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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Wechselrichters einer elektrischen Maschine. Mittels des Wechselrichters wird in elektrischen Spulen der elektrischen Maschine jeweils eine Stromstärke der Phasenströme eingestellt. Zu der Erfindung gehören auch eine Steuervorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, einen elektrischen Antrieb, welcher die elektrische Maschine und die erfindungsgemäße Steuervorrichtung aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Antrieb.
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In einer elektrischen Maschine kann der Stator elektrische Spulen in Form von Wicklungen aus Phasenleitungen aufweisen. Die Spulen sind in einem räumlichen Versatzwinkel zueinander versetzt. Bei drei Spulen kann der Versatzwinkel jeweils z.B. 120° betragen. Eine Stromstärke des Phasenstroms in den einzelnen Phasenleitungen der Spulen kann mittels eines Wechselrichters eingestellt werden. Hierzu kann der Stromstärkeverlauf zum Beispiel pulsweitenmoduliert werden.
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Um in dem Stator einen Rotor zum Drehen zu bringen, wird mittels der Spulen ein magnetisches Drehfeld im Luftspalt zwischen Stator und Rotor erzeugt. Hierzu wird in der Regel in den elektrischen Spulen jeweils ein Phasenstrom eingestellt, dessen Stromstärke sinusförmig verändert wird, wobei die aktuelle Stromstärke durch den aktuellen Phasenwinkel festgelegt ist. Die Phasenwinkel aller Spulen sind dabei mit einem bestimmten Phasenwinkelunterschied zueinander versetzt. Bei einer Pulsweitenmodulation ist die sinusförmige Änderung als Verlauf des Mittelwerts gegeben. Der besagte Phasenwinkelunterschied entspricht dem räumlichen Winkelversatz der Spulen. Wird nun der Phasenwinkel in allen Spulen um den gleichen Betrag vergrößert oder verkleinert, so drehen sich hierdurch die Pole des magnetischen Drehfelds im Luftspalt. Bei einer Synchronmaschine und einer Reluktanzmaschine folgt der Rotor mit derselben Drehgeschwindigkeit, mit der der Phasenwinkel der Phasenströme verändert wird. Die Frequenz der sinusförmigen Phasenströme gibt also die Drehgeschwindigkeit des magnetischen Feldes vor.
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Um das vom Rotor hierbei erzeugte Drehmoment einzustellen, kann zum einen die Phasenamplitude der Sinusfunktion und zum anderen ein Vorauslauf der Pole des magnetischen Drehfeldes des Stators bezüglich der magnetischen Pole des Rotors eingestellt werden. Dies kann durch einen komplexwertigen Stromzeiger mit einer d-Komponente Id und einer q-Komponente Iq beschrieben werden. Der Stromzeiger kann mittels der Vektorregelung oder Raumzeigermodulation (SVM – Space Vector Modulation) eingestellt werden. Die Stromstärken der Phasenströme der Spulen werden aus der d-Komponente Id und der q-Komponente Iq des Stromzeigers mittels einer inversen d/q-Transformation gebildet (inverse Park-Transformation).
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Führt der Rotor nun eine Drehbewegung aus und ergibt sich hierdurch eine Drehlageänderung des Rotors, so müssen die Phasenströme in den Spulen gemäß der Sinusfunktion nachgeführt werden, damit sich das Magnetfeld mitdreht (Drehfeld) und sich so ein vorgegebenes Drehmoment des Rotors nicht ändert. Die Transformation in das d-q-System ergibt dabei aber trotz drehendem Magnetfeld in der Maschine eine gleichbleibende d-Komponente Id und q-Komponente Iq, sodass man in der Steuervorrichtung Gleichgrößen hat (bei konstantem Drehmoment). Die d-Komponente Id und die q-Komponente des Stromzeigers werden also nur in Abhängigkeit von einer Änderung des vorgegebenen Drehmoments verändert.
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Andersherum dürfen zum Beispiel bei stillstehendem Rotor oder bei sehr langsam drehendem Rotor die Phasenströme in den Spulen entsprechend gar nicht oder nur sehr langsam verändert werden. Bei einem Wechselrichter bedeutet dies aber, dass durch die einzelnen Schaltelemente, also zum Beispiel die Transistoren der Halb-Brücken, während dieser Zeit die Stromstärken dauerhaft sehr ungleichmäßig auf die Schaltelemente verteilt sind. Steht der Rotor beispielsweise still, so kann es sein, dass das Schaltelement für eine Spule dauerhaft mit einem maximalen Stromwert, nämlich dem Scheitelwert des sinusförmigen Stromstärkeverlaufs, durchflossen oder belastet wird. Dies kann zu einer unerwünschten Erhitzung eines solchen Schaltelements führen.
