DE102015121226A1

DE102015121226A1 - Umrichter, Elektrisches Polyphasensystem und Verfahren

Info

Publication number: DE102015121226A1
Application number: DE102015121226.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US10454331B2; RU2670195C2; BR102016028049A2; CN106849695A; BR102016028049B1; US20170163115A1; RU2016147499A; CN106849695B; RU2016147499A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die eine Vielzahl von Wicklungen mit erstem Anschluss und zweitem Anschluss aufweist, wobei mindestens ein Knotenpunkt existiert, mit dem einer der beiden Anschlüsse jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen elektrisch verbunden ist und der entsprechend andere Anschluss jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Phasenanschluss elektrisch verbunden ist, und einem modularen Multilevel-Umrichter, der eine Vielzahl von Einzelmodulen aufweist, die in Serie zu einem Ring verschaltet sind und mindestens ein Abgriff jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen anzuordnen ist, der einen Phasenanschluss bereitstellt, mit dem der erste oder der zweite Anschluss einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, wobei eine Anzahl von Abgriffen des modularen Multilevel-Umrichters gleich einer Anzahl von Wicklungen der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine entspricht, und wobei die Einzelmodule des modularen Multilevel-Umrichters je einen Energiespeicher und eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweisen, die ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen modularen Multilevel-Umrichter, ein elektrisches Polyphasensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Polyphasensystems.
Herkömmliche Batterien, deren Anwendung über die von Kleinelektronik hinaus gehen soll, werden oft als festverdrahtete Einheiten aus einer Mehrzahl von Einzelteilen, wie beispielsweise Zellen, aufgebaut. An einem Ausgang liefern derartige Batterien fast ausschließlich Gleichspannung. Die meisten Verbraucher dagegen benötigen eine Wechselspannung, mit beispielsweise einem harmonischen Spannungsverlauf mit bestimmter Frequenz, Amplitude und Phase. Ferner ist die Gleichspannung über den Ladezustand nicht konstant. Um sowohl bei einer Spitzenspannung als auch bei einer Ladeendspannung die angeschlossenen Verbraucher betreiben und die geforderte Leistung entnehmen zu können, müssen die Verbraucher aufwändige Versorgungsschaltungen verwenden. Wenn die von einem Verbraucher benötigte Spannung weit von der von der Batterie bereitgestellten Spannung abweicht, verursacht die leistungselektronische Schaltung (durch den sog. niedrigen Modulationsindex) hohe Verluste und hohe Verzerrungen in der Ausgangsspannung. Dies betrifft insbesondere den Antrieb eines Elektrofahrzeugs, der in der Regel bei niedrigen Geschwindigkeiten Wechselspannungen mit deutlich niedrigerer als der maximalen Amplitude benötigt. Die Verzerrungen, die in der Regel durch Pulsweitenmodulation auftreten, belasten zudem eine Isolierung des Motors und wirken sich damit auf die Lebensdauer des Motors aus. Aufgrund von Streuung im physikalischen und chemischen Verhalten der Batterieeinzelteile, beispielsweise der Zellen, muss eine aufwändige Überwachung der Batterie und insbesondere ein lokaler Ladungsaustausch bereitgestellt werden (sogenanntes Batteriemanagement), um einen gleichmäßigen Ladezustand aller Batterieteile zu ermöglichen. Wenn nur ein Teil einer Batterie defekt ist, beispielsweise eine Zelle, ist in der Regel die gesamte Batterie unbrauchbar. Im Falle eines Fahrzeuges muss mit dem vollständigen Ausfall des Fahrzeuges gerechnet werden. Gegebenenfalls muss eine Stilllegung des Fahrzeugs bzw. der Batterie sogar aktiv erzwungen werden, damit die defekte(n) Batterieteil(e) bei weiterer Belastung nicht überhitzen und Feuer fangen.
Elektrische Antriebe von Fahrzeugen und auch der elektrischen Energieversorgung nutzen oft zwei- oder dreiphasige Wechselspannungssysteme. Um eine Wechselspannung zu erzeugen, werden Inverter bzw. Wechselrichter verwendet, um die gewünschte Wechselspannung zu erzeugen. Diese Systeme, also Quellen und Lasten, werden in der Regel entweder gegenüber einem gemeinsamen symmetrischen Referenzpunkt (Sternsystem) oder differentiell gegeneinander (Dreiecksystem) ausgelegt. Die auftretenden Spannungen sind dabei in der Regel näherungsweise sinusförmig. Die Anzahl der Phasen legt jedoch gerade in Motoren fest, wie fein das umlaufende Feld und damit das Drehmoment gesteuert werden kann. Verzerrungen, die beispielsweise durch die Eisenzähne von einem Stator oder einem Rotor des Elektromotors erzeugt werden, lassen sich nur begrenzt ausgleichen. Eine höhere Anzahl an Phasen hätte aus Sicht des Motors hohe Vorteile. Eine höhere Anzahl von Phasen lässt sich mit bekannten Invertern, die die Spannung stets gegen dieselben Referenzpunkte erzeugen, aber nur mit erhöhtem Aufwand erzeugen.
Üblicherweise werden heutzutage dreiphasige Wechselstrommotoren verwendet, bei denen der Verlauf der Spannung der drei Wicklungen in der Regel um 120° versetzt ist. Dadurch weisen die Wicklungen eine Differenzspannung zueinander auf. Durch eine Erhöhung der Phasenanzahl, könnten die Differenzspannungen verkleinert werden.
Die US 6,657,334 beschreibt eine Kombination eines Inverters und einer elektrischen Asynchronmaschine, die jeweils mehr als drei Phasen besitzen. Die Asynchronmaschine weist dabei eine Vielzahl von Wicklungen auf, wobei jede Wicklung zwei Anschlüsse aufweist. Jeder Anschluss einer Wicklung ist einzeln mit verschiedenen Phasenanschlüssen des Inverters verbunden. Jeder Phasenanschluss des Inverters ist dabei mit zwei Anschlüssen von zwei verschiedenen Wicklungen der Asynchronmaschine verbunden. Jede Wicklung ist also mit zwei Phasenanschlüssen des Inverters verbunden, wobei zwischen den Phasenanschlüssen eine gleiche Phasenverschiebung vorliegt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr darin, ein System bereitzustellen, mit dem sich in einfacher Weise eine Vielzahl von Phasen für eine elektrische Maschine erzeugen lässt, wobei zwischen je zwei benachbarten Phasenanschlüssen je eine regelbare Spannungsdifferenz bereitstellbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen modularen Multilevel-Umrichter gemäß Patentanspruch 1, ein elektrisches Polyphasensystem gemäß Patentanspruch 11 sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren nach Patentanspruch 13 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Patentansprüchen.
