DE102023004903B3 - Method for operating an inverter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (100) für eine elektrische Maschine, insbesondere eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, wobei der Wechselrichter (100) steuerbar dreistufig ausgebildet ist und wenigstens einen Hauptstrompfad (20) mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern (22, 24) und wenigstens einen, in den Hauptstrompfad (20) mündenden Neutralpunktpfad (30) mit wenigstens einem Halbleiterschalter (32, 34) aufweist. Der Neutralpunktpfad (30) ist ausgebildet, in einem dreistufigen Betrieb (1) Ausgangslastströme an dem Lastausgang (26) bereitzustellen, welche kleiner sind als die von dem Hauptstrompfad (20) in einem zweistufigen Betrieb (2) bereitgestellten Ausgangslastströme. Der Wechselrichter (100) wird in Abhängigkeit wenigstens einer von der elektrischen Maschine angeforderten elektrischen Last von dem dreistufigen Betrieb (1) in den zweistufigen Betrieb (2) und umgekehrt überführt. Der Wechselrichter (100) wird in einem Teillastbereich so angesteuert wird, dass ein gemischter Betrieb (3) zwischen dem dreistufigen Betrieb (1) und dem zweistufigen Betrieb (2) eingestellt wird.
Die Erfindung betrifft ferner einen Wechselrichter (100).
The invention relates to a method for operating an inverter (100) for an electrical machine, in particular an electrically operated vehicle, wherein the inverter (100) is designed to be controllable in three stages and has at least one main current path (20) with at least two semiconductor switches (22, 24) and at least one neutral point path (30) opening into the main current path (20) with at least one semiconductor switch (32, 34). The neutral point path (30) is designed to provide output load currents at the load output (26) in a three-stage operation (1) which are smaller than the output load currents provided by the main current path (20) in a two-stage operation (2). The inverter (100) is converted from the three-stage operation (1) to the two-stage operation (2) and vice versa depending on at least one electrical load required by the electrical machine. The inverter (100) is controlled in a partial load range so that a mixed operation (3) between the three-stage operation (1) and the two-stage operation (2) is set.
The invention further relates to an inverter (100).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters für eine elektrische Maschine, insbesondere eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, sowie einen Wechselrichter für eine elektrische Maschine, insbesondere eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for operating an inverter for an electrical machine, in particular an electrically operable vehicle, and to an inverter for an electrical machine, in particular an electrically operable vehicle, for carrying out such a method.
In batterieelektrischen Fahrzeugen werden üblicherweise zweistufige Wechselrichter verwendet. Dreistufige Wechselrichter sind bekannt und weisen signifikante Effizienzpotentiale im elektrischen Antrieb auf. Für eine Effizienzsteigerung in der elektrischen Maschine im zyklusrelevanten Bereich kann ein zweistufiger Wechselrichter zu einem dreistufigen Wechselrichter erweitert werden, beispielsweise durch einen sogenannten T-Zweig, der dann eine Ausführung eines dreistufigen Neutralpunktgekoppelten Wechselrichter darstellt.Two-stage inverters are usually used in battery-electric vehicles. Three-stage inverters are well known and have significant efficiency potential in electric drives. To increase the efficiency of the electric machine in the cycle-relevant area, a two-stage inverter can be expanded to a three-stage inverter, for example using a so-called T-branch, which then represents a version of a three-stage neutral-point-coupled inverter.
Dreistufige Wechselrichter ermöglichen eine besonders effiziente Energieumwandlung, benötigen jedoch mehr Halbleiterschalter als aktuell verwendete zweistufige Wechselrichter.Three-stage inverters enable particularly efficient energy conversion, but require more semiconductor switches than currently used two-stage inverters.
Die Neutralpunktschalter der unterschiedlichen dreistufigen Strukturen mit Neutralpunktverbindung ermöglichen einen effizienten Teillastbetrieb, müssen aber für das Anfahren mit niedriger Aussteuerung auf den vollen Strom des Bemessungspunkts ausgelegt werden.The neutral point switches of the different three-stage structures with neutral point connection enable efficient partial load operation, but must be designed for the full current of the rated point for start-up with low control.
