DE102014217269A1

DE102014217269A1 - Schaltungsanordnung zum Speisen einer Last und Verfahren zu deren Betreiben

Info

Publication number: DE102014217269A1
Application number: DE102014217269.1A
Authority: DE
Inventors: Cleef Thackwell; Gerd Stöhr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Zum Schaffen einer drehmoment- bzw. kraftunterbrechungsfreie Stern-Dreieck-Umschaltung für eine Asynchronmaschine wird eine Schaltungsanordnung (100; 200; 300) zum Speisen einer ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem bildenden Last (110) aus einer im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichteten ersten Energiequelle (101) oder aus der ersten und einer im wesentlichen zum Liefern einer zweiten Gleichspannung eingerichteten zweiten Energiequelle (201) mit einer die vorgegebene Phasenzahl aufweisenden Mehrphasenspannung vorgeschlagen, umfassend eine erste Umrichterstufe (114) zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl erster Anschlüsse (U, V, W) der Last aus der ersten Energiequelle und eine zweite Umrichterstufe (115) zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse (X, Y, Z) der Last aus der ersten oder der zweiten Energiequelle, wobei die erste und die zweite Umrichterstufe dazu eingerichtet sind, zum Speisen der Last die ersten und zweiten Anschlüsse der Last wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Ringschaltung zu verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Speisen einer Last. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Schaltungsanordnung.
Stand der Technik
In Antriebssträngen moderner Elektro- und Hybridfahrzeuge werden heute permanentmagneterregte Synchronmaschinen aufgrund ihrer hohen erreichbaren Drehmomente und Wirkungsgrade sowie kleinen benötigten Bauräume gegenüber Asynchronmaschinen bevorzugt. Ständige und plötzliche Preisschwankungen zur Herstellung darin eingesetzter Permanentmagnete benötigter Seltenerdrohmaterialien beschränken jedoch eine langfristige Entwicklungsstrategie einer Serienproduktion dieser Maschinen. Es ist daher wünschenswert, anstelle der permanentmagneterregten Synchronmaschinen die einfacheren und kostengünstigeren Asynchronmaschinen einzusetzen.
Zum Ausschöpfen mit Asynchronmaschinen erreichbarer Drehmomente in allen Drehzahlbereichen ist im Betrieb eine Stern-Dreieck-Umschaltung notwendig, da eine Asynchronmaschine bei geringen Drehzahlen wegen ihrer in Sternschaltung höheren Ströme ein höheres Drehmoment aufweist als in Dreieckschaltung. Jedoch werden in der Sternschaltung die Drehmomentanforderungen für höhere Drehzahlen nicht erreicht. Bei der Dreieckschaltung steht dagegen nicht genug Drehmoment im Konstantflussbereich bei niedrigen Drehzahlen zur Verfügung.
Dieses Betriebsverhalten der Asynchronmaschine ist in 8 an einem Beispiel dargestellt. Dabei sind entlang der Ordinate Drehmomente M über einer entlang der Abszisse aufgetragenen Drehzahl D der Asynchronmaschine aufgetragen. Für einen Betrieb in Sternschaltung ergibt sich ein mit MS bezeichneter Verlauf des Drehmoments, und für einen Betrieb in Dreieckschaltung wird ein mit MD bezeichneter Verlauf des Drehmoments erhalten. Zweckmäßig erfolgt im Betrieb der Asynchronmaschine eine Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem Drehzahlwert DU.
Aus der Druckschrift WO 2012/163433 A2 ist ein Asynchronmotor mit lastabhängiger Stern- oder Dreieck-Beschaltung bekannt. Insbesondere wird in dieser Druckschrift eine Vorrichtung für die Energieversorgung eines Asynchronmotors sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines Sternschützes und eines Dreieckschützes eines Asynchronmotors beschrieben, die dazu dienen sollen, Asynchronmotoren über einen großen Lastbereich mit einem verbesserten Wirkungsgrad zu betreiben.
Dazu wird in der zitierten Druckschrift vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein Sternschütz und ein Dreieckschütz für den Asynchronmotor und eine Logikeinheit umfasst, wobei die Logikeinheit dazu ausgebildet ist, anhand der vorliegenden Motorlast des Asynchronmotors das Sternschütz und/oder Dreieckschütz für den Asynchronmotor anzusteuern. Die Umschaltung zwischen einer Sternschaltung bei einer Motorlast im Bereich von 0%–50% der Motornennlast und einer Dreieckschaltung bei einer Motorlast im Bereich von 30%–100% der Motornennlast erfolgt dabei dynamisch und selbsterkennend auf Basis der vorliegenden Motorlast des Asynchronmotors, insbesondere durch die Erfassung des Motorstroms mit Hilfe des Logikmoduls, welches das Stern- bzw. das Dreieckschütz zu- und/oder wegschaltet. Der Asynchronmotor ist mit dem Dreieckschütz und dem Sternschütz so verbunden, dass durch Zu- bzw. Abschalten des Dreiecksschützes bzw. Sternschützes sich eine veränderte Netztopologie für die Motorwicklungen ergibt und damit eine Absenkung bzw. Erhöhung der Versorgungsspannung an den Motorwicklungen des Asynchronmotors erfolgen kann. Im Unterschied zu konventionellen Stern-Dreieckstartern mit automatischer zeitabhängiger Umschaltung vom Sternschütz auf das Dreieckschütz wird die motorlastabhängige Ansteuerung des Dreiecksschützes und des Sternschützes über die Logikeinheit vorgenommen, welche als Eingangsgröße die vorliegende Motorlast des Asynchronmotors analysiert.
Ferner ist angegeben, dass die Schaltvorgänge mit dem Dreiecksschütz und dem Sternschütz ebenso durch andere geeignete Schalteinrichtungen, wie Sanftstarter, Thyristorschalter, Relais, usw., realisiert werden können. Weiter ist angegeben, dass die Logikeinheit in eine bestehende Steuerung, wie ein Überlastrelais, allgemeiner in Überwachungseinrichtungen, z.B. Simocode der Firma SIEMENS, oder übergeordnete Steuerungen, z.B. SPS, Simocode der Firma SIEMENS, integriert werden kann.
Es zeigt sich jedoch, dass Stern-Dreieck-Umschaltungen wie die in der Druckschrift WO 2012/163433 A2 beschriebene eine relativ lange Umschaltzeit benötigen, die in einem von T. Kume, T. Iwakane, T. Sawa, T. Yoshida und I. Nagai in dem Fachaufsatz "A wide constant power range vector controlled AC motor drive using winding changeover technique", erschienen in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 27, no. 5, pp. 934–939, 1991, beschriebenen Beispiel 100 bis 150 Millisekunden beträgt. Während dieser Zeit muss der Speisestrom des Motors ausgeschaltet werden, und man erhält eine entsprechende, spürbare Drehmoment- bzw. Kraftunterbrechung, die einen Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen verhindert.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine drehmoment- bzw. kraftunterbrechungsfreie Stern-Dreieck-Umschaltung für eine Asynchronmaschine zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Speisen einer ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem bildenden Last aus einer im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichteten ersten Energiequelle oder aus der ersten und einer im wesentlichen zum Liefern einer zweiten Gleichspannung eingerichteten zweiten Energiequelle mit einer die vorgegebene Phasenzahl aufweisenden Mehrphasenspannung, umfassend eine erste Umrichterstufe zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl erster Anschlüsse der Last aus der ersten Energiequelle und eine zweite Umrichterstufe zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse der Last aus der ersten oder der zweiten Energiequelle, wobei die erste und die zweite Umrichterstufe dazu eingerichtet sind, zum Speisen der Last die ersten und zweiten Anschlüsse der Last wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Ringschaltung zu verbinden.
Dabei ist gemäß den Begriffen aus der allgemeinen Lehre der Mehrphasen-Wechselströme, die an die Definitionen aus dem Lehrbuch von Moeller: Leitfaden der Elektrotechnik, Band I, Grundlagen der Elektrotechnik, 14. Auflage 1971, B.G. Teubner Stuttgart, ISBN 3-519-06400-6, Verl.-Nr. 6400, Kapitel 11 Mehrphasen-Wechselströme, Seiten 420 ff., angelehnt sind und hier sowohl für stetige als auch gepulste Wechselspannungen bzw. -ströme verwandt werden, mit Mehrphasenspannung eine Anzahl von Wechselspannungen bezeichnet, die untereinander gleichmäßig über eine Periodendauer verteilte Phasenlagen aufweisen; im Zeigerdiagramm sind die Zeiger der Wechselspannungen mit zueinander gleichen Phasenwinkeln verteilt. Genau genommen handelt es sich dabei um eine symmetrische Mehrphasenspannung. Die Anzahl der Wechselspannungen ist die Phasenzahl.