Dementsprechend schlägt die vorliegende Erfindung ein elektrisches Polyphasensystem mit einer elektrischen Maschine und einem modularen Multilevel-Umrichter vor, bei dem die elektrische Maschine eine Vielzahl von Wicklungen mit je einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist, wobei mindestens ein Knotenpunkt existiert, mit dem entweder der erste Anschluss oder der zweite Anschluss jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen elektrisch verbunden ist und der entsprechend andere Anschluss des ersten Anschlusses und des zweiten Anschlusses jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Phasenanschluss elektrisch verbunden ist, und der modulare Multilevel-Umrichter eine Vielzahl von Einzelmodulen aufweist, die in Serie zu einem Ring verschaltet sind und mindestens ein Abgriff zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelmodulen anzuordnen ist, der einen Phasenanschluss bereitstellt, mit dem der erste Anschluss oder der zweite Anschluss einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, wobei eine Anzahl von Abgriffen des modularen Multilevel-Umrichters gleich einer Anzahl von Wicklungen der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine entspricht, und wobei die Einzelmodule des modularen Multilevel-Umrichters je einen Energiespeicher und eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweisen, die ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen bzw. zwei benachbarten Wicklungen eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist.
Ferner schlägt die Erfindung einen modularen Multilevel-Umrichter mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen vor, die jeweils eine Mehrzahl von Schaltelementen und mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei die Einzelmodule hintereinander zu einem geschlossenen Ring verschaltet sind.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, das eine elektrische Maschine mit einem modularen Multilevel-Umrichter zusammenarbeitet, wobei eine Makrotopologie des modularen Multilevel-Umrichters einen Kreis darstellt, also Einzelmodule des modularen Multilevel-Umrichters zu einem Kreis miteinander verschaltet sind. Durch Hinzufügen eines Abgriffs zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen lassen sich neue Phasenanschlüsse erzeugen, an die Wicklungen der elektrischen Maschine anschließbar sind. Somit lässt sich ebenfalls die Phasenanzahl bzw. die Anzahl der Wicklungen der elektrischen Maschine erhöhen, da nun mehr Phasenanschlüsse zur Verfügung stehen. Ein Vorteil eines mehrphasigen Motors ist eine geringere Drehmomentwelligkeit. Darüber hinaus kann ein so erzeugtes umlaufendes Wechselstromfeld bzw. Drehfeld feiner gesteuert werden, wodurch sich auch eine feinere Steuerbarkeit des entsprechenden Motors ergibt. Zusätzlich erhöht sich die Ausfallsicherheit und es kann zuverlässig ein Notbetrieb bereitgestellt werden, der eine Heimkehr oder eine Fahrt zu einer Werkstatt mit dem Fahrzeug ermöglicht. Fällt beispielsweise eine einzelne Phase vollständig aus, führt das nicht automatisch zu einem vollständigen Systemausfall. Auch nimmt die Welligkeit des Drehmoments lediglich unerheblich zu und die verbleibende Motorleistung ist nahezu unbeeinträchtigt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters ist mindestens ein Abgriff jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen angeordnet, der einen Phasenanschluss bereitstellt, wobei zwischen zwei benachbarten Abgriffen mindestens zwei Einzelmodule angeordnet sind, die ein Phasenmodul bilden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters weisen die Einzelmodule eine erste Seite und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite zwei Anschlüsse und die zweite Seite zwei Anschlüsse aufweist.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters sind die Einzelmodule jeweils mit zwei elektrischen Leitern miteinander elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters ist der Abgriff zum Bereitstellen eines Phasenanschlusses an einem der zwei elektrischen Leiter angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters ist der Abgriff zum Bereitstellen eines Phasenanschlusses an beiden elektrischen Leitern angeordnet.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters weist der modulare Multilevel-Umrichter ein von der Ringanordnung abzweigendes Phasenmodul aus mindestens zwei Einzelmodulen auf, das mit einem Ende an einem Abgriff angeschlossen ist und mit dem anderen Ende mit einem Referenzpotential verbunden ist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen modularen Multilevel-Umrichters ist mindestens ein Abgriff über eine elektrische Verbindung, die mindestens einen elektrischen Widerstand und/oder eine Induktivität aufweist, mit einem Referenzpotential verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters sind mehrere Abgriffe über je eine elektrische Verbindung, die mindestens einen elektrischen Widerstand und/oder eine Induktivität aufweist, mit einem Referenzpotential verbunden, wobei die mehreren Abgriffe den Ring der Einzelmodule symmetrisch teilen.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Multilevel-Umrichters sind die Schaltelemente der Vielzahl von Einzelmodulen Niederspannungshalbleiterschaltelemente.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Polyphasensystems arbeitet die elektrische Maschine als Generator.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Polyphasensystems arbeitet die elektrische Maschine als Motor.
Ferner schlägt die vorliegende Erfindung ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Polyphasensystems vor, bei dem eine elektrische Maschine und ein modularer Multilevel-Umrichter verwendet wird, wobei die elektrische Maschine eine Vielzahl von Wicklungen mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist und entweder der erste Anschluss oder der zweite Anschluss jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Knotenpunkt verbunden wird und der entsprechend andere Anschluss des ersten Anschlusses und des zweiten Anschlusses jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Phasenanschluss verbunden wird, und wobei der modulare Multilevel-Umrichter eine Vielzahl von Einzelmodulen aufweist, die in Serie zu einem Ring verschaltet werden, wobei mindestens ein Abgriff jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen angeordnet wird, der einen Phasenanschluss bereitstellt, mit dem der erste oder der zweite Anschluss einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine elektrisch verbunden wird, wobei die Einzelmodule des modularen Multilevel-Umrichters je einen Energiespeicher und eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweisen, die ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen bzw. zwei benachbarten Wicklungen eine Spannungsdifferenz bereitgestellt wird, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes geregelt wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwischen zwei Abgriffen mindestens zwei Einzelmodule angeordnet, die ein Phasenmodul bilden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Einzelmodule Einzelmodule verwendet, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweisen, wobei die erste Seite zwei Anschlüsse und die zweite Seite zwei Anschlüsse aufweist.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Einzelmodule jeweils mit zwei elektrischen Leitern miteinander elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abgriff zum Bereitstellen eines Phasenanschlusses an einem der zwei elektrischen Leiter angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abgriff zum Bereitstellen eines Phasenanschlusses an beiden elektrischen Leitern angeordnet.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an dem Umrichter ein von der Ringanordnung abzweigendes Phasenmodul angeordnet, das mit einem Ende an einem Abgriff angeschlossen wird und mit dem anderen Ende mit einem Referenzpotential verbunden wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Abgriff über eine elektrische Verbindung, die mindestens einen elektrischen Widerstand und/oder eine Induktivität aufweist, mit einem Referenzpotential verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere Abgriffe über eine elektrische Verbindung, die mindestens einen elektrischen Widerstand und/oder eine Induktivität aufweist, mit einem Referenzpotential verbunden, wobei die mehreren Abgriffe den Ring der Einzelmodule symmetrisch teilen.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Schaltelemente der Vielzahl von Einzelmodulen Niederspannungshalbleiterschaltelemente verwendet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet die elektrische Maschine als Generator.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet die elektrische Maschine als Motor.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Makrotopologie eines erfindungsgemäßen und erfindungsgemäß zu verwendenden modularen Multilevel-Umrichters, bei dem Einzelmodule zu einem Ring miteinander verschaltet sind.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Makrotopologie eines erfindungsgemäßen und erfindungsgemäß zu verwendenden modularen Multilevel-Umrichters, der ein zusätzliches Phasenmodul aufweist.
