DE102017115646A1 - Circuit arrangement and method for exchanging electrical energy via an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung für den Betrieb einer elektrischen Maschine mit mindestens 3 Phasen, welche umfasst Anschlüsse für eine Stromversorgung; einen DC-Steller, der eingangsseitig an einem Anschluss der Stromversorgung angeschlossen ist und ausgangsseitig einen ersten Kondensator eines zweigeteilten Zwischenkreises überbrückt; den zweigeteilten Zwischenkreis bestehend aus dem ersten und einem zweiten Kondensator, die in Serie derart miteinander verbunden sind, so dass zwischen den beiden Kondensatoren ein mittleres Potenzial ausgebildet ist, am anderen Ende des ersten Kondensators ein oberes Potenzial ausgebildet ist und am anderen Ende des zweiten Kondensators ein unteres Potenzial ausgebildet ist; den zweiten Anschluss für die Stromversorgung, der mit dem unteren Potenzial verbunden ist; für jede Phase der elektrischen Maschine eine erste Halbbrücke, deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem oberen und dem unteren Potenzial verbunden sind und eine zweite Halbbrücke, deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem unteren Potenzial und dem mittleren Potenzial verbunden sind, während die Mittelabgriffe der beiden Halbbrücken zum Anschließen der induktiven Last der jeweiligen Phase der elektrischen Maschine dienen.Circuit arrangement for the operation of an electrical machine with at least 3 phases, which comprises connections for a power supply; a DC controller, which is connected on the input side to a terminal of the power supply and the output side bridges a first capacitor of a two-part DC link; the two-part intermediate circuit consisting of the first and a second capacitor, which are connected in series such that an intermediate potential is formed between the two capacitors, at the other end of the first capacitor, an upper potential is formed and at the other end of the second capacitor a lower potential is formed; the second terminal for the power supply connected to the lower potential; for each phase of the electric machine, a first half-bridge whose outer terminals are respectively connected to the upper and the lower potential and a second half-bridge whose outer terminals are respectively connected to the lower potential and the middle potential, while the center taps of the two half-bridges to Connecting the inductive load of the respective phase of the electrical machine serve.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und Verfahren zum Austausch elektrischer Energie über eine elektrische Maschine.The invention relates to a circuit arrangement and method for exchanging electrical energy via an electrical machine.
In der elektrischen Antriebstechnik werden Leistungselektroniken zur Antriebsregelung verwendet. Diese Leistungselektroniken arbeiten z. B. mit einem Zwischenkreis. Die Eingangsspannung der Spannungsquelle wird dabei passend für die elektrische Maschine in eine elektrische Wechselgröße umgeformt, damit ein Drehfeld entsteht. Diese Umrichtung geschieht durch häufiges Umschalten mittels Leistungsschaltern bzw. Leistungshalbleitern in einer Brückenschaltung. Durch das Umschalten kommutiert der Strom in seiner Richtung und es entsteht ein Wechselstrom bzw. Drehstrom passend für die Maschine.In electric drive technology power electronics are used for drive control. These power electronics work z. B. with a DC link. The input voltage of the voltage source is thereby converted suitable for the electrical machine into an electrical variable, so that a rotating field is formed. This conversion is done by frequent switching by means of circuit breakers or power semiconductors in a bridge circuit. By switching the current commutes in his direction and there is an AC or three-phase current suitable for the machine.
Bei einem 3-Phasen-Motor und einer Vollbrückenschaltung existieren zwei sogenannte B6-Brücken, die normalerweise synchron geschaltet werden, um z. B. die Stromstärke und -richtung durch eine Spule einzustellen.In a 3-phase motor and a full bridge circuit, there are two so-called B6 bridges, which are normally synchronized to operate e.g. B. adjust the current and direction through a coil.
Die Leistungsschalter der Brückenschaltung können durch Halbleiterbauelemente wie MOSFETS oder IGBTs ausgeführt sein. Die Zeitpunkte der Ansteuerung der Schalter können z. B. durch die Programmierung eines Mikrocontrollers bestimmt werden.The circuit breakers of the bridge circuit may be implemented by semiconductor devices such as MOSFETs or IGBTs. The timing of the control of the switch can, for. B. be determined by the programming of a microcontroller.