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Bei einer gegebenen Drehmomentanforderung und stehendem Drehfeld der elektrischen Maschine wird also der Wechselrichter dauerhaft ungleichmäßig belastet. Im schlimmsten Fall muss das Schaltelement für eine Spule den Scheitelwert des benötigten Phasenstroms liefern. Dieser Betriebsfall kann zum Beispiel bei einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug im elektrischen Fahrbetrieb bei einer Anfahrt am Berg oder beim Überfahren eines stufenförmigen Hindernisses, wie beispielsweise einem Bordstein, auftreten.
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Die asymmetrische oder ungleichmäßige Belastung führt in heutige Wechselrichtern dazu, dass die maximal zulässige Stromamplitude für diesen Betriebsfall reduziert werden muss, beispielsweise auf nur 30%, um einzelne Schaltelemente eines Wechselrichters thermisch nicht zu überlasten. Dies führt aber auch zu einer Reduktion des maximal bereitstellbaren Drehmoments in diesem Betriebsfall.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels einer elektrischen Maschine bei langsam drehendem Rotor ein Drehmoment bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Das Verfahren nutzt in bekannter Weise die Möglichkeit, einen Wechselrichter einer elektrischen Maschine zu steuern, indem eine Steuervorrichtung die Schaltelemente des Wechselrichters schaltet und hierdurch einen jeweiligen Phasenstrom in den elektrischen Spulen der elektrischen Maschine einstellt. In der beschriebenen Weise wird so ein vorbestimmtes Drehmoment zu erzeugt. Die Phasenströme beschreiben zusammen einen Stromzeiger mit einer d-Komponente Id und einer q-Komponente Iq. Die Umrechnung kann mittels der bekannten d/q-Transformation oder Park-Transformation erfolgen.
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Um zu verhindern, dass eines der Schaltelemente des Wechselrichters durch einen Dauerstrom oder einen sich nur langsam verändernden Phasenstrom überlastet wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuervorrichtung die d-Komponente und die q-Komponente auch unabhängig von einer Änderung des vorgegebenen Drehmoments verändert oder moduliert, also unabhängig von einer Änderung eines Sollwert-Signals für das Drehmoment. Die d-Komponente und die q-Komponente weisen also einen Anteil auf, der bei vorgegebenem, festem Wert des Drehmoments dennoch verändert wird. Obwohl also der Rotor beispielsweise stillsteht, werden die d-Komponente und die q-Komponente und damit eben auch die jeweilige Stromstärke der Phasenströme mit der Zeit verändert oder variiert. Dies wird auf der Grundlage einer vorbestimmten Reluktanzbeschreibung durchgeführt, die eine Reluktanzeigenschaft des Rotors der elektrischen Maschine beschreibt. Anhand dieser Reluktanzbeschreibung kann der Stromzeiger derart eingestellt werden, dass sich zwar eine relative Stromstärkeverteilung in den Spulen verändert oder diese umverteilt wird, hierbei aber das vorgegebene Drehmoment beibehalten wird, also unverändert bleibt oder auf dem vorgegebenen Wert eingestellt bleibt. Es kann also auch ein konstantes oder allgemein ein vorgegebenes Drehmoment bereitgestellt werden und dennoch können hierbei die Stromstärken der Phasenströme in den Spulen umverteilt werden. Zu einem vorgegebenen Wert des Drehmoments ergeben sich also anhand der Reluktanzbeschreibung mehrere einstellbare Stromzeiger. Diese können nacheinander eingestellt werden.