Die
Die gattungsbildende Schrift
In der Veröffentlichung von
In dem IEEE Beitrag von
Auch in der Veröffentlichung der
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum effizienten Betreiben eines Wechselrichters für eine elektrische Maschine, insbesondere eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, anzugeben.An object of the invention is to provide an improved method for efficiently operating an inverter for an electrical machine, in particular an electrically operated vehicle.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen Wechselrichter für eine elektrische Maschine, insbesondere eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, zur Durchführung eines solchen verbesserten Verfahrens zu schaffen.A further object is to provide an inverter for an electrical machine, in particular an electrically operated vehicle, for carrying out such an improved method.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.The aforementioned objects are solved with the features of the independent claims.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.Favorable embodiments and advantages of the invention emerge from the further claims, the description and the drawing.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters für eine elektrische Maschine, insbesondere eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, vorgeschlagen, wobei der Wechselrichter ausgebildet ist, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Antreiben der an einem Lastausgang des Wechselrichters angeschlossenen elektrischen Maschine zu wandeln. Der Wechselrichter ist steuerbar dreistufig ausgebildet und weist wenigstens einen Hauptstrompfad mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern und wenigstens einen, in den Hauptstrompfad mündenden Neutralpunktpfad mit wenigstens einem Halbleiterschalter auf.According to one aspect of the invention, a method for operating an inverter for an electrical machine, in particular an electrically operated vehicle, is proposed, wherein the inverter is designed to convert a direct voltage into an alternating voltage for driving the to convert the electrical machine connected to a load output of the inverter. The inverter is designed to be controllable in three stages and has at least one main current path with at least two semiconductor switches and at least one neutral point path leading into the main current path with at least one semiconductor switch.
Der Neutralpunktpfad ist ausgebildet, in einem dreistufigen Betrieb Ausgangslastströme an dem Lastausgang bereitzustellen, welche kleiner sind als die von dem Hauptstrompfad in einem zweistufigen Betrieb bereitgestellten Ausgangslastströme. Der Wechselrichter wird in Abhängigkeit wenigstens einer von der elektrischen Maschine angeforderten elektrischen Last von dem dreistufigen Betrieb in den zweistufigen Betrieb und umgekehrt überführt. Dabei wird der Wechselrichter in einem Teillastbereich so angesteuert, dass ein gemischter Betrieb zwischen dem dreistufigen Betrieb und dem zweistufigen Betrieb eingestellt wird.The neutral point path is designed to provide output load currents at the load output in a three-stage operation that are smaller than the output load currents provided by the main current path in a two-stage operation. The inverter is converted from the three-stage operation to the two-stage operation and vice versa depending on at least one electrical load requested by the electrical machine. The inverter is controlled in a partial load range in such a way that a mixed operation between the three-stage operation and the two-stage operation is set.
Ab einer Überschreitung einer Belastungsgrenze, insbesondere bei sehr hohen Lasten, ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren vorteilhaft eine Entlastung der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads durch ein geeignetes Modulationsverfahren des Wechselrichters. Hierbei wird vorteilhaft bei Überschreitung einer Belastungsgrenze von einem dreistufigen Betrieb in den gemischten Betrieb übergegangen. Damit ist eine kleinere Dimensionierung der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads bei gleichzeitigem Vorteil im Teillastbetrieb möglich. Weiterhin kann, abhängig von einer angeforderten elektrischen Last, eine Umschaltung zwischen zweistufigem und dreistufigem Betrieb des Wechselrichters vorgenommen werden. Bei einer Volllast wird der Wechselrichter dann ausschließlich im zweistufigen Betrieb angesteuert.When a load limit is exceeded, particularly at very high loads, the proposed method advantageously enables the semiconductor switches of the neutral point path to be relieved by means of a suitable modulation method of the inverter. When a load limit is exceeded, the system advantageously switches from three-stage operation to mixed operation. This allows the semiconductor switches of the neutral point path to be smaller while at the same time providing an advantage in partial load operation. Furthermore, depending on the electrical load required, the inverter can be switched between two-stage and three-stage operation. At full load, the inverter is then controlled exclusively in two-stage operation.
So kann vorteilhaft eine Kosteneinsparung durch Reduktion der verbauten Halbleiterfläche des Wechselrichters ohne Reduktion im Teillastwirkungsgrad erreicht werden.In this way, cost savings can be advantageously achieved by reducing the installed semiconductor area of the inverter without reducing the partial load efficiency.
