einer zeitlich linearen Rampe von dem Normalwert U_eff,0 auf den Wert Null gefahren. Nach dem Vorzeichenwechsel der Drehstromfrequenz f wird der Effektivwert U_eff – wiederum zeitlich linear – auf den Normalwert U_eff,0 zurückgefahren.
• In einem weiteren Anwendungsbeispiel ist das Antriebssystem 1 als Antrieb für einen Triebwagen einer U-Bahn oder Straßen-Bahn vorgesehen. In diesem Fall wird als Lastkenngröße X ein Lastsollwert herangezogen, der beispielsweise der Stellung eines „Gaspedals" oder eines entsprechenden Befehlsgebers entspricht. Der zugehörige Grenzwert X₀ entspricht hierbei beispielsweise einer voreingestellten Leerlauflast des Motors 2. Der Motor 2 wird in diesem Fall also während des Leerlaufs im Niederlastmodus 22 gefahren, bei einer Beschleunigung des Motors 2 dagegen im Hochlastmodus 21.
• In dieser Anwendung unterscheiden sich der Hochlastmodus 21 und der Niederlastmodus 22 insbesondere durch die Einstellung der Pulstaktfrequenz f_PWM. Im Hochlastmodus 21 betreibt die Steuereinheit 5 den Pulsstromrichter 4 mit einer konstanten Pulstaktfrequenz f_PWM von beispielsweise 500 Hz. Im Niederlastmodus 22 wird die Pulstaktfrequenz f_PWM in einem Bereich zwischen 500 Hz und 5000 Hz nach Maßgabe einer Temperaturkenngröße geregelt. Als Temperaturkenngröße wird hierbei z. B. eine im Bereich eines Leistungsschalters 14a, 14b, 14c oder 17a, 17b, 17c gemessene Temperatur herangezogen.
• In einer vereinfachten Variante des vorstehend beschriebenen Anwendungsbeispiels wird die Pulstaktfrequenz f_PWM im Niederlastmodus 22 auf einen konstanten, gegenüber dem Hochlastmodus 21 erhöhten Wert von z. B. 2000 H_Z hochgesetzt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Antriebssystems (1) mit einem Pulsstromrichter (4) und mindestens einem diesem nachgeschalteten Asynchronmotor (2), wobei der Pulsstromrichter (4) bei geringer Motorlast des Asynchronmotors (2) mit einer höheren Pulstaktfrequenz (f_PWM) betrieben wird als bei hoher Motorlast und/oder wobei das Antriebssystem (1) bei geringer Motorlast mit einem den Kippschlupf (s_K) des Asynchronmotors (2) übersteigenden Schlupf (s) betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Asynchronmotor (2) bei geringer Motorlast mit 100% Schlupf (s) betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Asynchronmotor (2) bei geringer Motorlast mit einer Drehfeldfrequenz (n₁) betrieben wird, die die Läuferdrehzahl (n) des Asynchronmotors (2) um mindestens 20 % übersteigt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Asynchronmotor (2) bei geringer Motorlast im Motorstillstand mit einer Drehfeldfrequenz (n₁) zwischen 30 Hz und 300 Hz, insbesondere mit etwa 200 Hz betrieben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei bei geringer Motorlast die Drehrichtung des im Asynchronmotor (2) erzeugten magnetischen Drehfeldes (F) periodisch alternierend gewechselt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Drehrichtung des Drehfeldes (F) mit einer Wechselfrequenz (f_W) gewechselt wird, die zwischen 1/10 und 1/30, insbesondere 1/20 der Drehfeldfrequenz (n₁) entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei bei jedem Wechsel der Drehfeldrichtung ein Effektivwert (U_eff) der oder jeder Phasenspannung (U_L1, U_L2, U_L3) kurzzeitig auf den Wert Null gefahren wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Effektivwert (U_eff) vor jedem Wechsel der Drehfeldrichtung im Wesentlichen linear von einem vorgegebenen Normalwert (U_eff,0) auf den Wert Null, und nach dem Wechsel der Drehfeldrichtung im Wesentlichen linear von Null zurück auf den Normalwert (U_eff,0) gefahren wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Effektivwert (U_eff) derart gesteuert oder geregelt wird, dass die Temperatur der Leistungshalbleiter (14a, 14b, 14c, 17a, 17b, 17c, 15a, 15b, 15c, 18a, 18b, 18c) des Pulsstromrichters (4) bei geringer Motorlast eine vorgegebene Grenztemperatur nicht unterschreitet oder gegenüber einer Maximaltemperatur in einer vorausgegangenen Hochlastphase einen vorgegebenen Grenztemperaturhub nicht überschreitet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Pulstaktfrequenz (f_PWM) derart gesteuert oder geregelt wird, dass die Temperatur der Leistungshalbleiter (14a, 14b,14c, 17a, 17b, 17c, 15a, 15b, 15c, 18a, 18b, 18c) des Pulsstromrichters (4) bei geringer Motorlast eine vorgegebene Grenztemperatur nicht unterschreitet oder gegenüber der Maximaltemperatur in einer vorausgegangenen Hochlastphase einen vorgegebenen Grenztemperaturhub nicht überschreitet.
11. Antriebssystem (1) mit einem Pulsstromrichter (4) und mindestens einem diesem nachgeschalteten Asynchronmotor (2), sowie mit einer den Pulsstromrichter (4) ansteuernden Steuereinheit (5), wobei die Steuereinheit (5) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.