Eine mit einer solchen Mehrphasenspannung zu speisende Last weist eine mit der Phasenzahl übereinstimmende Anzahl von Phasen oder Strängen auf und bildet damit ein Mehrphasensystem. Sind diese Stränge der Last untereinander nicht verbunden, d.h. gegeneinander isoliert, und können somit unabhängig voneinander gespeist werden, bildet die Last ein offenes Mehrphasensystem. Jeder der Stränge weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Damit stimmt sowohl die Anzahl erster Anschlüsse der Last als auch die Anzahl zweiter Anschlüsse der Last mit der vorgegebenen Phasenzahl überein. Die Reihenfolge, mit der die Phasenlagen der Wechselspannungen der Mehrphasenspannung entlang einer Zeitachse bzw. die Zeiger der Wechselspannungen im Zeigerdiagramm aufeinander folgen, ist hier als Phasenfolge bezeichnet. Jede der Wechselspannungen ist einem bestimmten der Stränge der Last zuführbar. Somit gibt die Phasenfolge zugleich auch eine Reihenfolge der Stränge der Last an, in welcher Reihenfolge die Stränge gespeist werden. Insbesondere sind die ersten und die zweiten Anschlüsse jede für sich in dieser bestimmten, übereinstimmenden Phasenfolge zu speisen. Mit anderen Worten umschrieben ist zwischen je einem der ersten Anschlüsse und je einem derselben Stelle der Phasenfolge zugeordneten der zweiten Anschlüsse je ein Strang der Last, der auch als Strompfad bezeichnet werden kann, angeordnet.
Unter einer Sternschaltung wird nun den Begriffen aus der allgemeinen Lehre der Mehrphasen-Wechselströme folgend eine Zusammenschaltung der einzelnen Stränge der Last bezeichnet, bei der alle zweiten Anschlüsse mit einem gemeinsamen Sternpunkt zusammengefasst sind und je eine der Wechselspannungen der Mehrphasenspannung je einem der ersten Anschlüsse zugeführt wird. Eine Ringschaltung ist dagegen eine Zusammenschaltung der einzelnen Stränge der Last, bei der der zweite Anschluss jedes der Stränge der Last in je einem Abzweigpunkt mit dem ersten Anschluss desjenigen Strangs der Last verbunden ist, der in der Phasenfolge auf den erstgenannten Strang folgt. Dabei wird je eine der Wechselspannungen der Mehrphasenspannung je einem der Abzweigpunkte zugeführt. Bei der Sternschaltung liegt also an jedem Strang der Last die zugeordnete Wechselspannung der Mehrphasenspannung an. bei der Ringschaltung liegt an jedem Strang der Last die vektorielle Differenz der Spannungszeiger je zweier in der Phasenfolge aufeinanderfolgender Wechselspannungen der Mehrphasenspannung an.
Die Umrichterstufen, die dazu eingerichtet sind, wahlweise zum Bilden einer Sternschaltung und einer Ringschaltung gesteuert zu werden, sind dazu bevorzugt mit Halbbrücken aus je zwei elektronischen Schalterelementen, vorzugsweise Halbleiter-Schalterelementen, besonders bevorzugt mit Transistoren oder sogenannten IGBTs gebildet, ausgestaltet. Die elektronischen Schalterelemente jeder der Halbbrücken sind mit ihren Hauptstrompfaden in Reihenschaltung angeordnet, wobei je einer der Endpunkte der Reihenschaltung mit je einem von zwei Anschlüssen einer der Energiequellen elektrisch leitend verbunden ist. Der Verbindungspunkt der Reihenschaltung je einer der Halbbrücken, auch als Anzapfung dieser Halbbrücke bezeichnet, ist mit je einem der ersten oder der zweiten Anschlüsse der Last verbunden. Alle Halbbrücken, deren Anzapfungen mit einem der ersten Anschlüsse der Last verbunden sind, sind zur ersten Umrichterstufe zusammengefasst. Alle Halbbrücken, deren Anzapfungen mit einem der zweiten Anschlüsse der Last verbunden sind, sind zur zweiten Umrichterstufe zusammengefasst. Damit sind die Anzapfungen und somit die Halbbrücken innerhalb jeder der Umrichterstufen ebenfalls in der beschriebenen Phasenfolge angeordnet bzw. dieser Phasenfolge zugeordnet.
Zum Bilden einer Sternschaltung ist bevorzugt die zweite Umrichterstufe derart steuerbar, dass die Anzapfungen aller Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe leitend miteinander zu einem Sternpunkt verbunden sind. Dazu sind alle elektronischen Schalterelemente dieser Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe, die mit demselben Anschluss einer der Energiequellen elektrisch leitend verbunden sind, oder alle elektronischen Schalterelemente dieser Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe überhaupt leitend zu schalten. Diese Schaltung ist derart vorzunehmen, dass aus den Energiequellen kein Strom in die Halbbrücken bzw. den Sternpunkt fließen kann, wozu die Energiequellen wenigstens halbseitig, d.h. einpolig, von diesem Sternpunkt getrennt sein müssen.
Zum Bilden einer Ringschaltung werden die erste und die zweite Umrichterstufe derart synchron gesteuert, dass jeweils eine Halbbrücke der ersten Umrichterstufe mit der in der Phasenfolge voraufgehenden oder nachfolgenden Halbbrücke der zweiten Umrichterstufe, d.h. deren elektronische Schalterelemente, synchron geschaltet werden. Damit ist eine Verbindung bzw. Zusammenschaltung der einzelnen Stränge der Last, bei der der zweite Anschluss jedes der Stränge der Last in je einem Abzweigpunkt mit dem ersten Anschluss desjenigen Strangs der Last verbunden ist, der in der Phasenfolge auf den erstgenannten Strang folgt, gegeben.
Je nach Vorgabe der Phasenzahl der Wechselspannungen und damit der Stränge der Last wird deren Zusammenschaltung zur Ringschaltung bei drei Phasen als Dreieckschaltung, bei vier Phasen als Viereckschaltung, bei sechs Phasen als Sechseckschaltung, usw. bezeichnet. Einen besonders bevorzugten Fall bildet das Dreiphasensystem mit drei Wechselspannungen und drei Strängen, wie es als Drehstromsystem in der elektrischen Energieversorgung verbreitet ist. Demgemäß ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Last als offenes Dreiphasensystem ausgebildet, und die Umrichterstufen weisen je drei Halbbrücken auf, je eine Halbbrücke für jede der Phasen.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass aus der Druckschrift DE 10 2006 003 398 A1 ein doppelendiges Umrichtersystem für ein Fahrzeug zum Antreiben eines Motors oder einer anderen Last des Fahrzeugs bekannt ist: Das doppelendige Umrichtersystem umfasst eine erste Energiequelle und ein erstes Umrichtersystem, das mit der ersten Energiequelle gekoppelt und ausgebildet ist, um die Last anzutreiben. Das doppelendige Umrichtersystem umfasst des weiteren eine sekundäre Energiequelle, einen zweiten Kondensator, der parallel zu der sekundären Energiequelle geschaltet ist, und ein zweites Umrichtersystem, das mit der sekundären Energiequelle gekoppelt und ausgebildet ist, um die Last anzutreiben. Ein Controller umfasst einen Ausgang, der mit dem ersten Umrichtersystem und dem zweiten Umrichtersystem gekoppelt ist, um dem ersten Umrichtersystem und dem zweiten Umrichtersystem mindestens ein pulsweitenmoduliertes Signal zu liefern. In diesem doppelendigen Umrichtersystem existiert ein wichtiger Betriebszustand, bei dem die primäre Energiequelle der Last die gesamte Leistung liefert. In diesem Fall liefert die sekundäre Energiequelle keine Leistung und befindet sich auch nicht in einem Ladezustand. Ein Weg, damit dies auftritt, ist, einfach die drei oberen oder die drei unteren Halbleiterschalter in dem zweiten Umrichtersystem zu schließen, um bei den Wicklungen des Motors eine künstliche Sternschaltung zu erzeugen. Während ein Erzeugen einer künstlichen Sternschaltung jegliche Schaltverluste in dem zweiten Umrichtersystem beseitigt, beschränkt es auch die Spannung, die an den Motor angelegt werden kann, auf die, die das erste Umrichtersystem selbst erzeugen könnte. Als ein Ergebnis erreicht der Motor die Grenze, bei der bei einer niedrigeren Drehzahl eine Feldschwächung auftreten muss. Es ist möglich, durch Erzeugen einer Spannung durch das zweite Umrichtersystem, die um 90° zu dem Strom des Motors phasenverschoben ist, die verfügbare Motorspannung weiter zu erhöhen.
Weiterhin ist in der Druckschrift DE 10 2006 003 398 A1 angegeben, dass, wenn die Ausgangsspannung des zweiten Umrichtersystems zu der des Phasenstroms um 90° phasenverschoben ist, das zweite Umrichtersystem keine Wirkleistung verarbeitet. Die durch das zweite Umrichtersystem erzeugte Spannung trägt jedoch zu der verfügbaren Spannung des ersten Umrichtersystems bei, so dass die maximal verfügbare Spannung des Systems erhöht wurde. Im Wesentlichen liefert das zweite Umrichtersystem einen Teil (weniger oder gleich 100 %) der Blindleistung, die durch die Last verbraucht wird, während das erste Umrichtersystem die gesamte Wirkleistung und die verbleibende Blindleistung liefert.
Eine Stern-Dreieck-Umschaltung wie bei der vorliegenden Erfindung wird damit allerdings nicht erhalten.