Unabhängig vom Betrieb eines Elektromotors sind aus dem Stand der Technik Schaltungen bekannt, denen gemein ist, dass sie durch eine spezielle Ausführung eines einer Brückenschaltung vorgeschalteten DC-Stellers eine Verkleinerung der zugehörigen Drossel erzielen. Diese existieren in verschiedenen Ausführungsformen.Regardless of the operation of an electric motor circuits are known from the prior art, which have in common that they achieve a reduction of the associated throttle by a special embodiment of a bridge circuit upstream DC adjuster. These exist in various embodiments.
Die Schaltungsanordnung ist für den Betrieb einer seriellen Multilevel-Topologie gedacht. Dazu muss ausgangsseitig eine Vollbrücke verwendet werden, die in diesem Fall asymmetrisch ausgeführt wird. Eine dreiphasige Last kann nur betrieben werden, wenn mehrere Module miteinander verschaltet werden und verschiedene Stromversorgungen aufweisen. In diesem Fall sollten alle verwendeten Spannungsquellen gleiche Charakteristik haben, also bspw. gleiche Batteriezellen. Ein Austausch von Energie zwischen den einzelnen Quellen ist dann nicht mehr ohne weiteres möglich. Ein Betrieb von Quellen mit unterschiedlichen Charakteristiken (Batterie, Brennstoffzelle, etc.) ist ebenfalls nicht ohne weiteres möglich.The circuit arrangement is intended for the operation of a serial multilevel topology. For this purpose, a full bridge must be used on the output side, which in this case is asymmetrical. A three-phase load can only be operated if several modules are interconnected and have different power supplies. In this case, all voltage sources used should have the same characteristics, ie, for example, the same battery cells. An exchange of energy between the individual sources is then no longer possible without further ado. Operation of sources with different characteristics (battery, fuel cell, etc.) is also not readily possible.
Eine mit diesem Aufbau durchgeführte Schaltungsanalyse und das daraus hergeleitete Steuerverfahren zeigen, dass nicht beide Spannungen beider Kondensatoren des Zwischenkreises individuell geregelt werden können, sich aber jederzeit ein stabiler Arbeitspunkt einstellt.A circuit analysis carried out with this structure and the control method derived therefrom show that it is not possible to individually regulate both voltages of both capacitors of the DC link, but at any time to set a stable operating point.
Nachteilig ist dabei, dass ein Betrieb einer elektrischen Maschine mit mehreren Phasen bei effizienter und flexibler Nutzung einer oder mehrerer Stromversorgungen nicht möglich ist. Der Stand der Technik ist nur einphasig aufgebaut und damit nicht geeignet.A disadvantage is that an operation of an electric machine with multiple phases in efficient and flexible use of one or more power supplies is not possible. The prior art is constructed only single phase and thus not suitable.
Auch ist nur eine ausgangsseitige Einspeisung von Energie möglich, nicht aber eine Rückspeisung in die Quelle, wie mit einer elektrischen Maschine im Generatorbetrieb möglich.Also, only an output-side supply of energy is possible, but not a return to the source, as possible with an electric machine in generator mode.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung und Verfahren bereitzustellen, mit dem eine elektrische Maschine mit mindestens 3 Phasen derart betrieben werden kann, dass nur eine Stromversorgung notwendig ist oder alternativ mehrere Spannungsquellen flexibel betrieben werden können, wobei optional Energie auch rückgespeist werden können soll. Gleichzeitig ist eine Reduktion des Bauteilaufwands für den DC-Steller zu erreichen. The object of the invention is therefore to provide a circuit arrangement and method with which an electrical machine with at least 3 phases can be operated such that only one power supply is necessary or alternatively multiple voltage sources can be operated flexibly, with optional energy also being able to be fed back , At the same time, a reduction of the component costs for the DC adjuster can be achieved.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung für den Betrieb einer elektrischen Maschine oder einer Transformatoranordnung mit mindestens 3 Phasen. Diese umfasst Anschlüsse für eine Stromversorgung. Weiterhin einen DC-Steller, der eingangsseitig an einem Anschluss der Stromversorgung angeschlossen ist und ausgangsseitig einen ersten Kondensator eines zweigeteilten Zwischenkreises überbrückt. Weiterhin den zweigeteilten Zwischenkreis bestehend aus dem ersten und einem zweiten Kondensator, die in Serie derart miteinander verbunden sind, so dass zwischen den beiden Kondensatoren ein mittleres Potenzial ausgebildet ist, am anderen Ende des ersten Kondensators ein oberes Potenzial ausgebildet ist und am anderen Ende des zweiten Kondensators ein unteres Potenzial ausgebildet ist. Weiterhin den zweiten Anschluss für die Stromversorgung, der mit dem unteren Potenzial