3 zeigt eine Ausführungsform eines beispielhaften Einzelmoduls zur Verwendung in einem modularen Multilevel-Umrichter aus 1 oder 2.
4 zeigt ein Diagramm, das die Bildung einer Differenzspannung über Vektoren veranschaulicht.
5 zeigt ein Diagramm, das die Auswirkung einer Erhöhung einer Phasenanzahl auf die Spannung einer Phase veranschaulicht.
6 zeigt ein Diagramm, das die Auswirkungen auf verschiedene Parameter bei einer Erhöhung der Phasenanzahl veranschaulicht.
Elektrofahrzeuge des Stands der Technik verwenden zur Bereitstellung einer Wechselspannung, die für den Betrieb des Elektromotors notwendig ist, Inverter bzw. Wechselrichter, die eine von einer Gleichspannungsquelle bereitgestellte Gleichspannung in die benötigte Wechselspannung umwandeln. Oft wird für Elektromotoren ein dreiphasiger Wechselstrom benötigt, d.h. dass der Elektromotor drei Wicklungen aufweist, wobei der Verlauf der jeweiligen Spannungen in den einzelnen Wicklungen um 120° phasenverschoben ist, wenn die Wicklungen in regelmäßigen Abständen auf einem Kreis angeordnet sind.
Erfindungsgemäß wird die Phasenanzahl einer elektrischen Maschine erhöht, indem die Anzahl der Wicklungen der elektrischen Maschine erhöht wird. Je nachdem wie viele Phasen die elektrische Maschine aufweisen soll, weist die elektrische Maschine entsprechend viele Wicklungen auf. Jede Wicklung ist also einer Phase zugeordnet. Die Vielzahl von Wicklungen soll in der Regel gleichmäßig über einen Umfang eines Kreises verteilt sein, wodurch sich ein gleichmäßiger Phasenwinkel zwischen dem Verlauf der Spannungen der einzelnen Wicklungen einstellt.
Die Wicklungen können auf verschiedene Weise miteinander verschaltet sein. Eine Möglichkeit stellt eine sogenannte Sternschaltung dar. Bei einer Sternschaltung ist jeweils ein Anschluss der einzelnen Wicklungen an einem gemeinsamen Knotenpunkt aller Wicklungen, dem sogenannten Sternpunkt, miteinander elektrisch verbunden. Sind die Wicklungen regelmäßig auf dem Kreis verteilt, ist die Spannung im Sternpunkt Null, wodurch an dem Sternpunkt ein Nullleiter oder Neutralleiter anschließbar ist. Der entsprechend andere Anschluss einer Wicklung ist mit einem Phasenanschluss verbunden und weist eine Spannung auf, die gegenüber dem Sternpunkt erhöht ist.
Der Phasenanschluss wird von einem Umrichter bereitgestellt. In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Umrichters 10, eines sogenannten modularen Multilevel-Umrichters 10, veranschaulicht. Der erfindungsgemäße modulare Multilevel-Umrichter 10 weist eine Vielzahl von Einzelmodulen 12 auf. Die Einzelmodule 12 können selber eine beliebige Topologie, eine sogenannte Mikrotopologie, aufweisen, die üblicherweise aus einer Mehrzahl von Schaltelementen und je mindestens einem elektrischen Energiespeicher, beispielweise einem Kondensator oder einer Batteriezelle, besteht.
Ein beispielhaftes Einzelmodul 300 ist in 3 dargestellt. Das beispielhafte Einzelmodul 300 weist zwei Seiten auf, die jeweils zwei Anschlüsse aufweisen. Auf einer ersten Seite sind die Anschlüsse 314a und 314b angeordnet. Auf einer zweiten Seite sind die Anschlüsse 318a und 318b angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform weist das beispielhafte Einzelmodul 300 acht Schaltelemente 316-1, 316-2, 316-3, 316-4, 316-5, 316-6, 316-7, 316-8 auf. Damit stehen für eine elektrische Verbindung der Anschlüsse 314a, 314b mit den Anschlüssen 318a, 318b für jede Verbindung, also 314a–318a, 314a–318b, 314b–318a und 314b–318b, jeweils zwei Lastpfade zur Verfügung. Das ermöglicht die Schaltelemente 316-1 bis 316-8 für eine geringere Stromtragfähigkeit auszulegen. Somit können für die Schaltelemente auch Niederspannungsschaltelemente bzw. Niederspannungshalbleiterschaltelemente verwendet werden, weil die maximale Spannung, für die die Schaltelemente 316-1 bis 316-8 ausgelegt sein müssen, deutlich unter der Gesamtspannung des Systems liegt, nämlich beispielsweise nur bei der Maximalspannung des elektrischen Energiespeichers 312 eines Einzelmoduls, dem die Schaltelemente 316-1 bis 316-8 zugeordnet sind. Der elektrische Energiespeicher 312 kann ein Kondensator jeglicher Art oder eine einzelne Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen (beispielsweise ein kleines Batteriepack) sein. Es soll verstanden werden, dass als Batterie beispielsweise Primärzellen, Sekundärzellen oder Energiequellen und Energiespeicher, die lediglich eine Gleichspannung bereitstellen, verwendet werden können.