Das Verfahren kann für dreistufigen Neutralpunkt-Wechselrichter mit jeglicher Art der Neutralpunktverbindung angewendet werden, beispielsweise sogenannte Wechselrichter mit T-Zweig, NPC Wechselrichter oder ANPC Wechselrichter. Bei einem T-Type Wechselrichter kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein besonders großer Effekt erzielt werden, wobei dies aber auch bei den anderen Arten von Wechselrichterstrukturen einen positiven Einfluss haben kann, insbesondere auf eine benötigte Halbleiterfläche.The method can be used for three-stage neutral point inverters with any type of neutral point connection, for example so-called inverters with T-branch, NPC inverters or ANPC inverters. With a T-type inverter, a particularly large effect can be achieved with the help of the method according to the invention, although this can also have a positive influence on other types of inverter structures, in particular on the required semiconductor area.
Erfindungsgemäß wird der Wechselrichter in einem Pulsweitenmodulationsverfahren betrieben, wobei die Halbleiterschalter des Wechselrichters mittels wenigstens eines Trägersignals, insbesondere eines periodischen Dreieck-Signals, zur Definition von Schaltzeitpunkten angesteuert werden, wobei in dem zweistufigen Betrieb das wenigstens eine Trägersignal mit einem vorgegebenen Sollwertsignal verglichen wird, und wobei in dem dreistufigen Betrieb wenigstens zwei an einem Spannungsnullpunkt gespiegelte Trägersignale für zwei Halbwellen mit dem vorgegebenen Sollwertsignal verglichen werden. Dabei werden in dem gemischten Betrieb die wenigstens zwei Trägersignale in einem vorgegebenen Überlappspannungsbereich um den Spannungsnullpunkt überlappend eingestellt. Insbesondere kann dabei jeweils eines der wenigstens zwei Trägersignale einer Polarität bis zu einem Überlappwert der jeweils anderen Polarität skaliert werden, wobei eine Summe der wenigstens zwei Überlappwerte den Überlappspannungsbereich ergibt. Vorteilhaft werden hierzu die Trägersignale gestreckt und nicht einfach verschoben.According to the invention, the inverter is operated in a pulse width modulation method, wherein the semiconductor switches of the inverter are controlled by means of at least one carrier signal, in particular a periodic triangular signal, to define switching times, wherein in the two-stage operation the at least one carrier signal is compared with a predetermined setpoint signal, and wherein in the three-stage operation at least two carrier signals mirrored at a voltage zero point for two half-waves are compared with the predetermined setpoint signal. In the mixed operation, the at least two carrier signals are set to overlap in a predetermined overlap voltage range around the voltage zero point. In particular, one of the at least two carrier signals of one polarity can be scaled up to an overlap value of the other polarity, wherein a sum of the at least two overlap values results in the overlap voltage range. For this purpose, the carrier signals are advantageously stretched and not simply shifted.
Um im dreistufigen Betrieb das vorgegebene Sollwertsignal vergleichen zu können, werden wenigstens zwei an einem Spannungsnullpunkt gespiegelte Trägersignale für zwei Halbwellen benutzt. Die zwei an einem Spannungsnullpunkt gespiegelte Trägersignale für zwei Halbwellen können auch noch optional um einen Periodenanteil zeitlich verschoben sein, wobei der Periodenanteil beispielhaft eine Viertelperiode betragen kann.In order to be able to compare the specified setpoint signal in three-stage operation, at least two carrier signals for two half-waves mirrored at a voltage zero point are used. The two carrier signals for two half-waves mirrored at a voltage zero point can also optionally be shifted in time by a period component, whereby the period component can be, for example, a quarter period.
Erfindungsgemäß werden die Trägersignale über den Spannungsnullpunkt hinaus gestreckt. In dem Überlappspannungsbereich kann so günstigerweise der gemischte Betrieb mit einer zwischen der zweistufigen und der dreistufigen Modulation wechselnden Modulation des Wechselrichters eingestellt werden, während außerhalb des Überlappspannungsbereichs eine quasi-normale dreistufige Modulation verwendet wird. Eine Ausprägung des Überlappspannungsbereichs stellt die Belastung der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads ein.According to the invention, the carrier signals are stretched beyond the voltage zero point. In the overlap voltage range, mixed operation can thus be advantageously set with a modulation of the inverter alternating between the two-stage and the three-stage modulation, while outside the overlap voltage range a quasi-normal three-stage modulation is used. A characteristic of the overlap voltage range sets the load on the semiconductor switches of the neutral point path.