verbunden ist. Weiterhin für jede Phase der elektrischen Maschine oder Transformatoranordnung eine erste Halbbrücke, deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem oberen und dem unteren Potenzial verbunden sind und eine zweite Halbbrücke, deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem unteren Potenzial und dem mittleren Potenzial verbunden sind. Die Mittelabgriffe der beiden Halbbrücken dienen zum Anschließen der induktiven Last der jeweiligen Phase der elektrischen Maschine oder Transformatoranordnung.The object of the invention is achieved by a circuit arrangement for the operation of an electrical machine or a transformer arrangement with at least 3 phases. This includes connections for a power supply. Furthermore, a DC controller, which is connected on the input side to a terminal of the power supply and the output side bridges a first capacitor of a two-part DC link. Furthermore, the two-part intermediate circuit consisting of the first and a second capacitor, which are connected in series such that between the two capacitors, an average potential is formed at the other end of the first capacitor, an upper potential is formed and at the other end of the second Capacitor is designed a lower potential. Furthermore, the second connection for the power supply, which is connected to the lower potential. Furthermore, for each phase of the electrical machine or transformer arrangement, a first half-bridge, the outer terminals of which are respectively connected to the upper and the lower potential, and a second half-bridge, the outer terminals of which are respectively connected to the lower potential and the middle potential. The center taps of the two half bridges serve to connect the inductive load of the respective phase of the electrical machine or transformer arrangement.
Potenzial bedeutet vorliegend elektrisches Potenzial. Verbunden bezeichnet vorliegend elektrisch verbunden. Dabei kann eine direkte Verbindung vorliegen, d. h. eine bei welcher der Strompfad unbeeinflusst oder ununterbrochen ist. Dem Fachmann ist aber geläufig, dass Verbindungen mit auf die Verbindung einwirkenden Schaltungsbestandteilen, die das Grundprinzip dieser vorgestellten Schaltung nicht wesentlich beeinflussen davon auch umfasst sind.Potential here means electrical potential. Connected referred to electrically connected here. This may be a direct connection, d. H. one in which the current path is unaffected or uninterrupted. However, it will be apparent to those skilled in the art that compounds having circuit components which affect the connection and which do not materially affect the basic principle of this circuit are also included.
Durch die Erfindung lässt sich vorteilhafterweise der Bauteilaufwand (d. h. Masse/Volumen, Kosten) z. B. für einen Antriebsstromrichter im Automobil senken, eine Drehstrommaschine ansteuern und Energie zwischen verschiedenen Stromversorgungen, insbesondere DC-Quellen austauschen.By means of the invention, it is advantageously possible to reduce the complexity of the component (that is to say mass / volume, costs), for example. B. for a drive converter in the automobile, drive a three-phase machine and exchange energy between different power supplies, especially DC sources.
Bezüglich der Ansteuerung der Leistungshalbleiter ergeben sich gegenüber manchem Stand der Technik Vorteile, da insgesamt weniger Transistoren mit entsprechenden Gatetreiberschaltungen versorgt werden müssen und der steuerungstechnische Aufwand (Modulation, Spannungserfassung) geringer wird.With regard to the control of the power semiconductors, there are advantages over many prior art, since a total of fewer transistors must be supplied with corresponding gate driver circuits and the control-related outlay (modulation, voltage detection) becomes lower.
Die Erfindung ist geeignet für Maschinen, deren Wicklungsanschlüsse alle nach außen geführt sind. Sie ist jedoch anwendbar auf synchron oder asynchron betriebene Maschinen.The invention is suitable for machines whose winding terminals are all led to the outside. However, it is applicable to synchronous or asynchronous machines.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der DC-Steller eine Drossel, die einerseits mit dem einen Anschluss der Stromversorgung und andererseits mit dem Mittelabgriff einer Halbbrücke des DC-Stellers verbunden ist. Weiterhin umfasst ist die Halbbrücke des DC-Stellers, deren äußere Anschlüsse den ersten Kondensator überbrücken, d. h. mit dem oberen und mittleren Potenzial verbunden sind.In a particular embodiment of the circuit arrangement, the DC controller comprises a throttle, which is connected on the one hand to the one terminal of the power supply and on the other hand to the center tap of a half-bridge of the DC adjuster. Also included is the half-bridge of the DC regulator whose outer terminals bridge the first capacitor, d. H. associated with the upper and middle potential.