Die Erfindung ermöglicht eine Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades der Last durch eine Anwendung einer Stern-Ring-Umschaltung, insbesondere einer Stern-Dreieck-Umschaltung bei einem Dreiphasensystem. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, diese Umschaltung leistungsunterbrechungsfrei auszuführen, da im Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung keine Umschaltzeitintervalle bzw. Austastzeitintervalle vorgesehen werden müssen, in denen die Energiezufuhr aus den Energiequellen unterbrochen werden müsste. Dies wird durch den Einsatz der zweiten Umrichterstufe zusätzlich zur ersten Umrichterstufe erreicht. Durch die beschriebene Steuerung der Halbbrücken der Umrichterstufen wird übergangslos eine Bildung entweder eines Sternpunktes für eine Sternschaltung durch zumindest halbseitiges Leitend-Schalten aller Halbbrücken der zweiten Umrichterstufen oder eine Bildung virtueller und/oder realer Abzweigpunkte für eine Ringschaltung durch Synchronisation der Halbbrücken in der beschriebenen Weise erhalten. Dabei ist mit der Bildung eines realen Abzweigpunkts eine elektrisch leitende Zusammenschaltung eines ersten und eines zweiten Anschlusses der Last in der beschriebenen Weise bezeichnet; ein solcher realer Abzweigpunkt wird insbesondere aus der ersten Energiequelle gespeist. Mit der Bildung eines virtuellen Abzweigpunkts ist das elektrisch getrennte, aber synchrone Speisen dieses ersten Anschlusses der Last aus der ersten Energiequelle und des zweiten Anschlusses der Last aus der zweiten Energiequelle bezeichnet, wobei den bezeichneten Anschlüssen zeitgleich übereinstimmende Spannungen, d.h. Wechselspannungen, zugeführt werden, so dass diese Anschlüsse stets auf demselben elektrischen Potential liegen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gekennzeichnet durch eine Ausbildung zum Speisen der Last ausschließlich aus der ersten Energiequelle, wofür wenigstens ein Schalterelement vorgesehen ist zum wahlweisen Gewinnen der zweiten Gleichspannung aus der ersten Gleichspannung der ersten Energiequelle und zum Liefern dieser aus der ersten Gleichspannung der ersten Energiequelle gewonnenen zweiten Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe. Das wenigstens eine Schalterelement, auch als Verbindungsschalter bezeichnet, ist ebenfalls vorteilhaft als elektronisches Schalterelement ausgebildet, bevorzugt mit einem oder mehreren Transistoren oder IGBTs und dient zum wahlweisen Liefern der ersten Gleichspannung aus der ersten Energiequelle als zweite Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe, wobei die Schaltungsanordnung nur die erste Energiequelle aufweist, eine gesonderte zweite Energiequelle kann entfallen. Bevorzugt sind dabei die Umrichterstufen und der wenigstens eine Verbindungsschalter zu eine gemeinsamen Leistungselektronik-Baugruppe zusammengefasst, wozu unterschiedliche, für sich genommen bekannte Integrationstechniken angewandt sein können. Dadurch wird, obgleich zwei Umrichterstufen vorgesehen sind, insgesamt ein kompakter und kostengünstiger Aufbau erhalten.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gekennzeichnet durch eine Ausbildung der ersten und/oder der zweiten Energiequelle mit wenigstens einem Akkumulator und/oder wenigstens einer Brennstoffzelle. Diese Ausführungsform ist bevorzugt in elektrisch betriebenen Fahrzeugen, insbesondere Straßenfahrzeugen, oder in Hybridfahrzeugen einsetzbar. Vorteilhaft ist die erste und/oder die zweite Energiequelle durch eine Traktionsbatterie eines derartigen Fahrzeugs gebildet. Damit ist ein sehr leistungsfähiger Betrieb der Last mit hohem Wirkungsgrad in einem solchen Fahrzeug mit den darin verfügbaren Energiequellen möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gekennzeichnet durch eine Ausbildung der ersten und/oder der zweiten Energiequelle mit wenigstens einem Kondensator, insbesondere mit wenigstens einem Superkondensator.
Wie dazu aus der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt "http://de.wikipedia.org/wiki/Superkondensator", Eintrag gelesen am 05.06.2014 um 11:35 Uhr – entnehmbar ist, sind Superkondensatoren, auch Ultrakondensatoren genannt, elektrochemische Kondensatoren und als solche eine Weiterentwicklung aus Doppelschichtkondensatoren. Sie besitzen im Gegensatz zu Keramik-, Folien- und Elektrolytkondensatoren kein Dielektrikum im herkömmlichen Sinne. Die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren ergeben sich aus der Summe zweier hochkapazitiver Speicherprinzipien:

• aus der statischen Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung in Helmholtz-Doppelschichten in einer Doppelschichtkapazität und
• aus der elektrochemischen Speicherung elektrischer Energie durch faradayschen Ladungstausch mit Hilfe von Redoxreaktionen in einer Pseudokapazität.

Doppelschicht- und Pseudokapazität summieren sich in allen elektrochemischen Kondensatoren zu einer Gesamtkapazität.
Superkondensatoren gliedern sich, bedingt durch die Ausführung ihrer Elektroden, in drei unterschiedliche Kondensatorfamilien:

• Doppelschichtkondensatoren besitzen Kohlenstoffelektroden oder deren Derivate mit einer sehr hohen statischen Doppelschichtkapazität. Der Anteil an faradayscher Pseudokapazität an der Gesamtkapazität ist nur gering.
• Pseudokondensatoren besitzen Elektroden aus Metalloxiden oder aus leitfähigen Polymeren und haben einen sehr hohen Anteil an faradayscher Pseudokapazität.
• Hybridkondensatoren besitzen asymmetrische Elektroden, eine mit einer hohen Doppelschicht-, die zweite mit einer hohen Pseudokapazität. Zu den Hybridkondensatoren gehören Lithium-Ionen-Kondensatoren.

In Superkondensatoren ist der Elektrolyt die leitfähige Verbindung zwischen zwei Elektroden. Das unterscheidet sie von Elektrolytkondensatoren, bei denen der Elektrolyt die Kathode ist und somit die zweite Elektrode bildet. Superkondensatoren gehören zu den passiven elektronischen Bauelementen und überbrücken die Lücke zwischen Kondensatoren und Akkumulatoren. Sie haben unter den Kondensatoren die höchsten Kapazitätswerte pro Bauelement, die mit bis zu 10.000 F/1,2 V etwa 10.000-fach größer sind als die von Elektrolytkondensatoren. Im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts weisen Superkondensatoren nur etwa 10 % von deren Energiedichte auf, allerdings ist ihre Leistungsdichte etwa 10 bis 100-fach größer. Superkondensatoren können deshalb sehr viel schneller ge- und entladen werden. Sie überstehen außerdem sehr viel mehr Schaltzyklen als Akkus und eignen sich deshalb als deren Ersatz oder Ergänzung, wenn eine große Schaltbeanspruchung gefordert wird.
Das Einsatzgebiet von Superkondensatoren reicht von der Bereitstellung kleinster Ströme zum Datenerhalt von statischen Speichern (SRAM) in elektronischen Geräten bis in den Bereich der Leistungselektronik, so z.B. als Speicher elektrischer Energie im sogenannten KERS-System von Formel-1-Rennwagen oder bei der Rückgewinnung von Bremsenergie, der sogenannten Rekuperation, in Fahrzeugen wie Bussen und Bahnen.
Auch aus dem Aufsatz „Superkondensatoren – Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren", erschienen in MTZ – Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe 02/2013, Seiten 158–163, Autoren: Dr.-Ing. Julia Kowal, Dipl.-Ing. Julia Drillkens, Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer, erschienen bei Springer Automotive Media Wiesbaden GmbH (2013), ist entnehmbar, dass alternativ zu Batterien für die Speicherung elektrischer Energie auch eine Kondensatortechnologie zur Verfügung steht, die als elektrochemische Doppelschichtkondensatoren bezeichnet ist, auch Supercaps, Ultracaps oder Superkondensatoren genannt. Systematisch gesehen gehören elektrochemische Doppelschichtkondensatoren zur Gruppe der Kondensatoren. Sie weisen einen Aufbau mit porösen Elektroden und gelösten Ionen in einem organischen Elektrolyten auf.
Ferner wird in diesem Aufsatz beschrieben, dass bei diesen Supercaps die Speicherung der Energie im elektrischen Feld zwischen einer Kohlenstoffoberfläche auf der einen und einer Helmholtz-Schicht aus Ionen auf der anderen Seite erfolgt. Aufgrund der porösen Oberflächenstruktur der Elektroden und des geringen Abstands der Helmholtz-Schicht im Bereich von einigen Nanometern können sie im Vergleich zu konventionellen Kondensatoren viel mehr Energie pro Volumen speichern. Sie weisen eine schnelle Ansprechzeit und die Fähigkeit auf, sehr hohe Ströme liefern zu können. Daraus ergibt sich eine ebensolche Leistungsfähigkeit. Gleichzeitig erreichen die Supercaps um zwei bis drei Größenordnungen höhere Zyklenlebensdauern, da die Energiespeicherung im Wesentlichen elektrostatisch und ohne elektrochemische Reaktion abläuft. Die Elektrodenmaterialien werden daher keinen strukturellen Änderungen der Kristallstruktur unterworfen, was die Elektroden sehr stabil macht. Aufgrund dieser Eigenschaften nehmen Supercaps in Bezug auf Energie und Leistung eine Zwischenstellung zwischen Batterien und Kondensatoren ein. Sie sind damit ideale Energiespeicher für alle Anwendungen, bei denen hohe Leistungen für kurze Zeit und große Zyklenzahlen benötigt werden.