Erfindungsgemäß kann der gemischte Betrieb eingestellt werden, wenn das Sollwertsignal in dem Überlappspannungsbereich der wenigstens zwei Trägersignale liegt. So kann günstigerweise durch den gemischten Betrieb im Überlappspannungsbereich eine Entlastung der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads stattfinden.According to the invention, the mixed operation can be set when the setpoint signal is in the overlap voltage range of the at least two carrier signals. The mixed operation in the overlap voltage range can thus advantageously relieve the load on the semiconductor switches of the neutral point path.
Erfindungsgemäß wird der Überlappwert dynamisch im laufenden Betrieb des Wechselrichters, eingestellt. Auf diese Weise kann ein starkes Aufheizen der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads, welches die Lebensdauer ungünstig beeinflussen kann, vermieden werden.According to the invention, the overlap value is set dynamically during operation of the inverter. In this way, strong heating of the semiconductor switches of the neutral point path, which can have a negative impact on the service life, can be avoided.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der dreistufige Betrieb eingestellt werden, wenn das Sollwertsignal außerhalb des Überlappspannungsbereichs der wenigstens zwei Trägersignale liegt. So kann günstigerweise eine Entlastung der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads stattfinden.According to an advantageous embodiment of the method, the three-stage operation can be set when the setpoint signal is outside the overlap voltage range of the at least two carrier signals. In this way, the semiconductor switches of the neutral point path can be relieved.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann eine elektrische Last des wenigstens einen Halbleiterschalters des Neutralpunktpfads durch den Überlappwert eingestellt werden. Dadurch kann die elektrische Last günstigerweise an die Auslegungswerte der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads angepasst werden.According to an advantageous embodiment of the method, an electrical load of the at least one semiconductor switch of the neutral point path can be adjusted by the overlap value. As a result, the electrical load can be advantageously adapted to the design values of the semiconductor switches of the neutral point path.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Anteil von Nullzuständen, in denen die Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads dauerhaft Strom führen, über den Überlappwert eingestellt werden. Dadurch kann der Betrieb der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads günstig gestaltet werden.According to an advantageous embodiment of the method, a proportion of zero states in which the semiconductor switches of the neutral point path permanently carry current can be set via the overlap value. This allows the operation of the semiconductor switches of the neutral point path to be designed favorably.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Ansteuersignale der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads mittels Vergleich der wenigstens zwei Trägersignale mit dem Sollwertsignal und einer Summenbildung der Vergleichsergebnisse bestimmt werden. So kann der gemischte Betrieb mit einer kombinierten zweistufigen und dreistufigen Ansteuerung des Wechselrichters auf einfache Weise eingestellt werden.According to an advantageous embodiment of the method, the control signals of the semiconductor switches of the neutral point path can be determined by comparing the at least two carrier signals with the setpoint signal and summing the comparison results. In this way, mixed operation with a combined two-stage and three-stage control of the inverter can be set up in a simple manner.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wechselrichter für eine elektrische Maschine, insbesondere eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, zur Durchführung eines Verfahrens vorgeschlagen, wobei der Wechselrichter in Abhängigkeit wenigstens einer von der elektrischen Maschine angeforderten Last von einem dreistufigen Betrieb in einen zweistufigen Betrieb und umgekehrt überführbar ist. Dabei ist der Wechselrichter in einem Teillastbereich so ansteuerbar, dass ein gemischter Betrieb zwischen dem dreistufigen Betrieb und dem zweistufigen Betrieb einstellbar ist. Hierbei kann jeder dreistufige Wechselrichter mit Neutralpunktverbindung von der Erfindung profitieren.According to a further aspect of the invention, an inverter for an electrical machine, in particular an electrically operated vehicle, is proposed for carrying out a method, wherein the inverter can be converted from a three-stage operation to a two-stage operation and vice versa depending on at least one load required by the electrical machine. The inverter can be controlled in a partial load range so that a mixed operation between the three-stage operation and the two-stage operation can be set. Any three-stage inverter with a neutral point connection can benefit from the invention.
Bei dem vorgeschlagenen Wechselrichter kann vorteilhaft eine Entlastung der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads bei Volllast durch ein geeignetes Modulationsverfahren des Wechselrichters stattfinden. Damit ist eine kleinere Dimensionierung der Halbleiterschalter des Neutralpunktpfads bei gleichzeitigem Vorteil im Teillastbetrieb möglich. Weiterhin kann, abhängig von einer angeforderten elektrischen Last, eine Umschaltung zwischen zweistufigem und dreistufigem Betrieb des Wechselrichters vorgenommen werden.With the proposed inverter, the load on the semiconductor switches of the neutral point path can be reduced at full load by means of a suitable modulation method of the inverter. This allows the semiconductor switches of the neutral point path to be smaller while at the same time providing an advantage in partial load operation. Furthermore, depending on the electrical load required, the inverter can be switched between two-stage and three-stage operation.