Der DC-Steller muss dabei mindestens so ausgelegt werden, dass die unterschiedlichen Spannungsvarianzen der Spannungsquelle, die z. B. abhängig vom Ladezustand oder der Ausgangskennlinie der Spannungsquelle ist, ohne Schaden im Rahmen der gewünschten elektrischen Eigenschaften verarbeitet werden können.The DC controller must at least be designed so that the different voltage variances of the voltage source, the z. B. depending on the state of charge or the output characteristic of the voltage source can be processed without damage in the context of the desired electrical properties.
Brückenschaltungen werden normalerweise immer mit gleich hoher Spannung angeschlossen. Vorteilhafterweise muss das hier nicht so sein, da der DC-Steller eine flexible Regelung ermöglicht.Bridge circuits are normally always connected with the same voltage. Advantageously, this does not have to be this way because the DC controller allows flexible control.
Vorteilhafterweise ermöglicht der eingangsseitige DC-Steller die Verkleinerung der zugehörigen Drossel und der Transistoren.Advantageously, the input-side DC controller allows the reduction of the associated throttle and the transistors.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung weiterhin einen oder mehrere weitere DC-Steller, die parallel zum (ersten) DC-Steller angeschlossen sind.In a particular embodiment of the circuit arrangement, the circuit arrangement further comprises one or more further DC controllers, which are connected in parallel with the (first) DC controller.
Solche Anordnungen von Stellern, die parallel geschaltet sind, werden auch als mehrphasige Steller bezeichnet. Diese Stellerphasen haben jedoch nichts mit den Phasen der elektrischen Maschine zu tun.Such arrays of actuators connected in parallel are also referred to as multiphase actuators. However, these stages have nothing to do with the phases of the electrical machine.
Vorteilhafterweise lässt sich so der Bauaufwand für die Drosseln reduzieren. Man benötigt bei einem zweiphasigen Steller zwar zwei Drosseln, aufgrund physikalischer Zusammenhänge betragen Aufwendungen für eine einzelne Drossel jedoch nur ein Viertel. Aufgrund ihres Volumens und dem Material aus dem sie bestehen, ist die Kostenauswirkung hier höher, als bei dem Schaltelement (z. B. MOSFET) und der Diode.Advantageously, it is possible to reduce the construction costs for the throttles. Although two throttles are required for a two-phase controller, due to physical constraints, only one-quarter of the costs for a single reactor are incurred. Due to their volume and the material they are made of, the cost impact is here higher than the switching element (eg MOSFET) and the diode.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung weiterhin einen oder mehrere weitere DC-Steller, die eingangsseitig an einem weiteren Anschluss für eine weitere Stromversorgung angeschlossen sind und ausgangsseitig parallel zum DC-Steller angeschlossen sind.In a particular embodiment of the circuit arrangement, the circuit arrangement further comprises one or more further DC controllers, which are connected on the input side to a further connection for a further power supply and are connected on the output side parallel to the DC controller.
Es kann gewünscht sein, das System mit mehreren Stromversorgungen (Spannungsquellen) zu versorgen. Z. B. existieren bei einem Brennstoffzellenfahrzeug zwei Spannungsquellen, die Brennstoffzelle und die Batterie. Bisher war es üblich für jede Spannungsquelle einen separaten DC/DC-Wandler zu verwenden, über den die Energie ins Bordnetz einspeist wird.It may be desirable to provide the system with multiple power supplies (voltage sources). For example, in a fuel cell vehicle, two power sources, the fuel cell and the battery, exist. So far, it has been customary for each voltage source to use a separate DC / DC converter, via which the energy is fed into the vehicle electrical system.
Vorteilhafterweise muss hier kein Zwischenschritt über das Bordnetz geschehen, da Stromversorgungen direkt an das System angeschlossen werden können. Dazu werden die DC-Steller so angesteuert, dass bestimmbar ist, aus welcher Quelle wie viel Leistung/Energie abgerufen wird. Dies ermöglicht zusätzlich ein komfortables Energiemanagement der Stromversorgungen.Advantageously, there must be no intermediate step via the electrical system, since power supplies can be connected directly to the system. For this purpose, the DC controllers are controlled so that it is possible to determine from which source how much power / energy is called up. This also enables a comfortable energy management of the power supplies.