Damit sind derartige Superkondensatoren vorteilhaft als Energiespeicher auch für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einsetzbar. Ist z.B. die zweite Energiequelle mit wenigstens einem derartigen Superkondensator ausgebildet, wird diesem Superkondensator Energie bevorzugt in einem sogenannten Rekuperationsmodus zugeführt. Vorteilhaft wird ein derartiger Rekuperationsmodus beim Bremsen von Fahrzeugen ausgeführt, wobei aus der kinetischen Energie des Fahrzeugs elektrische Energie rückgewonnen wird. Derart rückgewonnene Energie kann dem Superkondensator zugeleitet und darin gespeichert werden. Im Fall der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann in der Last gespeicherte elektrische und/oder mechanische, d.h. potentielle und/oder kinetische, Energie, die insbesondere aus der ersten Energiequelle aufgenommen wurde, im Rekuperationsmodus in den Superkondensator geleitet werden. Bevorzugt kann ein solcher Rekuperationsmodus auch mit bestimmter Steuerung der Umrichterstufen ausgeführt werden, etwa durch halbseitiges Leitend-Schalten und halbseitiges Sperren der Halbbrücken der ersten Umrichterstufe, wodurch diese einen von der ersten Energiequelle abgetrennten Sternpunkt für die ersten Anschlüsse der Last bildet. Über die zweite Umrichterstufe wird dann die Energie dem Superkondensator zugeführt.
In Variationen dieser Ausgestaltung kann wenigstens ein Kondensator und/oder wenigstens ein Superkondensator zusätzlich zu der ersten und/oder der zweiten Energiequelle, parallel dazu angeordnet, vorgesehen sein, wobei der wenigstens eine Kondensator und/oder Superkondensator z.B. parallel zu wenigstens einer Brennstoffzelle und/oder wenigstens einem Akkumulator der Energiespeicherung zum Ausgleich von Belastungsschwankungen und/oder -spitzen und/oder zur Spannungsglättung und/oder zur Entstörung dient.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die erste Energiequelle über wenigstens einen ersten Gleichspannungswandler mit der ersten Umrichterstufe gekoppelt und/oder ist die zweite Energiequelle über wenigstens einen zweiten Gleichspannungswandler mit der zweiten Umrichterstufe gekoppelt. Ist nur eine erste Energiequelle vorgesehen, wird nur ein Gleichspannungswandler benötigt. Diese Gleichspannungswandler, auch als sogenannte „Boost/Buck Converter“ ausgestaltet und bezeichnet, sind dazu ausgebildet, durch bestimmte Steuerung die an die Last zu liefernden Spannungen während der Stern-Ring-Umschaltung konstant zu halten, da ansonsten unerwünschte Schwingungen im transienten Verhalten der Schaltungsanordnung auftreten können. Insbesondere wird diese Steuerung durch eine passende Änderung eines Modulationsindexes in der Spannungswandlung bewirkt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Last mit einer elektrischen Maschine mit offenen Wicklungen gebildet. Besonders bevorzugt ist die Last mit einer Asynchronmaschine mit offenen Wicklungen gebildet. Damit ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorteilhaft für Antriebe einsetzbar. Sie ermöglicht einen kraft- bzw. drehmomentunterbrechungsfreien Betrieb einer solchen elektrischen Maschine, insbesondere eine kraft- bzw. drehmomentunterbrechungsfreie Stern-Ring-Umschaltung dieser elektrischen Maschine. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Last als dreiphasige Asynchronmaschine ausgebildet. Damit ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen kraft- bzw. drehmomentunterbrechungsfreien Betrieb der dreiphasigen Asynchronmaschine, insbesondere eine kraft- bzw. drehmomentunterbrechungsfreie Stern-Dreieck-Umschaltung der dreiphasigen Asynchronmaschine. Da eine derartige Asynchronmaschine sehr kostengünstig und einfach ohne Verwendung kostspieliger Permanentmagnete aufgebaut ist, lässt sich mit der Erfindung ein sehr einfach und kostengünstig aufgebauter Antrieb verwirklichen, der auch und bevorzugt für elektrisch betriebene Fahrzeuge und dort insbesondere für einen Traktionsantrieb einsetzbar ist. Durch die Erfindung werden Wirkungsgrad und Drehmoment dieses Antriebs unter Verwendung einer Asynchronmaschine in dem Umfang verbessert, dass sie sich soweit wie möglich den diesbezüglichen Werten einer permanentmagneterregten Synchronmaschine annähern. Unter Einsatz einer Asynchronmaschine wird bei gleichem Bauraum wie für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine eine vergleichbare Leistung erzielt. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wahlweise auch zum Betreiben einer permanentmagneterregten Synchronmaschine anstelle der Asynchronmaschine einsetzbar.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gekennzeichnet durch eine Steuerstufe zum Steuern der Umrichterstufen und/oder des wenigstens einen Schalterelements und/oder der Gleichspannungswandler. Durch ein gemeinsames Steuern aller in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wahlweise eingesetzten elektronischen Schalterelemente, bevorzugt also derjenigen der Halbbrücken der Umrichterstufen und zusätzlich des wenigstens einen Verbindungsschalters sowie gegebenenfalls auch des wenigstens einen Gleichspannungswandlers, d.h. „Boost/Buck Converters“, mittels einer gemeinsamen Steuerstufe wird ein einfacher und kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erhalten, mit dem eine Synchronisation der beschriebenen Art einfach, präzise und fehlerfrei erzielt wird. Insbesondere die Vermeidung von Synchronisationsfehlern zwischen den Umrichterstufen ist bedeutsam.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung der vorstehend beschriebenen Art, wobei zum Speisen der Last aus der ersten oder der ersten und der zweiten Energiequelle die ersten und zweiten Anschlüsse der Last durch Steuern wenigstens der Umrichterstufen wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Ringschaltung verbunden werden. Insbesondere bei einer Ausbildung der Last mit einer elektrischen Maschine, bevorzugt einer Asynchronmaschine, erfolgt die Verbindung zur Sternschaltung bei niedrigen Drehzahlen und die Verbindung zur Ringschaltung bei hohen Drehzahlen.
Zum Bilden der Sternschaltung werden die elektronischen Schalterelemente der Halbbrücken in der zweiten Umrichterstufe derart leitend bzw. nichtleitend geschaltet, dass in der zweiten Umrichterstufe ein Sternpunkt gebildet und zugleich eine Abtrennung dieses Sternpunkts von der ersten oder der ersten und der zweiten Energiequelle bewirkt wird. Beim Speisen beider Umrichterstufen aus der als einziger Energiequelle vorgesehenen ersten Energiequelle werden insbesondere der wenigstens eine Verbindungsschalter nichtleitend geschaltet und die Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe wenigstens halbseitig leitend geschaltet. Beim getrennten Speisen der zweiten Umrichterstufe aus der gesonderten zweiten Energiequelle werden die Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe bevorzugt halbseitig leitend und halbseitig nichtleitend geschaltet, so dass über die mit einem ersten Anschluss der zweiten Energiequelle verbundenen, leitenden Schalterelemente der Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe der Sternpunt gebildet wird und durch die mit einem zweiten Anschluss der zweiten Energiequelle verbundenen, nichtleitenden Schalterelemente der Halbbrücken der zweiten Umrichterstufe ein Stromfluss aus der zweiten Energiequelle unterbunden wird.
