DE102011003940A1 - System mit einer elektrisch erregten Maschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System mit einer n-phasigen fremderregten elektrischen Maschine (1), mit n ≥ 1, einem steuerbaren ersten Energiespeicher (2), welcher n parallele Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c) aufweist, wobei jeder der Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c) einen ersten Anschluss (3a, 3b, 3c), welcher mit jeweils einem Phasenanschluss (1a, 1b, 1c) der elektrischen Maschine (1) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss (4a, 4b, 4c), welcher jeweils mit einer gemeinsamen Bezugsschiene (9) verbunden ist, aufweist, wobei die Bezugsschiene (9) über eine Erregerwicklung (11) der elektrischen Maschine (1) mit dem Sternpunkt (10) der elektrischen Maschine (1) verbunden ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein System mit einer elektrisch erregten Maschine, welche mit Hilfe eines steuerbaren ersten Energiespeichers gesteuert und mit elektrischer Energie versorgt wird, sowie ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Systems.
- Stand der Technik
- Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z. B. Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. In herkömmlichen Anwendungen wird, wie beispielsweise in
1 gezeigt, eine elektrische Maschine101 , welche z. B. als Drehfeldmaschine ausgeführt ist, über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters102 gesteuert. Kennzeichnend für derartige Systeme ist ein sogenannter Gleichspannungszwischenkreis103 , über welchen ein Energiespeicher104 , in der Regel eine Traktionsbatterie, an die Gleichspannungsseite des Pulswechselrichters102 angeschlossen ist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden mehrere Batteriezellen105 in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Energiespeicher104 bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen105 fließen muss und eine Batteriezelle105 nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. - Die Serienschaltung mehrerer Batteriezellen bringt neben einer hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass der gesamte Energiespeicher ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil dann kein Batteriestrom mehr fließen kann. Ein solcher Ausfall des Energiespeichers kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Fahrzeug kann ein Ausfall der Antriebsbatterie zum ”Liegenbleiben” des Fahrzeugs führen. Bei anderen Anwendungen, wie z. B. der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen, kann es bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie z. B. starkem Wind, sogar zu sicherheitsgefährdenden Situationen kommen. Daher ist stets eine hohe Zuverlässigkeit des Energiespeichers anzustreben, wobei mit ”Zuverlässigkeit” die Fähigkeit eines Systems bezeichnet wird, für eine vorgegebene Zeit fehlerfrei zu arbeiten.
- In den älteren Anmeldungen
DE 10 2010 027 857.2 undDE 10 2010 027 861.0 sind Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen beschrieben, welche direkt an eine elektrische Maschine anschließbar sind. Die Batteriemodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen auf, wobei jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Batteriemodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Batteriemodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z. B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der elektrischen Maschine erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in die Batterie integriert. Zum Zwecke der Offenbarung werden diese beiden älteren Anmeldungen vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung einbezogen. - Im Gegensatz zu konventionellen Systemen steht am Ausgang des Batteriesystems keine konstante Gleichspannung zur Verfügung, die beispielsweise zur Speisung einer Erregerwicklung einer fremderregten elektrischen Maschine eingesetzt werden kann.
- Offenbarung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform ein System mit einer n-phasigen fremderregten elektrischen Maschine, mit n ≥ 1, einem steuerbaren ersten Energiespeicher, welcher n parallele Energieversorgungszweige aufweist, wobei jeder der Energieversorgungszweige einen ersten Anschluss, welcher mit jeweils einem Phasenanschluss der elektrischen Maschine verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, welcher jeweils mit einer gemeinsamen Bezugsschiene verbunden ist, aufweist, wobei die Bezugsschiene über eine Erregerwicklung der elektrischen Maschine mit dem Sternpunkt der elektrischen Maschine verbunden ist.
- Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit einer n-phasigen fremderregten elektrischen Maschine, mit n ≥ 1, und einem steuerbaren ersten Energiespeicher, welcher n parallele Energieversorgungszweige aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Gleichspannungsanteils an jedem der Energieversorgungszweige, des Einspeisens des Gleichspannungsanteils in die Phasenanschlüsse der n-phasigen elektrischen Maschine, und des Speisens einer Erregerwicklung der elektrischen Maschine mit dem in die Phasenanschlüsse eingespeisten Gleichspannungsanteil zum Erzeugen eines Erregerfeldes in der elektrischen Maschine.
- Vorteile der Erfindung
- Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erregerwicklung einer fremderregten elektrischen Maschine über den Sternpunkt der elektrischen Maschine zu speisen. Dadurch kann eine Verschaltung der Erregerwicklung mit dem Sternpunkt innerhalb der elektrischen Maschine erfolgen, so dass ein externer Motoranschluss im erfindungsgemäßes System nicht mehr notwendig ist. Sämtliche zum Betrieb der elektrischen Maschine notwendigen Komponenten sind dabei bereits in dem Energiespeichermodul vorhanden, so dass keine weiteren Komponenten zur Speisung der Erregerwicklung notwendig sind.