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Die beschriebene Veränderung der d-Komponente und der q-Komponente, die erfindungsgemäß unabhängig von einer Änderung des vorgegebenen Drehmoments (also unabhängig von einer Änderung des Sollwert-Signals für das Drehmoment) durchgeführt wird, kann der eigentlichen Anpassung des Stromzeigers überlagert sein, die zum Einstellen eines geänderten vorgegebenen Drehmoments (also bei einer Änderung des Sollwert-Signals) ebenfalls nötig ist. Die d-Komponente und die q-Komponente können hierzu moduliert werden. Ganz allgemein werden also durch die Erfindung die d-Komponente und die q-Komponente zum Umverteilen der Stromstärken unabhängig von äußeren Randbedingungen verändert. Bei gleichbleibenden äußeren Randbedingungen erfolgt also dennoch eine Veränderung der d-Komponente und der q-Komponente. Die äußeren Randbedingungen können z.B. zumindest eine der folgenden Größen umfassen: einen Wert der elektrischen Spannung, eine Temperatur der elektrischen Maschine, eine vorgegebene Drehzahl (Drehgeschwindigkeit) des Rotors und eben das vorgegebene Drehmoment. Sollte der Stromzeiger auch in Abhängigkeit einer oder mehrerer dieser äußeren Randbedingungen eingestellt werden, so wird unabhängig von dieser Steuerung des Stromzeigers zusätzlich noch die erfindungsgemäße Veränderung der d-Komponente und der q-Komponente überlagert.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass bei stillstehendem Rotor oder bei langsam drehendem Rotor oder allgemein zur Entlastung einzelner Schaltelemente des Wechselrichters die relative Stromstärkeverteilung, also das Verhältnis der Beträge der Stromstärken der Phasenströme, variiert oder umverteilt werden kann, unabhängig davon, wie sich die Drehlage des Rotors aktuell ändert. So kann beispielsweise ein Schaltelement, das gerade von einem Phasenstrom mit dem Scheitelwert, also der maximalen Stromstärke, durchflossen wird, soweit entlastet werden, dass nur noch ein Anteil kleiner als 1 an dieser Stromstärke durch das Schaltelement fließt. Hierbei bleibt das erzeugte Drehmoment unbeeinflusst.
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Die Erfindung umfasst auch weitere, optionale Merkmale, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Um die Veränderung der d-Komponente und der q-Komponente unter Beibehaltung des vorgegebenen Drehmoments einzustellen, ist die beschriebene Reluktanzbeschreibung nötig. Diese ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dadurch gegeben, dass sie Isolinien jeweils gleichen Drehmoments als Funktion der d-Komponente Id und der q-Komponente Iq angibt. Diese Isolinien können beispielsweise als Kennfeld oder als analytische Funktion oder als Tabelle in der Steuervorrichtung bereitgestellt sein. Der Stromzeiger wird dann zum Umverteilen der Stromstärken in der Spulen auf einer Isolinie verschwenkt oder umgestellt. Durch die an sich bekannte inverse d/q-Transformation der d-Komponente und q-Komponente in die Stromstärkewerte der Phasenströme kann dann die jeweilige Stromstärke der Phasenströme korrekt mittels des Wechselrichters eingestellt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verwendung des beschriebenen Verfahrens für eine Frequenz der Phasenströme durchgeführt wird, die in einem Bereich von 0 Hz bis 30 Hz liegt. Mit der Frequenz ist hierbei nicht die diejenige Frequenz gemeint, die sich bei einer Pulsweitenmodulation zum Einstellen des Stromstärkewerts eines Phasenstromes ergibt, sondern die Frequenz, mit welcher der sinusförmige Verlauf der Phasenströme zum Einstellen einer Drehzahl des Rotors durchlaufen wird. Insbesondere ist vorgesehen, das Verfahren ausschließlich in dem besagten Bereich durchzuführen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die von der Änderung des vorgegebenen Drehmoments unabhängige Veränderung der d-Komponente und der q-Komponente im Stillstand des Rotors durchgeführt wird. Hier ist der Entlastungseffekt oder Kühleffekt für ein einzelnes Schaltelement am größten.
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Der Effekt ergibt sich dadurch, dass durch das Umverteilen der Stromstärke abwechselnd zuerst eine erste der Spulen und dann eine zweite der Spulen von einem im Vergleich zur jeweils anderen Spule betragsmäßig größeren Phasenstrom durchflossen wird. Mit anderen Worten wird die Stromstärke von einer Spule auf die andere Spule durch das Variieren oder Verändern der d-Komponenten und der q-Komponente übertragen. Dies kann auch wiederholt hin und her verlaufen, sodass der Stromzeiger einmal oder mehrfach in eine Richtung und dann in die Gegenrichtung verschwenkt oder umgestellt wird. Die Veränderung des Stromzeigers kann also auch entgegen der Drehbewegung des Rotors durchgeführt werden.