Die in 3 dargestellten Schaltelemente erlauben für fast alle Verbindungen zwischen dem Energiespeicher 312 und einem entsprechenden Energiespeicher eines gleichartigen benachbarten Einzelmoduls zwei parallele Pfade. Die Schaltelemente werden entsprechend parallel verwendet. Allerdings lassen sich Schaltelemente eliminieren, um die Komplexität zu verringern. Die verbleibenden Schaltelemente sollten dann jedoch mit entsprechend größeren Halbleitern, falls Halbleiterschaltelemente verwendet werden, implementiert werden, um die gleiche Stromtragfähigkeit zu ermöglichen. Durch eine entsprechende Wahl von Halbleitern lassen sich bestimmte Schaltzustände hinsichtlich ihrer Verluste gegenüber anderen optimieren.
So bilden die Schaltelemente 316-1 und 316-2 einen Pfad, der zu dem durch die Schaltelemente 316-3 und 316-4 gebildeten Pfad parallel ist und zu demselben Ziel führt, d. h. je nach Richtung zu dem Anschluss 314a oder zu dem Anschluss 318a. Die Schaltelemente 316-5 und 316-4 bilden einen Pfad, der zu demselben Ziel führt wie der durch die Schaltelemente 316-7 und 316-2 gebildete Pfad, nämlich je nach Richtung zu dem Anschluss 314b oder zu dem Anschluss 318a. Die Schaltelemente 316-1 und 316-8 bilden einen Pfad, der zu dem gleichen Ziel führt wie der durch die Schaltelemente 316-3 und 316-6 gebildete Pfad. Ferner bilden die Schaltelemente 316-7 und 316-8 einen Pfad, der zu dem durch die Schaltelemente 316-5 und 316-6 gebildeten Pfad parallel ist und zu demselben Ziel führt, nämlich je nach Richtung zu dem Anschluss 314b oder 318b.
Bei einer Eliminierung kann nun ein beliebiges Schaltelement entfernt werden. Ein zweites zu eliminierendes Schaltelement sollte allerdings so gewählt werden, dass noch immer von jedem Anschluss zu jedem anderen Anschluss über die verbleibenden Schaltelemente eine Verbindung hergestellt werden kann. Dadurch ergeben sich eine Reihe reduzierter Schaltungen.
Es soll verstanden werden, dass für den modularen Multilevel-Umrichter 10 nicht nur das gezeigte beispielhafte Einzelmodul 300 als Einzelmodul 12 verwendet kann, sondern die Einzelmodule 12 jede beliebige bekannte Topologie aus dem Stand der Technik aufweisen können.
Mit solch einem Einzelmodul 12, 300 ausgestatteter modularer Multilevel-Umrichter 10 können bisher fest verdrahtete Batteriepacks so in Einzelteile bzw. Einzelmodule 12, 300 aufgetrennt werden, dass eine elektrische Verschaltung der Einzelteile 12, 300, also der Energiespeicher benachbarter Einzelmodule, dynamisch im Betrieb verändert werden kann. Die Energiespeicher benachbarter Einzelmodule können zwischen einer Parallelschaltung, einer Serienschaltung, einer Überbrückungsschaltung und einer Abschaltung einzelner oder mehrerer Einzelmodule umschalten. Das ermöglicht, dass über einen Ladungsaustausch zwischen den Einzelmodulen bzw. Energiespeichern, beispielsweise ein konventionelles Batteriemanagement durchgeführt werden kann, um die Energiespeicher gleichmäßig zu belasten. Weiterhin können defekte Einzelmodule 12 überbrückt werden, ohne die Gesamtfunktion zu verlieren. Insbesondere können beliebige Ausgangsspannungen und zeitliche Strom- bzw. Spannungsverläufe an den Anschlüssen, bspw. 314a, 314b, 318a, 318b, direkt durch die Einzelmodule erzeugt werden, ohne dass es eines zusätzlichen leistungselektronischen Umrichters bedarf.
Die Einzelmodule 12 sind, wie in 1 ersichtlich, über ihre Anschlüsse, wie beispielsweise die Anschlüsse 314a, 314b, 318a, 318b des Einzelmoduls der 3, mit einem benachbarten Einzelmodul 12 über zwei elektrische Leiter 16 und 18 elektrisch verbunden. Erfindungsgemäß sind die Einzelmodule 12 in einem Kreis angeordnet, so dass ein n-tes Einzelmodul 12 mit einem ersten Einzelmodul 12 elektrisch verbunden ist. Um die von den Einzelmodulen 12 erzeugten Strom- bzw. Spannungsverläufe abgreifen zu können, ist zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen 12 ein Abgriff 14 angeordnet, der einen Phasenanschluss für die zweiten Anschlüsse der Wicklungen der elektrischen Maschine bereitstellt. Zunächst sind in 1 drei derartige Abgriffe 14 dargestellt. Durch einfaches Hinzufügen eines zusätzlichen Abgriffs 14* kann ein zusätzlicher Phasenanschluss bereitgestellt werden, wie es durch den Pfeil in 1 veranschaulicht ist. Ein solcher Umrichter bzw. modularer Multilevel-Umrichter 10 mit im Kreis angeordneten Einzelmodulen 10, kann nun auf einfache Weise mit beliebig vielen Phasenanschlüssen ausgestattet werden (je nachdem wie viele Einzelmodule 12 vorhanden sind, deren Anzahl aber auch beliebig erhöht werden kann). Die Anschlüsse 14 lassen sich auf verschiedene Arten realisieren. Beispielsweise kann ein Anschluss 14a beide elektrische Leiter 16, 18 umfassen und daran angebunden sein, indem die beiden elektrischen Leiter 16, 18 zusammengeführt werden. Damit ist jedoch keine Parallelschaltung benachbarter Energiespeicher der Einzelmodule möglich. Alternativ könnte ein Anschluss 14b realisiert werden, der lediglich an einen elektrischen Leiter 16 bzw. 18 angeschlossen ist. Damit ist jedoch die Strombelastung für die Schaltelemente, die die jeweilige elektrische Leitung bedienen größer. Zwischen zwei Abgriffen 14 bilden die entsprechenden Einzelmodule ein Phasenmodul 20.