Natürlich kann die vorher erläuterte rein parallele Anordnung mehrerer DC-Steller (mehrphasiger Steller) zusätzlich für jede der verschiedenen Stromversorgungen angeordnet werden.Of course, the previously explained purely parallel arrangement of several DC controllers (multiphase controller) can additionally be arranged for each of the different power supplies.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung überbrückt der DC-Steller ausgangsseitig statt des ersten Kondensators den zweiten Kondensator. Weiterhin ist der zweite Anschluss für die Stromversorgung statt mit dem unteren mit dem oberen Potenzial verbunden. Weiterhin ist die zweite Halbbrücke einer jeden Phase statt mit dem unteren Potenzial mit dem oberen Potenzial verbunden.In a particular embodiment of the circuit arrangement, the DC controller bridges the output side instead of the first capacitor, the second capacitor. Furthermore, the second terminal for the power supply is connected to the upper potential instead of the lower one. Furthermore, the second half-bridge of each phase is connected to the upper potential instead of the lower potential.
In diesem geänderten Schaltungsaufbau findet der DC-Steller auf der sogenannten negativen Seite Platz. Grundsätzlich ist diese alternative Topologie der erstgenannten ebenbürtig, es gibt keinen funktionalen Unterschied und keinen Vor-/Nachteil. Während man bei der Variante der negativen Seite nun die Spannung am zweiten Kondensator möglichst gering halten möchte, ist dies bei der erstgenannten positiven Variante die Spannung am ersten Kondensator. Die zweite Halbbrücke sollte dabei immer den anderen Kondensator des Zwischenkreises überbrücken, wie der DC-Steller.In this modified circuit design, the DC controller finds place on the so-called negative side. Basically, this alternative topology is equal to the former, there is no functional difference and no advantage / disadvantage. While you want to keep the voltage at the second capacitor as low as possible in the variant of the negative side, this is the voltage at the first capacitor in the former positive variant. The second half bridge should always bridge the other capacitor of the DC link, like the DC adjuster.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung überbrücken der eine oder mehrere weitere DC-Steller einen der beiden Kondensatoren des Zwischenkreises, die zweite Halbbrücke den anderen der beiden Kondensatoren des Zwischenkreises und die erste Halbbrücke die Serienschaltung beider Kondensatoren.In a particular embodiment of the circuit arrangement, one or more further DC controllers bridge one of the two capacitors of the intermediate circuit, the second half-bridge the other of the two capacitors of the intermediate circuit and the first half-bridge the series connection of both capacitors.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist die elektrische Maschine mehr als 3 Phasen auf.In a particular embodiment of the circuit arrangement, the electric machine has more than 3 phases.
Vorteilhafterweise lässt sich die Erfindung auch auf elektrische Maschinen oder Transformatoranordnungen mit mehr als drei Phasen anwenden.Advantageously, the invention can also be applied to electrical machines or transformer arrangements having more than three phases.
Weiterhin kann anstatt einer Maschine auch eine Transformatoranordnung angeschlossen werden.Furthermore, instead of a machine and a transformer arrangement can be connected.
Als Transformatoranordnung könnte sowohl ein dreiphasiger (oder ggf. mehrphasiger) Transformator mit 6 Anschlüssen auf der Primärseite (vergleichbar mit dem Anschluss einer dreiphasigen Maschine) als auch drei (oder mehr) einzelne einphasige Transformatoren angeschlossen werden.As a transformer arrangement, both a three-phase (or possibly multi-phase) transformer with 6 terminals on the primary side (comparable to the connection of a three-phase machine) as well as three (or more) individual single-phase transformers could be connected.
Ein Anwendungsfall könnte dabei z. B. in der Energietechnik mit stationären Speichern liegen.An application could be z. B. in power engineering with stationary storage.