Zum Bilden der Dreieckschaltung wird eine Synchronisation der Halbbrücken der ersten und der zweiten Umrichterstufe derart vorgenommen, dass je einer der ersten Anschlüsse der Last mit dem in der Phasenfolge um eine bestimmte Anzahl von Stellen in der Phasenfolge, insbesondere um eine Stelle, benachbarten der zweiten Anschlüsse der Last synchron gespeist, bevorzugt leitend verbunden, wird. Wie bereits vorstehend erläutert, werden als zum Bilden einer Ringschaltung die erste und die zweite Umrichterstufe derart synchron gesteuert, dass jeweils eine Halbbrücke der ersten Umrichterstufe mit der in der Phasenfolge voraufgehenden oder nachfolgenden Halbbrücke der zweiten Umrichterstufe, d.h. deren elektronische Schalterelemente, synchron geschaltet werden. Damit ist eine Verbindung bzw. Zusammenschaltung der einzelnen Stränge der Last, bei der der zweite Anschluss jedes der Stränge der Last in je einem Abzweigpunkt mit dem ersten Anschluss desjenigen Strangs der Last verbunden ist, der in der Phasenfolge auf den erstgenannten Strang folgt, gegeben. Dadurch wird eine einen tatsächlichen elektrischen Abzweigpunkt bildende Verbindung oder eine Übereinstimmung der diesen Anschlüssen zugeführten Spannungen erzielt, die wie ein tatsächlicher elektrischer Abzweigpunkt wirkt und vorstehend auch als virtueller Abzweigpunkt bezeichnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise die angestrebte, leistungs- bzw. kraft- oder drehmomentunterbrechungsfreie Stern-Ring-Umschaltung. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern von Traktionsantrieben in elektrisch betriebenen Fahrzeugen einsetzbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Umrichterstufen pulsweitenmoduliert gesteuert. Damit ist die erfindungsgemäße Stern-Ring-Umschaltung sehr einfach und wirkungsvoll mit einer Leistungssteuerung durch Pulsweitenmodulation kombinierbar, ohne dafür weitere Schaltungsbauelemente, insbesondere aufwendige und kostspielige Leistungshalbleiter, einsetzen zu müssen. Diese Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht somit die Bereitstellung und das Betreiben eines einfach aufgebauten, kompakten und leistungsfähigen Antriebs.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung, in der übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und zu der auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird, zeigen:
1 ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in blockschematischer Darstellung,
2 das erste Beispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach 1 in blockschematischer Darstellung in einem Betriebszustand mit einer Sternschaltung,
3 das erste Beispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach 1 in blockschematischer Darstellung in einem Betriebszustand mit Bildung eines ersten Abzweigpunktes einer Dreieckschaltung,
4 das erste Beispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach 1 in blockschematischer Darstellung in einem weiteren Betriebszustand mit Bildung eines zweiten Abzweigpunktes einer Dreieckschaltung,
5 Diagramme mit Schaltverläufen für die Umrichterstufen und die Verbindungsschalter in Stern- und Dreieckschaltung und im Umschaltzeitpunkt,
6 ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in blockschematischer Darstellung,
7 ein drittes Beispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in blockschematischer Darstellung, und
8 ein Diagramm mit einem Beispiel für einen Verlauf eines Drehmoments M einer Asynchronmaschine über der Drehzahl zur Verdeutlichung des Betriebsverhaltens.
Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im nachfolgenden näher beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist mit dem Bezugszeichen 100 ein erstes, in blockschematischer Darstellung wiedergegebenes Beispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bezeichnet. Die Schaltungsanordnung 100 umfasst eine erste Energiequelle 101, die zum Liefern im Wesentlichen einer ersten Gleichspannung eingerichtet ist und z.B. mit einem Akkumulator und/oder einer Brennstoffzelle ausgebildet ist. Bevorzugt ist die erste Energiequelle 101 im vorliegenden Beispiel mit einer Traktionsbatterie, auch als Hochvolt- oder HV-Batterie bezeichnet, eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgebildet. Ein Pluspol 102 und ein Minuspol 103 der ersten Energiequelle 101 sind mit einem ersten bzw. einem zweiten Eingangsanschluss 104 bzw. 105 eines ersten Gleichspannungswandlers 106 verbunden, dem über einen Steuereingang 107 ein Steuersignal zum Steuern einer über einen Pluspol P und einen Minuspol N bildenden Ausgangsanschlüsse abgebbaren Spannung bzw. Leistung durch eine passende Änderung eines Modulationsindexes in der Spannungswandlung zuführbar ist. Ein Glättungskondensator 109 ist zwischen den Ausgangsanschlüssen P, N des ersten Gleichspannungswandlers 106 angeordnet. Ein weiterer Glättungskondensator kann zwischen den Eingangsanschlüssen 104, 105 des ersten Gleichspannungswandlers 106 angeordnet sein, ist jedoch von diesem umfasst und damit in 1 nicht explizit dargestellt. Zwischen dem Pluspol P und dem Minuspol N des ersten Gleichspannungswandlers 106 steht damit eine geglättete Gleichspannung zum Speisen einer Last zur Verfügung.
Diese Last ist in 1 als Asynchronmaschine ausgestaltet und mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet. Die Asynchronmaschine 110 bildet ein offenes Dreiphasensystem mit drei Strängen, die hier als Wicklungsstränge ausgebildet sind, und weist daher die Phasenzahl 3 auf. Von diesen Strängen ist ein erster Strang 111 zwischen einem ersten Anschluss U und einem zweiten Anschluss X angeordnet; ein zweiter Strang 112 ist zwischen einem ersten Anschluss V und einem zweiten Anschluss Y angeordnet, und ein dritter Strang 113 ist zwischen einem ersten Anschluss W und einem zweiten Anschluss Z angeordnet. Über die Anschlüsse U, V, W, X, Y, Z werden die Stränge 111, 112, 113 der Asynchronmaschine 110 mit einer Dreiphasenspannung gespeist. Dazu umfasst die Schaltungsanordnung 110 eine erste Umrichterstufe 114, durch die die ersten Anschlüsse U, V, W der Stränge 111, 112, 113 der Asynchronmaschine 110 gespeist werden, und eine zweite Umrichterstufe 115, durch die die zweiten Anschlüsse X, Y, Z der Stränge 111, 112, 113 der Asynchronmaschine 110 gespeist werden.
Die erste Umrichterstufe 114 weist eine erste, eine zweite und eine dritte Halbbrücke 116, 117 bzw. 118 auf. Darin umfasst die erste Halbbrücke 116 ein erstes elektronisches Schalterelement Q11 und ein dazu in Reihenschaltung angeordnetes zweites elektronisches Schalterelement Q14, die zweite Halbbrücke 117 ein erstes elektronisches Schalterelement Q12 und ein dazu in Reihenschaltung angeordnetes zweites elektronisches Schalterelement Q15 und die dritte Halbbrücke 118 ein erstes elektronisches Schalterelement Q13 und ein dazu in Reihenschaltung angeordnetes zweites elektronisches Schalterelement Q16. Endpunkte der Halbbrücken 116, 117, 118, die von deren ersten Schalterelementen Q11, Q12, Q13 gebildet werden, sind mit dem Pluspol P des ersten Gleichspannungswandlers 106 verbunden. Gegenüberliegende Endpunkte der Halbbrücken 116, 117, 118, die von deren zweiten Schalterelementen Q14, Q15, Q16 gebildet werden, sind mit dem Minuspol N des ersten Gleichspannungswandlers 106 verbunden. Ein Verbindungspunkt der Reihenschaltung, d.h. eine Anzapfung, zwischen den Schalterelementen Q11, Q14 der ersten Halbbrücke 116 ist mit dem ersten Anschluss U des ersten Strangs 111 der Asynchronmaschine 110 verbunden. In entsprechender Weise ist eine Anzapfung zwischen den Schalterelementen Q12, Q15 der zweiten Halbbrücke 117 mit dem ersten Anschluss V des zweiten Strangs 112 und ist eine Anzapfung zwischen den Schalterelementen Q13, Q16 der dritten Halbbrücke 118 mit dem ersten Anschluss W des dritten Strangs 113 der Asynchronmaschine 110 verbunden.
Die zweite Umrichterstufe 115 weist ebenfalls eine erste, eine zweite und eine dritte Halbbrücke 119, 120 bzw. 121 auf. Darin umfasst die erste Halbbrücke 119 ein erstes elektronisches Schalterelement Q21 und ein dazu in Reihenschaltung angeordnetes zweites elektronisches Schalterelement Q24, die zweite Halbbrücke 120 ein erstes elektronisches Schalterelement Q22 und ein dazu in Reihenschaltung angeordnetes zweites elektronisches Schalterelement Q25 und die dritte Halbbrücke 121 ein erstes elektronisches Schalterelement Q23 und ein dazu in Reihenschaltung angeordnetes zweites elektronisches Schalterelement Q26. Endpunkte der Halbbrücken 119, 120, 121, die von deren ersten Schalterelementen Q21, Q22, Q23 gebildet werden, sind in einem ersten Knotenpunkt 122 miteinander verbunden. Gegenüberliegende Endpunkte der Halbbrücken 119, 120, 121, die von deren zweiten Schalterelementen Q24, Q25, Q26 gebildet werden, sind in einem zweiten Knotenpunkt 123 miteinander verbunden. Ein Verbindungspunkt der Reihenschaltung, d.h. eine Anzapfung, zwischen den Schalterelementen Q21, Q24 der ersten Halbbrücke 119 ist mit dem zweiten Anschluss X des ersten Strangs 111 der Asynchronmaschine 110 verbunden. In entsprechender Weise ist eine Anzapfung zwischen den Schalterelementen Q22, Q25 der zweiten Halbbrücke 120 mit dem zweiten Anschluss Y des zweiten Strangs 112 und ist eine Anzapfung zwischen den Schalterelementen Q23, Q26 der dritten Halbbrücke 121 mit dem zweiten Anschluss Z des dritten Strangs 113 der Asynchronmaschine 110 verbunden.