Durch solch eine Anordnung der Einzelmodule 12 in dem modularen Multilevel-Umrichter 10 kann durch die dynamische Rekonfiguration direkt die Wechselspannung und die Multiphasenspannung für einen oder mehrere Verbraucher, wie beispielsweise eine elektrische Maschine, die als Motor arbeitet, erzeugt werden. Im Gegensatz zu Umrichtern des Stands der Technik kann ein Modulationsindex, d. h. ein Kennwert einer entsprechenden Frequenzmodulation, bei allen Amplituden maximal gehalten werden. Des Weiteren sinken bei niedrigen Spannungen sogar die Verluste, weil durch eine Parallelschaltung von Batterieteilen (also der jeweiligen Energiespeicher) einer geschalteten Batterie ein effektiver Innenwiderstand sinkt. Weiterhin erzeugt eine geschaltete Batterie, bei der die Energiespeicher zwischen einer Parallelschaltung und einer Serienschaltung hin und her geschaltet werden können, eine fast verzerrungsfreie Ausgangsspannung, da Stufen zwischen den Spannungen zweier Konfigurationen sehr gering gehalten werden können. Darüber hinaus kann per Schaltmodulation zwischen solchen Spannungen moduliert werden, um weiter zu glätten.
Erfindungsgemäß kann mit dem erfindungsgemäßen Polyphasensystem die Anzahl der Phasen auf einfache Weise erhöht werden. Dabei werden die Wicklungen der elektrischen Maschine als sogenannte Sternschaltung verschaltet und der modulare Multilevel-Umrichter 10 als n-Eck-Schaltung bzw. Ringschaltung betrieben. Ein Anschluss der Wicklungen der elektrischen Maschine ist dabei jeweils mit einem Phasenanschluss 14 des Multilevel-Umrichters 10 elektrisch verbunden. 4 zeigt eine schematische Darstellung der beteiligten Spannungen, wobei auf der Ordinate ein Imaginärteil 38 und auf der Abszisse ein Realteil 40 der Spannungen abgebildet ist. In 4 ist die Spannung, die an einer Wicklung der elektrischen Maschine anliegt, mit 42 bezeichnet und die Spannung, die von einem Phasenanschluss 14 bereitgestellt wird, mit 44 bezeichnet. Im Stand der Technik arbeitet die elektrische Maschine immer gegen den Sternpunkt 43, wodurch zwischen der Spannung 42 an der Wicklung und dem Sternpunkt 43 immer eine hohe Spannungsdifferenz vorliegt. Ferner ist der Verlauf der Spannungen an verschiedenen Wicklungen phasenverschoben, bei einem dreiphasigen System um einen Phasenwinkel 46 von 120°, wodurch auch die Spannungsdifferenz zwischen zwei Wicklungen groß sein kann. Mit dem erfindungsgemäßen Polyphasensystem, insbesondere durch die Verwendung eines modularen Multilevel-Umrichters 10 mit ringförmig angeordneten Einzelmodulen 12, lässt sich nun direkt die Spannungsdifferenz zwischen zwei benachbarten Phasensträngen bzw. Wicklungen der elektrischen Maschine darstellen und bereitstellen. Erhöht man die Anzahl der Phasen, bleibt die Spannung 42 an den Wicklungen konstant, jedoch sinkt die Phasenspannung 44 linear. Bei herkömmlichen Leistungselektronikschaltungen war dieser Zusammenhang belanglos, da Inverter des Stands der Technik die jeweiligen Phasenspanngenen stets gegen ein Referenzpotential, beispielsweise die Klemmen eines Zwischenkreiskondensators, erzeugen und keine Spannungsdifferenzen zwischen zwei Wicklungen bilden können. Die Spannungsdifferenzen können jedoch direkt durch den modularen Multilevel-Umrichter 10 erzeugt werden. Durch die Verwendung eines n-phasigen Systems, also ein System mit hoher (größer 3) Phasenanzahl (insbesondere bei der elektrischen Maschine), bei dem Last (elektrische Maschine) und Quelle (modularer Multilevel-Umrichter) unterschiedlich verschaltet sind (elektrische Maschine Sternschaltung, modularer Multilevel-Umrichter in n-Eck- bzw. Ringschaltung), können die zusätzlichen Phasen mit sehr geringer Spannung erzeugt werden. Die sehr geringe Spannung lässt sich mit einer geringen Anzahl von Einzelmodulen 12 in einem Phasenmodul 20 erzeugen. In der Regel weist ein Phasenmodul 20 mindestens zwei Einzelmodule 12 auf.
Weist der modulare Multilevel-Umrichter 10 beispielsweise drei Phasenanschlüsse 14 auf, arbeitet der Umrichter in einer bekannten Dreieck-Schaltung. Der Aufwand zum Hinzufügen einer weiteren Phase besteht lediglich im Hinzufügen eines zusätzlichen Abgriffs 14. Die Strombelastung der Einzelmodule 12 bleibt dabei bei gleicher Antriebsleistung in erster Näherung konstant. Gleichzeitig sinkt jedoch die durchschnittliche Stromstärke je Phase der elektrischen Maschine invers linear mit der Anzahl der Phasen. Da die Spannungsdifferenz zwischen den Wicklungen nun direkt von dem Umrichter 10 bereitgestellt wird, ist die Spannung an der Wicklung nun nicht mehr auf den Sternpunkt 43 bezogen, sondern zu einer benachbarten Wicklung. Der Sternpunkt 43 ist somit ein Freiheitsgrad in einem Regelalgorithmus und kann als eine Nebenbedingung in dem Regelalgorithmus des Umrichters implementiert werden.
Durch die Erhöhung der Anzahl der Phasen, reduziert sich, wie erwähnt, die Phasenspannung im Umrichter. In 5 ist ein schematischer Verlauf der Reduktion der Phasenspannung dargestellt. Auf der Ordinaten-Achse ist die Phasenspannung 26 dargestellt und auf der Abszissen-Achse die Anzahl 24 der Phasen. Man erkennt anhand der Kurve deutlich, dass mit einer Erhöhung der Anzahl 24 der Phasen die Phasenspannung 26 kontinuierlich abnimmt. Das erlaubt eine sehr feine Steuerung der magnetischen Induktion in der elektrischen Maschine. Die Steuerung kann dabei über die Harmonischen oder über einen Drehmomentverlauf erfolgen. Bei der Steuerung über den Drehmomentverlauf lassen sich auch Vibrationen der Maschine aussteuern.
Aufgrund der höheren Wellenformqualität des Polyphasensystems mit dem modularen Multilevel-Umrichter liegen keine scharfen Spannungsflanken mehr vor, die bei konventionellen Antriebsstromrichtern aufgrund des schnellen Umschaltens zwischen den Maximalniveaus üblich sind. Diese nun entfallenden scharfen Flanken sind jedoch ein zentraler Grund für Isolationszerstörung, die die Hauptalterungsursache elektrischer Maschinen ist. Aufgrund der nun verringerten Isolationsbelastung kann bei gleicher Isolation die Spannung erhöht werden, wodurch sich einerseits beispielsweise eine Motorleistungsdichte und andererseits die Lebensdauer erhöht.