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Wie sich anhand einer Reluktanzbeschreibung mit Isolinien feststellen lässt, können die d-Komponente und die q-Komponente sehr weit verändert werden, ohne dass hierdurch eine Veränderung des Drehmoments erfolgt. Dies ist auch bei stillstehendem Rotor möglich. Allerdings erfordert dies auch eine entsprechende Veränderung der Stromzeigeramplitude des Stromzeigers, sodass sich in unerwünschter Weise ein sehr großer Stromstärkewert ergeben kann. Durch die Reluktanzbeschreibung ist also ein Zusammenhang zwischen einem Verhältnis der d-Komponente und der q-Komponente des Stromzeigers (d.h. seine Drehlage) einerseits und einer dabei zum Erhalt des Drehmoments notwendigen Stromzeigeramplitude beschrieben. Die Veränderung der d-Komponente und der q-Komponente wird hierbei bevorzugt derart begrenzt wird, dass die jeweils notwendige Stromzeigeramplitude kleiner als eine vorbestimmte maximale Stromstärke ist. Hierdurch wird verhindert, dass mittels des Verfahrens nur eine kleinere thermische Belastung im Wechselrichter entsteht also ohne die Umverteilung.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Stromzeigers aber in einem Bereich größer als 30° verschwenkt oder umgestellt wird, wobei insbesondere eine Veränderung um 60° durchgeführt wird, die bei den Phasenströmen eine Umverteilung zwischen Stromscheiteln zweier Phasenströme ergibt. So kann beispielsweise zwischen zwei Phasenströmen von einem maximalen positiven Stromwert (positiver Stromscheitel) zu ein einer anderen Spule auf maximalen negativen Stromwert (negativer Stromscheitel) gewechselt werden und hierbei das eingestellte Drehmoment beibehalten werden.
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Wie bereits ausgeführt, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur von einer Änderung des vorgegebenen Drehmoments unabhängigen Veränderung der Phasenwinkels zusätzlich, d.h. als Modulation oder Überlagerung, über eine von einer Änderung des vorgegebenen Drehmoments abhängige Veränderung des Stromzeigers durchgeführt werden, damit das Drehmoment bei einer Sollwert-Änderung des Drehmoments auf dem vorgegebenen Wert gehalten wird.
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Auch bei den erfindungsgemäßen Verfahren ist es dennoch möglich, einen zusätzlichen Schutz der Schaltelemente bereitzustellen, indem ein Betrag der Phasenströme begrenzt wird, also kleiner als ein vorbestimmter Höchstwert gehalten wird, der kleiner ist als in derjenigen Betriebsphase oder demjenigen Betriebsmodus, der für die ausschließlich von einer Änderung des vorgegebenen Drehmoments abhängige Veränderung des Stromzeigers vorgesehen ist (d.h. bei der bekannten Vektorregelung oder SVM-Regelung).
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Die besagten Schaltelemente können beispielsweise jeweils ein Transistor sein. Die Verschaltung der Schaltelemente im Wechselrichter kann in an sich bekannter Weise erfolgen, zum Beispiel können die Schaltelemente als Halb-Brücken verschaltet sein. Das Einstellen der d-Komponente und der q-Komponente kann dann erfolgen, indem eine zum aktuellen Stromzeiger korrespondierende Stromstärke der Phasenströme mittels der Pulsweitenmodulation in bekannter Weise eingestellt wird. Die genannte Stromstärke ist in der besagten Weise der Mittelwert über einer Periodendauer der Pulsweitenmodulation, d.h. der Mittelwert einer PWM-Phase (PWM – Pulsweitenmodulation).
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Besonders geeignet ist das Verfahren, um eine elektrische Maschine zu betreiben, die einen Reluktanzrotor oder einen Reluktanzrotor mit zusätzlicher magnetischer Permanenterregung aufweist. Auch ein stromerregter Rotor mit ausgeprägtem Reluktanzunterschied oder Reluktanzmoment ist verwendbar. Das Verfahren beruht auf dem Reluktanzeffekt, der bei diesen Rotortypen ausgeprägt ist.
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Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, also einen Wechselrichter entsprechend zu steuern, ist erfindungsgemäß eine Steuervorrichtung bereitgestellt, die eine Prozessoreinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann auf einem Mikrocontroller oder einem Mikroprozessor basieren und entsprechenden Programmcode aufweisen, der beim Durchführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt. In der Steuervorrichtung kann auch die besagte Reluktanzbeschreibung gespeichert sein.