Im Gegensatz zur ersten Umrichterstufe 114 sind bei der zweiten Umrichterstufe die Endpunkte der Halbbrücken 119, 120, 121 nicht unmittelbar an den Pluspol P bzw. den Minuspol N des ersten Gleichspannungswandlers 106 angeschlossen, sondern an die Knotenpunkte 122 bzw. 123. Der erste Knotenpunkt 122 ist über einen ersten Verbindungsschalter V1 mit dem Pluspol P des ersten Gleichspannungswandlers 106 verbunden. Der zweite Knotenpunkt 123 ist über einen zweiten Verbindungsschalter V2 mit dem Minuspol N des ersten Gleichspannungswandlers 106 verbunden. Mittels der Verbindungsschalter V1, V2 kann der zweite Umrichter somit wahlweise mit dem ersten Gleichspannungswandler 106 verbunden bzw. von diesem getrennt werden. Dadurch ist das Speisen der Stränge 111, 112, 113 der Asynchronmaschine 110 an den zweiten Anschlüssen X, Y, Z aus der ersten Energiequelle 101 über die zweite Umrichterstufe 115 wahlweise zu- oder abschaltbar.
Die Schalterelemente Q11, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16, Q21, Q22, Q23, Q24, Q25 und Q26 der Umrichterstufen 114, 115 und die Verbindungsschalter V1, V2 sind mit bipolaren Transistoren ausgebildet, deren Kollektor-Emitter-Strecken, d.h. Hauptstrompfade, mit Freilaufdioden überbrückt sind.
In 2 ist schematisch ein erster Betriebszustand der Schaltungsanordnung nach 1 dargestellt, in dem die Stränge 111, 112, 113 der Asynchronmaschine 110 durch die Umrichterstufen 114, 115 und die Verbindungsschalter V1, V2 in Sternschaltung betrieben werden, d.h. in diesem ersten Betriebszustand werden die die ersten und zweiten Anschlüsse U, V, W und X, Y, Z der Asynchronmaschine 110 zu einer Sternschaltung verbunden. Dazu von den Schalterelementen Q11, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16, Q21, Q22, Q23, Q24, Q25 und Q26 der Umrichterstufen 114, 115 und den Verbindungsschaltern V1, V2 eingenommene Schaltzustände sind durch über die betreffenden Schalterelemente gedruckte Kreuze 124 zum Symbolisieren eines nichtleitenden Zustands und durch über die betreffenden Schalterelemente gedruckte Balken 125 zum Symbolisieren eines leitenden Zustands angedeutet. Dabei sind in 2 nur die Schaltzustände der Schalterelemente Q21, Q22, Q23, Q24, Q25 und Q26 der zweiten Umrichterstufe 115 und der Verbindungsschalter V1, V2 explizit dargestellt, da diese bevorzugt statisch eingenommen werden, sich also während des Betriebs der Asynchronmaschine in Sternschaltung nicht ändern, wohingegen die Schalterelemente Q11, Q12, Q13, Q14, Q15 und Q16 der ersten Umrichterstufe 114 zum Speisen der Asynchronmaschine 110 bevorzugt pulsweitenmoduliert angesteuert werden.
In dem dargestellten ersten Betriebszustand der Sternschaltung sind alle Schalterelemente Q21, Q22, Q23, Q24, Q25 und Q26 der zweiten Umrichterstufe 115 dauerhaft, d.h. durchgehend für die gesamte Zeitdauer, in der dieser erste Betriebszustand andauert, in den leitenden Zustand geschaltet, so dass die zweiten Anschlüsse X, Y, Z der Asynchronmaschine 110 dauerhaft miteinander zum Sternpunkt verbunden sind. Die Verbindungsschalter V1, V2 sind dauerhaft im nichtleitenden Zustand und trennen somit den Sternpunkt von der ersten Energiequelle dauerhaft ab.
In einer nicht dargestellten Abwandlung dieses ersten Betriebszustands kann der zweite Verbindungsschalter V2 im leitenden Zustand verbleiben und werden statt dessen die zweiten Schalterelemente Q24, Q25, Q26 der Halbbrücken 119, 120, 121 der zweiten Umrichterstufe 115 in den nichtleitenden Zustand geschaltet, wohingegen die ersten Schalterelemente Q21, Q22, Q23 der Halbbrücken 119, 120, 121 der zweiten Umrichterstufe 115 auch weiterhin im leitenden Zustand und der erste Verbindungsschalter V1 im nichtleitenden Zustand verbleiben. In einer Abwandlung der Schaltungsanordnung 100 kann diese Abwandlung des Betriebszustands der Sternschaltung dahingehend ausgenutzt werden, dass auf den zweiten Verbindungsschalter ganz verzichtet und dieser durch eine unmittelbare, feste leitende Verbindung zwischen dem zweiten Knotenpunkt 123 und dem Minuspol N des ersten Gleichspannungswandlers 106 ersetzt wird. Dadurch kann ein Schalterelement eingespart werden. Da, wie nachfolgend gezeigt wird, im Betriebszustand der Ring. bzw. Dreieckschaltung der zweite Verbindungsschalter V2 ohnehin dauerhaft im leitenden Zustand betrieben wird, haben diese Abwandlungen der Schaltungsanordnung 100 und des ersten Betriebszustands auf den Betrieb in Dreieckschaltung keinen Einfluss.
In 3 ist schematisch ein zweiter Betriebszustand der Schaltungsanordnung nach 1 dargestellt, in dem die Stränge 111, 112, 113 der Asynchronmaschine 110 durch die Umrichterstufen 114, 115 und die Verbindungsschalter V1, V2 in Dreieckschaltung betrieben werden, d.h. in diesem ersten Betriebszustand werden die die ersten und zweiten Anschlüsse U, V, W und X, Y, Z der Asynchronmaschine 110 zu einer Dreieckschaltung verbunden.
Zum Bilden dieser Dreieckschaltung werden die Halbbrücken 116, 117, 118 der ersten Umrichterstufe 114 und die Halbbrücken 119, 120, 121 der zweiten Umrichterstufe 115 derart synchron gesteuert, dass je einer der ersten Anschlüsse U, V, W der Asynchronmaschine 110 mit dem in der Phasenfolge um eine Stelle benachbarten der zweiten Anschlüsse X, Y, Z der Asynchronmaschine 110 leitend verbunden wird, d.h. es werden jeweils eine Halbbrücke 116, 117 bzw. 118 der ersten Umrichterstufe 114 mit der in der Phasenfolge voraufgehenden oder nachfolgenden Halbbrücke 119, 120 bzw. 121 der zweiten Umrichterstufe 115, d.h. deren elektronische Schalterelemente Q11, Q12, Q13, Q14, Q15, Q16, Q21, Q22, Q23, Q24, Q25 und Q26, synchron geschaltet. Damit ist eine Verbindung bzw. Zusammenschaltung der einzelnen Stränge 111, 112, 113 der Asynchronmaschine 110, bei der der zweite Anschluss X, Y, Z jedes der Stränge 111, 112, 113 der Asynchronmaschine 110 in je einem Abzweigpunkt mit dem ersten Anschluss U, V, W desjenigen Strangs 111, 112 bzw. 113 der Asynchronmaschine 110 verbunden ist, der in der Phasenfolge auf den erstgenannten Strang 111, 112, 113 folgt, gegeben.
Im Einzelnen bedeutet dies für die Bildung einer Dreieckschaltung in der Schaltungsanordnung 100 des ersten Ausführungsbeispiels nach 1:

• Die erste Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe 114 wird mit der dritten Halbbrücke 121 der zweiten Umrichterstufe 115 synchron gesteuert;
– dazu werden insbesondere das erste Schalterelement Q11 der ersten Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe 114 und das erste Schalterelement Q23 der dritten Halbbrücke 121 der zweiten Umrichterstufe 115 zueinander synchron geschaltet
– sowie das zweite Schalterelement Q14 der ersten Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe 114 und das zweite Schalterelement Q26 der dritten Halbbrücke 121 der zweiten Umrichterstufe 115 zueinander synchron geschaltet.
• Die zweite Halbbrücke 117 der ersten Umrichterstufe 114 wird mit der ersten Halbbrücke 119 der zweiten Umrichterstufe 115 synchron gesteuert;
– dazu werden insbesondere das erste Schalterelement Q12 der zweiten Halbbrücke 117 der ersten Umrichterstufe 114 und das erste Schalterelement Q21 der ersten Halbbrücke 119 der zweiten Umrichterstufe 115 zueinander synchron geschaltet
– sowie das zweite Schalterelement Q15 der zweiten Halbbrücke 117 der ersten Umrichterstufe 114 und das zweite Schalterelement Q24 der ersten Halbbrücke 119 der zweiten Umrichterstufe 115 zueinander synchron geschaltet.
• Die dritte Halbbrücke 118 der ersten Umrichterstufe 114 wird mit der zweiten Halbbrücke 120 der zweiten Umrichterstufe 115 synchron gesteuert;
– dazu werden insbesondere das erste Schalterelement Q13 der dritten Halbbrücke 118 der ersten Umrichterstufe 114 und das erste Schalterelement Q22 der zweiten Halbbrücke 120 der zweiten Umrichterstufe 115 zueinander synchron geschaltet
– sowie das zweite Schalterelement Q16 der dritten Halbbrücke 118 der ersten Umrichterstufe 114 und das zweite Schalterelement Q25 der zweiten Halbbrücke 120 der zweiten Umrichterstufe 115 zueinander synchron geschaltet.