Die Übertragbarkeit der Erfindung von einer elektrischen Maschine auf einen Transformator würde sich auf eine Seite des Transformators (z. B. Primärseite) beziehen. Die Wicklungen des Transformators würden wie bei der Maschine, anstelle der Induktivitäten der Maschine, angeschlossen. Die andere Seite des Transformators könnte (mit entsprechender Stern- oder Dreieck-Verschaltung) z. B. an ein Drehstromnetz angeschlossen werden. Ein im Folgenden beschriebenes Nullsystem in den Phasenströmen eines Transformators sind auch denkbar und machbar.The transferability of the invention from an electrical machine to a transformer would refer to one side of the transformer (eg, primary side). The windings of the transformer would be connected as in the machine, instead of the inductances of the machine. The other side of the transformer could (with appropriate star or delta connection) z. B. connected to a three-phase network. A zero system described below in the phase currents of a transformer are also conceivable and feasible.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei die Halbbrücken dahingehend gesteuert oder geregelt werden, dass ein Nullsystem des Stromes derart eingestellt wird, dass die Spannung am ersten Kondensator eingestellt werden kann. Vorteilhafterweise wird die Spannung am ersten Kondensator kleiner als die Spannung am zweiten Kondensator eingestellt.The object according to the invention is furthermore achieved by a method for operating the circuit arrangement according to the invention, wherein the half bridges are controlled or regulated such that a zero system of the current is adjusted such that the voltage at the first capacitor can be adjusted. Advantageously, the voltage at the first capacitor is set smaller than the voltage at the second capacitor.
Das Nullsystem (
Die elektrische Maschine kann über die Schaltelemente der Brücken auch so gesteuert oder geregelt werden, dass ein elektrisches Nullsystem vorliegt. Alternativ, wenn z. B. der gewünschte Betriebszustand der elektrischen Maschine dies nicht zulässt, ist es das Ziel, das Nullsystem auf null zu regeln. The electric machine can also be controlled or regulated via the switching elements of the bridges so that there is an electrical zero system. Alternatively, if z. If, for example, the desired operating state of the electrical machine does not permit this, the aim is to control the zero system to zero.
Vorteilhafterweise kann der Strom durch die Phasen (
Der erste Kondensator erfährt nur die Wirkung aus dem Stromanteil des Nullsystems, der eine zusätzliche Spannungsänderung bewirkt. Dadurch ist Energie am ersten Kondensator entnehmbar oder einspeisbar, je nach Phasenlage oder Betriebsmodus der elektrischen Maschine, d. h. abhängig davon, ob Motor- oder Generatorbetrieb. Eine Rückspeisung von Energie ist so möglich, z. B. beim Bremsvorgang.The first capacitor experiences only the effect of the current component of the zero system, which causes an additional voltage change. As a result, energy at the first capacitor can be removed or fed, depending on the phase position or operating mode of the electric machine, d. H. depending on whether motor or generator operation. A return of energy is possible, for. B. during braking.
Alternativ oder zusätzlich ist aufgrund des geringeren Spannungsabfalls am ersten Kondensator eine kleinere Dimensionierung des Stellers möglich.Alternatively or additionally, a smaller dimensioning of the actuator is possible due to the lower voltage drop across the first capacitor.
Alternativ oder zusätzlich ist Energie zwischen den Zwischenkreisen austauschbar.Alternatively or additionally, energy is interchangeable between the intermediate circuits.
Mit anderen Worten, das Nullsystem des Stromes in der Maschine kann für Steuerungszwecke der Schaltung genutzt werden.In other words, the zero system of the current in the machine can be used for control purposes of the circuit.
Die Spannungen der Kondensatoren können so individuell eingestellt bzw. geregelt werden. Vorteilhafterweise kann damit ein ungewolltes Ansteigen der Spannungen der Kondensatoren in manchen Betriebsbereichen nicht mehr passieren, da die Spannungen auf konstantem Niveau gehalten werden können. Konkret bleibt dabei die mittlere Spannung konstant.The voltages of the capacitors can be set or regulated individually. Advantageously, an unwanted increase in the voltages of the capacitors in some operating ranges can no longer occur because the voltages can be kept at a constant level. Specifically, the average voltage remains constant.
Weiterhin kann der Energiefluss zwischen verschiedenen DC-Quellen und der Drehstrom- oder Mehrphasenmaschine eingestellt werden. Weiterhin wird auch der bereits erwähnte Vorteil der Reduktion des Bauteilaufwandes (Masse/Volumen, Kosten) ermöglicht.Furthermore, the energy flow between different DC sources and the three-phase or multi-phase machine can be adjusted. Furthermore, the already mentioned advantage of reducing the component costs (mass / volume, costs) is made possible.