Ferner kann der Feldschwächebereich des Motors vermieden bzw. zu höheren Drehzahlen verschoben werden. Der Feldschwächebereich ist der Bereich, in dem durch Erhöhung der Frequenz der Ausgangsspannung keine Erhöhung der Drehzahl des Motors stattfindet. Die Möglichkeit zur Vermeidung des zusätzlichen Feldschwächestroms erhöht die Effizienz des Gesamtsystems in weiten Betriebsbereichen maßgeblich und erhöht die Regelstabilität.
6 zeigt schematisch Auswirkungen auf weitere Parameter bei einer Erhöhung der Anzahl 28 der Phasen. Die Anzahl 28 der Phasen ist auf der Abszissen-Achse aufgetragen. Die Ordinaten-Achse zeigt dabei keine absoluten Werte sondern auf einen jeweiligen Referenzwert normierte Werte, so dass lediglich Verhältnisse dargestellt werden. Die Kurve 30 zeigt den Verlauf der Differenzspannung zwischen den jeweiligen benachbarten Phasen. Es ist deutlich zu sehen, dass bei einer Erhöhung der Anzahl 28 der Phasen die Differenzspannung kontinuierlich abnimmt. Die Kurve 32 beschreibt die Anzahl der Phasenmodule, Bezugszeichen 20 in 1 und 2, die bei einer Erhöhung der Anzahl 28 der Phasen verwendet wird. Die Kurve 34 beschreibt den Strom je Phase des Motors, also einer Wicklung, bei einer Erhöhung der Anzahl 28 der Phasen. Dabei ist ersichtlich, dass der Strom bei einer Erhöhung der Phasenanzahl 28 zunächst stärker abnimmt und sich bei einer hohen Phasenanzahl 28 bei einer Erhöhung kaum noch verringert. Gleiches gilt für den Strom je Einzelmodul, Bezugszeichen 12 in 1 und 2, der in Kurve 36 gezeigt ist. Dabei ist ersichtlich, dass der Strom je Modul sich einem Grenzwert annähert.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines modularen Multilevel-Umrichters 10‘ zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Polyphasensystem. Dabei weist der modulare Multilevel-Umrichter 10‘ ein zusätzliches Phasenmodul 22 auf. Das zusätzliche Phasenmodul 22 weist mindestens zwei Einzelmodule 12 auf. Das zusätzliche Phasenmodul 22 ist an einem Abgriff 14 angeschlossen und stellt aktiv einen Spannungsbezug zu einem Referenzpunkt bzw. Referenzpotential 24 her. Dies dient der Sicherstellung einer Potentialfreiheit eines Hochvoltsystems in Fahrzeugen. In der Regel sind Hochvoltsysteme in Fahrzeugen potentialfrei, d.h. galvanisch getrennt, beispielsweise von einer Karosserie des Fahrzeugs und auch von allen anderen Niedervoltkomponenten, ausgeführt. Die Potentialfreiheit erhöht die Sicherung im Fehlerfall. Sollte ein beliebiger Leiter aus dem Hochvoltsystem direkt oder indirekt berührbar sein, beispielsweise mit der Karosserie verbunden sein, fließt kein dauerhafter Strom. Wenn der modulare Multilevel-Umrichter 10‘, der erfindungsgemäß als flexible Multiphasenbatterie arbeitet, mit einer oder mehreren Lasten, beispielsweise der elektrischen Maschine, verbunden wird, muss zur Erlangung der Potentialfreiheit ggf. ein virtueller Sternpunkt durch geeignete Regelung der Phasenströme zueinander erzeugt werden. Soll allerdings ein festes Referenzpotential erzeugt werden, kann dies auf mindestens zwei Arten erfolgen. Zum einen können ein oder mehrere, möglichst symmetrisch den Ring teilende Punkte über Impedanzen (Widerstände, Induktivitäten und gemischt induktiv-resistive Elemente) mit dem entsprechenden Referenzpotential verbunden werden. Die Wahl der Impedanz stellt dabei einen Kompromiss aus Energieverlusten durch Stromfluss durch die Impedanzen und einem zu starken Drift relativ zum Referenzpotential dar. Anstatt solcher passiven Elemente wie Impedanzen, kann ebenso ein zusätzliches Phasenmodul 22, wie erwähnt, den Spannungsbezug zum Referenzpotential 24 herstellen. In 2 ist das Referenzpotential 24 eine Erdung. Jedes andere beliebige Referenzpotential ist jedoch ebenso denkbar. Im Gegensatz zu der Alternative mit Impedanzen, können Phasenmodule 22 hohe Ausgleichsströme zur Verfügung stellen, um ein weites Abdriften relativ zum Referenzpotential zu unterbinden.
Darüber hinaus weist die in 2 gezeigte Ausführungsform des modularen Multilevel-Umrichters 10‘ eine Mehrzahl von Einzelmodulen 12 auf, die zu einem Ring miteinander verschaltet sind. Die Einzelmodule 12 sind dabei über zwei elektrische Leiter 16, 18 miteinander verbunden. Mindestens zwei Einzelmodule 12 bilden ein Phasenmodul. Zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen 12 sind zur Ausbildung eines Phasenanschlusses Abgriffe 14 angeordnet. Dabei können beide elektrischen Leiter 16, 18 zusammengeführt werden, um einen Anschluss 14a zu bilden. Oder ein Anschluss 14b ist lediglich an einem elektrischen Leiter 16, 18 angeordnet.
Mit dem erfindungsgemäßen Polyphasensystem können alle drei typischen Fälle von Phasenschäden in elektrischen Maschinen ausfallsicher abgedeckt werden. Zum einen können Isolationsfehler vermieden werden, die eine mehr oder weniger gut leitende Verbindung zweier Phasen zur Folge haben. Dazu kann der modulare Multilevel-Umrichter einerseits die betroffenen Phasen quasi abschalten, indem der Strom in diesen Phasen (als Nebenbedingung der Regelung) durch geeignete Spannungsverläufe zu null geregelt wird. Andererseits kann der modulare Multilevel-Umrichter bei ausreichender Information über den Ort des Phasenschlusses, die Spannung zwischen den beiden ungewollt in Kontakt stehenden Punkten der beiden Phasen und damit den Stromfluss zwischen den beiden Phasen zu Null steuern oder regeln. Durch eine derartige Unterbindung eines Stromflusses über den Phasenschluss kann eine Erwärmung dieser nur mäßig leitenden Verbindung verhindert werden. Wenn die beiden Verbindungspunkte des Phasenschlusses die jeweiligen Phasen im gleichen Verhältnis teilen, besteht die Lösung in einem exakten Parallelbetrieb der beiden Phasen.