So kann vorteilhaft eine Kosteneinsparung durch Reduktion der verbauten Halbleiterfläche des Wechselrichters ohne Reduktion im Teillastwirkungsgrad erreicht werden.In this way, cost savings can be advantageously achieved by reducing the installed semiconductor area of the inverter without reducing the partial load efficiency.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Wechselrichter eine T-Typ Neutralpunkt-geklemmte Wechselrichterarchitektur umfassen, wobei ein Hauptstrompfad wenigstens zwei seriell verschaltete Halbleiterschalter mit einem Mittelabgriff aufweist, welche mit einer positiven und einer negativen Betriebsspannung elektrisch verbunden sind. Der Mittelabgriff ist mit einem Lastausgang elektrisch verbunden. Dabei ist ein Neutralpunktpfad mit wenigstens einem Halbleiterschalter mit einem Neutralpunkt der positiven und negativen Betriebsspannungen und dem Mittelabgriff elektrisch verbunden.According to an advantageous embodiment, the inverter can comprise a T-type neutral point clamped inverter architecture, wherein a main current path has at least two series-connected semiconductor switches with a center tap, which are electrically connected to a positive and a negative operating voltage. The center tap is electrically connected to a load output. In this case, a neutral point path with at least one semiconductor switch is electrically connected to a neutral point of the positive and negative operating voltages and the center tap.
Der Wechselrichter kann vorteilhaft mit dem oben beschriebenen Verfahren betrieben werden, welches einen gemischten Betrieb mit einer kombinierten zweistufigen und dreistufigen Ansteuerung des Wechselrichters vorsieht und damit einen effizienten und lebensdauerschonenden Betrieb erlaubt.The inverter can advantageously be operated using the method described above, which provides for mixed operation with a combined two-stage and three-stage control of the inverter and thus allows efficient and service-saving operation.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawings. The drawings show an embodiment of the invention. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently consider the features individually and combine them into further useful combinations.
Dabei zeigen:
-
1 eine Schaltungsanordnung eines Wechselrichters für eine elektrische Maschine, insbesondere eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, für ein Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 Sollwertsignal und Trägersignal für einen zweistufigen Betrieb desWechselrichters nach 1 ; -
3 Ansteuersignale des Wechselrichters beim zweistufigen Betrieb nach2 ; -
4 Sollwertsignal und Trägersignale für einen dreistufigen Betrieb des Wechselrichters; -
5 Ansteuersignale des Wechselrichters beim dreistufigen Betrieb nach4 ; -
6 Sollwertsignal und Trägersignale für einen gemischten Betrieb des Wechselrichters nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
7 Ansteuersignale des Wechselrichters beim gemischten Betrieb nach6 ; -
8 einen zeitlichen Ausschnitt von Sollwertsignal und Trägersignalen aus6 ; -
9 einen zeitlichen Ausschnitt der Ansteuersignale nach7 ; -
10 Sollwertsignal und Trägersignale für einen gemischten Betrieb des Wechselrichters mit geänderten Überlappwerten; -
11 Ansteuersignale des Wechselrichters beim gemischten Betrieb nach10 ; -
12 Sollwertsignal und Trägersignale für einen gemischten Betrieb des Wechselrichters mit geänderten Überlappwerten; und -
13 Ansteuersignale des Wechselrichters beim gemischten Betrieb nach12 .
-
1 a circuit arrangement of an inverter for an electrical machine, in particular an electrically operated vehicle, for a method according to an embodiment of the invention; -
2 Setpoint signal and carrier signal for a two-stage operation of the inverter according to1 ; -
3 Control signals of the inverter in two-stage operation according to2 ; -
4 Setpoint signal and carrier signals for three-stage operation of the inverter; -
5 Control signals of the inverter in three-stage operation according to4 ; -
6 Setpoint signal and carrier signals for a mixed operation of the inverter according to an embodiment of the invention; -
7 Control signals of the inverter in mixed operation according to6 ; -
8 a temporal section of setpoint signal and carrier signals from6 ; -
9 a temporal section of the control signals after7 ; -
10 Setpoint signal and carrier signals for mixed operation of the inverter with modified overlap values; -
11 Control signals of the inverter in mixed operation according to10 ; -
12 Setpoint signal and carrier signals for mixed operation of the inverter with modified overlap values; and -
13 Control signals of the inverter in mixed operation according to12 .
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.In the figures, identical or similar components are numbered with identical reference symbols. The figures merely show examples and are not to be understood as limiting.