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Durch Kombinieren der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit einer elektrischen Maschine und mit einem Wechselrichter ergibt sich eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs. Die elektrische Maschine ist in der besagten Weise bevorzugt eine Reluktanzmaschine oder eine Reluktanzmaschine mit permanenter magnetischer Erregung im Rotor oder mit einem stromerregten Rotor mit Reluktanzmoment. Die Maschine weist somit einen Reluktanzunterschied der Induktivitäten des Rotors dahingehend auf, dass seine q-Induktivität Lq ungleich seiner d-Induktivität Ld, insbesondere größer als seine d-Induktivität Ld, ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung sieht daher ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vor. Das Kraftfahrzeug ist hierdurch für ein langsames Rollen oder Fahren ausgelegt oder ein Aufbringen eines Drehmoments im Stillstand. Dies kann beispielsweise in der sogenannten Hill-Hold-Situation (Halten am Berg oder Halten des Kraftfahrzeugs an einem Abhang) und/oder bei einer Bordsteinüberfahrt und/oder allgemein einer Überfahrt über ein stufenförmiges Hindernis der Fall sein.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
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2 ein Diagramm mit sinusförmigen Stromstärkeverläufen, wie sie zum Einstellen eines jeweiligen Stromstärkewerts in Spulen eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs von 1 bei vorgegebenem Stromzeiger eingestellt werden können; und
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3 ein Diagramm mit einer schematisierten Reluktanzbeschreibung.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich zum Beispiel um einen Kraftwagen handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann eine elektrische Maschine 11 als Antriebsmotor für eine Fahrt aufweisen. Ein Rotor 12 der elektrischen Maschine 11 kann beispielsweise an einer Welle 13 ein Drehmoment 14 erzeugen und hierbei eine Drehbewegung 15 ausführen. Eine aktuelle Drehlage 16 des Rotors 12 kann in bekannter Weise durch einen Drehlagesensor 17 signalisiert werden.
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Das Drehmoment 14 und die Drehbewegung 15 können durch eine Steuervorrichtung 18 eingestellt werden. Die Steuervorrichtung 18 kann beispielsweise das Drehmoment 14 auf einen vorgegebenen Sollwert 19 einregeln. Der Sollwert 19 stellt ein vorgegebenes Drehmoment dar. Die Steuervorrichtung 18 kann auf der Grundlage einer Prozessoreinrichtung, beispielsweise eines Mikrocontrollers, bereitgestellt sein.
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Zum Erzeugen des Drehmoments 14 während der Drehbewegung 15 kann durch die Steuervorrichtung 18 ein Wechselrichter 20 gesteuert werden, indem die Steuervorrichtung 18 Schaltelemente 21 des Wechselrichters 20 in an sich bekannter Weise stellt oder schaltet. Die Schaltelemente 21 können jeweils beispielsweise durch einen Transistor oder mehrere Transistoren gebildet sein. Von den Schaltelementen 21 sind der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Dargestellt ist eine beispielhafte Anordnung der Schaltelemente 21 als drei Halb-Brücken (B6-Brücke).
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Für den Betrieb der elektrischen Maschine 11 kann eine Spannungsquelle 22 bereitgestellt sein, beispielsweise eine Traktionsbatterie. Durch abwechselndes elektrisches Verbinden von Phasenleitungen 23 elektrischer Spulen 24 eines Stators 25 der elektrischen Maschine 11 kann in den Spulen 24 ein jeweiliger Phasenstrom 26 gestellt werden. Die Phasenleitungen 23 und die jeweils zugehörige Spule 24 sind hierdurch die im Stand der Technik übliche Bezeichnung U, V, W voneinander unterschieden.
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Die Drehbewegung 15 ergibt eine Drehlageänderung, die eine Anpassung der Phasenströme 26 erfordert, um das Drehmoment 14 auf dem Sollwert 19 zuhalten. In Abhängigkeit von der Drehlageänderung der Drehlage 16 kann die Steuervorrichtung 18 hierzu beispielsweise eine Vektorregelung 27 oder eine Space-Vektor-Modulation SVM zum Schalten der Schaltelemente 21 in bekannter Weise durchführen.
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Die Stromstärkewerte der Phasenströme 26 können hierbei der in 2 gezeigten Weise miteinander verknüpft sein.