- Eine weitere Idee der vorliegenden Erfindung ist es, durch eine einfache Ansteuerung von Energiespeichermodulen in den Energieversorgungszweigen das Potential im Sternpunkt einer elektrischen Maschine zu verändern, um den Strom durch die Erregerwicklung der elektrischen Maschine variieren und damit die Erregung der Maschine ändern zu können. Die Ansteuerverfahren können in einfacher Weise in bestehende Ansteuerkonzepte zur Ansteuerung der Statorwicklungen der elektrischen Maschine integriert werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein System in jedem der n parallelen Energieversorgungszweige mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen. Die Koppeleinheiten können dabei in Vollbrückenschaltung oder in Halbbrückenschaltung ausgestaltet sein, je nachdem, ob eine Umkehrung der Stromrichtung in den Energieversorgungszweigen gewünscht ist oder nicht. Ein Teil der in Reihe geschalteten Energiespeichermodule kann über die Koppeleinheiten so gesteuert werden, dass in jedem der Energieversorgungszweige auf die abgegebene Versorgungsspannung ein Gleichstromanteil beaufschlagt wird. Dieser Gleichstromanteil kann dann über die Phasenanschlüsse und den Sternpunkt der elektrischen Maschine in die Erregungswicklung eingespeist werden. Dadurch kann das Potential im Sternpunkt mehrstufig variiert werden. Durch entsprechendes Takten von mindestens einem Energiespeichermodul kann das Potential am Sternpunkt auch stufenlos eingestellt werden.
- Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Systems mit elektrischer Maschine aus dem Stand der Technik, -
2 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen Maschine und einem steuerbaren Energiespeicher, -
3 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen Maschine und einem steuerbaren Energiespeicher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und -
4 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen Maschine und einem steuerbaren Energiespeicher gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
2 zeigt ein System mit einer elektrischen Maschine1 und einem steuerbaren Energiespeicher2 . Die elektrische Maschine1 ist beispielhaft als dreiphasige elektrische Maschine1 dargestellt, die über einen steuerbaren ersten Energiespeicher2 mit Energie versorgt wird. Der steuerbare erste Energiespeicher2 umfasst drei Energieversorgungszweige2a ,2b ,2c , welche einerseits mit einem Bezugspotential9 (Bezugsschiene), welches in den dargestellten Ausführungsformen in Bezug auf Phasen U, V, W der elektrischen Maschine1 ein mittleres Potential führt, über Anschlüsse4a ,4b ,4c , und andererseits jeweils mit den einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine1 verbunden sind. Dabei ist ein Anschluss3a eines ersten Energieversorgungszweiges2a mit einem ersten Phasenanschluss1a der elektrischen Maschine1 , ein Anschluss3b eines zweiten Energieversorgungszweiges2b mit einem zweiten Phasenanschluss1b der elektrischen Maschine1 , und ein Anschluss3c eines dritten Energieversorgungszweiges2c mit einem dritten Phasenanschluss1c der elektrischen Maschine1 gekoppelt. Jeder der Energieversorgungszweige2a ,2b ,2c weist in Reihe geschaltete Energiespeichermodule5a ,6a bzw.5b ,6b bzw.5c ,6c auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule pro Energieversorgungszweig2a ,2b ,2c in2 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen ebenso möglich ist. - Die Energiespeichermodule
5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c wiederum umfassen jeweils mehrere in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherzellen in einer Energiespeicherzelleneinrichtung7 . Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen in einer Energiespeicherzelleneinrichtung7 in2 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen ebenso möglich ist. Die Energiespeichermodule5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c umfassen des Weiteren jeweils eine Koppeleinheit8 , welche den Energiespeicherzellen7 des jeweiligen Energiespeichermoduls5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c zugeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Koppeleinheiten und die Energiespeicherzelleneinrichtungen nur in dem Energiespeichermodul5c mit Bezugszeichen versehen. Es versteht sich jedoch, dass die Energiespeichermodule5a ,5b ,6a ,6b ,6c ähnliche Koppeleinheiten und Energiespeicherzelleneinrichtungen umfassen können. - In den dargestellten Ausführungsvarianten werden die Koppeleinheiten