Der Wechselrichter 100 ist ausgebildet, eine Gleichspannung 10, 12 in eine Wechselspannung 16 zum Antreiben der an einem Lastausgang 26 des Wechselrichters 100 angeschlossenen elektrischen Maschine zu wandeln. Der Wechselrichter 100 ist steuerbar dreistufig ausgebildet und weist wenigstens einen Hauptstrompfad 20 mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern 22, 24 und wenigstens einen Neutralpunktpfad 30 mit wenigstens einem Halbleiterschalter 32, 34 auf. Der Neutralpunktpfad 30 mündet in den Hauptstrompfad 20.The
Der Hauptstrompfad 20 der in
Der Wechselrichter 100 umfasst eine sogenannte T-Typ Neutralpunkt-geklemmte Wechselrichterarchitektur. Dabei weist ein Hauptstrompfad 20 wenigstens zwei seriell verschaltete Halbleiterschalter 22, 24 mit einem Mittelabgriff 36 auf, welche mit einer positiven und einer negativen Betriebsspannung 10, 12 elektrisch verbunden sind. Der Mittelabgriff 36 ist mit dem Lastausgang 26 elektrisch verbunden.The
Ein Neutralpunktpfad 30 mit wenigstens einem Halbleiterschalter 32, 34 ist mit einem Neutralpunkt 14 der positiven und negativen Betriebsspannungen 10, 12 und dem Mittelabgriff 36 elektrisch verbunden.A
Der Neutralpunktpfad 30 ist ausgebildet, in einem dreistufigen Betrieb 1 Ausgangslastströme an dem Lastausgang 26 bereitzustellen, welche kleiner sind als die von dem Hauptstrompfad 20 in einem zweistufigen Betrieb 2 bereitgestellten Ausgangslastströme.The
Der Wechselrichter 100 ist in Abhängigkeit wenigstens einer von der elektrischen Maschine angeforderten Last von einem dreistufigen Betrieb 1 in einen zweistufigen Betrieb 2 und umgekehrt überführbar. Dabei ist der Wechselrichter 100 in einem Teillastbereich so ansteuerbar, dass ein gemischter Betrieb 3 zwischen dem dreistufigen Betrieb 1 und dem zweistufigen Betrieb 2 einstellbar ist (in den
Der Wechselrichter 100 wird in einem Pulsweitenmodulationsverfahren betrieben. Dabei werden die Halbleiterschalter 22, 24, 32, 34 des Wechselrichters 100 mittels wenigstens eines Trägersignals 40, 42, insbesondere eines periodischen Dreieck-Signals, zur Definition von Schaltzeitpunkten angesteuert. Dabei wird das Sollwertsignal 44 für die gewünschte Ansteuerung der elektrischen Maschine mit einem oder mehreren Trägersignalen 40, 42 verglichen, um die Schaltzeitpunkte der Halbleiterschalter 22, 24, 32, 34 zu definieren.The
In dem in den
In dem in den
Der Wechselrichter 100 kann in Abhängigkeit wenigstens einer von der elektrischen Maschine angeforderten elektrischen Last von dem dreistufigen Betrieb 1 in den zweistufigen Betrieb 2 und umgekehrt überführt werden.The
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird dabei der Wechselrichter 100 in einem Teillastbereich so angesteuert, dass ein gemischter Betrieb 3 zwischen dem dreistufigen Betrieb 1 und dem zweistufigen Betrieb 2 eingestellt wird.According to the proposed method, the
In dem gemischten Betrieb 3 werden die zwei Trägersignale 40, 42 in einem vorgegebenen Überlappspannungsbereich 50 um den Spannungsnullpunkt 46 überlappend eingestellt. Dabei wird jeweils eines der wenigstens zwei Trägersignale 40, 42 einer Polarität bis zu einem Überlappwert 48, 49 (gestrichelte Linien in
Der gemischte Betrieb 3 wird dabei eingestellt, wenn das Sollwertsignal 44 in dem Überlappspannungsbereich 50 der wenigstens zwei Trägersignale 40, 42 liegt (gestrichelter Kasten in den
Ein Anteil von Nullzuständen, in denen die Halbleiterschalter 32, 34 des Neutralpunktpfads 30 dauerhaft Strom führen, kann hierbei über den Überlappwert 48, 49 eingestellt werden.A proportion of zero states in which the semiconductor switches 32, 34 of the