Ferner können Isolationsfehler innerhalb einer Phase vermieden werden, die eine leitende Verbindung zwischen unterschiedlichen Windungen zur Folge haben, so dass ein Teil des Stromes nicht die gesamte Windung durchläuft, sondern auf dem Weg "abkürzt". Darüber hinaus kann der Verlust einer Phase, beispielsweise aufgrund einer durchgebrannten oder abgerissenen Verbindung oder einer oxidierten Verbindungsstelle vermieden werden. Für die beiden letztgenannten Fehler können betroffene Phasen abgeschaltet werden, indem der Strom in diesen Phasen bzw. die Spannung zum i.d.R. nicht direkt zugänglichen Sternpunkt minimiert bzw. zu Null geregelt wird.
Je höher die Anzahl von Phasen in dem Polyphasensystem ist, desto mehr Restleistung und desto weniger Drehmomentwelligkeit kann die elektrische Maschine bei einem Ausfall einer einzelnen Phase bereitstellen. Dadurch läuft die elektrische Maschine ruhiger. Die elektrische Maschine kann mindestens so viele Phasenausfälle verkraften, dass in jedem 120° Sektor noch mindestens eine funktionierende Phase vorhanden ist. Dabei sollte im Allgemeinen auch ein Anfahren der elektrischen Maschine ermöglicht werden.
Die Drehmomentwelligkeit bzw. ein ungleichmäßiges Drehmoment basieren auf Oberwellen, die durch gewöhnliche elektrische Maschinen und deren gewöhnlichen Invertern in einem hohen Maß erzeugt werden. Maschinenseitig sind dafür nicht perfekt sinusförmig induzierte Gegenspannungen die Ursache. Bei dem Stator der elektrischen Maschine liegen die Ursachen bei den dezidierten Polen und Polschuhrandeffekten. Beim Rotor sind die Ursachen die räumliche Polausdehnung, Sättigungseffekte, Lufttaschen und mechanische Strukturen für die Festigkeit, dass die Gegenspannungen nicht perfekt sinusförmig induziert werden. Inverterseitig sind die Ursachen das Umschalten zwischen wenigen festen Spannungsniveaus mittels Schaltmodulation, wie bspw. Pulsweitenmodulation, Phasenanschnittmodulation, Blockkommutierung, usw. Die vielen Phasen des erfindungsgemäßen Polyphasensystems erlauben jedoch eine sehr genaue räumliche Kontrolle über das magnetische Feld im Luftspalt an nahezu jedem Punkt zwischen 0 und 2π. Die hohe Dynamik des Polyphasensystems aufgrund des Multilevel-Umrichters, die näherungsweise der Dynamik der Summe aller Einzelmodule gleicht, ermöglicht ferner eine sehr genaue Kontrolle über den zeitlichen Verlauf des magnetischen Feldes im Luftspalt. Das erlaubt eine präzise Kontrolle über die Feldverhältnisse an jedem Ort im Luftspalt zu jeder Zeit mit bislang unbekannt hoher Dynamik. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit zur Erzeugung von Harmonischen des Rotors während eines Leerlaufs in der Statorwicklung mit sehr hoher Präzision zum Ausgleich von Drehmomentwelligkeit oder -schwankungen. Durch eine präzise Erzeugung des räumlichen (aufgrund der vielen Phasen) und zeitlichen (aufgrund der unschlagbar hohen Dynamik des Multilevel-Umrichters) Feldverlaufes lässt sich die Verminderung der Drehmomentwelligkeit auch als Regelziel eines Regelalgorithmus verwenden.
Eisenverluste bilden neben Kupferverlusten (Ohm'sche Leitungsverluste in den Wicklungen) die zweitwichtigste Verlustkategorie in den meisten elektrischen Maschinen. Die Höhe der Eisenverluste steigt mit der Frequenz des magnetischen Feldes, das den jeweiligen Ort im Eisen durchflutet. Neben einer Verringerung der Drehmomentwelligkeit kann auch für eine gegebene Drehzahl eine Minimierung insbesondere in den Eisenkomponenten mit den höchsten Feldstärken des magnetischen Feldes durch geeignete Verzerrung (folglich einer Abweichung von einem Sinusstromverlauf) der Ströme in den einzelnen Phasen durchgeführt werden, so dass in diesen Eisenkomponenten geringe Eisenverluste entstehen.
Darüber hinaus soll erwähnt werden, dass auch ein Betrieb eines elektrischen Polyphasensystems möglich ist, bei dem die Wicklungen der elektrischen Maschine zu einem Ring miteinander verschaltet sind (also zu einer n-Eck-Schaltung) und die Phasenmodule 20 des modularen Multilevel-Umrichters 10, 10‘ zu einer Sternschaltung verschaltet sind. Auf diese Weise stellt der modulare Multilevel-Umrichter 10, 10‘ die volle Spannung der Phasenmodule bereit, wobei der Sternpunkt fix ist. Die Wicklungen der elektrischen Maschine sehen nun lediglich die Spannungsdifferenz zu einer benachbarten Wicklung und können somit kleiner dimensioniert werden. Auf diese Weise können die Ströme in den Wicklungen im Kreis fließen, wodurch ein Zeitverlauf der Ringströme in die Regelung als eine Nebenbedingung mit aufgenommen werden kann. Auch können unterschiedlich starke Ströme im Kreis erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6657334 [0005]

Claims

Modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen (12, 300), die jeweils eine Mehrzahl von Schaltelementen (316-1 bis 316-8) und mindestens einen elektrischen Energiespeicher (312) aufweisen, wobei die Einzelmodule (12, 300) hintereinander zu einem geschlossenen Ring verschaltet sind, wobei die Mehrzahl von Schaltelementen (316-1 bis 316-8) ein Verschalten von Energiespeichern (312) benachbarter Einzelmodule (12) ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen (14) bzw. zwei benachbarten Wicklungen eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Abgriff (14) jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen (12) angeordnet ist, der einen Phasenanschluss (14) bereitstellt, wobei zwischen zwei benachbarten Abgriffen (14) mindestens zwei Einzelmodule (12) angeordnet sind, die ein Phasenmodul (20) bilden.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Einzelmodule (12) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweisen, wobei die erste Seite zwei Anschlüsse (314a, 314b) und die zweite Seite zwei Anschlüsse (318a, 318b) aufweist.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) nach Anspruch 3, bei dem die Einzelmodule (12) jeweils mit zwei elektrischen Leitern (16, 18) miteinander elektrisch verbunden sind.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) nach Anspruch 4, bei dem der Abgriff (14b) zum Bereitstellen eines Phasenanschlusses an einem der zwei elektrischen Leiter (16, 18) angeordnet ist.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) nach Anspruch 4, bei dem der Abgriff (14a) zum Bereitstellen eines Phasenanschlusses an beiden elektrischen Leitern (16,, 18) angeordnet ist.