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2 veranschaulicht für unterschiedliche Werte eines Drehwinkels oder Phasenwinkels P des Rotors 12 die relative Stromstärkeverteilung in den drei Phasenleitungen U, V, W und den zugehörigen Spulen 24. Durch kontinuierliches Vergrößern des Phasenwinkels P kann bei den gezeigten relativen Stromstärkeverteilungen durch die Spulen 24 im Stator 25 ein magnetisches Drehfeld erzeugt werden, welches den Rotor 12 mit dem Drehmoment 14 und der Drehbewegung 15 dreht.
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Die Steuervorrichtung 18 kann aber zusätzlich dazu ausgelegt sein, die Stromstärken unabhängig von der durch die Drehbewegung 15 verursachten Drehlageänderung zu variieren. Hierdurch ist eine Veränderung 30 der Stromstärkewerte zum Beispiel im Stillstand des Rotors 12 möglich, um so z.B. einen Phasenstrom 26 von einem positiven Scheitelstrom 31 in einer Spule (in 2 beispielhaft die Spule der Phase U) auf einen geringeren Stromstärkewert 32 zu verringern, wodurch sich dann in einer anderen Spule (hier im Beispiel die Spule der Phase W) eine größere Stromstärkebelastung (hier der negative Scheitelwert 33) ergibt. Das Strommaximum wandert von der Spule oder Phase U mit positiver Amplitude zur Spule oder Phase W mit negativer Amplitude. Dies gibt eine Umverteilung 34 der Stromstärkeverteilung in den Spulen 24 und damit in den Schaltelementen 21. Die Umverteilung 34 kann mehrmals hin und her wechseln, z.B. mit einer Frequenz in einem Bereich von 10 Hz bis 30 Hz.
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3 veranschaulicht eine von der Steuervorrichtung 18 verwendbare Reluktanzbeschreibung 29 zum Einstellen der in 2 beispielhaft veranschaulichten Umverteilung 34, ohne das Drehmoment 14 zu verändern. Die drei Phasenströme 26 sind durch einen komplexwertigen Stromzeiger 35 repräsentiert, der eine q-Komponente Iq und eine d-Komponente Id aufweist. Diese Repräsentation ist aus dem Stand der Technik bekannt. In dem Diagramm ist gezeigt, dass der Stromzeiger 35 in Bezug auf seine q-Komponente Iq und d-Komponente Id verändert werden kann und hierdurch der Stromzeiger 35 verschwenkt oder in seiner Länge, d.h. seinem Betrag 36, verändert werden kann, wodurch sich die beschriebene Veränderung 30 der Phasenströme 26 ergibt. Hierbei kann aber durch Kombinieren der Verschwenkung oder Veränderung 30 mit Veränderung der Stromzeigeramplitude 36 erreicht werden, dass der Stromzeiger 35 auf einer Isolinie 37 gehalten wird, welche das resultierende Drehmoment 14 angibt. Bei allen Stromzeigern auf der Isolinie 37 ist das Drehmoment 14 gleich. Weitere Isolinien 38 für einen jeweils anderen Wert des Drehmoments 14 sind beispielhaft in 3 ebenfalls angegeben. Des Weiteren sind Strombeträge 39 angegeben, die in der gezeigten d-q-Darstellung einen Strombetrag der Phasenströme 26 angeben. Hier kann eine Begrenzung 40 vorgesehen werden, durch die verhindert wird, dass der Strombetrag der Phasenströme 26 beim Variieren oder Verändern des Stromzeigers 35 größer als der durch die Strombegrenzung 40 definierte Schwellenwert wird.
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Die beschriebene Veränderung 30 des Stromzeigers 35 (d.h. seiner d-Komponente Id und seiner q-Komponente Iq) unter Beibehaltung des vorgegebenen Drehmoments, d.h. des Sollwerts 19, ergibt sich beim Einsatz einer elektrischen Maschine 11 mit ausgeprägtem Reluktanzmoment im Rotor 12, d.h. sie ist ermöglicht durch einen Reluktanzunterschied des Rotors 12. Denn es tragen zwei Komponenten zur Drehmomentbildung des resultierenden Drehmoments 14 bei, wie man aus der folgenden Drehmomentgleichung für das Drehmoment T sehen kann: T = 3 / 2·p·[ΨpmIq + (Ld – Lq)·IqId]
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p ist hier ein Proportionalitätsfaktor. Der erste Teil des auf p folgenden additiven Terms ist abhängig vom Rotorfluss ψpm (magnetische Permanenterregung) und der q-Komponente Iq des Phasenstroms 26. Der zweite Teil des additiven Terms ist abhängig von dem Reluktanzunterschied (Ld – Lq) der d-Induktivität Ld und der q-Induktivität Lq und von den beiden Stromkomponenten Iq, Id. Durch diese Tatsache ist es möglich, mit unterschiedlichen Anteilen von Id und Iq das gleiche Drehmoment 14 zu erzeugen. Die resultierenden Wertepaare aus Id und Iq beschreiben die Isolinien 37, 38. Dennoch resultiert es in einem anderen Phasenwinkels P der vom Wechselrichter 20 auszugebenden Phasenströme 26, d.h. in veränderten Stromstärken der Phasenströme 26. Dies kann dazu genutzt werden, die thermische Belastung der Verlustleistung gleichförmiger oder abwechselnd auf die Phasenleitungen 23, die Spulen 24 und die Schaltelemente 21 mittels der Lastumverteilung 34 zu verteilen.