Die Ansteuersignale 60, 62, 64 der Halbleiterschalter 32, 34 des Neutralpunktpfads 30 können auf einfache Weise mittels Vergleich der wenigstens zwei Trägersignale 40, 42 mit dem Sollwertsignal 44 und einer Summenbildung der Vergleichsergebnisse bestimmt werden. Dabei ergibt sich, wie aus den
Eine elektrische Last der Halbleiterschalter 32, 34 des Neutralpunktpfads 30 kann durch den Überlappwert 48, 49 eingestellt werden. Dabei kann der Überlappwert 48, 49 dynamisch, insbesondere im laufenden Betrieb des Wechselrichters 100, eingestellt werden.An electrical load of the semiconductor switches 32, 34 of the
In den
Wie in den
Der Einfluss auf die Dauer der Nullzustände der Ansteuersignale 60, 62, 64 ist demzufolge abhängig von der Modulation. Je größer der Überlappspannungsbereich 50, desto weniger werden die Halbleiterschalter 32, 34 des Neutralpunktpfads 30 belastet, da ein größerer Grad der quasi-zweistufigen Modulation vorliegt und kürzere Null-Zwischenzustände sich ergeben.The influence on the duration of the zero states of the control signals 60, 62, 64 is therefore dependent on the modulation. The larger the
Vorteilhaft gehört das Ansteuersignal 60 immer zum Sollwertsignal 40 und die Ansteuersignale 62 und 64 zu einem jeweiligen, nicht dargestellten Sollwertsignal der beiden anderen Phasen eines dreiphasigen Wechselrichters. Jede Phase hat damit seinen eigenes Sollwertsignal und ein dazu resultierendes Ansteuersignal.Advantageously, the
Durch Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens zum Betrieb des Wechselrichters 100 können die Halbleiterschalter 32, 34 des Neutralpunktpfads 30 kleiner dimensioniert werden, was eine Kostenersparnis ermöglicht.By applying the proposed method for operating the
Für einen symmetrischen Wechselrichterbetrieb ergibt sich hierbei auch zwingend notwendig ein symmetrischer Überlappungsbereich und damit betragsmäßig gleiche Überlappwerte 48, 49.For symmetrical inverter operation, this also necessarily results in a symmetrical overlap area and thus equal overlap values 48, 49.
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
- dreistufiger Betriebthree-stage operation
- 22
- zweistufiger Betriebtwo-stage operation
- 33
- gemischter Betriebmixed operation
- 1010
- positive Gleichspannungpositive direct current
- 1212
- negative Gleichspannungnegative DC voltage
- 1414
- Neutralpunktneutral point
- 1616
- Wechselspannungalternating current
- 2020
- Hauptstrompfadmain current path
- 2222
- Halbleiterschaltersemiconductor switches
- 2424
- Halbleiterschaltersemiconductor switches
- 2626
- Lastausgangload output
- 3030
- Neutralpunktpfadneutral point path
- 3232
- Halbleiterschaltersemiconductor switches
- 3434
- Halbleiterschaltersemiconductor switches
- 3636
- Mittelabgriffcenter tap
- 4040
- Trägersignalcarrier signal
- 4242
- Trägersignalcarrier signal
- 4444
- Sollwertsignalsetpoint signal
- 4646
- Spannungsnullpunktvoltage zero point
- 4848
- Überlappwertoverlap value
- 4949
- Überlappwertoverlap value
- 5050
- Überlappspannungsbereichoverlap voltage range
- 6060
- Ansteuersignalcontrol signal
- 6262
- Ansteuersignalcontrol signal
- 6464
- Ansteuersignalcontrol signal
- 7070
- ZeitTime
- 100100
- Wechselrichterinverter
Claims (7)
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|---|---|---|---|
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-
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-
2024
- 2024-11-05 WO PCT/EP2024/081234 patent/WO2025113942A1/en active Pending
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025113942A1 (en) | 2025-06-05 |
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