Die beiden Verbindungsschalter V1 und V2 bleiben für die Bildung der Dreieckschaltung dauerhaft leitend geschaltet.
In 3 ist dazu beispielhaft ein Schaltzustand symbolisiert, in dem im Rahmen der synchronen Steuerung der ersten Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe 114 mit der dritten Halbbrücke 121 der zweiten Umrichterstufe 115 das erste Schalterelement Q11 der ersten Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe 114 und das erste Schalterelement Q23 der dritten Halbbrücke 121 der zweiten Umrichterstufe 115 leitend und das zweite Schalterelement Q14 der ersten Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe 114 und das zweite Schalterelement Q26 der dritten Halbbrücke 121 der zweiten Umrichterstufe 115 nichtleitend geschaltet sind. Durch den leitend geschalteten ersten Verbindungsschalter V1 besteht dann eine leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss U des ersten Strangs 111 und dem zweiten Anschluss Z des dritten Strangs 113 der Asynchronmaschine 110, die in 3 hervorgehoben und mit dem Bezugszeichen 126 bezeichnet ist. Die Verbindung 126 stellt einen Abzweigpunkt der Dreieckschaltung dar, der hier mit dem Pluspol P des ersten Gleichspannungswandlers 106 verbunden ist.
In 4 ist in Abwandlung des in 3 dargestellten Schaltzustands als ein dritter Betriebszustand der Schaltungsanordnung nach 1 beispielhaft ein Schaltzustand symbolisiert, in dem im Rahmen der synchronen Steuerung der ersten Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe 114 mit der dritten Halbbrücke 121 der zweiten Umrichterstufe 115 nun das erste Schalterelement Q11 der ersten Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe 114 und das erste Schalterelement Q23 der dritten Halbbrücke 121 der zweiten Umrichterstufe 115 nichtleitend und das zweite Schalterelement Q14 der ersten Halbbrücke 116 der ersten Umrichterstufe 114 und das zweite Schalterelement Q26 der dritten Halbbrücke 121 der zweiten Umrichterstufe 115 leitend geschaltet sind. Durch den leitend geschalteten zweiten Verbindungsschalter V2 besteht weiterhin eine leitende Verbindung zwischen dem ersten Anschluss U des ersten Strangs 111 und dem zweiten Anschluss Z des dritten Strangs 113 der Asynchronmaschine 110, die in 4 hervorgehoben und mit dem Bezugszeichen 127 bezeichnet ist. Die Verbindung 127 stellt den gleichen Abzweigpunkt der Dreieckschaltung wie in 3 dar; dieser Abzweigpunkt ist jetzt allerdings mit dem Minuspol N des ersten Gleichspannungswandlers 106 verbunden.
Zum Steuern der Umrichterstufen 114, 115 und der Verbindungsschalter V1, V2 in der vorbeschriebenen Weise umfasst die Schaltungsanordnung 100 nach 1 eine Steuerstufe 128. Diese ist über Steuerleitungen 129 mit den Umrichterstufen 114, 115 und den Verbindungsschaltern V1, V2 verbunden. Über eine weitere Steuerleitung 130 wird auch der erste Gleichspannungswandler 106 an dessen Steuereingang 107 gesteuert.
5 zeigt beispielhaft Diagramme mit Schaltverläufen für die Schalterelemente Q11 bis Q16 und Q21 bis Q26 der Umrichterstufen 114, 115 und die Verbindungsschalter V1, V2 in Stern- und Dreieckschaltung und im Umschaltzeitpunkt tu zwischen Stern- und Dreieckschaltung, aufgetragen als Signalwert entlang der Ordinate über der Zeit t entlang der Abszisse. Dabei ist mit einem Signalwert "0" der Schaltverläufe ein nichtleitend geschalteter Zustand und mit einem Signalwert "1" ein leitend geschalteter Zustand des jeweiligen Schalterelements Q11 bis Q16 und Q21 bis Q26 bzw. des jeweiligen Verbindungsschalters V1, V2 bezeichnet. Links vom Umschaltzeitpunkt tu, d.h. für Zeiten t kleiner als tu, sind im Diagramm nach 5 Schaltverläufe für den Sternbetrieb wiedergegeben. Rechts vom Umschaltzeitpunkt tu, d.h. für Zeiten t größer als tu, sind Schaltverläufe für den Dreiecksbetrieb wiedergegeben. Mit t1 ist ein erster Zeitpunkt bezeichnet, an dem die Schaltungsanordnung nach 1 den in 2 dargestellten und dazu beschriebenen ersten Betriebszustand bzw. Schaltzustand einnimmt. Mit t2 ist ein zweiter Zeitpunkt bezeichnet, an dem die Schaltungsanordnung nach 1 den in 3 dargestellten und dazu beschriebenen zweiten Betriebszustand bzw. Schaltzustand einnimmt, und Mit t3 ist ein dritter Zeitpunkt bezeichnet, an dem die Schaltungsanordnung nach 1 den in 4 dargestellten und dazu beschriebenen dritten Betriebszustand bzw. Schaltzustand einnimmt. Zum Umschaltzeitpunkt tu erfolgt die Umschaltung von Sternschaltung in Dreieckschaltung. Die in 5 dargestellten Schaltverläufe bilden eine Art eines „Unterschwingungsverfahrens“, auch als „Carrier-Based Pulse Width Modulation“ bezeichnet.
Aus 5 ist deutlich erkennbar, dass bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zwischen Sternbetrieb und Dreiecksbetrieb keine Umschaltzeit, d.h. keine Betriebsunterbrechung, auftritt, sondern vielmehr diese beiden Betriebsarten beim Umschalten unmittelbar ineinander übergehen. Damit wird ein drehmoment- bzw. kraftunterbrechungsfreies Umschalten zwischen Stern- und Dreiecksbetrieb erzielt.
6 zeigt ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in blockschematischer Darstellung, bezeichnet mit dem Bezugszeichen 200. In Abwandlung der Schaltungsanordnung 100 nach 1 sind bei diesem Beispiel die Verbindungsschalter V1, V2 entfallen. Stattdessen umfasst die Schaltungsanordnung 200 eine zweite Energiequelle 201, die von der weiterhin vorhandenen ersten Energiequelle 101 unabhängig und elektrisch getrennt angeordnet ist. Auch die zweite Energiequelle ist bevorzugt als Akkumulator, z.B. Traktionsbatterie, oder Brennstoffzelle ausgestaltet. Bei der Schaltungsanordnung 200 werden die ersten Anschlüsse U, V, W der Stränge der Last, die hier wiederum bevorzugt durch eine Asynchronmaschine 110 gebildet ist, wieder aus der ersten Energiequelle 101 über den ersten Gleichspannungswandler 106 und die erste Umrichterstufe 114 gespeist, die in 6 der Einfachheit halber in einem gemeinsamen Schaltungsblock 202 dargestellt sind. In einem praktischen Aufbau können die Bauelemente des ersten Gleichspannungswandlers 106 und der ersten Umrichterstufe 114 auch in einem gemeinsamen Leistungselektronik-Modul zusammengefasst sein. In entsprechender Weise ist ein zweiter Gleichspannungswandler vorgesehen, über den die zweiten Anschlüsse X, Y, Z der Stränge der Last, d.h. der Asynchronmaschine 110, nun aus der zweiten Energiequelle 201 über die zweite Umrichterstufe 115 gespeist werden. In der Darstellung der 6 sind dieser zweite Gleichspannungswandler und die zweite Umrichterstufe 115 vereinfachend in einem weiteren gemeinsamen Schaltungsblock 203 zusammengefasst. In einem praktischen Aufbau können die Bauelemente des zweiten Gleichspannungswandlers und der zweiten Umrichterstufe 115 auch wieder in einem gemeinsamen Leistungselektronik-Modul zusammengefasst sein, und besonders bevorzugt bilden die Bauelemente des ersten Gleichspannungswandlers 106, der ersten Umrichterstufe 114, des zweiten Gleichspannungswandlers und der zweiten Umrichterstufe 115 alle zusammen ein einziges gemeinsames Leistungselektronik-Modul. Ein Glättungskondensator 204 ist parallel zur zweiten Energiequelle 201 angeordnet.
7 zeigt in einer weiteren, vorteilhaften Abwandlung der Schaltungsanordnung 200 nach 6 ein drittes Beispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in blockschematischer Darstellung, bezeichnet mit dem Bezugszeichen 300. In der Schaltungsanordnung 300 ist die zweite Energiequelle mit einem Kondensator, bevorzugt einem sogenannten Superkondensator 301, ausgebildet. Dieser ist über die zweite Umrichterstufe 115 an die zweiten Anschlüsse X, Y, Z der Stränge der Asynchronmaschine 110 angeschlossen. Bevorzugt wird dem Superkondensator 301 in einem Rekuperationsmodus, d.h. bei einem mit Hilfe der Asynchronmaschine vorgenommenen Bremsvorgang eines hier beispielhaft gewählten Fahrzeugs, in dem die Schaltungsanordnung 300 eingesetzt ist, durch die Asynchronmaschine aus der kinetischen Energie des Fahrzeugs rückgewonnene elektrische Energie zugeführt und darin gespeichert. Vorteilhaft werden zu diesem Zweck die Umrichterstufen 114, 115 und der erste Gleichspannungswandler 106 bzw. der Schaltungsblock 202 entsprechend gesteuert; z.B. wird durch halbseitiges Nichtleitend-Schalten der Halbbrücken 116, 117, 118 ersten Umrichterstufe 114 die erste Energiequelle 101 von der Asynchronmaschine 110 abgetrennt und durch Leitend-Schalten der anderen Hälften der Halbbrücken 116, 117, 118 ersten Umrichterstufe 114 die Asynchronmaschine 110 als Generator in Sternschaltung betrieben, der über die zweite Umrichterstufe 115 den Superkondensator 301 lädt.