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Vorteilhaft ist dies bei einer Grundfrequenz kleiner als 30 Hz. Hier kann dann die Begrenzung 40 auf einen größeren Betragswert eingestellt werden als ohne die Umverteilung 34, da im letzteren Fall damit zu rechnen ist, dass ein Stromstärkewert dauerhaft auf einem Scheitelwert 31, 33 gehalten werden muss. Durch das Verfahren erreicht man bei dem Kraftfahrzeug 10 zum Beispiel in der Hill-Hold-Situation, bei einer Berganfahrt und/oder einer Bordsteinüberfahrt bei vorgegebener maximaler thermischer Belastung ein größeres Drehmoment 14 als ohne die Umverteilung 34.
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Die elektrische Maschine 11 kann hierzu ein Elektromotor mit ausgeprägtem Reluktanzmoment sein, wobei der Effekt umso größer ist, je größer der Unterschied zwischen Ld und Lq ist. Somit eignet sich das Verfahren für ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Aber auch alle anderen elektrischen Antriebe, die diese Maschineneigenschaft aufweisen, profitieren von dem Verfahren. Beispielsweise ist also eine elektrische Maschine 11 in Form einer permanent Magnet-erregten Synchronmaschine mit zusätzlichem Reluktanzmoment einsetzbar.
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Der Stromzeiger kann mit mehr als 30° variiert oder verschwenkt werden, insbesondere mit 60°, und hierbei ein gleichbleibendes Drehmoment 14 eingestellt werden. Dadurch kann ein Stromscheitel 31 zum Beispiel wie gezeigt von der Phasenleitung U mit positivem Vorzeichen auf die Phasenleitung W mit negativem Vorzeichen verschoben oder verlagert werden. Durch hin und her bewegen des Stromzeigers 35 um diesen Winkelbetrag mit einer Frequenz in einem Bereich von beispielsweise größer als 0 Hz und kleiner als 30 Hz, beispielsweise in einem Bereich von 10 Hz bis 20 Hz, kann die Verlustleistung im Wechselrichter 20 auf mehrere Schaltelemente 21 verteilt werden und somit ein größerer Wert für die Beschränkung 40 eingestellt werden als für den Fall, dass die Veränderung 30 nicht vorgesehen ist.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Lastumverteilung in einem Umrichter oder Wechselrichter bei sehr niedrigen Grundfrequenzen (bis ca. 30 Hz) z.B. bei einer Anfahrt am Berg bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Elektrische Maschine
- 12
- Rotor
- 13
- Welle
- 14
- Drehmoment
- 15
- Drehbewegung
- 16
- Drehlage
- 17
- Drehlagesensors
- 18
- Steuervorrichtung
- 19
- Sollwert
- 20
- Wechselrichter
- 21
- Schaltelement
- 22
- Spannungsquelle
- 23
- Phasenleitung
- 24
- Spule
- 25
- Stator
- 26
- Phasenstrom
- 27
- Vektorregelung
- 28
- Phasenamplitude
- 29
- Reluktanzbeschreibung
- 30
- Veränderung
- 31
- Positiver Scheitelwert
- 32
- Reduzierte Stromstärke
- 33
- Negativer Scheitelwert
- 34
- Stromstärkeverteilung
- 35
- Stromzeiger
- 36
- Betrag
- 37
- Isolinie
- 38
- Isolinie
- 39
- Strombetrag
- 40
- Strombegrenzung
- Iq
- q-Komponente
- Id
- d-Komponente
- P
- Phasenwinkels