In einer besonderen Ausführungsform wird im Unterschied zu dem beschriebenen Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei einer ebenfalls beschriebenen Anordnung auf der negativen Seite die Halbbrücken dahingehend gesteuert oder geregelt werden, dass ein Nullsystem des Stromes derart eingestellt wird, dass die Spannung am zweiten Kondensator eingestellt werden kann. Dabei wird vorteilhafterweise die Spannung am zweiten Kondensator kleiner als die Spannung am ersten Kondensator eingestellt.In a particular embodiment, in contrast to the described method for operating the circuit arrangement according to the invention, in a likewise described arrangement on the negative side of the half-bridges are controlled or regulated so that a zero system of the current is adjusted so that the voltage set on the second capacitor can be. In this case, advantageously, the voltage at the second capacitor is set smaller than the voltage at the first capacitor.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Schaltungsanordnung mit mehreren DC-Stellern, wird der DC-Steller und der eine oder die mehreren weiteren DC-Steller phasenverschoben betrieben. Idealerweise beträgt die Verschiebung zwischen zwei benachbarten Phasen 360° dividiert durch die Anzahl der DC-Steller.In a particular embodiment of the method for operating a circuit arrangement with a plurality of DC controllers, the DC controller and the one or more further DC controllers are operated out of phase. Ideally, the offset between two adjacent phases is 360 ° divided by the number of DC controllers.
Die Schaltelemente der DC-Steller können z. B. mittels einer Mikrocontrolleransteuerung individuell geschaltet bzw. angesteuert werden und daher auch in einem beliebigen gewünschten Phasenversatz.The switching elements of the DC controller can z. B. individually switched by a microcontroller drive or driven and therefore in any desired phase offset.
Bei insgesamt zwei DC-Stellern würden sich bei einer 180° Phasenverschiebung die Ströme durch die beiden DC-Steller aufsummieren. Die einzelnen Rippelströme löschen sich teilweise aus, im idealen Fall vollständig. In der Praxis wird eine deutliche Reduktion des resultierenden Stromrippels ermöglicht. Die optimale Phasenverschiebung bei mehreren DC-Stellern errechnet sich durch die Formel: 360° / Anzahl der DC-Steller.With a total of two DC controllers, the currents through the two DC controllers would be summed up with a 180 ° phase shift. The individual ripple currents cancel each other out, in the ideal case completely. In practice, a significant reduction of the resulting current ripple is made possible. The optimum phase shift for several DC controllers is calculated using the formula: 360 ° / number of DC controllers.
Vorteilhafterweise können die beteiligten Bauelemente durch diese Ansteuerung mit geringeren Bauteilwerten dimensioniert werden, da die Strombelastung geringer ist. Weiterhin lassen sich durch das zugehörige Steuerverfahren alle Freiheitsgrade der Schaltung (Zwischenkreisspannungen, Maschinen- und Drosselströme) regeln.Advantageously, the components involved can be dimensioned by this control with lower component values, since the current load is lower. Furthermore, can be controlled by the associated control method all degrees of freedom of the circuit (DC link voltages, machine and inductor currents).
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings.
Es zeigen:
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1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, -
2 eine Schaltungsanordnung mit mehrphasigem DC-Steller, -
3 eine Schaltungsanordnung mit mehreren Stromversorgungen, -
4a eine Schaltungsanordnung mit dem DC-Steller auf der negativen Seite, -
4b zusätzlich mit mehrphasigem DC-Steller, -
4c zusätzlich mit mehreren Stromversorgungen.
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1 the circuit arrangement according to the invention, -
2 a circuit arrangement with multiphase DC controller, -
3 a circuit arrangement with several power supplies, -
4a a circuit arrangement with the DC adjuster on the negative side, -
4b additionally with multiphase DC controller, -
4c additionally with several power supplies.