Die Schaltungsanordnungen 200 und 300 nach den 6 und 7 weisen ebenfalls eine Steuerstufe 128 auf, die der vereinfachten Darstellung halber nicht wiedergegeben ist. Wiedergegeben ist dagegen der bereits zu 1 erwähnte weitere Glättungskondensator zwischen den Eingangsanschlüssen 104, 105 des ersten Gleichspannungswandlers 106, die Eingangsanschlüsse des gemeinsamen Schaltungsblocks 202 bilden. Dieser Glättungskondensator ist mit dem Bezugszeichen 108 bezeichnet und parallel zur ersten Energiequelle 101 angeordnet.
Bezugszeichenliste

100: Schaltungsanordnung, erstes Beispiel
101: Erste Energiequelle von 100 (Traktionsbatterie)
102: Pluspol von 101
103: Minuspol von 101
104: Erster Eingangsanschluss von 106
105: Zweiter Eingangsanschluss von 106
106: Erster Gleichspannungswandler
107: Steuereingang von 106
108: Weiterer Glättungskondensator zwischen 104 und 105 bzw. parallel zu 101
109: Glättungskondensator zwischen P und N
110: Asynchronmaschine: Last
111: Erster Strang von 110
112: Zweiter Strang von 110
113: Dritter Strang von 110
114: Erste Umrichterstufe
115: Zweite Umrichterstufe
116: Erste Halbbrücke von 114
117: Zweite Halbbrücke von 114
118: Dritte Halbbrücke von 114
119: Erste Halbbrücke von 115
120: Zweite Halbbrücke von 115
121: Dritte Halbbrücke von 115
122: Erster Knotenpunkt von 115
123: Zweiter Knotenpunkt von 115
124: Kreuz als Symbol für nichtleitenden Zustand von Q11–Q26, V1, V2
125: Balken als Symbol für leitenden Zustand von Q11–Q26, V1, V2
126: Abzweigpunkt, Verbindung von U und Z mit P
127: Abzweigpunkt, Verbindung von U und Z mit N
128: Steuerstufe
129: Steuerleitungen von 128 an 114, 115, V1, V2
130: Weitere Steuerleitung von 128 an 107
200: Schaltungsanordnung, zweites Beispiel
201: Zweite Energiequelle
202: Schaltungsblock; z.B. Leistungselektronik-Modul
203: Weiterer Schaltungsblock; z.B. Leistungselektronik-Modul
204: Glättungskondensator
300: Schaltungsanordnung, drittes Beispiel
301: Kondensator; bevorzugt Superkondensator
D: Drehzahl der Asynchronmaschine
DU: Drehzahlwert der Asynchronmaschine bei Stern-Dreieck-Umschaltung
M: Drehmoment der Asynchronmaschine
MD: Verlauf von M bei Betrieb der Asynchronmaschine in Dreieckschaltung
MS: Verlauf von M bei Betrieb der Asynchronmaschine in Sternschaltung
N: Minuspol von 106
P: Pluspol von 106
Q11: Erstes Schalterelement von 116 in 114
Q12: Erstes Schalterelement von 117 in 114
Q13: Erstes Schalterelement von 118 in 114
Q14: Zweites Schalterelement von 116 in 114
Q15: Zweites Schalterelement von 117 in 114
Q16: Zweites Schalterelement von 118 in 114
Q21: Erstes Schalterelement von 119 in 115
Q22: Erstes Schalterelement von 120 in 115
Q23: Erstes Schalterelement von 121 in 115
Q24: Zweites Schalterelement von 119 in 115
Q25: Zweites Schalterelement von 120 in 115
Q26: Zweites Schalterelement von 121 in 115
t: Zeit
t1: Erster Zeitpunkt: erster Betriebszustand
t2: Zweiter Zeitpunkt: zweiter Betriebszustand
t3: Dritter Zeitpunkt: dritter Betriebszustand
tu: Umschaltzeitpunkt
V1: Erster Verbindungsschalter
V2: Zweiter Verbindungsschalter
U: Erster Anschluss von 111
V: Erster Anschluss von 112
W: Erster Anschluss von 113
X: Zweiter Anschluss von 111
Y: Zweiter Anschluss von 112
Z: Zweiter Anschluss von 113

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/163433 A2 [0005, 0008]
DE 102006003398 A1 [0018, 0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

T. Kume, T. Iwakane, T. Sawa, T. Yoshida und I. Nagai in dem Fachaufsatz "A wide constant power range vector controlled AC motor drive using winding changeover technique", erschienen in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 27, no. 5, pp. 934–939, 1991 [0008]
Lehrbuch von Moeller: Leitfaden der Elektrotechnik, Band I, Grundlagen der Elektrotechnik, 14. Auflage 1971, B.G. Teubner Stuttgart, ISBN 3-519-06400-6, Verl.-Nr. 6400, Kapitel 11 Mehrphasen-Wechselströme, Seiten 420 ff. [0011]
http://de.wikipedia.org/wiki/Superkondensator [0026]
„Superkondensatoren – Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren“, erschienen in MTZ – Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe 02/2013, Seiten 158–163, Autoren: Dr.-Ing. Julia Kowal, Dipl.-Ing. Julia Drillkens, Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer, erschienen bei Springer Automotive Media Wiesbaden GmbH (2013) [0031]

Claims

Schaltungsanordnung (100; 200; 300) zum Speisen einer ein offenes, eine vorgegebene Phasenzahl aufweisendes Mehrphasensystem bildenden Last (110) aus einer im wesentlichen zum Liefern einer ersten Gleichspannung eingerichteten ersten Energiequelle (101) oder aus der ersten (101) und einer im wesentlichen zum Liefern einer zweiten Gleichspannung eingerichteten zweiten Energiequelle (201) mit einer die vorgegebene Phasenzahl aufweisenden Mehrphasenspannung, umfassend eine erste Umrichterstufe (114) zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl erster Anschlüsse (U, V, W) der Last (110) aus der ersten Energiequelle (101) und eine zweite Umrichterstufe (115) zum Speisen einer mit der vorgegebenen Phasenzahl übereinstimmenden Anzahl zweiter Anschlüsse (X, Y, Z) der Last (110) aus der ersten (101) oder der zweiten Energiequelle (201), wobei die erste (114) und die zweite Umrichterstufe (115) dazu eingerichtet sind, zum Speisen der Last (110) die ersten (U, V, W) und zweiten (X, Y, Z) Anschlüsse der Last (110) wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Ringschaltung zu verbinden.
Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausbildung zum Speisen der Last (110) ausschließlich aus der ersten Energiequelle (101), wofür wenigstens ein Schalterelement (V1, V2) vorgesehen ist zum wahlweisen Gewinnen der zweiten Gleichspannung aus der ersten Gleichspannung der ersten Energiequelle (101) und zum Liefern dieser aus der ersten Gleichspannung der ersten Energiequelle (101) gewonnenen zweiten Gleichspannung an die zweite Umrichterstufe (115).
Schaltungsanordnung (100; 200) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der ersten (101) und/oder der zweiten Energiequelle (201) mit wenigstens einem Akkumulator und/oder wenigstens einer Brennstoffzelle.
Schaltungsanordnung (300) nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der ersten (101) und/oder der zweiten Energiequelle (201) mit wenigstens einem Kondensator, insbesondere mit wenigstens einem Superkondensator (301).
Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiequelle (101) über wenigstens einen ersten Gleichspannungswandler (106) mit der ersten Umrichterstufe (114) gekoppelt ist und/oder dass die zweite Energiequelle (201) über wenigstens einen zweiten Gleichspannungswandler mit der zweiten Umrichterstufe (115) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (110) mit einer elektrischen Maschine mit offenen Wicklungen gebildet ist.
Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (110) mit einer Asynchronmaschine mit offenen Wicklungen gebildet ist.
Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerstufe (128) zum Steuern der Umrichterstufen (114, 115) und/oder des wenigstens einen Schalterelements (V1, V2) und/oder der Gleichspannungswandler (106).
Verfahren zum Betreiben einer nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildeten Schaltungsanordnung (100; 200; 300), dadurch gekennzeichnet, dass zum Speisen der Last (110) aus der ersten (101) oder der ersten (101) und der zweiten Energiequelle (201) die ersten (U, V, W) und zweiten (X, Y, Z) Anschlüsse der Last (110) durch Steuern wenigstens der Umrichterstufen (114; 115) wahlweise zu einer Sternschaltung oder einer Ringschaltung verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichterstufen (114; 115) pulsweitenmoduliert gesteuert werden.