Modularer Multilevel-Umrichter (10‘) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der modulare Multilevel-Umrichter (10‘) ein von der Ringanordnung abzweigendes Phasenmodul (22) aus mindestens zwei Einzelmodulen (12) aufweist, das mit einem Ende an einem Abgriff (14) angeschlossen ist und mit dem anderen Ende mit einem Referenzpotential (24) verbunden ist.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem mindestens ein Abgriff (14) über eine elektrische Verbindung, die mindestens einen elektrischen Widerstand und/oder eine Induktivität aufweist, mit einem Referenzpotential (24) verbunden ist.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) nach Anspruch 8, bei dem mehrere Abgriffe (14) je über eine elektrische Verbindung, die mindestens einen elektrischen Widerstand und/oder eine Induktivität aufweist, mit einem Referenzpotential (24) verbunden sind, wobei die mehreren Abgriffe (14) den Ring der Einzelmodule (12) symmetrisch teilen.
Modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Schaltelemente (316-1 bis 316-8) der Vielzahl von Einzelmodulen (12) Niederspannungshalbleiterschaltelemente sind.
Elektrisches Polyphasensystem mit – einer elektrischen Maschine, die eine Vielzahl von Wicklungen mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist, wobei mindestens ein Knotenpunkt existiert, mit dem entweder der erste oder der zweite Anschluss jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen elektrisch verbunden ist und der entsprechend andere Anschluss des ersten und des zweiten Anschlusses jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Phasenanschluss (14) elektrisch verbunden ist, und – einem modularen Multilevel-Umrichter (10, 10‘), der eine Vielzahl von Einzelmodulen (12) aufweist, die in Serie zu einem Ring verschaltet sind, wobei mindestens ein Abgriff (14) jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen (12) anzuordnen ist, der einen Phasenanschluss (14) bereitstellt, mit dem der erste oder der zweite Anschluss einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, wobei eine Anzahl von Abgriffen (14) des modularen Multilevel-Umrichters (10, 10‘) gleich einer Anzahl von Wicklungen der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine entspricht, und wobei die Einzelmodule (12) des modularen Multilevel-Umrichters (10, 10‘) je einen Energiespeicher (312) und eine Mehrzahl von Schaltelementen (316-1 bis 316-8) aufweisen, die ein Verschalten von Energiespeichern (312) benachbarter Einzelmodule (12) ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen (14) bzw. zwei benachbarten Wicklungen eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist.
Elektrisches Polyphasensystem nach Anspruch 11, bei dem die elektrische Maschine als Generator oder als Motor arbeitet.
Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Polyphasensystems, bei dem eine elektrische Maschine und ein modularer Multilevel-Umrichter (10, 10‘) verwendet wird, wobei die elektrische Maschine eine Vielzahl von Wicklungen mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist und entweder der erste Anschluss oder der zweite Anschluss jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Knotenpunkt verbunden wird, mit dem jede Wicklung der Vielzahl von Wicklungen verbunden ist, und der entsprechend andere Anschluss des ersten und des zweiten Anschlusses jeweils einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen mit einem Phasenanschluss (14) verbunden wird, und wobei der modulare Multilevel-Umrichter (10, 10‘) eine Vielzahl von Einzelmodulen (12) aufweist, die in Serie zu einem Ring verschaltet werden und mindestens ein Abgriff (14) jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen (12) angeordnet wird, der einen Phasenanschluss (14) bereitstellt, mit dem der erste oder der zweite Anschluss einer Wicklung der Vielzahl von Wicklungen der elektrischen Maschine elektrisch verbunden wird, wobei die Einzelmodule (12) des modularen Multilevel-Umrichters (10, 10‘) je einen Energiespeicher (312) und eine Mehrzahl von Schaltelementen (316-1 bis 316-8) aufweisen, die ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule (12) ermöglicht, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen (14) bzw. zwei benachbarten Wicklungen eine Spannungsdifferenz bereitgestellt wird, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes geregelt wird.
Verfahren 13, bei dem zwischen zwei Abgriffen (14) mindestens zwei Einzelmodule (12) angeordnet werden, die ein Phasenmodul (20) bilden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem als Einzelmodule (12) Einzelmodule (12) verwendet werden, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweisen, wobei die erste Seite zwei Anschlüsse (14a, 14b) und die zweite Seite zwei Anschlüsse (18a, 18b) aufweist.
Verfahren nach 15, bei dem die Einzelmodule (12) jeweils mit zwei elektrischen Leitern (16, 18) miteinander elektrisch verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Abgriff (14) zum Bereitstellen eines Phasenanschlusses an einem der zwei elektrischen Leiter (16, 18) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Abgriff (14) zum Bereitstellen eines Phasenanschlusses an beiden elektrischen Leitern (16, 18) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem an dem Umrichter (10‘) ein von der Ringanordnung abzweigendes Phasenmodul (22) angeordnet wird, das mit einem Ende an einem Abgriff (14) angeschlossen wird und mit dem anderen Ende mit einem Referenzpotential (24) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem mindestens ein Abgriff (14) über eine elektrische Verbindung, die mindestens einen elektrischen Widerstand und/oder eine Induktivität aufweist, mit einem Referenzpotential (24) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem mehrere Abgriffe (14) über eine elektrische Verbindung, die mindestens einen elektrischen Widerstand und/oder eine Induktivität aufweist, mit einem Referenzpotential (24) verbunden werden, wobei die mehreren Abgriffe (14) den Ring der Einzelmodule (12) symmetrisch teilen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, bei dem als Schaltelemente (316-1 bis 316-8) der Vielzahl von Einzelmodulen (12), Niederspannungshalbleiterschaltelemente verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, bei dem die elektrische Maschine als Generator oder als Motor arbeitet.