In
Wie bereits erläutert, sind die Spannungsquelle, der DC-Steller
Der DC-Steller
DC-Steller
Die Anschlüsse für die Stromversorgung befinden sich angrenzend an die Stromversorgung
Den Zwischenkreis
Die beiden Halbbrücken
Kern der Schaltungsanordnung ist ein zweigeteilter Zwischenkreis
Die Brücken
Einen quasistationären, symmetrischen Betrieb vorausgesetzt, nimmt eine Brücke
Durch das zugehörige Steuerverfahren können von den Drehstrombrücken
Die Erfindung betrifft zusätzlich zu
In
Diese Schaltungsanordnung kann zusätzlich mit einem besonderen Verfahren betrieben werden. Dabei können mehrere oder alle der parallelen DC-Steller
In
Durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente der DC-Steller
In
Dabei ist dann auch die Position, bzw. Anschluss der zweiten Halbbrücke
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- Stromversorgungpower supply
- Q2Q2
- weitere Stromversorgungadditional power supply
- Uq U q
- Spannung der Spannungsquelle/StromversorgungVoltage of the voltage source / power supply
- SS
- DC-StellerDC regulator
- S2S2
- weitere DC-Stelleradditional DC controllers
- LL
- Drosselthrottle
- ZKZK
- ZwischenkreisDC
- C1C1
- erster Kondensatorfirst capacitor
- C2C2
- zweiter Kondensatorsecond capacitor
- UC1 U C1
- Spannung am ersten KondensatorVoltage at the first capacitor
- UC2 U C2
- Spannung am zweiten KondensatorVoltage at the second capacitor
- B1B1
- erste Halbbrückefirst half bridge
- B2B2
- zweite Halbbrückesecond half bridge
- MM
- elektrische Maschineelectric machine
- P1, P2, P3P1, P2, P3
- drei Phasenthree phases
- IP I P
- Strom durch die PhasenCurrent through the phases
- IG I G
- Nullsystem des StromesZero system of the stream
- UU U U
- unteres Potenziallower potential
- UM U M
- mittleres Potenzialmedium potential
- UO U O
- oberes Potenzialupper potential
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102014005124 A1 [0009]DE 102014005124 A1 [0009]
- DE 102014002592 A1 [0010]DE 102014002592 A1 [0010]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- M. Gommeringer, F. Kammerer, J. Kolb, M. Braun, „Novel DC-AC Converter Topology for Multilevel Battery Energy Storage Systems“, PCIM Europe 2013, Nürnberg, 14.-16. Mai 2013 [0006]M. Gommeringer, F. Kammerer, J. Kolb, M. Braun, "Novel DC-AC Converter Topology for Multilevel Battery Energy Storage Systems", PCIM Europe 2013, Nuremberg, 14.-16. May 2013 [0006]
- J. Kolb, M. Gommeringer, Karlsruher Institut für Technologie, „Schaltungsanordnung und Verfahren zum Austausch elektrischer Energie“ [0009]J. Kolb, M. Gommeringer, Karlsruhe Institute of Technology, "Circuitry and Methods for the Exchange of Electrical Energy" [0009]
- M. Gommeringer, A. Schmitt, J. Kolb, Karlsruher Institut für Technologie, „Schaltungsanordnungen und Verfahren zum Abgreifen elektrischer Leistung von mehreren Modulsträngen“ [0010]M. Gommeringer, A. Schmitt, J. Kolb, Karlsruhe Institute of Technology, "Circuit arrangements and methods for tapping electrical power from multiple module strings" [0010]
Claims (10)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017115646.1A DE102017115646A1 (en) | 2017-07-12 | 2017-07-12 | Circuit arrangement and method for exchanging electrical energy via an electrical machine |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102017115646.1A DE102017115646A1 (en) | 2017-07-12 | 2017-07-12 | Circuit arrangement and method for exchanging electrical energy via an electrical machine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102017115646A1 true DE102017115646A1 (en) | 2019-01-17 |
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ID=64745102
Family Applications (1)
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
DE102014002592A1 (en) | 2014-02-24 | 2015-08-27 | Karlsruher Institut für Technologie | Circuit arrangements and methods for tapping electrical power from multiple module strings |
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-
2017
- 2017-07-12 DE DE102017115646.1A patent/DE102017115646A1/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014002592A1 (en) | 2014-02-24 | 2015-08-27 | Karlsruher Institut für Technologie | Circuit arrangements and methods for tapping electrical power from multiple module strings |
DE102014005124A1 (en) | 2014-04-08 | 2015-10-08 | Karlsruher Institut für Technologie | Circuit arrangement and method for exchanging electrical energy |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
J. Kolb, M. Gommeringer, Karlsruher Institut für Technologie, „Schaltungsanordnung und Verfahren zum Austausch elektrischer Energie" |
M. Gommeringer, A. Schmitt, J. Kolb, Karlsruher Institut für Technologie, „Schaltungsanordnungen und Verfahren zum Abgreifen elektrischer Leistung von mehreren Modulsträngen" |
M. Gommeringer, F. Kammerer, J. Kolb, M. Braun, „Novel DC-AC Converter Topology for Multilevel Battery Energy Storage Systems", PCIM Europe 2013, Nürnberg, 14.-16. Mai 2013 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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