8 jeweils durch vier steuerbare Schaltelemente gebildet, welche in Form einer Vollbrücke verschaltet sind. Die Schaltelemente können dabei als Leistungshalbleiterschalter, z. B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein. Es kann jedoch auch möglich sein, die Koppeleinheiten8 jeweils als Halbbrückenschaltung mit lediglich jeweils zwei Schaltelementen auszubilden. Halbbrückenschaltungen bieten den Vorteil, aufgrund der geringeren Schaltelementzahl geringere Leistungverluste aufzuweisen, haben jedoch den Nachteil, dass die Spannung an den Ausgangsanschlüssen3a ,3c der Energieversorgungszweigen nicht umgepolt werden kann. - Im beispielhaft dargestellten Fall einer Vollbrückenschaltung ermöglichen es die Koppeleinheiten
8 , den jeweiligen Energieversorgungszweig2a ,2b ,2c durch Öffnen aller Schaltelemente einer Koppeleinheit8 zu unterbrechen. Alternativ können die Energiespeicherzellen7 durch Schließen von jeweils zwei der Schaltelemente einer Koppeleinheit8 entweder überbrückt oder in den jeweiligen Energieversorgungszweig2a ,2b ,2c geschaltet werden. - Die Gesamt-Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige
2a ,2b ,2c werden durch den jeweiligen Schaltzustand der steuerbaren Schaltelemente der Koppeleinheiten8 bestimmt und können stufig eingestellt werden. Die Stufung ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der Spannung der einzelnen Energiespeichermodule5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c . - Die Koppeleinheiten
8 erlauben es damit, die Phasen U, V, W der elektrischen Maschine1 entweder gegen ein hohes Bezugspotential oder ein niedriges Bezugspotential zu schalten und können insofern auch die Funktion eines bekannten Wechselrichters erfüllen. Damit können Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine1 bei geeigneter Ansteuerung der Koppeleinheiten8 durch den steuerbaren ersten Energiespeicher2 gesteuert werden. Der steuerbare erste Energiespeicher2 erfüllt also insofern eine Doppelfunktion, da er einerseits der elektrischen Energieversorgung andererseits aber auch der Steuerung der elektrischen Maschine1 dient. - Die elektrische Maschine
1 weist Statorwicklungen auf, die in bekannter Weise in Sternschaltung miteinander verschaltet sind. Die elektrische Maschine1 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen als dreiphasige Drehstrommaschine ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen. Nach der Phasenanzahl der elektrischen Maschine richtet sich dementsprechend die Anzahl der Energieversorgungszweige2a ,2b ,2c in dem steuerbaren ersten Energiespeicher2 . -
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen Maschine1 und einem steuerbaren Energiespeicher2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in3 dargestellte System unterscheidet sich von dem in2 dargestellten System lediglich darin, dass an einem Sternpunkt10 der elektrischen Maschine1 eine Erregerwicklung11 angeschlossen ist, die wiederum über die Bezugsschiene9 jeweils mit den Anschlüssen4a ,4b ,4c des steuerbaren Energiespeichers2 verbunden ist. - Bei konventioneller Ansteuerung des steuerbaren ersten Energiespeichers
2 liegt an dem Sternpunkt10 ein mittleres Potential an. Dieses Potential kann jedoch dadurch verschoben werden, dass jeweils die Energiespeicherzellen7 eines oder mehrerer Energiespeichermodule5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c eines jeden Energieversorgungszweiges2a ,2b ,2c durch entsprechende Ansteuerung der zugehörigen Koppeleinheiten8 dauerhaft oder getaktet mit positiver oder negativer Polung in den jeweiligen Energieversorgungszweig2a ,2b ,2c geschaltet werden. Die Spannungen an den Energieversorgungszweigen2a ,2b ,2c werden somit jeweils auf einen Wert erhöht bzw. erniedrigt, welcher überhalb bzw. unterhalb eines aktuell zur Energieversorgung der elektrischen Maschine1 benötigten Spannungswerts liegt. - Über diese Erhöhung bzw. Erniedrigung der Spannungen an den Energieversorgungszweigen
2a ,2b ,2c kann ein Gleichspannunganteil über die Phasenanschlüsse1a ,1b ,1c in den Sternpunkt10 eingespeist werden, so dass das Potential im Sternpunkt10 veränderlich ist. Über die Rückkopplung des Sternpunktes10 mit der Bezugsschiene9 des steuerbaren Energiespeichers2 kann ein variabler Strom durch die Erregerwicklung11 geleitet werden, so dass ein variables Erregerfeld in der elektrischen Maschine1 erzeugt werden kann. Über diese Verschaltung, die innerhalb der elektrischen Maschine erfolgen kann, entfällt die Notwendigkeit für einen separaten Motoranschluss zur Speisung der Erregerwicklung11 . - Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß
3 mit der Vollbrückenschaltung der Koppeleinheiten8 kann über eine entsprechende Ansteuerung der Energiespeichermodule5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c eine Umpolung des Stroms durch die Erregerwicklung11 erreicht werden. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, einzelne der Energiespeichermodule5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c mit Koppeleinheiten8 in Halbbrückenschaltung zu realisieren. Wenn diese Energiespeichermodule zur Bereitstellung des Gleichspannungsanteils an den Phasenanschlüssen1a ,1b ,1c verwendet werden, ist es zwar nicht mehr möglich, eine Umpolung des Stroms durch die Erregerwicklung zu realisieren, jedoch sinken durch die geringere Zahl an notwendigen Schaltelementen in einer Halbbrückenschaltung der Koppeleinheiten8 die Leistungsverluste an den Schaltelementen dieser Energiespeichermodule. -
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen Maschine und einem steuerbaren Energiespeicher gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System nach4 unterscheidet sich von dem System nach3 im Wesentlichen darin, dass jeder der Energieversorgungszweige2a ,2b ,2c lediglich ein Energiespeichermodul aufweist. Weiterhin sind in den Energiespeichermodulen der Energieversorgungszweige2a ,2b ,2c Koppeleinheiten und Energiespeicherzellen7 vorgesehen, die den jeweiligen Energiespeichermodulen zugeordnet sind. Beispielhaft ist im Energieversorgungszweig2a das Energiespeichermodul5a mit Koppeleinheiten8a und8b sowie einer Energiespeicherzelleneinrichtung7 dargestellt. In4 ist die Energiespeicherzelleneinrichtung7 über eine Halbbrückenschaltung mit den Anschlüssen3a bzw.4a verbindbar und/oder überbrückbar. Dazu befindet sich eine Koppeleinheit8a in einem Zweig parallel zur Energiespeicherzelleneinrichtung7 und eine Koppeleinheit8b in Reihenschaltung in dem Zweig der Energiespeicherzelleneinrichtung7 . Wie in4 weiterhin dargestellt, ist es prinzipiell möglich, jedes der Energiespeichermodule mit unterschiedlichen Koppeleinheiten auszugestalten, beispielsweise mit Koppeleinheiten in Halbbrückenschaltung und Koppeleinheiten in Vollbrückenschaltung. Es ist jedoch selbstverständlich ebenso möglich, alle Energiespeichermodule in4 mit Koppeleinheiten in Halbbrückenschaltung auszugestalten. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010027857 [0004]
- DE 102010027861 [0004]
Claims (6)
- System, mit: einer n-phasigen fremderregten elektrischen Maschine (
1 ), mit n ≥ 1; einem steuerbaren ersten Energiespeicher (2 ), welcher n parallele Energieversorgungszweige (2a ,2b ,2c ) aufweist, wobei jeder der Energieversorgungszweige (2a ,2b ,2c ) einen ersten Anschluss (3a ,3b ,3c ), welcher mit jeweils einem Phasenanschluss (1a ,1b ,1c ) der elektrischen Maschine (1 ) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss (4a ,4b ,4c ), welcher jeweils mit einer gemeinsamen Bezugsschiene (9 ) verbunden ist, aufweist, wobei die Bezugsschiene (9 ) über eine Erregerwicklung (11 ) der elektrischen Maschine (1 ) mit dem Sternpunkt (10 ) der elektrischen Maschine (1 ) verbunden ist. - System nach Anspruch 1, wobei das Potential an dem Sternpunkt (
10 ) der elektrischen Maschine (1 ) veränderbar ist. - System nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei jeder der n parallelen Energieversorgungszweige (
2a ,2b ,2c ) mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c ) aufweist, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (7 ) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (8 ) umfassen. - Verfahren zum Betrieb eines Systems mit einer n-phasigen fremderregten elektrischen Maschine (
1 ), mit n ≥ 1, und einem steuerbaren ersten Energiespeicher (2 ), welcher n parallele Energieversorgungszweige (2a ,2b ,2c ) aufweist, mit den Schritten: Bereitstellen eines Gleichspannungsanteils an jedem der Energieversorgungszweige (2a ,2b ,2c ); Einspeisen des Gleichspannungsanteils in die Phasenanschlüsse (1a ,1b ,1c ) der n-phasigen elektrischen Maschine (1 ); und Speisen einer Erregerwicklung (11 ) der elektrischen Maschine (1 ) mit dem in die Phasenanschlüsse (1a ,1b ,1c ) eingespeisten Gleichspannungsanteil zum Erzeugen eines Erregerfeldes in der elektrischen Maschine (1 ). - Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Erregerwicklung (
11 ) mit dem in die Phasenanschlüsse (1a ,1b ,1c ) eingespeisten Gleichspannungsanteil aus dem Sternpunkt (10 ) der elektrischen Maschine (1 ) gespeist wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, wobei jeder der Energieversorgungszweige (
2a ,2b ,2c ) mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c ) aufweist, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (7 ) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (8 ) umfassen, und wobei das Bereitstellen des Gleichspannungsanteils das Zuschalten mindestens eines der Energiespeichermodule (5a ,5b ,5c ,6a ,6b ,6c ) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (2a ,2b ,2c ) umfasst.
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